耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷及其设计与制备方法

本发明涉及合金材料，尤其涉及一种耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷及其设计与制备方法。

背景技术：

1、tic基/ti(c，n)基金属陶瓷因其高硬度，低密度和良好的耐腐蚀性能以及耐磨性能已经应用到精加工和半精加工刀具和耐磨材料领域。随着服役环境温度的进一步升高，传统以co、ni、fe等为粘接相金属陶瓷的在高温下服役性能差的短板逐渐显现；在高温条件下粘结相容易发生软化，伴随着剪切力的作用，导致粘结相的容易基础，是的金属陶瓷材料的金属-陶瓷双相结构遭到破坏，亟需改善粘结相的种类以提升金属陶瓷的耐高温性能。而具有l12-面心立方结构的金属间化合物ni3al(γ’)作为ni基高温材料重要组成部分，其硬度在一定温度下随着温度的升高而升高，在高温下能够保持较高的强度和硬度，具有优越的耐高温性能、耐腐蚀性能以及抗氧化性能。以ni3al作为金属陶瓷ni粘结相的第二相粒子添加有利于提升金属陶瓷的高温硬度和抗蠕变性能。均有利于金属陶瓷耐高温性能的提升。

2、除了高温性能会对金属陶瓷的高温磨损性能有影响之外，金属陶瓷的高温磨损性能还会受到金属陶瓷固有硬度以及粘结相与硬质相的力学适配性的影响。较高的硬度以及良好的硬质相与粘结相的力学适配性，在抵抗粘结相因高温塑性变形而被挤出方面起到重要的作用。在制备金属陶瓷之前，通过第一性原理计算粘结相的硬度以及粘结相与硬质相的力学适配性，可以为金属陶瓷高温磨损性能的预测提供理论依据，对金属陶瓷粘结相的相结构预筛选起到关键作用。然而通过预筛选具有高硬度以及良好的力学适配性的相结构，在实验制备金属陶瓷的过程中还会因为其他金属元素的存在如：陶瓷相ti(c，n)中的ti原子，在烧结时会有部分的ti原子固溶到粘结相中，使得相区间移动导致制备的金属陶瓷粘结相的相结构发生改变。盲目的猜测相结构生成时元素原子的比例，会导致材料的研究与开发周期变长。

3、在wc基硬质合金中，在γ(co)粘结相中引入γ’(co3al)相在硬度，耐腐蚀性能，耐磨损性能上表现出优越性。授权公告号：cn 103602871 b一种高耐磨性、高强度硬质合金及其制备方法，采用co2al9，co4al13，coal3，co2al5，coal粉末为al源，以co3w3c，co2w4c、co3w6c、co6w6c、co3w9c4、co3w10c4、co2w8c3等η相粉末制备硬质合金，能够有效避免过多氧的引入。然而γ’(co3(al，w))相在高温下以亚稳态的形式存在，在高温服役一段时间后就会分解成b2-coal相和d019-co3w相，容易造成高温强化作用失效。在三元co-al-w合金中添加其他金属元素往往会导致脆性金属间化合物相的形成。这些金属间化合物相的存在可能会导致材料严重的脆化和灾难性的脆性断裂。相比之下，镍基高温合金中，l12型ni3al析出物在高达1100℃时仍可以保持稳定，且不会形成其他有害相。l12结构的ni3al更适合作为强化剂加入到粘结相中，提升材料的耐高温性能。

4、然而，仅仅是通过比例的添加很难确定粘结相中的相分数以及相种类，因此使用相图指导设计合理的金属陶瓷制备工艺十分重要，但目前的技术方案中缺乏针对这种情形的合理设计指导。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷及其设计与制备方法。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷的设计方法，其包括：

4、(1)根据目标金属陶瓷相结构确定合金元素的种类，获得目标金属陶瓷体系；

5、(2)建立所述目标金属陶瓷体系的热力学数据库；

6、(3)基于所述热力学数据库计算合金相图，获得不同的相形成的成分区间以及热处理条件；

7、(4)使用第一性原理的方法预测其中的粘结相的基本性能，筛选粘结相的相结构，所述基本性能包括所述粘结相的理论硬度、所述粘结相与硬质相的力学适配性，以及所述粘结相的脆性/韧性行为。

8、第二方面，本发明还提供一种耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷的制备方法，其包括：

9、采用上述设计方法获得目标金属陶瓷体系的粘结相的相结构；

10、基于所述相结构采用粉末冶金的方法制备金属陶瓷样品；

11、对所制备金属陶瓷样品进行结构验证及高温磨擦性能进行测试，验证所述金属陶瓷样品，最终确定一种耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷的组分及制备条件。

12、第三方面，本发明还提供了一种耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷，其包括硬质相和粘结相，所述硬质相通过所述粘结相相互结合；

13、所述硬质相包括ti(c，n)相，所述粘结相包括γ相和γ’相，所述γ相为ni，所述γ’相为ni3al。

14、基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

15、本发明所提供的技术方案通过热力学数据库的建立以及基于相图计算和第一性原理的方法，针对粘结相的基本特性进行选择，为硬质相匹配最优的粘结相的相结构，并匹配最优的热处理条件，从而获得性能优异的耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷，所提供的设计方法能够明确粘结相中的相分数以及相种类，使用相图指导设计合理的金属陶瓷制备工艺，提高了金属陶瓷的研制效率，并加强了对于金属陶瓷相结构与性能关系的理解。

16、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

技术特征：

1.一种耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷的设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述目标金属陶瓷体系至少包括ti、ni、al、c、n五种元素；

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤(2)具体包括：

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述热处理条件包括液相烧结温度、热处理温度以及冷却速度；

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，步骤(4)中，使用第一性原理的方法预测粘结相的基本性能，从而筛选粘结相的相结构。

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，具体包括：

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述第一性原理的计算过程表示为：

8.一种耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，具体包括：

10.一种耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷，其特征在于，包括硬质相和粘结相，所述硬质相通过所述粘结相相互结合；

技术总结本发明公开了一种耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷及其设计与制备方法。所述设计方法包括：确定合金元素的种类，获得目标金属陶瓷体系；建立热力学数据库；计算合金相图，获得不同的相形成的成分区间以及热处理条件；使用第一性原理的方法预测其中的粘结相的基本性能，筛选粘结相的相结构，所述基本性能包括所述粘结相的理论硬度、所述粘结相与硬质相的力学适配性，以及所述粘结相的脆性/韧性行为。本发明为硬质相匹配最优的粘结相的相结构，并匹配最优的热处理条件，从而获得性能优异的耐高温磨损复合粘结相金属陶瓷，使用相图指导设计合理的金属陶瓷制备工艺，提高了金属陶瓷的研制效率，并加强了对于金属陶瓷相结构与性能关系的理解。技术研发人员：常可可,阚高辉,娄明,吕健,徐凯,王林静受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/1