熱爆合成NiAl-WC復(fù)合材料工藝與性能研究.pdf

1、NiAl金屬間化合物具有高熔點(diǎn)、低密度、高熱導(dǎo)率和優(yōu)異的抗氧化性，因此被認(rèn)為是最有希望得到廣泛應(yīng)用的高溫結(jié)構(gòu)材料之一。然而，由于其室溫延展性較低和高溫強(qiáng)度較低，所以單純采用NiAl金屬間化合物作為高溫結(jié)構(gòu)材料使用受到了很大的限制。
　　WC陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性、低熱膨脹系數(shù)以及良好的抗氧化性與耐腐蝕性，因而作為耐腐蝕、抗高溫的現(xiàn)代工具材料得到了廣泛應(yīng)用。在NiAl金屬間化合物中加入非反應(yīng)物的WC陶瓷顆粒，可以在室溫和高

2、溫下顯著提高其力學(xué)性能。
　　本文基于Ni-Al-WC三元系的熱力學(xué)分析，通過熱爆合成輔助加壓工藝制備出不同WC含量的NiAl/WC復(fù)合材料，并且研究了其力學(xué)性能和高溫性能。為了進(jìn)一步改善NiAl/WC復(fù)合材料的力學(xué)性能，在NiAl/WC中加入Fe，并通過熱爆合成方法制備出NiAl/WC-Fe復(fù)合材料。最后，通過激光熔覆方法在碳鋼表面制備了NiAl/WC復(fù)合材料涂層，并對(duì)涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。
　　本文基于熱力學(xué)原理

3、分析了絕熱溫度(Tad)和預(yù)熱溫度(T0)之間的關(guān)系，預(yù)熱溫度(T0)和WC含量（wt％）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果表明，提高Ni-Al-WC三元系的預(yù)熱溫度能夠提高熱爆反應(yīng)的絕熱溫度(Tad)，隨著WC含量增加，系統(tǒng)的絕熱溫度相應(yīng)降低;對(duì)于973K的預(yù)熱溫度，通過計(jì)算，熱爆合成制備NiAl/WC復(fù)合材料時(shí)，WC含量的最大值約為34wt％。雖然，在一定條件下，絕熱溫度隨著預(yù)熱溫度的升高而升高，并且當(dāng)WC含量過多且絕熱溫度小于1912K時(shí)，

4、適當(dāng)增加預(yù)熱溫度可以確保反應(yīng)自持。
　　在材料制備過程中，一方面采用在不同加熱速率的熱爆合成方法制備出不同WC含量的NiAl/WC復(fù)合材料;另一方面采用在700℃下輔助30MPa壓力的熱爆合成工藝制備出NiAl/WC復(fù)合材料。對(duì)比結(jié)果表明，通過均勻升溫至熱爆反應(yīng)制備的NiAl/WC復(fù)合材料的外觀表面粗糙，存在大量的孔，最大WC含量約為20wt％。NiAl/WC復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)更致密，WC含量可達(dá)30wt％。通過熱爆合成+熱輔助加壓制

5、備的NiAl/WC復(fù)合材料的致密度高達(dá)92％。因此，熱爆合成輔助加壓工藝制備的高致密度NiAl基復(fù)合材料具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
　　本文基于三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)原理測(cè)試了NiAl/WC和NiAl/WC-Fe兩種復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。結(jié)果表明，由于WC陶瓷顆粒的強(qiáng)化作用，NiAl/WC的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性隨著WC含量的增加而得到顯著的提高，NiAl/WC的斷裂機(jī)制主要是是沿晶斷裂和穿晶斷裂。在加入不同成分Fe的NiAl/WC復(fù)合材料中

6、，F(xiàn)e的固溶強(qiáng)化作用和對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用，斷口形貌中出現(xiàn)了一定數(shù)量的韌窩，其彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性都明顯得到改善。
　　本文研究了NiAl/WC復(fù)合材料在800℃下的組織和磨損行為。研究結(jié)果表明，NiAl/WC復(fù)合材料在800℃時(shí)主要表現(xiàn)為氧化磨損;隨著WC含量的增加，NiAl/WC復(fù)合材料的摩擦系數(shù)在經(jīng)過一定摩擦周期后趨于減小，因而磨損率逐漸降低。WC陶瓷顆粒的添加對(duì)高溫下的磨損起到了明顯的阻礙作用，從而大大改善了改善了NiAl/WC

7、復(fù)合材料的高溫耐磨性。
　　本文對(duì)NiAl/WC復(fù)合材料在1000℃和100小時(shí)的高溫循環(huán)氧化性能和氧化機(jī)制進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，該復(fù)合材料表面主要由脊?fàn)瞀?Al2O3、少量針狀α-Al2O3、NiO和未氧化的WC組成。NiAl/WC復(fù)合材料在氧化初始重量明顯增加，基本符合拋物線的規(guī)律。研究結(jié)果還表明，隨著WC含量增加，NiAl/WC復(fù)合材料的抗氧化性有所降低，這是因?yàn)閃C的存在破壞了復(fù)合材料表面Al2O3膜的連續(xù)性，產(chǎn)生了裂紋和

8、空穴。類似地，NiAl/WC-Fe復(fù)合材料隨著Fe含量增加，其高溫抗氧化性也降低。
　　通過激光熔覆方法制備的NiAl/WC涂層具有均勻的組織結(jié)構(gòu)，由于高能量激光束的作用，NiAl/WC涂層被重新熔化，其組織結(jié)構(gòu)比NiAl/WC復(fù)合材料更致密，而且NiAl/WC涂層與碳鋼基體呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。研究結(jié)果表明，WC含量低的NiAl/WC涂層中顆粒在高溫激光能量作用下轉(zhuǎn)變?yōu)闃渲?，但是WC含量高的涂層中顆粒由于WC的稀釋作用明顯，WC

9、的形狀變化很小。除了NiAl和WC之外，在添加有Fe的NiAl/WC涂層中形成了FeAl相。經(jīng)激光重熔后，白色的WC顆粒分布在FeAl相中， NiAl/WC-Fe涂層沒有發(fā)現(xiàn)空洞和裂紋等缺陷，并且與碳鋼基體形成良好的冶金結(jié)合，F(xiàn)e的加入改善了NiAl/WC涂層的組織結(jié)構(gòu)。
　　本文制備的NiAl/WC復(fù)合材料具有較高的致密度、良好的力學(xué)性能和高溫耐磨性，可以作為優(yōu)質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于高溫下的惡劣工作環(huán)境。采用熱爆合成輔以熱輔助加壓