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1、第 21 卷第 1 期2011 年 2月?粉末冶金工业POWDER METALLURGY INDUSTRY?Vol.21 No.1Feb.2011收稿日期:2010-09-01作者简介:邓陈虹(1973-),女(汉),四川人,博士,高级工程师,从事粉末冶金复合材料的研究工作。粉末冶金金属基复合材料的研究现状及发展趋势邓陈虹,葛启录,范爱琴(中国钢研科技集团有限公司,北京?100081)摘?要:综述了用粉末冶金法制备的铁基复合材料、镁基复合材料、铜基复合材料及铝基复合材料的常用增强体、材料性能、应用以及目前国内外的研究现状,并探讨了存在的问题及发展趋势。关键词:粉末冶金;金属基复合材料;增强体;
2、趋势中图分类号:TB333?文献标识码:A文章编号:1006-6543(2011)01-0054-06PRESENT RESEARCH STAT US AND T REND OF MET AL MATRIXCOMPOSITES BY POWDER MET ALLURGYDENG Chen?hong,GE Qi?lu,FAN Ai?qin(China Iron and Steel Research Institute Group,Beijing 100081,China)Abstract:Reinforcement phase,properties and applications of Fe
3、matrix,Mg matrix,Cu ma?trix and Al matrix composites by powder metallurgy were summarized.The present researchstatus of these composites was also reviewed.Moreover,several major challenges and pros?pect of development were discussed.Key words:powder metallurgy;metal matrix composites;reinforcement p
4、hase;trend?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。根据金属基复合材料基体的不同,粉末金属基复合材料分为铝基、镁基、铜基、铁基、钛基、镍基、高温合金基等,
5、目前,国内外学者研究较多的主要集中在铁基、铜基、铝基和镁基等复合材料。铝基和镁基等轻金属基复合材料由于其价格贵,因而主要应用于航空航天等高技术领域。本文主要综述铁、铜、铝、镁基复合材料的研究和发展现状。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,Gatti A 2就用粉末冶金工艺制备了 Al2O3颗粒增强 Fe 基复合材料,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 80 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、
6、T iC、NbC、WC、VC、不锈钢纤维、C 纤维、SiC 晶须等,如表 1。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。表 1?粉末冶金铁基复合材料常用的原料、增强相及材料的应用原料增强相应用Fe?Al2O3Al2O32?3飞机发动机燃料泵转子、刀具、Fe?T i?CT iC4?5耐磨零件、模具、夹具、Fe?V?CVC5?6齿轮、飞机刹车片Fe?T i?W?C(T i,W)C 7整体耐磨耐高温零件Fe?Fe3N?Fe4NFe4N、Fe3N8功能材料Fe?不锈钢纤维不锈钢纤维 9?Navara E 3制备了 Al
7、2O3颗粒弥散强化铁基复合材料,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。文献 4 用自蔓延高温合成/准等静压法(SHS/PHIP)制备的T iC 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,随试验温度的升高,T iC 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。文献 5 研究了用自蔓延高温合成和粉末冶金法制备的 T iC 颗粒增强铁基复合材料,研究了 T iC颗粒在基体中的分布状态及原位反应过程。
8、丁义超 6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,显示了良好的耐磨性。M.Karlsohn 7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。文献 9 研究了用一种 316L 纤维增强铁基复合材料,其抗拉强度、硬度和耐磨性都有明显提高。表 2 是不同增强相铁基复合材料的性能 4,8?9。表 2?不同增强相铁基复合材料的性能复合材料密度/g?cm-3硬度抗拉强度/M PaFe?3%不锈钢纤维7?273 HRB228?6Fe
9、?5%SiC74?7%(致密度)115 HB225Fe?Fe4N371?5 HV0?05Fe?T iC715?7 HV1?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
10、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。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,见表 3。表 3?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SiC 晶须?Mg10SiC 晶须镁SiC 颗粒或晶须?MB1511SiC 颗粒或晶须MB15 镁合金SiC 颗粒?Mg 粉、Al 粉、Zn 粉12SiC 颗粒AZ81 镁合金SiC 颗粒?
11、AZ91 镁合金粉 13SiC 颗粒AZ91 镁合金SiC 颗粒?M g?Zn?Zr 合金粉 14SiC 颗粒M g?Zn?Zr 镁合金SiC 颗粒?AZ6115SiC 颗粒AZ61 镁合金纳米 SiC 颗粒?镁合金纳米 SiC 颗粒镁合金?SiC 颗粒及晶须增强 MB15 镁基复合材料中 10,SiC 颗粒及晶须能显著提高 MB15 镁合金的室温强度和弹性膜量,且 SiC 晶须比 SiC 颗粒的作用更明显。文献 11?13 研究了 SiC 颗粒增强不同镁合金复合材料的力学性能及力学性能变化机理。阮爱杰等 14和胡强等 15研究了 SiC 颗粒增强镁基复合材料的阻尼性能,发现 SiC 颗粒能增
12、强复合材料的阻尼性能。Ferkal 等 16利用粉末冶金技术制备了粒径为 30 nm 的 SiC 颗粒增强的镁基复合材料。研究发现,复合材料具有较大的流变应力和较低的蠕变速率,而且复合材料具有很高的热稳定性。?55?第 1 期?邓陈虹等:粉末冶金金属基复合材料的研究现状及发展趋势Al2O3短纤维 17、B4C 颗粒 18等均能够明显提高镁基复合材料的屈服强度、硬度、耐磨性及高温蠕变性能。赵常利等 19研究了 T i 颗粒增强镁基复合材料,结果表明,T i 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。表 4 为 不同增 强相镁 基复合 材料的 性能 11,13,1
13、9。表 4?不同增强相或合金镁基复合材料性能复合材料密度/(g?cm-3)硬度抗拉强度/M PaMg?5%Tip(体积分数)1?876154?2AZ91-15%SiCp103?5 HB289?9MB15-10%SiCw371MB15-10%SiCp3532?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 19。如已经有约 60
14、 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 TEXT RON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,铜合金强度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
15、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,常用的增强相见表 5。表 5?粉末冶金铜基复合材料常用的原料、增强相原料增强相铜粉?纳米 Al2O320,21纳米 Al2O3电解铜粉?纳米 SiC22纳米 SiC电解铜粉?微米 WC 23微米WC铜粉?微米 B4C24微米 B4C电解铜粉?纳米 SiO225
16、纳米 SiO2电解铜粉?纳米或微米 AlN25?27纳米或微米 AlN电解铜粉?超细金刚石粉28超细金刚石粉?文献 20,21 从不同的角度研究了 Al2O3/Cu复合材料的组织和性能。周广宏 20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。Wang Feng?tao 22等研究了纳米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
17、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。王孟君等 23研究了 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。LI guo?lu 24等研究了用气体沉积方法在 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 25。表 6 是电解铜粉和 S
18、iC、SiO2、Al2O3、AlN 纳米粉体用粉末冶金法制备的复合材料的性能 21,22,25。表 6?不同纳米粉体增强粉末冶金铜基复合材料的性能复合材料密度/g?cm-3电阻率/10-8?m硬度HV抗弯强度/MPaCu?1?0%SiC7?981?97547?0280Cu?1?0%SiO28?031?94138?8258Cu?1?0%Al2O38?131?93840?8260Cu?1?0%AlN8?111?95049?0277?56?粉末冶金工业?第 21 卷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
19、前景 29。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
20、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。目前粉末冶金铝基复合材料研究较多的增强相见表 7。表 7?粉末冶金铝基复合材料常用的原料和增强相原料增强相SiC 颗粒?铝粉30?31纳米或微米 SiCAl2O3颗粒?纯铝粉 32Al2O3颗粒T i
21、B2颗粒?铝粉33TiB2颗粒K2O?6TiO2?铝粉 34?35K2O?6TiO2(碳酸钾晶须)粉媒灰?纯铝粉 36粉煤灰?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 30。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 30;武涛等 32研究了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。T jiong 等 33对 T iB2/Al?4Cu 复合材料耐磨性的研究结果发现,T iB2的加入提高了 Al?4Cu
22、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。T.Imai 等 34,35研究了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。王庆平等 36研究了粉煤灰/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。表 8 为不同增强相铝基复合材料的性能 32,33。表 8?不同增强相粉末冶金铝基复合材料的性能复合材料密度/g?cm3抗拉强度/MPa伸长率/%5052Al?20%SiCp(体积分数)2?6325176351Al?10%T iB241686061Al?20%Al2O3p(体积分数
23、)3792?16061Al?20%SiCp(体积分数)50054?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
24、。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。如在美国国防部?T iltle III项目支持下,DWA 复合材料公司与洛克希德?马丁公司及空军合作,将粉末冶金法制备的碳化硅颗粒增强铝基(6092Al)复合材料用于 F?16 战斗机的腹鳍,代替了原有的 2214铝合金蒙皮,刚度提高 50%,寿命由原来的数百小时提高到设计全寿命约为 8 000 h,寿命提高幅度达17 倍 38。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?57?第 1 期?邓陈虹等:粉末冶金金属基复合材料的研究现状及发展趋势方法,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
25、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
26、)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。6?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 1
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