2Cr33Ni48Mo10Fe10WC复合材料的组织与性能研究 毕业论文.doc
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1、 I 2Cr33Ni48Mo10Fe10/WC 复合材料的组织与性能研究 摘要本论文通过实验研究以 Cr、Ni、Mo、Fe 为主要合金成分,添加少量的 WC,采用感应加热烧结技术 合成制备 2Cr33Ni48Mo10Fe10/WC 高温合金复合材料。通过改变不同合金元素体积百分比来进行研究,而本实验主 要考查合金元素 Cr 含量的不同对其力学性能以及微观结构的影响。并制备 3 组掺杂不同 Cr 含量的金属基复合材料, 通过光学显微镜、X 射线衍射实验和显微硬度测试实验,对比研究合金元素 Cr 不同掺杂量对硬质合金的硬度、弯 曲强度、抗高温氧化性、耐腐蚀性等性能的影响。 关键词 2Cr 33Ni
2、48Mo10Fe10/WC 复合材料;Cr 体积分数;感应加热烧结技术;性能; RESEARCH ON MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF 2Cr33Ni48Mo10Fe10/WC COMPOSITES Abstract: This experimental study show that we can use Cr, Ni, Mo, Fe as the mainly alloy elements adding a small amount of WC, furthermore we use induction heating sintering technolo
3、gy synthetic to prepare 2Cr33Ni48Mo10Fe10/WC composite materials. Through changing different volume percent of alloy elements, and the experiment mainly examines influence of different mechanical properties and microstructure in the alloy elements of different content of Cr . And we prepare three gr
4、oups metal matrix composites of doping different content of Cr through the optical microscope, X-ray diffraction and micro-hardness testing experiment. Then we study comparatively the change of hard alloy of hardness, bending strength, high temperature resisting oxidizing, corrosion resistance, such
5、 as performance impact, which results from different alloy elements Cr doping in composites. Key words: 2Cr33Ni48Mo10Fe10/WC composite materials; Induction heating sintering technology; Performance; II 目 录 摘要 Abstract 1 引言 1 1.1 课题背景及研究现状 1 1.2 复合材料的发展趋势 1 1.2.1 金属基复合材料的现状 1 1.3 高温合金的发展现状 .2 1.3.1 高
6、温合金的特性 2 1.3.2 国外高温合金的研究现状 2 1.3.3 国内高温合金的研究现状 3 1.4 本课题的研究目的及意义 .3 2 材料的制备及试验方法 4 2.1 研究总路线设计 4 2.2 实验原材料及成分设计 5 2.2.1 实验用原材料 .5 2.2.2 材料的成分的设计 5 2.3 实验过程 .6 2.3.1 实验流程图 6 2.3.2 实验过程 6 III 3 2Cr33Ni48Mo10Fe10/WC 复合材料的组织与性能测试及分析 6 3.1 金相显微组织观察 .7 3.1.1 实验过程 7 3.1.2 金相显微镜观测图及分析 7 3.2 显微维氏硬度测试分析 .9 3.
7、2.1 试验数据的收集 9 3.2.2 实验结果分析 .9 4 结论与展望 9 4.1 实验结论 9 4.2 实验展望 9 致谢 11 参考文献 第 1 页 共 12 页 1 引言 由于近些年来,材料在机械工业、航天航空事业、能源及其他高科技领域的应用发展迅猛,我 国近几年在材料领域的研究与发展如雨后春笋,学科的设定与研究的目的意义逐渐结合,科研实践 性逐渐增强,在科研领域不仅仅研究基础制造业所需的结构材料,现在更多的是开发新型的材料, 进行多种材料的功能项复合,形成新型高适用性材料。此次选择的课题就是与工业生产实践相关的 滑块机体材料性能的改变状况,将研究为了实现较高强度、优越的耐高温性能、
8、较低导热能力的陶 瓷/金属复合的新型滑块材料,选择其中一个视角:研究其金属基体合金元素的掺杂情况,掺杂含 量的多少对复合材料有什么样的影响。这个课题开启了本次的实验。 1.1 课题背景及研究现状 随着现代机械、电子、化工、国防等工业的发展及航天、信息、能源、激光、自动化等高科技 进步,对材料性能的要求越来越高。除了要求材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐疲劳等性 能外,还对材料的耐磨性、尺寸稳定性、减震性、无磁性、绝缘性等提供特殊要求,甚至有些还要 求材料具有某些相互矛盾的的性能。随之“复合”已经成为改善材料的一种手段,新型复合材料的 研制和应用发展日益壮大。并且金属基复合材料是以陶瓷为增强
9、材料,金属为基体材料而制备的, 由于具有较高的比强度、比刚度等优异性能,近几十年来在世界范围内获得了广泛的研究和应用, 已发展成一类重要的材料。 金属基复合材料是以陶瓷为增强材料,金属为基体材料而制备的,由于具有较高的比强度、比 刚度等优异性能,近几十年来在世界范围内获得了广泛的研究和应用,已发展成一类重要的材料。 金属基复合材料在军事、航空、航天及民用工业等多个领域具有极大的应用潜力和广泛的应用前景 1-4。 1.2 复合材料的发展趋势 复合材料的发展趋势如下所示:1. 复合材料由宏观复合向微观复合发展,如:纤维增强复合 材料、纳米复合材料、分子复合材料;2. 复合材料向多元混杂复合和超混杂
10、复合发展,如:两种 纤维的复合应用,两种基体的复合应用等;3. 复合材料由结构复合为主向结构复合与功能复合并 重的方向发展,如:功能复合材料的开发与应用等;4. 复合材料由被动复合向主动复合材料发展, 所谓被动就是指在外界作用下材料只能被动承受某种作用或做出某种反应。主动材料就是指具备能 自诊断、自适应和自修补作用材料;5. 复合材料由常规设计向仿生设计方向发展,仿生设计就是 利用某种生物体的特征设计材料,仿生设计可以参照生物体的功能机制设计出新的功能材料。 复合材料的创新发展,尤其是前沿科技的发展,在航天航空领域的突飞猛进的发展,航空需要 的耐高温、高强度、质轻等等优越的性能。金属基复合材料
11、能将增强剂的高强度、高模量、高熔点 与金属基体的韧性、导热性能结合起来, 成为具有高比强度、高比模量、低热膨胀、耐热、耐磨、 耐氧化、导电等优异综合性能的材料, 具有广阔的应用前景, 是一种正在发展的新材料。金属基复 合材料的性能是本次研究的重要内容。 1.2.1 金属基复合材料的现状 金属基复合材料当前的制备方法如下: 1.粉末冶金复合法 粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同,包括烧结成形法、烧结制坯加塑法和加工 成形法等适合于分散强化型复合材料(颗粒强化或纤维强化型复合材料)的制备与成型。粉末冶金 复合法的工艺主要优点是:基体金属或合金的成分可自由选择,基体金属与强化颗粒之间不易发
12、生 第 2 页 共 12 页 反应;可自由选择强化颗粒的种类、尺寸,还可多种颗粒强化;强化颗粒添加量的范围大;较容易 实现颗粒均匀化。缺点是:工艺复杂,成本高;制品形状、尺寸受限制;微细强化颗粒的均匀分散 困难;颗粒与基体的界面不如铸造复合材料等。 2.铸造凝固成型法 铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。主要方法有搅拌铸造法、液相渗和法 和共喷射沉积法等。铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点,工业应用较 广泛。 3.喷射成形法 喷射成形又称喷射沉积(Spray Forming) ,是用惰性气体将金属雾化成微小的液滴,并使之向 一定方向喷射,在喷射途中与另一路由
13、惰性气体送出的增强微细颗粒会合,共同喷射沉积在有水冷 衬底的平台上,凝固成复合材料。凝固的过程比较复杂,与金属的雾化情况、沉积凝固条件或增强 体的送入角有关,过早凝固不能复合,过迟的凝固则使增强体发生上浮下沉而分布不匀。这种方法 的优点是工艺快速,金属大范围偏析和晶粒粗化可以得到抑制,避免复合材料发生界面反应,增强 体分布均匀。缺点是出现原材料被气流带走和沉积在效应器壁上等现象而损失较大,还有复合材料 气孔率以及容易出现的疏松。 4.叠层复合法 叠层复合法是先将不同金属板用扩散结合方法复合,然后采用离子溅射或分子束外延方法交替 地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料。这种复合
14、材料性能很好,但工艺 复杂难以实用化。目前这种材料的应用尚不广泛,过去主要少量应用或试用于航空、航天及其它军 用设备上,现在正努力向民用方向转移,特别是在汽车工业上有很好的发展前景。 5.原位生成复合法 原位生成复合法也称反应合成技术,金属基复合材料的反应合成法是指借助化学反应,在一定 条件下在基体金属内原位生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。一般这种增强相具 有高硬度、高弹性模量和高温强度的陶瓷颗粒,即氧化物、碳化物、氯化物、硼化物、甚至硅化物, 它们往往与传统的金属材料,如 Al、Mg、Ti 、Fe、Cu 等金属及其合金,或( NiTi、AlTi)等金属 间化合物复合,从而得到
15、具有优良性能的结构材料或功能材料。 金属基复合材料的原位复合工艺 基本上能克服其它工艺中常出现的一系列问题,如基体与增强体浸润不良、界面反应产生脆性、增 强体分布不均匀、对微小的(亚微米和纳米级)增强体极难进行复合等。它作为一种具有突破性的 新工艺方法而受到普遍的重视,其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生长法等。 1.3 高温合金的发展现状 1.3.1 高温合金的特性 高温合金是指以铁、钴、镍为基,能在 600以上高温下服役而研制的一类金属材料。高温合 金为单一的奥氏体基体组织,拥有较高的高温强度、抗氧化和抗腐蚀性能,具有良好的组织稳定性 和使用可靠性,又称热强合金和热稳定性高温合金,国外
16、常称之为超合金(Super alloy)。高温合金 按制备工艺分,可以分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末高温合金。本课题中高温合金 2Cr33Ni48Mo10Fe10 的制备即使用粉末冶金法制备。 1.3.2 国外高温合金的研究现状 高温合金的发展与航空发动机的进步密切相关。从 20 世纪 30 年代后期起,英、德、美等国家 就开始研究高温合金。航空发动机的发展与高温合金发展是齐头并进、密不可分的,前者是后者的 主要动力,后者是前者的重要保证。占据着航空发动机中温度最高,应力最复杂的位置的铸造涡轮 叶片合金发展尤其是这样。40 年代初,在英国由于当时 Whittle 喷气发动机的出现,要求比
17、奥氏体 不锈钢蠕变性能更好的板材和棒材。英国 Mond 公司(现称国际镍公司 )1941 年生产了加入少了 C 第 3 页 共 12 页 和 Ti 的 Nimonic75 合金,用作短时使用的叶片材料,后来加入 Al 并增加 Ti 含量,不久发展了 Nimonic80 合金,并在 1942 年成功地用作涡轮喷气发动机的叶片材料,这是最早发展的以 Ni:(Al,Ti)强化的涡轮叶片材料。此后该公司又在合金中加入 B,并调整 Al、Ti 含量,开发成功 Nimonic80A 合金,为进一步改善蠕变和持久性能,以 Co 替代基体中的部分 Ni,发展了 Nimonic90 合金,又加入 Mo 得到 N
18、imoniel00 等合金,形成 Nimonie 系统美国 Halhwdl 于 1932 年开发了 K42B 合金,并应用于制造活塞式航空发动机的增压涡轮,美国国际镍公司在 1939 年发展了 Ni、Cr、Fe 系固溶强化的 Inconel600,在此合金的基础 L 力I 入 Al、Ti 得到一系列以 Y 强化的合 金,形成 Inconel 系列镍基合金,用以制作喷气发动机的燃烧室等。其中 InconelX750 是加入 Al、Ti 、Nb 而得到广泛应用的合金。50 年代初期 Pratt随后又发展了难变形合金的包套墩粗和包套模锻,以代替 国外常用的热模锻和等温锻造工艺。最近开发的难变形合金锭
19、自由锻开坯时的软包套技术也是一项 重大创新。在仿制合金的研制和使用过程中,根据使用中出现的问题,对原合金进行了改进,如 GH4133 和 K417G 等,有许多仿制合金,经研究和创新,性能水平明显地优于原合金。根据需要, 我国也自行开发了一批新合金,其中也包括一系列铁镍基合金和金属间化合物基高温材料。在系统、 深入的研究基础上,也发展了一些有特色的理论与技术,指导了材料的发展和应用 8。 1.4 本课题的研究目的及意义 轧钢加热炉中的滑块目前使用的是铸造 2Cr33Ni48Mo10Fe10 高温合金,但它导热系数较高,易在 钢坯表层形成“黑带”进而导致所轧制的钢板组织结构和产品性能的不均匀,影
20、响了中厚板产品的 质量。为了试图解决这一问题,需要研制开发强度较高、高温性能优越、导热能力较低同时又不显 著增加综合成本的陶瓷/金属复合的新型滑块材料,并与原滑块的基底构成复合结构。研究以 Cr、Ni、Mo、Fe 为主要合金成分,添加少量的 WC,采用感应加热烧结技术合成制备 2Cr33Ni48Mo10Fe10/WC 高温合金复合材料。通过改变不同合金元素体积百分比,考查不同合金元素 含量对其力学性能以及微观结构的影响,从而形成高温合金复合材料性能的理论基础。主要研究合 金元素不同掺杂量对硬质合金的硬度、弯曲强度、抗高温氧化性、耐腐蚀性等性能的影响。 对于“2Cr 33Ni48Mo10Fe10
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