颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望.pdf

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1、第20卷第1期Vol.20 No.1硬质合金CEM EN TED CARB I DE2003年3月M ar.2003综合评述颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望王基才尤显卿郑玉春程娟文(合肥工业大学材料学院,合肥,230009)摘要从材料的选择、制备技术和性能等方面对颗粒增强金属基复合材料的研究现状进行综合评述。分析了颗粒增强金属基复合材料发展过程中存在的一些问题及改进措施,指出了颗粒增强金属基复合材料的几个重要发展方向:制备技术的改进、应用范围向特色应用领域的拓宽和再生回收的重视。关键词复合材料碳化物粒子制备技术性能生产应用1引言自1965年A Kelly,G J davies和D Cra

2、tchley等1首先总结和提出了金属基复合材料(M etalM atrix Composites,简 称MM Cs)的 资 料 以 来,MM Cs就以其高的比强度、比刚度及良好的热稳定性、耐磨性、尺寸稳定性及成分可设等优点2-4吸引了各国学者和科研人员的关注,成为材料研究和开发的热点。按增强体的形式MM Cs可分为连续纤维增强、短纤维或晶须增强、颗粒增强等。由于连续纤维增强的MM Cs必须先制成复合丝,工艺成本高而复杂,因此其应用范围有很大的局限性,只应用于少数有特殊性能要求的零件。颗粒增强金属基复合材料(Particulate ReinforcedM etalM atrix Composit

3、es,简称PRMM C)是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入金属基体中得到兼有金属优点(韧性和塑性)和增强 颗 粒 优 点(高 硬 度 和 高 模 量)的 复 合 材 料。PRMM C具有增强体成本低,微观结构均匀,材料各向同性,可采用热压、热轧等传统金属加工工艺进行加工等优点5-8,因而与纤维增强、晶须增强金属基复合材料相比倍受关注9-10。2PRMM C材料的选择基体材料是MM Cs的主要组成部分,起着固结增强相、传递和承受各种载荷(力、热、电)的作用。最初关于MM Cs的研究主要集中在航空航天领域,因而人们的注意力一开始就放在铝合金、钛合金和镁合金等比强度、比刚度及延展性等综合性能较好11、

4、12的轻合金上。但由于这类合金自身的成本较高,因而其应用范围受到了很大的制约。随着研究的不断深入,人们不再把眼光局限于铝、镁等轻合金,而是根据不同的设计和使用性能要求,相继研究开发了铜基、镍基、铝基、银基、锡基、铅基、锌基、铁基和钢为基体的多种MM Cs12。铁基和钢基长期以来一直没有引起人们的重视,主要是因为钢铁材料熔点高、比重大、制造工艺困难。然而现代工业的发展又迫切需要能够在高温、高速和高磨损条件下工作的结构件(如高速线材轧机的辊环和导向轮等),这使铁基和钢基复合材料的研究显得十分必要。增强体的加入主要是为了弥补基体材料某些方面性能的不足,如提高刚度、耐磨性、高温性能和热物理性能等。目前

5、,在PRMM C的研究中,采用较多作者简介:王基才,男,(1976),合肥工业大学材料学院研究生。的增强颗粒有陶瓷颗粒,如A l2O3、ZrO2、T i O2、SiC、Cr7C3、T iC、W C、Si3N4等;金属硬质颗粒,如M o、Cr、W等;非金属颗粒C、轻石等。增强颗粒中以A l2O3和SiC发展较快、较成熟。近年来,W C增强粒子也因为其在高温铁水中良好的润湿性13而被广泛应用于工程结构用PRMM C的研究中。由于我国盛产钨,所以以W C粒子作为增强颗粒的复合材料的研究越来越引起人们的注意。增强体的选择标准包括增强体材料的弹性模量、抗拉强度、密度、熔点、热稳定性、热膨胀系数、尺寸、形

6、状及其与合金基体的相容性。选择PRMM C的基体与增强颗粒时需综合考虑复合材料的使用性能、工艺特性和生产成本等因素。3PRMM C的制备技术制备技术不仅很大程度上影响着PRMM C的性能,同时也是其进一步应用发展的重要影响因素。随着人们对PRMM C研究的深入,近年来PRMM C的制备技术发展也十分迅速。目前,PRMM C的制备技术正朝着工艺简单、操作方便、经济可靠的方向发展。按增强颗粒的加入方式,PRMM C的制备技术可分为原位生成和强制加入两种。原位生成复合材料的增强颗粒不是外加的,而是通过内部相的析出或化学反应生成的。原位反应复合法制备的复合材料成本低、增强体分布均匀、基本上无界面反应,

7、且可以使用传统的金属熔融铸造设备,制品性能优良。不过其工艺过程要求严格,较难掌握,且增强相的成分和体积分数不易控制。强制加入复合材料则发展了许多制备技术,这些技术包括粉末冶金技术、共喷射沉积技术、搅拌混合技术、挤压铸造技术和电渣重熔技术等。3.1粉末冶金技术粉末冶金技术又称固态金属扩散技术14,此方法是将固态金属粉末和增强颗粒机械均匀混合,在一定的温度和压力条件下压制烧结成型15、16。较为成熟的粉末冶金技术有A lcoa17法和Ceracon18法,目前已成功地制备了多种PRMM C。粉末冶金技术具有一些独特的优点,如制造温度较低,减轻了基体和增强颗粒之间的界面反应,减少了界面上硬质化合物的

8、生成;增强颗粒的体积分数比较高;增强颗粒分布均匀,不易出现偏析和偏聚。但粉末冶金技术也存在着一些弊端,如制件的大小和形状受到一定限制;工艺程序多,制备周期长,成本高,降低成本的 可 能 性 小,尤 其 是 昂 贵 的 制 备 成 本(制 备PRMM C的成本约为基体合金的410倍)制约了粉末冶金技术的应用和发展。3.2共喷射沉积技术共喷射沉积技术是一种80年代逐渐成熟起来的新型粉末冶金技术。其具体工艺过程为:采用流化床获得增强颗粒与惰性气体的混合二相流体,然后通过一定的导管引入雾化室,并以一定的速度和喷射角度喷入雾化基体合金液滴的流束中,与合金液同时沉积获得铸锭19。该方法工艺周期短,成型速度

9、快(每分钟沉积610kg,并可生产数百千克的复合材料)。但也存在着设备昂贵、孔隙率高、原材料损失大等缺陷。3.3搅拌混合技术搅拌混合工艺是对金属熔体进行强烈搅拌,投入增强颗粒,使其均匀分布于金属熔体中,然后直接浇铸成型20。此方法工艺简单,设备投资少,便于规模化生产。但增强颗粒体积分数受限制(一般不超过20%),增强颗粒的分布难以实现均匀化,有气孔等缺陷,只能制成铸锭,需二次加工。3.4挤压铸造技术挤压铸造技术是在凝固过程中对液态金属施加压力。挤压铸造技术具有设备廉价工艺简单,有效改善增强颗粒与合金液间的润湿性,界面反应不严重,实现近似无余量成型等优点21、22、23。但预成型体对产品的质量影

10、响大,模具造价较高。3.5电渣重熔技术电渣重熔技术是将自耗电极在水冷结晶器内通电后,以高纯度的渣阻热作为热源使熔渣参与冶金反应的一种边熔化边结晶成形的净化型重铸过程24。在电渣精炼过程中钢渣反应温度高,加上交流磁场的电磁作用和热对流,渣池强烈搅拌,金属熔滴与高碱度渣充分接触,强化钢渣界面反应,使合金的纯净度大大提高。与精炼同时进行的凝固过程利用强制的冷却作用和控制适宜的熔化速度使金属定向结晶,结晶从结晶器表面向金属熔池的中心进行。由于冷却强度大,冷却速度快,所以形成的树枝状晶体细小,化学成分的局部偏析小,无各向异性。电渣重熔制品具有表面光洁,组织致密,金属利用率高,力学性能好等优点。目前电渣重

11、熔技术正以其设备简单,操作方便,25硬质合金第20卷工艺简化,生产周期短,材料利用率高,产品性能优异等特点吸引着越来越多的材料研究者的关注,是一种很有发展前途的制备技术。除上述技术以外,还有其它一些较重要的技术,如机械合金化技术、真空压力浸渗技术等。无论采用哪种技术,对复合材料的制备都有一些基本要求,即尽量使增强体在基体中分布均匀,材料有高的利用率和低的工程消耗,制备的复合材料的事后处理尽可能少,生产成本尽可能低。4PRMM C的性能由于增强颗粒的加入,PRMM C具备了一些不同于基体合金的物理和机械性能:力学性能方面,PRMM C的弹性模量值随增强颗粒的体积分数的增大而增大,强度也有不同程度

12、的增加。延伸率则随颗粒体积分数的增大而减小。材料的拉伸性能 b、0.2则受增强颗粒的尺寸、分布及体积分数等多种因素的影响。磨损性能的提高是PRMM C的重要特性之一,由于碳化物粒子等增强颗粒的存在PRMM C具有优异的耐磨性能。对PRMM C的磨损性能研究表明,磨损抗力随着增强颗粒体积分数的增加可以显著增加,且颗粒尺寸越大,其耐磨性越好。大量研究结果表明,随着增强颗粒加入量的增加,材料的韧性和塑性均有不同程度的下降,这常常是因为脆性增强颗粒的团聚、弱结合界面及粗大颗粒和杂质元素在界面上的偏聚等原因造成的。有分析25、26认为:对材料进行温轧等二次加工,通过塑性变形细化晶粒及增强颗粒或对脆性增强

13、颗粒进行钝化处理可以在改善基体韧性的基础上提高复合材料的断裂韧性。此外,PRMM C还具备了一些特殊的物理性能,如低的膨胀系数、较高的热导率和低密度等。特别是可以通过调节基体合金的成分和增强颗粒的体积分数来获得需要的物理性能。这些物理性能可望在光学仪器和精密仪表等领域获得应用。5PRMM C的生产和应用由于长期受制备技术的制约,目前世界上具有一定生产规模的PRMM C的生产厂家并不多。国外主要有DWA复合材料专业公司、ACM C(先进复合材料公司)和A lcoa铝业公司的子公司Dural铝基复合材料公司等。国内尚没有成规模的生产厂家。近年来,随着各种制备工艺的迅速发展,我国的PRMM C已具备

14、了工业化规模生产的条件,部分产品已实现了规模生产。目前,PRMM C主要运用于航空航天领域的一些刚性构件、耐磨耐热部件,在汽车工业等民用领域,如汽车活塞、轴承、轴瓦上也有少量成功应用,但应用领域仍十分有限。但随着制备工艺的改进和生产成本的降低,PRMM C必将因其耐高温、抗磨损及优良的力学性能和成分可设计性而得到广泛的应用。随着研究的深入,PRMM C将从军用转向民用,从高技术构件转向普通构件,从单功能材料转向多功能材料,而且会在一些特色领域获得广泛的应用。6存在的问题及改进措施大量研究结果表明,PRMM C的制备工艺中存在着许多问题,如熔融的基体合金对增强相颗粒不润湿,增强相颗粒和基体合金之

15、间有可能发生的界面反应等,如SiC增强颗粒与A l合金基体互不润湿,且SiC增强颗粒在铝合金液中是不稳定的,将与合金液发生化学反应,在界面生成不稳定的化合物A l4C3。增强颗粒与熔融基体合金间难以润湿的原因在于熔融金属的表面张力一般都很大。为了降低润湿角必须增加颗粒的表面能或减小液态金属的表面张力。关于润湿性方面的研究很多,并已提出了很多改善润湿性的方法:1、对增强颗粒进行热处理以去除其表面吸附的气体27。2、对熔融金属液施加超声处理以去除增强颗粒表面吸附的气体、杂质,以提高颗粒的表面能。3、在增强颗粒的表面镀上N i或Cu等润湿剂以提高增强颗粒的表面能,这样可使增强相颗粒能顺利进入并均匀分

16、布于基体合金液中28。但由于增强颗粒的尺寸常在10微米数量级,所以此种处理方法难度较大。4、从改善合金液的成分设计入手,在不同的熔融金属液中添加相应的活性元素,如M g、Ca、T i、Zr、N b、V和P等,以降低液体的表面张力,减小合金液与增强颗粒的界面能或引入一定的化学反应以35第1期王基才等:颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望提高润湿性29、30、31。需要指出的是添加的活性元素往往是易与增强颗粒发生化学反应的元素,因此在合金液成分设计时需同时考虑上述两个因素。界面是基体与增强体间化学成分有显著变化,构成彼此结合的,能起载荷传递的微区。界面是复合材料极其重要的组成部分,界面的性质很大

17、程度上决定着复合材料的性能32。由于界面的原子结构、化学成分和原子键合均不同于界面两侧的基体和增强体,界面的性质和界面两侧有很大差别,而且界面处容易发生化学反应,所以只有深入了解界面的几何特征、化学键合、界面结构、界面的结构缺陷与化学缺陷、界面稳定性、界面反应及其影响因素,才能更深层次地了解界面与复合材料的性能关系,进而开发出高性能的新型复合材料。界面问题是当前复合材料科学的前沿课题和重要 方 向,近 年 来,随 着 高 分 辨 电 子 显 微 技 术(HREM)及分析电子显微技术(如EEL S,A P-F I M等)的发展,人们对界面的相组成和结构、界面区的成分及其分布、界面附近的位错密度及

18、分布以及它们与复合材料总体性能之间的关系进行了广泛深入的研究,并取得了重要进展。但由于界面和界面层是亚微米以下的物质层,且包括了基体与增强体的部分原始接触面、基体与增强体相互作用生成的反应产物、基体和增强体的互扩散层、基体和增强体上的氧化物及它们的反应产物等,组成结构十分复杂。因而迄今为止人们对复合材料界面的认识还不很充分,尚无法建立完整的界面理论。但可以预料,随着现代分析技术和分析仪器的不断改进、人们对界面认识的不断深入,人们最终必将对复合材料的界面结构有一个深入全面的认识,并将其运用到复合材料的优化设计上,以最大限度地发挥复合材料的优势。7展望PRMM C是一种有巨大发展潜力的材料,也是当

19、前材料研究的热点,并且部分产品已经具备了工业化规模生产的条件。但制备和研究中还存在着一些亟待解决的问题,如金属液对增强颗粒的润湿,增强颗粒与基体间的界面反应及反应产物与性能的关系。这些问题很大程度上制约了PRMM C的应用和发展,是复合材料研究必须重点解决的问题。现代工程结构对材料性能的要求越来越高,越来越多样化。而目前金属基复合材料过窄的应用领域已很难适应现代工程结构的要求。如何根据不同的工作条件和性能要求而选择适当的基体和增强颗粒进行优化设计,以拓宽PRMM C的应用领域是广大科研工作者需要解决的问题。近年来,为适应工业化规模生产的需要,人们在不断研究开发新制备技术提高材料性能、尽量降低P

20、RMM C的生产成本的同时,也在考虑PRMM C的再生和回收问题。虽然目前PRMM C的用量还不大,问题还不突出,但从长远考虑,这一问题是不可回避的。铸造金属基复合材料是可以再生和回收的,而粉末冶金技术制备的金属基复合材料的再生和回收则难以进行,这方面的研究也很少。通过电渣重熔技术来回收处理粉末冶金制品的废旧品,生产出性能优良的新型复合材料,这既解决了废品的处理问题又有效地利用了资源,加之设备简单,操作方便,工艺简化,适于工业化规模生产等特点,具有良好的经济效益和应用前景,是一项具有很大发展潜力的制备技术。参考文献1M ortenson A.Jm l.Solidification proces

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27、iculate reinforced metal matrix composites(PRMM C)research,such as material selection,manufacturing process and mechanical properties were discussed.Some i mportant factors,which affect the development ofPRMM C remarkably,were pointed out aswell.It was proposed that special attention should be paid

28、to the i mprovement ofmanufacturing process,recycle of resources and the expanding application of PRMM C in special fields.KEY WORDScomposite,carbide particle,manufacturing process,properties production and application具有富集粘结相表面区的硬质合金本发明涉及具有改进韧性和塑变抗性的硬质合金刀具,它含有在以Co和?N i为基的粘结相中的W C和碳化物和?碳氮化物立方相,并具有粘结相富集表面区。该刀具中粘结相含量为(3.512)%(重量)。在粘结相富集表面区下面的区域中粘结相的含量为该刀具内部含量的0.851。而立方相的含量基本恒定且等于该刀具内部的含量。(瑞典专利)55第1期王基才等:颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望