粉末冶金制备金属基复合材料的研究现状
孙钦巍
长春工业大学材料学院090201班
绪 论:金属基复合材料起源于20世纪50年代末期或60年代初期。在过去的二十多年中,金属基复合材料逐渐地从军事国防向民用领域渗透,如今已在陆上运输、民航、工业和体育休闲产业等诸多领域实现商业化的应用。近年来,金属基复合材料的制备工艺及理论研究发展非常迅速,目前,金属基复合材料制备工艺和方法有[1]:搅拌铸造法、原位生成法、挤压铸造法、喷射成形法和粉末冶金法。粉末冶金法由于可以制备出增强相体积分数含量非常高的金属基复合材料,并且不受基体合金种类与增强体类型的限制而受到关注。 1 粉末冶金铁基复合材料研究现状 1.1 增强相的选择及复合材料性能
早在1959年,粉末冶金工艺就用于制备了Al2O3颗粒增强Fe基复合材料[2],发现氧化物分散于铁的基体中可以提高基体的抗蠕变特性,即氧化物弥散强化的作用。20世纪70年代,粉末冶金法制备铁基复合材料才开始受到广泛关注,增强体(颗粒或短纤维)的范围也不断增加,包括Al2O3、Cr7C3、Cr3C2、TiC、NbC、WC、VC、不锈钢纤维、C纤维、SiC晶须等。基体材料由单一的铁发展到钢和多元体系,制备工艺也在不断创新,特别是原位复合技术的出现,为解决颗粒与基体的界面问题带来了新思路。
制备了Al2O3颗粒弥散强化铁基复合材料后,发现表面活性元素可有效降低界面能。此后,关于颗粒与基体界面问题成为铁基复合材料研究的一个热点。因此用自蔓延高温合成/准等静压法(SHS/PHIP)制备的TiC颗粒增强铁基复合材料,研究了高温冲击特性及断口分析及复合材料的耐磨损性能[3],随试验温度的升高,TiC颗粒增强铁基复合材料的冲击韧度、断面收缩率、断口纤维断面率显著增大。高温冲击过程中,部分基体Fe发生了氧化,断口局部区域出现少量疏松的Fe2O3氧化组织研究了用自蔓延高温合成和粉末冶金法制备的TiC颗粒增强铁基复合材料,研究了TiC颗粒在基体中的分布状态及原位反应过程。研究了粉末冶金原位合成VC铁基复合材料的耐磨性,发现生成的VC颗粒分布均匀、颗粒圆整、致密度高的铁基复合材料,通过合金元素的加入,使基体组织为马氏体和残余奥氏体,显示良好的耐磨性。[4]研究了用热挤压方法制备的铁基复合材料的显微组织和耐磨性,发现热挤压后，复合材料几乎达到理论密度。 1.2 应 用
目前用粉末冶金法生产的铁基复合材料主要用于机械零件、轴承、摩擦材料
等。低密度、高刚度和高强度的增强体颗粒加入到钢铁基体中,在降低材料密度的同时,提高了材料的弹性模量、硬度、耐磨性和高温性能。 2 粉末冶金镁基复合材料研究现状 2.1 基体与增强相的选择及复合材料性能
纯镁不适合直接作为镁基复合材料的基体,一般需要添加合金元素。常用的合金元素依次有铝、锌、硅、锂、银、锆、锰和稀土元素等,常根据镁基复合材料的使用性能选择基体合金。在镁基复合材料的研究中,用作增强相的主要有硅化物、碳化物、氧化物、硼化物、氮化物、金属粒子及合金、准晶以及碳纤维。[5]选择增强相时主要是考虑增强相的形状与尺寸,增强相与基体的物理、化学相容性等因素,尽量避免增强相与基体合金之间的界面反应,同时还要考虑增强相的各项力学性能、物理性能以及制备成本。SiC颗粒及晶须增强镁基复合材料是近年来研究最活跃的镁基复合材料,以SiC为增强相的粉末冶金镁基复合材料常用的原料、增强相和基体原料增强相基体,Ti颗粒增强镁基复合材料,[6]结果表明,Ti颗粒的加入能显著提高镁的室温强度和弹性模量,同时也使复合材料具有较好的塑性。 2.2 应 用
镁基复合材料不仅保留了基体金属的导电、导热及优良的冷、热加工性能,而且具有更高的比强度、比刚度、高温蠕变性能和尺寸稳定性,使其成为一种先进的高性能工程结构材料。镁合金还能作为一种减振材料,可以把振动能较快地转变为热能消耗掉。在汽车、3C产品、航空航天和国防军工等领域具有越来越重要的应用价值和广阔的应用前景[7]。如已经有约60种汽车部件包括变速箱外壳、转向柱等应用镁基复合材料。例如,德国Claus-thal技术大学用SiCp增强镁基复合材料制成了汽车轴承、活塞和气缸内衬等零件;美国TEXTRON公司、Dow化学公司用该复合材料制成螺旋桨、导弹尾翼和内部加强的气缸等。 3 粉末冶金铜基复合材料研究现状
铜和铜合金是传统的高导电、导热材料,在电器、电子等工业部门有着许多重要的用途,由于强度和耐热性不足,铜及铜合金的应用受到很大的限制,铜合金强的提高在很大程度上都是以牺牲导电率为代价。铜基复合材料不仅强度高、导电性与导热性与纯铜或铜合金相近,而且还有良好的抗电弧侵蚀和抗磨损能力及较高的强度,是一类具有优良综合性能的新型结构功能一体化材料。 3.1 增强相的选择及复合材料性能
用于增强铜及其合金的增强相较常用的有硼化物、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物,还有Fe2P、Ni2Sn、Fe2Ti、Co2P等一系列中间相。具体选择增强相时要考虑该复合材料的用途、性能、生产工艺及成本等因素。近年来,粉末冶金
铜基复合材料的增强相越来越细,向纳米级方向发展,常用的增强相见从不同的角度研究了Al2O3/Cu复合材料的组织和性能为了提高纳米Al2O3颗粒与铜基体间的界面结合力,采用化学镀铜工艺制备了铜包覆纳米Al2O3的复合粉体,然后用热压烧结成形工艺制备了纳米Al2O3弥散强化铜基复合材料,结果表明:复合材料具有较好的抗摩擦磨损性能,摩擦因数较小,其相对耐磨性与纯铜相比提高了近1倍。[8]纳米SiC和纳米Al2O3铜基复合材料的含量对复合材料的性能和组织的影响,发现随着纳米SiC和纳米Al2O3含量的增加,复合材料的密度降低,但复合材料的软化温度高于700℃(高于纯铜的软化温度),在相同含量下,纳米SiC铜基复合材料比纳米Al2O3铜基复合材料综合性能好。WC颗粒增强铜基复合材料,发现WC颗粒能显著提高复合材料的再结晶温度。用气体沉积方法在B4C颗粒表面沉积钛的B4C颗粒增强铜基复合材料的性能,发现铜基体和B4C颗粒之间的界面被改善了,提高了密度和导电性能,复合材料的耐磨性高于纯铜的75倍。SiO2颗粒和AlN颗粒也同样能增强铜基复合材料的耐磨性能[9] 3.2 应 用
目前,采用纳米颗粒增强的铜基纳米复合材料因同时具有良好的导电、导热性能以及较高的强度和耐磨性能在电子和航天领域有广阔的应用前景。例如陶瓷颗粒增强铜基复合材料可用作触头材料、点焊电极工作端、集成电路引线框架外,还可以作为铸机结晶器材料。碳纤维/铜基复合材料现作为一种功能材料已被广泛用作电子元件材料、滑动材料、触头材料、热交换材料等。用碳纤维增强铜基复合材料制成的惯性电机电刷工作电流密度可高达500 A/cm2,实现了耐磨性和导电性的最佳配合。
4 粉末冶金铝基复合材料研究现状
铝基复合材料是发展最快的金属基复合材料,而且已成为金属基复合材料的发展和研究工作的主流。铝基复合材料具有很大的应用潜力,并且已有部分铝基复合材料成功地进入商业化生产阶段。 4.1 基体与增强相的选择及复合材料性能
铝基复合材料的基体可以是纯铝,也可是铝合金,其中采用铝合金的居多。工业上常采用的铝合金基体有Al-Mg、Al-Si、Al-Cu、Al-Li和Al-Fe等。并不是基体的强度越高,复合材料的性能就越好。如碳纤维增强铝基复合材料中,用纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体,就比用高强度铝合金作为基体要好得多,用高强度铝合金作为基体组成的碳纤维增强复合材料的性能反而低。根据增强体的形态,可将其分为纤维、颗粒、晶须三种类型。
在粉末冶金铝基复合材料研究中使用最多的增强体是SiC和Al2O3,尤其是以SiC颗粒为增强体的铝基复合材料。SiC颗粒起到阻止基体塑性变形,提高耐磨抗力
的作用;热压有利于提高SiC增强相颗粒与基体的界面结合强度; Al2O3颗粒增强5052铝基复合材料,发现模内热压烧结+热挤压能够获得具有更高强度的材料。TiB2/Al-4Cu复合材料耐磨性的研究结果发现,TiB2的加入提高了Al-4Cu基体的二维磨料磨损抗力,复合材料抗磨料磨损性能随TiB2含量的增加而提高。钛酸钾晶须增强铝基复合材料,结果表明复合材料的常温和高温抗拉强度均高于基体,其线[膨]胀系数比基体低得多。粉煤灰/铝基复合材料,粉煤灰是废弃的副产品,作为复合材料的增强相,越来越受到关注。 4.2 应用
从20世纪80年代初开始,国外投入大量财力致力于颗粒增强铝基复合材料的研究,解决了增强体颗粒在基体中的分布均匀性和基体与增强体之间界面结合两大技术难题,并系统地研究了颗粒分布均匀性、界面结构及性能等一系列问题,材料性能水平和性能稳定性很快达到了工业应用水平,并逐步研究开发出了结构级、仪表级和光学级复合材料。如英国Osprey公司在90年代初,粉末冶金法的生产规模达到了20 t的水平。粉末冶金铝基复合材料具有一系列优异的力学性能和物理性能,因此应用领域非常广泛,如航天航空、军事、汽车、电子、体育等领域。而且在20世纪80年代就已开始在航空航天工程中成功应用。[10] 5 存在的问题及其发展趋势
粉末冶金法是最早用来制造金属基复合材料的方法,虽然有很多优点,如可实现多种类型的复合,充分发挥各组元材料的特性,是一种低成本生产高性能复合材料的工艺技术,但由于基体和增强相在尺寸、形状、物理化学性能上有很大差别,提高增强相与基体的润湿性,提高基体与增强相之间的界面结合强度,从而提高复合材料的综合性能将依然是金属基复合材料的研究方向。今后的研发工作主要应着眼于如下几个方面。
(1)对粉末冶金制备工艺的研究与改进,从而得到最佳的制备工艺也是粉末冶金金属基复合材料的研究热点之一。如在粉末冶金中引入由微波加热与基座辐射加热相结合的新型工艺;粉末冶金与其他制备工艺相结合的方法,如粉末冶金+原位合成技术的综合运用已经开始在实验室中进行研究。尤其对纳米增强相复合材料来说,不同制备方法之间的综合运用是有力手段。
(2)增强相的超细化、纳米化方向发展。由于纳米增强相尺寸较小,容易聚集,所以外加纳米增强相的表面改性(如金属涂层或气体沉积金属);增强相与基体的界面交互作用机制,优化界面结构,充分发挥界面的增强效应;使纳米增强相更加均匀地弥散地分布在基体中等是研究的热点。
(3)探索高性能、低成本、容易大规模生产的粉末冶金金属基复合材料将成为研究热点。
结 语
经过几十年的发展,粉末冶金金属复合材料已经成功地从实验室走向市场,并在诸多应用领域站稳了脚跟,这受益于广泛而深入的基础研究工作。在优化现有工艺,降低制造成本,解决与环境的适应性,实现其再生循环利用,实现社会可持续发展等方面,将逐渐受到人们的关注。 参考文献
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