一种网状结构原位TiC增强铁基复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种网状结构原位TiC增强铁基复合材料及其制备方法。

背景技术

316L不锈钢因其具有优异的力学性能、高耐腐蚀性和优异的成形性，在汽车、航空航天、船舶、生物医学及核电等领域得到了广泛的应用。316L不锈钢低的屈服强度和较差的耐磨性限制了其在机械部件如轴承、齿轮、制动器等的进一步应用。如何在不大幅度影响316L钢腐蚀性能的前提下，提高316L钢的机械性能成为当前材料的研究重点。

现有技术往往通过调控316L的合金元素来提高其力学性能，然而，其提高幅度有限，且耐磨性能难以有质的改变。此外，传统的复合材料制备方法往往是在316L基体中外加陶瓷颗粒，此方法易造成增强颗粒与基体界面润湿性差、界面结合力不高，同时复合材料强度提高的同时往往大幅度牺牲其塑性及耐腐蚀性。专利申请号为CN202011559012.X的发明专利“一种高强耐蚀的新型316L合金”通过优化C、V及Ti等合金成分，在保证合金耐蚀性能的前提下提高了其力学性能，但其硬度及耐磨性能难以有明显的提升。由于陶瓷颗粒增强316L基复合材料具有高模量、高屈服强度、优良的耐磨性以及制备简单等优点，这引起了研究者的兴趣。专利申请号为CN201810200246.1的发明专利“TiC/316L复合材料及其制备方法”以外加TiC与316L粉末为原材料，采用注射成型技术制备了TiC/316L复合材料，其硬度为238～288HV，抗拉强度502～508MPa，摩擦系数0.55～0.70。该方法需加入一定量的粘结剂，且外加陶瓷颗粒与基体润湿性差，界面结合力弱等因素在一定程度上降低了复合材料的力学性能。

可见，如何改善陶瓷颗粒与Fe基体间的润湿性、提高界面结合强度，以及在保证耐腐蚀性能的前提下具有优异的机械性能成为316L基复合材料面临的技术难题。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种三维网状结构原位形成TiC颗粒增强316L基复合材料及其制备方法，旨在改善复合材料的界面结合强度，在保留耐腐蚀性的前提下提高复合材料的强韧性及耐磨性。本发明解决的技术问题是克服现有陶瓷颗粒增强316L不锈钢基复合材料面临的界面润湿性差、界面结合强度不足以及在强度、耐磨性提高的同时往往牺牲其耐腐蚀性能等问题。本发明以气雾化316L和Ti

具体技术方案如下：

本发明的目的之一是提供一种网状结构原位TiC增强铁基复合材料，通过原料烧结获得，其原料包括316L不锈钢粉和Ti

TiC因具有密度低、熔点高、热稳定性好、硬度高、耐磨性优异等优点，是316L基复合材料的理想增强材料。考虑到Ti

进一步，原料中，Ti

进一步，所述的316L不锈钢粉为气雾化316L不锈钢粉。

进一步，所述的316L不锈钢粉的中位粒度为45～80μm。

进一步，所述的Ti

本发明的目的之二是提供上述网状结构原位TiC增强铁基复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

(1)球磨：对316L不锈钢粉和Ti

(2)真空热压烧结：将原始粉末装入模具，在真空热压烧结炉中进行烧结；烧结结束后，随炉冷却至室温，得到网状结构原位TiC增强316L基复合材料。

本发明采用低能球磨及真空热压烧结制备具有网状结构的原位生成TiC增强316L复合材料。先采用低能球磨工艺使得Ti

进一步，步骤(1)中，球磨的球料质量比优选为(3～5):1，更优选为5:1。

进一步，步骤(1)中，进行低能球磨，球磨转速优选为150～250r/min，更优选为200r/min；球磨时间优选为5～10h，更优选为8h。

进一步，步骤(1)中，优选在惰性气体保护下进行球磨，惰性气体优选为氩气。

进一步，步骤(2)中，真空热压烧结优选分为两阶段烧结；第一阶段烧结的温度为600～800℃，烧结压力10～15MPa，保温20～40min；第二阶段烧结的温度为1100～1200℃，烧结压力为25～35MPa，保温时间为30～60min。

其中，真空热压烧结的升温速率优选为5～10℃/min。

进一步，步骤(2)中，优选在真空度低于1×10

进一步，步骤(2)中，所述的模具优选为石墨模具。

本发明的有益效果如下：

本发明以气雾化316L粉和Ti

附图说明

图1为本发明网状结构原位TiC/316L复合材料的制备方法流程图；

图2为本发明实施例1制得TiC/316L复合材料的SEM照片；

图3为本发明实施例1制得TiC/316L复合材料的XRD曲线；

图4为本发明实施例1制得TiC/316L复合材料的工程应力-应变曲线；

图5为316L不锈钢烧结试件和本发明实施例1制得的TiC/316L复合材料的塔菲尔曲线图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获取。

各实施例中：气雾化316L不锈钢粉的粒度为200目，中位粒度为69.5μm；Ti

实施例1

制备网状结构原位TiC增强铁基复合材料，步骤如下：

(1)球磨：按质量百分比计算，将6wt.％的Ti

(2)真空热压烧结：将步骤(1)获得的原始粉末放入到直径为30mm的石墨模具中，采用真空热压烧结工艺制备TiC/316L复合材料；真空度控制在1×10

制得的TiC/316L复合材料的SEM照片如图2所示；制得的TiC/316L复合材料的XRD曲线如图3所示；制得的TiC/316L复合材料的工程应力-应变曲线如图4所示；制得的TiC/316L复合材料的塔菲尔曲线图如图5所示(试验条件参照测试部分)。

实施例2

制备网状结构原位TiC增强铁基复合材料，步骤如下：

(1)球磨：按质量百分比计算，将3wt.％的Ti

(2)真空热压烧结：将步骤(1)获得的原始粉末放入到直径为30mm的石墨模具中，采用真空热压烧结工艺制备TiC/316L复合材料；真空度控制在1×10

实施例3

制备网状结构原位TiC增强铁基复合材料，步骤如下：

(1)球磨：按质量百分比计算，将9wt.％的Ti

(2)真空热压烧结：将步骤(1)获得的原始粉末放入到直径为30mm的石墨模具中，采用真空热压烧结工艺制备TiC/316L复合材料；真空度控制在1×10

测试

根据GB/T 4340.1-2009标准，利用维氏硬度计对实施例1～3制得的TiC/316L复合材料的硬度进行测试；根据GB/T 228.1-2021标准，采用万能拉伸实验机对实施例1～3制得的TiC/316L复合材料进行拉伸试验；采用往复摩擦磨损试验机对实施例1～3制得的TiC/316L复合材料进行摩擦磨损测试，其测试参数为摩擦行程长度为10mm，频率为2Hz，加载载荷为10N，磨擦试验持续60min，选用氮化硅球作为摩擦副。根据GB/T 24196-2009标准，利用CS300电化学工作站对实施例1～3制得的TiC/316L复合材料在3.5wt.％NaCl溶液中进行电化学腐蚀行为测试。测试结果见表1。实施例1的拉伸试验工程应力-应变曲线如图4所示。实施例1和316L不锈钢烧结试件的耐腐蚀性测试的塔菲尔曲线如图5所示。

表1

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。