粉末冶金法制備陶瓷顆粒增強(qiáng)316L不銹鋼基復(fù)合材料及其性能

1、粉末冶金法制備陶瓷顆粒增強(qiáng) 316L 不銹鋼基復(fù)合材料及其性能奧氏體316L不銹鋼是一種優(yōu)秀的工業(yè)材料，兼具優(yōu)良的耐蝕性、韌性和生物 適應(yīng)性,被廣泛應(yīng)用在工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。然而 ,316L 的強(qiáng)度較低,耐磨損性 能差, 限制了它的高性能適用性。在鋼基體中 , 引入陶瓷顆粒 , 形成鋼鐵基體復(fù)合材料 , 可以解決上述問題 , 提 高316L的性能和適用性。SiC和Si3N4因具有高熔點(diǎn),高硬度,高耐磨損性等優(yōu) 點(diǎn),是不銹鋼基復(fù)合材料常用的增強(qiáng)體。粉末冶金法因其工藝簡(jiǎn)單、 本錢低、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料的近凈成形而成為 制備陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的常用方法。 本文采用粉末冶金法制備上述陶 瓷顆

2、粒增強(qiáng)316L復(fù)合材料，其中SiC以陶瓷先驅(qū)體一聚碳硅烷(PCS)的形式引入， 主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：(1)利用PCS受熱分解生成無(wú)定形納米SiC的特點(diǎn),本 文采用一種基于粉末冶金原位合成的新方法制備了亞微米陶瓷顆粒增強(qiáng)316L不銹鋼基復(fù)合材料。首先,將PCS溶于正己烷中,隨后參加316L粉末均勻攪拌。然后，將該混合溶 液置于可控溫電爐上邊加熱邊攪拌將正己烷完全蒸發(fā)掉 ,獲得PCS包覆316L復(fù)合 粉末。最后,復(fù)合粉末經(jīng)放電等離子燒結(jié)后即可獲得原位顆粒增強(qiáng) 316L復(fù)合材料。 原位生成顆粒的機(jī)制為擴(kuò)散控制的固相反響:PCS在800 C左右完全分解,生成 無(wú)定形納米SiC相;SiC在鐵基體中不

3、穩(wěn)定,分解成Si和C,Si進(jìn)入鐵基體,C與 Fe、 Cr 反響生成富 Cr 碳化物 M7C3。SEM和 TEM吉果說(shuō)明試樣在1050 C下燒結(jié)5 min后,原位生成的亞微米顆粒均勻分布在晶界 , 且與基體界面結(jié)合緊密。 原位生成的細(xì)小顆粒釘扎在晶界 , 阻止 晶粒生長(zhǎng) , 細(xì)化晶粒另外,PCS的引入可以促進(jìn)316L粉末的燒結(jié),提高燒結(jié)體致密度。(2)從材料 硬度、力學(xué)性能及耐磨損性能等方面考察了 PCS/316L復(fù)合材料的性能,并研究 了相應(yīng)的強(qiáng)化機(jī)理?？偟膩?lái)說(shuō)，由于晶粒細(xì)化和晶界強(qiáng)化作用,PCS的引入能有效提高復(fù)合材料 的硬度、拉伸強(qiáng)度和耐磨損性能。其中,添加3wt%PCS勺樣品具有最正確綜

4、合性能。其硬度值為341 ± 15 HV0.1,屈服強(qiáng)度為526 ± 7 MPa,極限拉伸強(qiáng)度可達(dá)898 ± 9 MPa,延伸率為6.13%,磨損率為3.966 X 10-5 mm3/Nm。與316L基體材 料的性能(硬度:195 ± 6 HV0.1,屈服強(qiáng)度:352 ± 5MPa磨損率2912 X 10-4mm3/Nm相比,其硬度提高了 75%屈服強(qiáng)度提高了 50%,磨損率減少了 7倍。(3)以PCS為水溶性粘結(jié)劑骨架組元,采用注射成形工藝(PIM)制備了PCS/316L復(fù)合材料。將 PCS參加組成為80:15:5wt%PEG:PVB:SA的

5、PEG基水 溶性粘結(jié)劑中 , 取粉末裝載量為 55vol%, 可制備出無(wú)明顯缺陷的注射坯。注射坯經(jīng)水脫脂和熱脫脂后將粘結(jié)劑脫除，隨后在900 C下預(yù)燒結(jié)可獲得 一定強(qiáng)度的脫脂坯。根據(jù)復(fù)合材料的致密度 , 拉伸強(qiáng)度和延伸率 , 確定成功制備 PIMPCS/316L復(fù)合材料的最正確燒結(jié)溫度為1250C,其中PCS占粘結(jié)劑的百分比為 5wt%。該條件下的材料致密度為 96.5%,拉伸強(qiáng)度為530.79 MPa延伸率為19.53%。 提高燒結(jié)溫度到1350 C或增加粘結(jié)劑中的PCS:匕例至10wt%,雖會(huì)提高材料的致 密度和拉伸強(qiáng)度,但材料的延伸率(< 5%遠(yuǎn)低于ASTMB883-17 PIM316L要求的 40%,說(shuō)明材料容易發(fā)生脆性斷裂 , 不適合工程應(yīng)用。通過改變燒結(jié)溫度和增強(qiáng)相含量,研究了 Si3N4對(duì)PIM 316L燒結(jié)行為的 影響。結(jié)果說(shuō)明Si3N4在鋼基體中不穩(wěn)定，高溫下發(fā)生分解引入的Si跟Fe反響生成液相可以促進(jìn)復(fù)合材料的快速致密化。1350 C下燒結(jié)1 h后,添加5wt%Si3N4材料的致密度到達(dá)99.1%,接近完全致密。相同溫度下，添加10wt%Si3N4材料由于液相過多出現(xiàn)坍塌。材料力學(xué)性能的 研究說(shuō)明添加5wt%Si3N4材料在1350 C下燒結(jié)1 h獲得最高極限拉伸強(qiáng)度 510.81 MPa。干滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，在1250E下燒結(jié)1 h,材料