金属基复合材料的进展_问题与前景展望.pdf

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1、第20卷第4期Vol.204 1999青岛建筑工程学院学报Journal of Qingdao Instituteof Architecture and Engineering金属基复合材料的进展、问题与前景展望王俊英 杨启志 林化春(青岛建筑工程学院机械工程系,青岛266033)摘 要 综述了金属基复合材料的进展情况,重点阐述了颗粒增强金属基复合材料和金属基复合涂层的进展,包括其性能、现有品种、制备工艺、应用情况.同时报道了目前本领域研究存在的问题,如:力学问题、界面问题、热疲劳问题,并在此基础上展望发展前景.关键词 颗粒增强金属基复合材料,复合涂层材料,界面,热疲劳,功能梯度材料中图法分类

2、号 TG113.12随着近代高新技术的发展,对材料不断提出多方面的性能要求,推动着材料向高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展1.复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题,推进了材料的进展.金属基复合材料(MMC)是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料.这种材料的主要目标是解决航空、航天等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60年代末才有了较快的发展,是复合材料一个新的分支.目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很

3、小、较高的导电性和导热性,以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料.1 进展情况目前,金属基复合材料基本上可分为纤维增强和颗粒增强两大类,所用的基体包括Al,Mg,Ti等轻金属及其合金以及金属间化合物等,也有少量以钢、铜、镍、钴、铅等为基体.增强纤维主要有碳及石墨纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维等,增强颗粒有碳化硅、氧化铝、硼化物和碳化物等.用以上的各种基体和增强体虽可组成大量金属基复合材料的品种,但实际上只有极少几种有应用前景,多数仍处在研究开发阶段,甚至也有不少品种目前尚看不到其应用前景2.1.1 纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料

4、,由于具有高温性能好、比强度、比模量高、导电、导热性好等优点,而成为复合材料的主要类型.收稿日期:19990121纤维增强金属基复合材料最早出现的是金属纤维增强金属基复合材料,如60年代初报道的W丝强化Ti、Ni、Cu等;又先后出现了Al2O3纤维及晶须增强Al、Ni、Ag等和B纤维增强Al、Mg等.C纤维的出现,特别是沥青裂解C纤维的研制成功,大大推动了复合材料的发展3.纤维增强金属基复合材料的主要缺点是加工温度高,制造工艺复杂,性能波动,成本高.因此纤维强化金属基复合材料目前研究的重点将转移到开发制造工艺,降低生产成本.1.2 颗粒增强金属基复合材料由于纤维增强金属基复合材料存在上述缺点,

5、从而未能得以大规模工业应用,只有美国、日本等少数发达国家用于军事工业.为此,近年来国际上又将注意力逐渐转移到颗粒增强金属基复合材料的研究上.这一类金属基复合材料与纤维增强金属基复合材料相比制备工艺简单,成本低,可采用常规金属加工设备来制造,这样有利于其开发和应用.可见,颗粒增强金属基复合材料是非常有发展前途的.金属基颗粒复合材料通常是作为耐磨、耐热、耐蚀、高强度材料开发的,目前用于颗粒增强复合材料的颗粒有数十种,常用的有石墨、SiC、SiO2、TiC、BN、-Al2O3、TiO2、WC,它们大多是无机化合物.目前已有铝基、钼基、钢基、Fe基、Co基、Ni基、Mg基等颗粒复合.但随着宇航事业的发

6、展,高温耐热金属基复合材料,如以铜、钼、镍、钴等为基体的金属基复合材料越来越受到人们的重视.池野等4对Al2O3颗粒增强纯铝复合材料的性能进行了研究,发现随着Al2O3颗粒体积分数增加,强度不断上升.陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度和比模量,并且具有原材料成本低廉,复合材料制备工艺简单的特点而受到重视.Hosking等5的研究结果表明,随着Al2O3或SiC颗粒的体积分数增加,不但塑性下降,而且强度也下降.在Al-5Si合金中,加入SiC和石墨的结果也类似.与轻金属Al相比,Mg及其合金密度更小,约1.8g/cm2,比Al轻约30%,在提高比强度、比刚度上有更大的潜力.颗粒增强的镁基复合

7、材料已表现出优良性能6.另外,M.Hunt7指出为适应火箭发动机、新一代航空发动机和其它高温航空航天用构件的需要,必须开发在高温下具有高强度、高刚度,甚至还有导热性和导电性的金属基复合材料.其中提到美国密执安州麦迪逊的Wall Colmonoy公司开发了一种用碳化钨增强的镍基粉末合金,用于表面强化.这种复合材料在基体和增强剂之间产生冶金结合.这种涂层可用于多种基体金属,包括低碳钢、不锈钢和合金钢.它们的应用包括传送机、离心机、泥浆泵壳体、钻具和其它需要耐蚀和耐磨的场合.林化春等8用碳化铬增强镍基自熔合金,并用真空熔烧法在钢基体上直接熔烧制成复合涂层,母材与基体之间也形成牢固的冶金结合,大大提高

8、了母材的耐磨耐蚀性.这种新材料利用表面改性技术,在不改变材料整体性能的基础上,提高了表面强度,并降低了成本,是工程上迫切需要的新材料.颗粒增强金属基复合材料因为粒子的长径比小,不能使基体应力有效地向增强相传递,因此,复合材料的抗拉强度比基体本身的强度好不了多少9.用纤维增强能解决上述问题,得到高的力学性能.不过,在未来的一段时间内,其制造成本和纤维的价格仍将限制这些材料的使用.19第4期 王俊英等:金属基复合材料的进展、问题与前景展望对颗粒增强金属基复合材料采用搅拌工艺制备的研究较多.为改善颗粒和熔体之间的润湿性,提出了对颗粒进行表面处理和改变基体合金组成等两种措施10,另外也有不少研究致力于

9、设计搅拌形成及桨叶设计.2 表面涂层技术的进展随着航空和宇航技术的发展,发动机的工作温度愈来愈高,在高温、高压、大流量、大推力的环境下进行工作时,冷、热高速空气流或高温燃气都会对结构材料构成最严重的氧化、腐蚀及疲劳破坏.具有高温性能好,比强度、比模量高的金属基复合材料的出现,虽然在某些情况下能满足性能要求,但它同时也存在成本高的缺点,从经济上看往往是行不通的.鉴于材料承受耐磨、腐蚀、疲劳破坏、高温氧化都是从表面开始的,研究和发展表面强化技术,对提高零件使用寿命和可靠性,对于推动高技术和新技术的发展,对于节约材料,节约能源等都有重大意义11.近30年来,有许多新的科学技术渗透到表面强化技术领域,

10、使金属的表面强化技术得到迅速发展.材料的表面涂层是近年来发展最快的一种新的表面技术,是提高材料使用性能和寿命的有效途径12.热喷涂技术作为一种新的表面防护和表面强化工艺在近20年里得到迅速发展,它的发展从使用条件最苛刻,要求最严格的宇航工业开始,然后迅速向各民用工业部门扩展开来;激光熔敷能准确控制功率密度和加热深度,变形小,能获得结合强度很好的表面涂层;气相沉积法用材广泛,适用面宽,已广泛用于机械制造、冶金工业以及宇航、核能等领域;70年代发展起来的离子注入新技术,利用注入离子可得到过饱和固溶体,非晶态和某些化合物层,能改变材料摩擦系数,增加表面硬度,提高耐磨性及抗蚀性,延长零件的使用寿命.还

11、有一些历史较长的表面处理技术,近几十年来也得到了飞跃发展.例如,电镀、电刷镀技术,已成为人们公认的金属表面新技术,在我国已得到普遍应用.目前,国内外应用较多的制造涂层的方法是热喷涂、等离子喷焊、激光熔敷等新技术,但它们还存在一些工艺问题,如热喷涂涂层薄,涂层与母材结合强度低,由于对工件局部加热,易产生热应力,引起工件热变形;激光熔敷设备复杂,昂贵,激光器功率小,涂层不易制备;等离子喷焊噪声污染难以克服等,所以应用范围受到限制.真空熔烧涂层工艺,不但在设备方面比激光器及等离子喷涂等设备简单,而且工艺质量也易于控制.同时,真空熔烧在真空状态下进行熔化与凝固,因此可以提高表面涂层的质量.真空熔烧涂层

12、已在很多方面得到实际应用,其中包括:内燃机排气阀,汽轮发动叶片,线材轧辊,轧辊机导卫板等,均取得了很好的效果.随着涂层技术的发展,涂层材料也得到了迅速发展,包括金属、陶瓷、塑料及其混合物等.目前用的比较多的是陶瓷涂层,陶瓷涂层虽具有高硬度、耐热、耐蚀、耐磨等许多优点.但它有一个致命的弱点:脆性大.这就大大限制了它的使用范围.由于当前先进的航空机械推进系统、火箭发动机、空间核动力系统和宇航用电子器件等都是在高温环境下工作,所以耐高温的金属及合金粉末如镍基、钴基、铁基得到了人们的重视7.而在这些合金中添加强脱氧元素硼、硅而得到的自熔性合金粉末由于具有熔点低,脱氧性和造渣性好,润湿性、流动性好及高耐

13、磨性而被广泛应用.向这些自熔性合金粉末中添加各种硬质相,如碳化物、金属陶瓷、氮化物等,制29青 岛 建 筑 工 程 学 院 学 报 第20卷成金属基复合材料,在钢表面直接熔烧获得表面涂层复合材料,使基体的耐磨、耐蚀性及抗高温氧化性显著提高.近年来,国内外主要是添加WC,添加碳化铬的很少.3 金属基复合材料研究中存在的问题3.1 在力学上存在的问题以往对复合材料力学性能的研究大都是建立在连续介质力学的理论基础上,属宏观力学.但实际上,复合材料的结构与连续介质的模型偏离很远,建立的很多模型并不能很好地描述复合材料的力学行为,所以人们开始注意微观结构与力学性质的关系,试图建立和补充微观力学的研究13

14、.由于复合材料结构复杂,应考虑随机和统计的概念,而且其力学受工艺、环境及原材料性能影响很大,因此,要建立严格的力学模型和数学模型困难很大,只能采取由实验结果寻找经验关系的方法来进行研究,将来或许可利用模糊数学的概念来解决复合材料的力学问题.3.2 金属基复合材料的界面界面是多种复合材料中既重要又复杂的关键问题,也是一直困扰本领域研究者的重大问题,复合材料中增强相与基体的界面强烈地影响着材料的物理性能和机械性能.当前的工作是致力于用各种先进的分析手段如透射电镜、扫描电镜、X射线衍射仪等方法表征界面结构.对于复合材料来说,不同材料的良好复合应该有适当匹配的热扩散,其中扩散系数是表征物质扩散能力和热

15、物理化学性能的重要参量.研究界面扩散和扩散系数传统的方法是把含界面的样品按不同的距离逐层剥离下来,而后用化学分析或光谱分析的方法剖析分离物样的浓度.这样的方法相当繁琐,而且仍然是以平均成分代替真实成分,也不能微观和精确.现代电子探针分析(EPMA)方法的发展,提供了一种微观界面研究的最佳方法.陶景光等14对金刚石复合界面的扩散问题提出了能谱仪与波谱仪原位互补分析研究的方法,并指出较低熔点钴的扩散分布是金刚石复合界面质量的关键.黄大千等15用电子探针、X射线能谱仪、透射电镜、扫描电镜研究了碳化硅颗粒增强Al2014复合材料的界面,发现界面没有Si和Al的相互扩散.由于界面结构对复合材料性能具有很

16、大影响,人们希望得到最佳的界面,以获得复合材料的最佳性能.因此,界面的研究成为材料科学中普遍而重要的问题16.3.3 热疲劳问题金属基复合材料及涂层技术的发展,赋予材料高的耐磨、耐蚀性及抗高温氧化性,但对于在高温、高压环境下工作的零部件,由于在使用过程中受温度急剧变化而易产生热疲劳破坏,这就要求对这些新材料的热疲劳性能进行研究.目前国内外已进行热疲劳试验的颗粒增强金属基复合材料有WC-Co-钢、WC-Co、金属陶瓷等.由于WC-Co应用比较广泛,对其研究的多一些.Lagerpuist17对WC-Co复合材料进行了热疲劳裂纹扩展的研究,结果指出其机理主要是WC晶粒与Co粘结相之间的热膨胀系数有很

17、大差异,而引起高应力,导致裂纹萌生与扩展,疲劳裂纹优先在WC-Co晶界和WC-Co相界上扩展.明文龙18等在研究Ti(C,N)基金属陶瓷热疲劳性能时,也提出了热疲劳裂纹具有沿相界面开裂的特征.对于涂层材料,尽管它发展较晚,但也有人对其热疲劳性能进行了研究.彭其凤等19对激39第4期 王俊英等:金属基复合材料的进展、问题与前景展望光熔敷陶瓷涂层的热疲劳行为进行了研究,发现陶瓷与钢的热膨胀系数差异及陶瓷内部微小裂纹的应力集中是陶瓷涂层热疲劳破坏的主要原因.W.C.REVELOS等20,N.Czech等21和刘北兴等22则认为在热疲劳过程中,随循环上限温度升高,循环数增加,热疲劳抗力明显降低.目前对

18、热疲劳性能的研究多采用试验法.随着电子计算机和数值分析技术的发展,用有限元模拟热疲劳过程的力学行为已开始受到人们的重视23,但热疲劳过程本身就是一个复杂的力学行为过程,在这个过程中,既有弹性力学问题,又有塑性力学、热力学问题,而涂层材料的热疲劳问题就在此基础上进一步复杂化.所以目前对涂层材料热疲劳的研究多限定在定性分析,对其力学行为有待于人们进一步研究.4 金属基复合材料的发展前景由上述可知,金属基复合材料要在未来取得进一步的发展,并列入规模生产品种的行列,还有一段艰难的路程,但是由于它性能优势的存在,是有明确发展前景的.就当前的实际情况来看,颗粒和短纤维增强的复合材料是有生命力的,并已在汽车

19、工业等方面初步获得应用.随着涂层技术的发展,利用先进的涂层制作方法,如热喷涂、等离子喷焊、激光熔敷等,以金属基复合材料作为涂层材料,在钢或其它金属表面制成涂层,用以提高材料的表面强度,已越来越受到重视,它在提高性能与节材方面达到很好的结合,具有广阔的应用前景.另外,对于涂层材料需指出的是,由于涂层与基体之间存在一个性能突变的界面,尤其是热膨胀系数相差较大,难以得到足够的结合强度,并在高温下内外温差较大的使用环境中,界面处易产生很大的热应力而引起涂层的剥落.这也是引起热疲劳破坏的一个主要原因.在功能梯度材料研究基础上开展的功能梯度薄膜的研究,就很好地解决了这一问题.功能梯度薄膜材料就是使成分、组

20、织、性能从基体到表面呈无界面连续变化,这一材料具有表面改性技术的优点和功能梯度材料的特殊性能,有广阔的研究和应用前景.相信经过艰苦的努力,在不远的将来,金属基复合材料作为复合材料的一个分支,会有举足轻重的地位,并在众多材料行列中占有一席之地.参考文献1Latanish R M.Corrosion Science Corrion Engineering and Advanced Technologies.CORROSION SCIENCE,1995,51(4):2702832 肯尼思.G.克雷德,金属基复合材料.北京:国防工业出版社,19823 风仪.纤维强化金属基复合材料及其应用.机械工程材料

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26、Mechanical Engineering,QIAE)AbstractThis article surveys the progress of metal matrix composites(MMC),especially that ofparticle reinforced metal matrix composites and composite coatings,including their character,va2rieties,production techniques and applications.Some problems related to the study of

27、 MMC suchas mechanics,interface and thermal fatigue are also mentioned.In termsof our findings we believebroad prospects for a future development will loom large ahead.Key Wordsparticle reinforced metal matrix,composite coatings,interface,thermal fatigue,functional gradient materials作者简介 王俊英,女,25岁,研究生59第4期 王俊英等:金属基复合材料的进展、问题与前景展望