智红梅 ， 周　燕 ， 高秋菊

(1.河南化工职业学院 药学与检验系 ， 河南 郑州　450042 ； 2.白鸽磨料磨具有限公司 超硬制品分公司 ， 河南 郑州　450001)



•综述与述评•

高温耐磨材料制备方法研究进展

智红梅1， 周燕1， 高秋菊2

(1.河南化工职业学院 药学与检验系 ， 河南 郑州450042 ； 2.白鸽磨料磨具有限公司 超硬制品分公司 ， 河南 郑州450001)

摘要：高温耐磨材料是一种新型材料，具有良好的耐高温和耐磨损性能。重点介绍了烧结法、原位合成法、胶黏涂层技术、熔炼技术、激光熔覆技术、电沉积技术、物理气相沉积技术以及其他复合制备技术。

关键词：高温 ； 耐磨材料 ； 制备方法

0引言

科技发展到今天，人们对材料品质的要求越来越高，随着航空航天、冶金工业、矿产工程等行业飞速发展，越来越多的新型材料被开发和使用，其中包括高温材料、耐磨材料和高温耐磨材料等。目前，在全球工业领域每年仅摩擦磨损造成的经济损失就令人吃惊，特别是仪器设备及零部件在高温环境下的使用损耗剧增，引起了各国对高温耐磨材料的研究热潮。

如涡轮叶冠在工作过程中会发生强烈的微动磨损，造成叶片形状尺寸的改变，降低发动机性能和效率，而且磨损逐渐发展最终可能会导致叶片整体失效，严重影响飞机飞行安全。工业中解决叶片微动磨损的常用措施是在锯齿冠表面通过堆焊或钎焊高温耐磨材料进行耐磨强化。随着新一代战斗机的发展，涡轮进口温度越来越高，大推比航空发动机的叶冠工作温度已达到900 ℃左右，现有的高温耐磨材料已不能满足设计要求，迫切要求开发服役温度更高、耐磨性更好的新一代高温耐磨材料[1]。

研究表明耐磨涂料涂附在金属表面可以提高金属材料耐高温、抗氧化、耐酸碱腐蚀性，延长了机械零件及各种金属管道的使用寿命。因此在航空航天、汽车工业、建筑、石油化工等行业有着广泛的应用。本文将目前高温耐磨材料制备方法进行综述。

1烧结法

烧结法是一种传统的制备方法，用于陶瓷高温耐磨材料的制备。烧结法又分热压烧结、无压烧结、反应烧结等。

1.1热压烧结法

热压烧结是指在烧结的同时进行加压，有利于颗粒间的接触和流动传质的进行，降低了烧结温度，缩短了生产周期，广泛用于快速制备碳化硅陶瓷[2]。

据报道，热压烧结的使用较多[3-4]，特别是在碳化物、氮化物、碳氮化合物以及其他高温耐磨陶瓷制备中被应用。烧结体系在烧结过程中进行加热，得到的产品致密性比较好，国内外有许多用热压烧结法制备致密陶瓷的研究[5-7]。

1.2无压烧结法

无压烧结是指在烧结过程中，不加压，仅加入合适的助剂进行反应，具有反应速度快、烧成制品不收缩、尺寸不变化且具有良好的抗热震性等特点。工艺简单，可以制备形状复杂和大尺寸的碳化硅部件。国内外的学者对无压烧结进行研究，制备出致密的碳化硅陶瓷[8-10]。还有学者对不同添加剂(如：稀土氧化物、单质碳等)的加入对碳化硅性能的影响进行了研究[11]。

1.3反应烧结法

反应烧结是一种制备碳化硅陶瓷耐磨材料的常用方法。包括素坯的制备，然后将素坯放到真空炉中进行烧结，最终得到制品。国内对碳化硅反应烧结的工艺进行研究，得到了较好品质的碳化硅陶瓷高温耐磨材料[12-16]。国外学者利用其他手段对素坯制备和烧结工艺进行改进，获得致密度较高的碳化硅陶瓷材料[17]。

1.4热等静压烧结法

热等静压烧结即在高温高压密封容器中，以高压氩气为介质，对其中的粉末或待压实的烧结坯料施加各向均等静压力，形成高致密度坯料的方法。热等静压烧结所得到的碳化硅陶瓷结构均匀，性能优异，但温度和压力对其性能影响较大，不能用于制造形状复杂的产品，适用范围受到了限制[18]。国内研究人员和学者通过改变加入助剂的种类及工艺得到了性能较好的碳化硅陶瓷材料[19]。

2原位合成法

原位合成法是制备复合材料的新方法。原理是利用不同元素或化合物在一定条件下发生化学反应，在金属基体内生成一种或几种陶瓷相颗粒，以达到改善单一金属合金性能的目的。在高温耐磨材料的制备中常采用自蔓延高温合成法、溶盐分解以及表面合金化等方法。原位合成较多的用于金属表面涂层。

2.1自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成的基本原理是在金属基体上预置涂层，在压力下局部点火引燃化学反应，利用放出的热使反应持续进行，使基体金属表面短时间内达高温熔化，涂层与基体间通过冶金结合而制得高黏结强度的涂层。范群成[20]研究了燃烧波淬熄法对自蔓延高温合成法机理影响，并提出了NiAl-Cu燃烧合成的溶解—析出—置换机制及其模型。对于自蔓延高温合成法的研究需要进一步完善，不仅包括材料的选择和工艺的优化，还包括机理的研究。

2.2表面合金化

表面合金化是指在金属表面利用一定的方法使表层金属合金化，以达到改善材料表面性能的方法。包括激光表面合金化技术、堆积焊等方法。

激光表面合金化被认为是激光熔覆技术，将金属表面熔融并加入一定的合金元素，在表面形成合金层而实现表面合金化。辛艳辉[21]采用激光表面合金化得到了表面合金的高温耐磨材料。堆积焊合金化就是利用堆积焊技术在金属表面堆积一层合金，或者是和金属形成合金，而达到表面合金化的目的[22]。此外，汪中玮[23]还对高温耐磨无渣堆积焊焊条的制备进行了研究。

2.3混合盐反应法

混合盐反应法是英国London Scandinarian Metallurgical公司的专利技术。它是将含有Ti和B的盐类(如KBF4和K2TiF6)混合后，加入到高温的金属熔体中，在高温作用下，Ti和B就会被金属还原，在金属熔体中反应形成TiB2增强粒子，去掉副产品，浇注冷却后即获得了原位TiB2增强的金属基复合材料。

董晟全等[24]采用混合盐反应法制备了(TiB2+Al3Ti) / Al4.5Cu 原位复合高温耐磨材料，并对其性能进行研究，结果表明，随着原位反应体系中混合盐含量的增加，复合材料的耐磨性能提高，并且逐渐由黏着磨损向磨粒磨损过渡。

3胶黏涂层技术

胶黏涂层技术就是利用结合剂将涂层材料和基体结合在一起，而达到涂层的目的。目前较多的用于金属基陶瓷涂层方面。

刘文超[25]采用无机磷酸盐结合剂并制备了金属基高温耐磨陶瓷涂层高温耐磨材料。周武艺等[26-27]研制出一种用陶瓷骨料与自制无机胶黏剂为原料并用具有高温耐磨性能的陶瓷涂层配方制备了一种高温耐磨材料，并对其性能进行了研究。卢屹东[19]在无机黏结剂的合成过程中，研究了合成反应的动力学过程并分析了固化剂加入量与无机黏结剂固化时间及固化温度的关系；在制备高温耐磨抗蚀无机涂层的研究中，分别研究了黏合剂配方不同对耐高温性能的影响，骨料粒度与骨料配方对耐磨性的影响，为解决工业生产中金属表面的耐磨抗蚀问题提供了一条有效的途径与新工艺。此外，杨宇[28]对金属材料表面高温耐磨纳米氧化锆陶瓷镀层工艺进行改善，该工艺得到的材料具有较高的结合力和高温耐磨性，适用于各种高温条件工作的金属部件。贾培样[29]以占总质量为12.5%的水玻璃和占总质量为4.2%的830 μm(20目)的氟硅酸钠为黏结剂，制备一种循环流化床锅炉水冷壁和高温系统的耐磨材料涂层。刘金利[30]采用自制的复合胶黏剂制备了一种适用于高温、高冲刷场合的高温耐磨材料。

4熔炼技术

熔炼是铸造生产工艺之一。将金属材料及其它辅助材料投入加热炉熔化并调质处理，炉料在高温(1 300～1 600 K)炉内发生一定的物理、化学变化，产出粗金属、金属富集物和炉渣的火法冶金过程。

张甜[31]利用熔炼技术研制出了一种耐磨性能更为优异的高钨铸铁新型耐磨材料。李凯[32]利用WS-4非自耗真空电弧炉(也称钮扣炉)，在氩气正压保护下采用熔炼技术成功地制备出了一种耐高温耐磨衬板合金。尉雪萍[33]利用型内熔化钒扩散强化方法制备梯度耐磨材料，是将高钒合金棒置于铸造型腔内，利用浇注时金属液高温熔化高钒合金棒，使钒元素向基体金属扩散，生成碳化钒颗粒增强表面耐磨复合梯度材料。

5激光熔覆技术

激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。

段刚等[34]以Cr-Si-Ni高纯预合金化粉末为原料，利用激光熔敷技术在奥氏体不锈钢Cr18Ni9Ti表面上制得了以金属硅化物Cr3Si为增强相、以复杂多元金属硅化物Cr2Ni3Si为基体的快速凝固金属硅化物复合材料冶金涂层，而得到一种高温耐磨材料。张强等[35]利用激光熔覆技术制得一种刷式密封高温耐磨复合材料涂层。杨茂盛[36]采用添加固体润滑剂WS2的激光熔覆技术制备得到了一种高温耐磨复合涂层。

6电沉积技术

电沉积技术是指金属或合金从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中的金属离子或络合金属离子通过电化学途径在材料表面形成金属或合金镀层的过程。采用熔盐电沉积可以在材料表面获得致密、均匀的沉积层。

方秀君[37]采用脉冲熔盐电沉积技术在铜表面制备得到了Cu-Si高温耐磨材料镀层，并对材料的性能进行了分析，结果表明，该沉积层显著地提高了材料的高温耐磨性能，沉积层与基体是通过互扩散结合和外延生长结合的综合作用紧密结合在一起，使得材料具有优异的结合性能。

7物理气相沉积技术

物理气相沉积技术是指在真空条件下，采用物理方法将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜技术。物理气相沉积的主要方法有：真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜及分子束外延等。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜，还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等，在材料的表面改性中也有着重要的作用。刘爱华[38]采用物理气相沉积技术——阴极弧蒸镀技术制备出了五种氮化物涂层，并对其进行性能测定，结果表明，CrAlN涂层的高温耐磨性能最好。

8其他方法

除上述几种高温耐磨的制备技术外，还有一些其他的制备技术，如超音速火焰喷涂技术[39]、激光沉积技术等[40]新型制备技术。还有冷压烧结制备聚四氟乙烯高温耐磨材料[41]，以及一些复合方法，如：激光熔化—连续沉积技术[42]、真空热压原位合成—热等静压[43]、渗氮—物理气相沉积[44]等复合制备技术。

9结论

高温耐磨材料的制备方法种类繁多，各有优缺点，应根据材料的具体用途以及应用环境有针对性地选择。①烧结法：烧结体系在烧结过程中进行加热，得到的产品致密性比较好，但不能用于制造形状复杂的产品，适用范围受到了限制；②原位合成法：原位合成较多地用于金属表面涂层，但高温合成法的研究需要进一步完善，不仅包括材料的选择和工艺的优化，还包括机理的研究；③胶黏涂层技术：胶黏涂层技术是利用结合剂将涂层材料和基体结合在一起，而达到涂层的目的。目前较多的用于金属基陶瓷涂层方面；④熔炼技术：是一种火法冶金过程，不适合表面耐磨涂层的制备；⑤激光熔覆技术：是指经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化得到耐磨表面涂层，但工艺条件复杂；⑥电沉积技术：通过电化学途径在材料表面形成金属或合金镀层的过程，但高温耐磨性能只适合特定条件；⑦物理气相沉积技术：不仅可沉积金属膜、合金膜，还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等，在材料的表面改性中也有着重要的作用，但真空条件要求较严。

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Research Progress of Preparation Method of High Temperature Resistant Materials

ZHI Hongmei1， ZHOU Yan1， GAO Qiuju2

(1.Department of Applied Chemistry , Henan Vocational College of Appliced Technology , Zhengzhou450042 , China ; 2.Super Abrasives Branch of White Dove Abrasives Grinding Tools Co.Ltd , Zhengzhou450001 , China)

Abstract:High temperature wear resistance is a new type of material,which has higher heat temperature resistance and abrasion resistance properties.Preparation methods are introduced including sintering method,in situ synthesis,adhesive coating technology,smelting technology,laser cladding technology,electrodeposition technology,physical vapor deposition technology and other compound technology for the material preparation .

Key words:heat temperature ; wear resistant materials ; preparation methods

中图分类号：TQ163

文献标识码：A

文章编号：1003-3467(2016)03-0007-05

作者简介：智红梅(1966-)，女，教授，从事材料合成、检测及工业分析专业教学工作，电话：18203615830。

收稿日期：2016-01-29