一种网状结构原位TiC增强铁基复合材料及其制备方法
文献发布时间:2024-04-18 19:52:40
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。
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