FeCr基复合耐磨材料的气压辅助燃烧合成制备新技术和机理

This project develops a new technique of gas pressure-assisted combustion synthesis to prepare FeCr-based metal-matrix composite. From reaction system with Al-Fe2O3-CrO3 and Ti-B4C, FeCr/TiC-TiB2 metal-matrix composite is produced by gas pressure-assisted combustion synthesis. The effect of starting composition on combustion reaction kinetics, microstructure and properties of the products is investigated. The nucleation and crystal growth mechanism in hot melts produced from highly-exothermic combustion reactions is studied. By the optimization of composition and processing parameters, FeCr-based metal-matrix composites with expected microstructure and good wearing resistance are produced. By this project, a new technique that can replace surface welding is developed for preparing materials with good wearing resistance.

本课题旨在建立一种针对FeCr基复合耐磨材料的气压辅助燃烧合成制备新技术。通过将Al-Fe2O3-CrO3铝热燃烧体系与Ti-B4C燃烧反应体系相结合，采用气压辅助燃烧合成技术制备出FeCr/TiC-TiB2金属基陶瓷复合材料；研究得出组分设计、燃烧反应特征与产物结构及耐磨性能之间的关系规律；揭示燃烧反应形成的高温熔体中的形核生长机制；通过燃烧体系组分优化和工艺调整，制备出具有结构可调控、耐磨性优异的FeCr金属基陶瓷复合耐磨材料。 通过课题研究，有望发展出一种可替代堆焊工艺的耐磨材料制备新技术，获得自主知识产权，为我国耐磨领域亟需的一大批高端材料的研制，提供理论、材料和制备技术的支撑。

本研究旨在利用燃烧合成制备出TiC和TiB2颗粒局部增强Fe-Cr基复合耐磨材料，为了明确复合材料制备过程中原料条件对利用Al-(Fe2O3/Fe3O4/FeO)-(Cr2O3/CrO3)-B4C-Ti反应体系制备的材料的组织结构的影响，研究了实验用原材料的种类、反应产物中硬质相质量分数、Fe/Cr质量比、反应压力、铁氧化物粒径、铁粉加入量等对实验结果的影响，得到如下结论：.1）Al-CrO3、Al-Cr2O3、Al-Fe2O3、Al-Fe3O4、Al-FeO和Ti-B4C二元系的绝热温度分别为3966.5K、2831K、3134.13K、3134.10K、3016.69K和2996.51K。绝热温度随Fe/Cr质量比和硬质相质量分数的增加而降低，但是对于Al-Fe2O3-CrO3-B4C-Ti和Al-Fe3O4-CrO3-B4C-Ti系而言，绝热温度的降低速率与Fe/Cr质量比无关，而Al-FeO-CrO3-B4C-Ti系的绝热温度的降低速率随Fe/Cr质量比的降低而增加。.2）为了避免坩埚参与反应，选取石英坩埚较为妥当；与Cr2O3相比，选择CrO3作为含铬原料时焊接性能较好，反应产物与渣的分离效果也更好；以Fe2O3为含铁原料制备陶瓷复合材料时反应产生的渣量更多，反应产物与渣的分离效果较差；以FeO为含铁原料制备陶瓷复合材料时，渣量小，但是由于Al和FeO反应的放热量低，焊接成功率低；综合考量，以Fe3O4为含铁原料制备陶瓷复合材料较佳。.3）Fe/Cr质量比为4时，随着硬质相质量分数的增加，硬质相的尺寸增加，并且，硬质相的存在形式也发生了变化，且硬质相尺寸增加对孔隙率的影响更大。硬质相质量分数为15%，Fe/Cr质量比在4~20范围内时，体系的绝热温度超过了Fe和Cr的蒸发点，所以Fe/Cr质量比值增加，孔隙率没有明显变化。随着料层高度的降低，因反应产物凝固速率大于气泡上浮速率，焊接层中的气孔率没有显著变化。Fe/Cr质量比为4，硬质相质量分数为15%时，随着压力的增加，孔隙率先增加后降低。.4）对孔隙率的影响从大到小排序依次为初始Fe质量百分数＞Fe/Cr质量比＞Fe3O4粒径＞压力＞硬质相百分数。初始Fe质量百分数为15%，Fe/Cr质量比为15，Fe3O4粒径大于60目，压力大小为0.5MPa，硬质相百分数为5%时，孔隙率最低。