[发明专利]一种基于双相结构复合粉末的金属陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于双相结构复合粉末的金属陶瓷材料及其制备方法，属于材料工程技术领域，本发明以具有良好塑性变形能力的低陶瓷含量金属陶瓷外壳或金属包覆10‑50微米的大粒径硬质颗粒的双相结构金属陶瓷复合粉末为喷涂粉末，采用冷喷涂工艺(Cold Spray)沉积涂层或直接沉积块体材料。该方法为制造具有高耐磨性及高韧性金属陶瓷涂层或块材提供一种新的显微结构设计方法和制备手段。

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，关于一种兼具高韧特性和高耐磨特性的金属陶瓷的制备方法，该方法既可以制备涂层也可以制备块材。

背景技术

硬质合金是一类采用具有良好塑性和韧性的金属粘结相将高体积分数硬质陶瓷相粘接在一起形成的金属陶瓷复合材料。由于金属陶瓷兼具陶瓷材料的高硬度、耐磨损性能及金属材料的塑韧性，因此以整体构件及涂层形式在切削刀具、采矿机械、破碎机械等磨损服役条件下广泛使用。

迄今的研究表明，金属陶瓷的硬度与耐磨性为正相关关系。金属陶瓷的硬度主要取决于金属与陶瓷的种类、陶瓷颗粒的含量及粒径分布、陶瓷颗粒与金属基体的结合状态等。对于相同成分与含量的金属陶瓷，硬度随硬质颗粒尺寸的减小而增加，纳米结构硬质合金的硬度显著高于普通硬质合金。以广泛应用的 WC-12Co硬质合金材料为例，当WC颗粒平均尺寸从约1μm减小至约150nm时，材料的硬度从1300HV提高至2000HV。然而，随WC颗粒尺寸从微米级向纳米级减小，韧性显著减小。以WC-6Co体系为例，当陶瓷相的粒径从1.4μm减小到约0.3μm时，断裂韧性从12-15MPa·m^0.5迅速降低到约为5MPa·m^0.5。

但是在如采矿机械、破碎机械等具有冲击载荷作用的磨损工况下，工业应用中通常选用具有较低含量微米尺度陶瓷颗粒的低硬度金属陶瓷，以牺牲一定耐磨性为代价避免硬质合金构件出现由于韧性较低而发生开裂引起剥落、破碎失效。

因此，如何通过硬质合金显微结构的合理设计，在确保硬质合金具有高硬度的同时具有高的断裂韧性，从而使硬质金属陶瓷具有高耐磨性能是当前本领域尚待解决重要技术难题。

发明内容

针对金属陶瓷的高硬度与高断裂韧性存在矛盾而较难调控其耐磨性能的问题，本发明的目的在于提供一种采用双相结构粉末作为喷涂粉末制备金属陶瓷材料的方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种基于双相结构复合粉末的金属陶瓷材料，该金属陶瓷材料选择双相结构复合粉末作为喷涂粉末，采用冷喷涂法沉积涂层或构件制得；

其中：

所述双相结构复合粉末为粒径在15～60μm的核壳结构粉末，核壳结构粉末中：外壳为陶瓷含量小于40vol.％的金属陶瓷或金属，作为制备的金属陶瓷材料的粘结相；内核为陶瓷颗粒或者陶瓷含量65vol.％的硬质金属陶瓷，作为制备的金属陶瓷材料的增强相。

优选地，外壳采用WC-Co、NiCr-Cr3C2、WC-Ni、TN-Ni金属陶瓷粉末颗粒或者Ni、Co；内核采用WC-Co、NiCr-Cr3C2、WC-Ni、TN-Ni金属陶瓷粉末颗粒。

进一步优选地，外壳采用的金属陶瓷粉末颗粒和内核采用的金属陶瓷粉末颗粒为纳米级、亚微米级和微米级中的一种或几种。

优选地，核壳结构粉末中外壳的层厚为2～10μm。

优选地，内核的直径为10～50μm。

优选地，双相结构复合粉末通过球磨、化学镀或气相 沉积法制备.

本发明还公开了上述的基于双相结构复合粉末的金属陶瓷材料的制备方法，选用粒径为15-60μm的双相结构复合金属陶瓷粉末作为喷涂粉末，采用冷喷涂法沉积涂层或构件，冷喷涂的低温特性能够将双相结构复合金属陶瓷粉末的结构保留在涂层或构件中。