《金属间化合物_陶瓷基复合材料发展现状与趋势.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属间化合物_陶瓷基复合材料发展现状与趋势.pdf（5页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第12卷第1期Vol.12 No.1粉末冶金材料科学与工程Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy2007年2月Feb.2007金属间化合物/陶瓷基复合材料发展现状与趋势刘,何柏林(华东交通大学 机电工程学院,南昌330013)摘 要:金属间化合物/陶瓷基复合材料是近年内发展起来的一种新型复合材料,其发展与金属间化合物和高技术陶瓷的发展密切相关。利用金属间化合物的性能介于金属和陶瓷之间的特点,制备金属间化合物/陶瓷基复合材料,能使金属和陶瓷各自的缺点通过彼此的优点所弥补。该文简要介绍了Ni2Al/Al2O3、Fe2Al/Al2
2、O3、Ni2Al/TiC、FeAl/TiC、FeAl/WC和Ni32Al/WC等复合材料的发展现状以及金属间化合物/陶瓷基复合材料未来的发展趋势。关键词:金属间化合物;陶瓷;复合材料;发展现状中图分类号:TB 33文献标识码:A 文章编号:167320224(2007)128205Developmental status quo and trend of intermetallics/ceramic matrix compositesLIU Fan,HE Bo2lin(College of Mechanical and Electrical Engineering,East2China Jia
3、otong University,Nanchang 330013,China)Abstract:Intermetallics/ceramic matrix composites(I/CMC)is a new kind of composite developed in recent years.The development of the I/CMC relates in a marked degree to the development of the intermetallics and the high tech2nological ceramics.The I/CMC can be p
4、repared with no indiviual defects of both the intermetallies and ceramics butwith their individual merits,making use of the properties of the intermetallics to be lain in between those of the met2al and the ceramic.The present paper introduces the developmental status quo and the future development
5、tendencyof the I/CMC,in particular of Ni2Al/Al2O3,Fe2Al/Al2O3,Ni2Al/TiC,FeAl/TiC,FeAl/WC and Ni32Al/WC andthe other composites.Key words:Intermetallic;ceramic2based composites;development 金属间化合物的性能介于金属和陶瓷之间,其结构与性能不同于其金属组元,而是一种长程有序的超点阵结构,因而具有许多特殊的物理化学性能和力学性能。与金属材料相比,金属间化合物密度小、抗氧化性能好、熔点高、硬度高、抗蠕变和抗疲劳性能
6、好,并具有许多特殊的物理化学性能和力学性能,特别是一些金属间化合物的强度在特定温度范围内随温度升高而升高。金属间化合物的种类非常多,近年来国内外主要集中于对Ti2Al、Ni2Al、Fe2Al等含铝金属间化合物的研究1。Fe2Al金属间化合物中最受关注是Fe3Al与FeAl合金2。Fe2Al金属间化合物室温脆性大、塑性差,改善其室温脆性,提高其强度是重要的研究方向。目前研究最多的是Ni32Al金属间化合物,尤其是对于其在中间温度时的反常流变应力做了较深入的探索。许多Ni32Al基合金已应用于铸造、锻压和高温熔炼。NiAl合金比目前的Ni基高温合金质量轻,且具有高熔点、优良的抗氧化性能以及高的热基
7、金项目:江西省自然科学基金资助项目(550015)收稿日期:2006208227;修订日期:2006210219通讯作者:刘,电话:079127047103,13576990440;E2mail:1f liufan 导率,但是由于其低温下的断裂韧性差以及高温强度低、抗蠕变能力差,使其在结构材料方面的应用受到限制。许多文献报道,由于NiAl合金熔点高、密度低、热导率大,抗氧化和抗腐蚀性能优异,多年来一直用作高温合金零件的表面防护涂层。陶瓷材料由于具有强度高、抗氧化、耐高温、热膨胀系数低和密度小等优良性能,因而在许多方面的应用是一般金属材料和高分子材料无法替代的。但是它的致命弱点 脆性却大大限制了
8、其更广泛的应用。因此,改善陶瓷的韧性已成为陶瓷材料获得进一步应用的核心问题。由于金属间化合物原子的长程有序排列和原子间金属键与共价键共存的特性,其使用温度介于金属超硬合金和陶瓷之间。金属间化合物相对于金属是脆性材料,而相对于陶瓷又具有一定的塑性,其性能介于金属和陶瓷之间,制备金属间化合物/陶瓷基复合材料可使金属和陶瓷各自的缺点通过彼此的优点所弥补。本文主要介绍金属间化合物/陶瓷基复合材料的发展现状及趋向。1 金属间化合物/陶瓷基复合材料的发展现状1.1NiAl/Al2O3及Ni32Al/Al2O3复合材料在最近几十年内,有很多研究工作者对金属相增韧增强Al2O3陶瓷材料进行了研究324。张炳荣
9、3等用Ni32Al增强Al2O3,其中Al2O3型号为“A KP220”(2Al2O3,粒度0.5m),Ni32Al的组成为73.12Ni218.82Al28.06Cr20.019Mo20.1B(数据为原子分数,%)。其试验方法是将Al2O3+10%(体积分数)Ni32Al混合粉末装入衬有WC不锈钢的球磨筒中,以酒精为介质强化球磨90 min,球磨后的混合泥浆在70 烘干后过100目筛,然后装入石墨模中,在(1 34010)、25 MPa压力下于氢气气氛中热压1 h,得到Ni32Al/Al2O3复合材料。研究表明,Ni32Al对Al2O3陶瓷有明显的增韧作用。所得复合材料的抗弯强度与断裂韧性从
10、室温至600 范围内,随温度升高下降很少。金属间化合物通过塑性变形、剥离、拔出,起到阻止裂纹扩展,提高材料性能的作用。随温度进一步升高,在600以后,Ni32Al粒子发生软化,与Al2O3基质的结合强度下降,导致材料性能明显下降。但是与纯Al2O3陶瓷相比,该复合材料直到1 000 仍保持了较高的断裂韧性。CHOU W B等5利用NiAl金属间化合物增韧Al2O3陶瓷获得了较好的效果。研究表明,随NiAl含量增加,复合材料的抗弯强度和断裂韧性提高,但硬度降低。对于NiAl体积分数为50%的试样,其强度比纯Al2O3陶瓷提高60%,断裂韧性提高160%。进一步的研究表明,通过加入Fe可增强NiA
11、l/Al2O3的界面结合,提高复合材料的韧性和强度。CHOU W B等还借助扫描电镜和透射电镜研究了NiAl金属间化合物增韧Al2O3陶瓷材料的强韧机理。分析认为:裂纹偏转是复合材料增韧的主要机制,而长颗粒的拔出和NiAl金属间化合物有限的塑性变形也贡献于材料的韧化。颗粒细化提高了基体材料的强度。1.2FeAl/Al2O3及Fe3Al/Al2O3复合材料SILVIA S等627研究了Al2O3基复合材料。他们采用铁粉、铝粉和氧化铝粉,以丙酮为介质进行球磨、制粉。先在50 MPa的压力下预成形,再采用冷等静压技术在900 MPa的压力下获得致密坯体,然后在1 4501 500 的温度下无压烧结,
12、制备出含有Fe/Al2O3和FeAl/Al2O3相的复合材料。当Fe和FeAl在复合材料中形成网络结构时,复合材料具有最好的力学性能。文献8报道了Al2O3基复合材料的反应合成方法,通过引入Fe2O3、TiO2、Nb2O5和Al,或引入Fe、Ti、Nb和Al,与Al2O3通过无压烧结得到复合材料。在烧结过 程中Fe2O3、TiO2和Nb2O5可通过Al还原形成铝化物(如TixAly,NbxAly),金属Fe、Ti、Nb与Al可直接形成金属间化合物。FeAl、TiAl和NbAl3金属间化合物增强Al2O3陶瓷复合材料的抗弯强度分别为:(57068)、(42032)和(44559)MPa。孙康宁等
13、9探索了Fe3Al/Al2O3复合材料的制备工艺。试验表明,Fe3Al与Al2O3有良好的亲合性。采用熔渗烧结法,通过适当控制工艺参数,可制得梯度Fe3Al/Al2O3复合材料。Fe3Al/Al2O3材料复合了Fe3Al与Al2O3的优点,具有良好的使用前景。1.3NiAl/TiC、Ni32Al/TiC和FeAl/TiC复合材料高明霞等10采用自发熔化渗透法制备了高TiC含量的NiAl/TiC和Ni32Al/TiC复合材料。由自发熔渗法制备的NiAl/86%(体积分数)TiC复合材料的四点弯曲强度高达(67080)MPa,断裂韧性为6.5 MPam1/2,维氏硬度14 GPa,比用普通混合法得
14、到的复合材料性能高11。采用XRD和9第12卷第1期 刘,等:金属间化合物/陶瓷基复合材料发展现状与趋势TEM/EDS分析了复合材料的相组成、微观结构和NiAl相与TiC颗粒在高温熔渗过程中的互溶情况。结果表明:自发熔渗法是制备致密NiAl/TiC复合材料的既经济又简单的有效方法,用此方法可制备出致密的结合良好的高TiC含量的NiAl/TiC复合材料。适当提高熔渗温度,可大大缩短熔渗时间。在完成熔渗并获得致密组织的前提下,熔渗温度和熔渗时间对NiAl/TiC复合材料的硬度及断裂韧性无显著影响。NiAl相和TiC颗粒结合良好,是熔渗后复合材料中仅有的2个组成相,并在很大程度上各自形成连续的网状组
15、织,这种组织具有较高的韧性。NiAl相中存在少量的位错。TiC和NiAl少量地互溶,这有利于获得较强的界面结合。TiC基体与NiAl界面分裂和TiC晶粒分裂是该复合材料的主要开裂模式;NiAl薄层在其复合材料中具有桥联作用,这种作用使裂纹扩展速度大大降低,从而增加了复合材料的韧性。GAO Ming2xia等12214研究了采用无压熔渗法制备Fe40Al/TiC和Fe28Al/TiC复合材料的熔渗力学和材料的微观组织。研究表明,预制件TiC的相对密度为60%88%时,采用无压熔渗法能制备完全致密的复合材料,材料中Fe40Al的体积分数为12%40%。Fe40Al/TiC熔渗体系在1 450的熔渗
16、温度下,熔渗时间为5 min,Fe40Al渗入到相对密度为88%的预制件TiC中的深度是7 mm。由SEM和TEM观察到,在熔渗过程中,部分Ti从TiC粒子中分解出来溶解到Fe40Al中,从而增大了Fe40Al对TiC的润湿性。XRD分析表明该复合材料中只有TiC和Fe60Al40两相,熔渗过程中没有新相产生。美国橡树岭国家实验室研究人员SUBRAMA2NIAN R和SCHNEIBEL J H分别采用无压熔渗法和液相烧结法制备了Fe40Al/TiC复合材料15216。采用液相烧结法时,若TiC的体积分数大于60%,复合材料的相对密度会降低,这是由于TiC在液态Fe40Al中的溶解度有限。从图1
17、15中可以看出,采用液相烧结法制备的复合材料,其相对密度达到90%97%;而采用无压熔渗法制备的复合材料,其相对密度可以超过97%。当Fe40Al体积分数为30%时,复合材料的弯曲强度是1 034 MPa,断裂韧性为18 MPam1/2,洛氏硬度为83.5。可以通过控制TiC晶粒尺寸和改善Fe40Al与TiC界面强度来进一步提高复合材料的抗弯强度17。采用这2种方法制备的复合材料的微观结构如图2所示15,图2(a)、(b)和(c)所示是由无压熔渗法制备的复合材图1 无压熔渗法(MI)和液相烧结法(LPS)制备的Fe40Al/TiC复合材料的相对密度Fig.1Comparison of the
18、relative densities ofFe240Al/TiC composites prepared bydifferent processesLPSPrepared by liquid phase sintering for 10 min;MIPrepared by melt infiltrating to 70%density料微观结构,从图中可以看出材料结构均匀,气孔较少,比较致密;图2(d)、(e)和(f)是由液相烧结法制备的复合材料,结构不均匀,而且存在不能消除的气孔。1.4FeAl/WC及Ni32Al/WC复合材料WC2Co复合材料具有很好的力学性能,是工业应用中不可缺少的材料
19、之一。但由于其抗腐蚀性能差、成本高和对环境有污染等缺点,以至在最近十几年里,有很多研究者在寻找代替Co为增强相方面做了很大的努力。SUBRAMANIAN R采用无压熔渗法制备出了完全致密的Fe40Al/WC复合材料15,18。在WC体积分数超过70%的情况下,用液相烧结法法制备的复合材料相对密度为82%85%,而用无压熔渗法制备的材料相对密度高于98.5%。当增强相Fe40Al的体积分数为30%时,由无压熔渗法制备的Fe40Al/WC复合材料,其抗弯强度高达1.4 GPa,断裂韧性为10.6 MPam1/2,洛氏硬度是HR88。这个硬度值与商业应用的WC2Co复合材料的硬度值相当。可以通过控制
20、WC颗粒尺寸和改善金属间化合物的界面强度来提高复合材料的抗弯强度。用无压熔渗法制备的Fe40Al/WC复合材料具有独特的高强度、高韧性、耐磨、抗腐蚀和抗氧化性能。尽管散装的FeAl延伸性比Ni32Al差,但复合材料Fe40Al/WC和Ni32Al/WC的断裂韧性值一致。制备Ni32Al/WC复合材料的方法很多,无压01粉末冶金材料科学与工程 2007年2月图2 无压熔渗法和液相烧结法制备的Fe40Al/TiC复合材料的微观结构比较Fig.2Comparison of microstructures prepared bymelt infiltration as shown in(a),(b),
21、(c)vs.those prepared byliquid phase sintering of mixed powders as shown in(d),(e),(f)fordifferent volume fractions of TiC in the Fe240Al/TiC cermet(Volume fraction of TiC:(a),(d)70%;(b),(e)80%;(c),(f)90%)熔渗法是其中的一种既简单又经济的方法,SUB2RAMANIAN R成功地采用无压熔渗法制备了完全致密的Ni32Al/WC复合材料18。当金属间化合物Ni32Al的体积分数为20%和30%时,该
22、复合材料的相对密度分别为99.5%和99.7%。金属间化合物成分的微小差别,对该复合材料的弯曲强度有很大影响。Ni32Al(73.88Ni215.9Al28Cr21.7Mo20.5Zr20.02B)/WC复合材料比Ni32Al(76.9Ni222.5Al20.5Zr20.1B)/WC复合材料的抗弯强度低很多,随着WC的体积分数由70%增大到80%,这2种复合材料的抗弯强度都呈上升趋势,断裂韧性则是前者的比后者的高,因为前者随着WC的增加断裂韧性下降,后者则正好相反,随着WC的增加,断裂韧性增大。2 结束语金属间化合物/陶瓷基复合材料是近年来迅速发展起来的一种新型材料,是一个新的研究领域,由于这
23、类材料充分显示了金属间化合物和陶瓷各自的优点而弥补或部分弥补了彼此的缺点,而备受人们的关注。国内外一些研究者在这个领域里有突出的成果,但还存在一些有待解决的问题,这些问题的解决将会是金属间化合物/陶瓷基复合材料的未来发展趋势,它们主要有如下一些:(1)所选金属间化合物的物相与陶瓷基体的配对,以及所形成的复合材料的种类和体系,还非常有限。(2)对自发熔渗法制备金属间化合物/陶瓷基复合材料过程中的熔渗动力学等方面的研究还很缺乏,复合材料微观结构、组织与性能的关系、断裂方式和强化机理等方面的研究还有待进一步的深入。(3)目前报道的金属间化合物/陶瓷基复合材料的综合力学性能还不尽理想,离工业应用的要求
24、还有一定的距离,在高温性能尤其是蠕变性能方面的研究也很缺乏。REFERENCES1 张玉军,尹衍升.金属间化合物陶瓷复合材料研究进展J.兵器材料科学与工程,2000,23(1):8211.ZHANG Yu2jun,YIN Yan2sheng.Development of in211第12卷第1期 刘,等:金属间化合物/陶瓷基复合材料发展现状与趋势termetallics2ceramics compositesJ.Ordnance Materi2al Science and Engineering,2000,23(1):8211.2 孙康宁,尹衍升,李爱民.金属间化合物/陶瓷基复合材料M.北京:
25、机械工业出版社,2002:12.SUN Kang2ning,YIN Yan2sheng,LI Ai2Ming.Inter2metallics/Ceramics CompositesM.Beijing:MachineIndustry Press,2002:12.3 张炳荣,沈建兴,王介峰,等.Al2O32Ni32Al复合材料的机械性能研究J.中国陶瓷,2000,30(4):527.ZHANGBin2rong,SHEN Jian2xing,WANGJie2feng,et al.A study on mechanical properties of Al2O32Ni32Al compositeJ.C
26、hina Ceramics,2000,30(4):527.4 沈建兴,李肖玲,邹文国.Ni32Al增韧Al2O3陶瓷机理的研究J.山东陶瓷,2000,23(3):326.SHEN Jian2xing,LI Xiao2ling,ZOU Wen2guo.Studyon mechanism of Ni32Al toughened Al2O3ceramicJ.Shandong Ceramics,2000,23(3):326.5TUAN W H,CHANG S T,CHOU W B,et al.Effect of iron addition on the mechanical properties of
27、Al2O32NiAl CMMCsJ.Key Engineering Materials,1997,1272131:4472454.6SILVIA Schicker,DANIEL E,GARCIA D E,et al.Reaction processing of Al2O3composites containing i2ron and iron aluminidesJ.Journal of the AmericanCeramic Society,1997,80(9):229422300.7SCHICKER S,GARCIA D E,GORLOV I,et al.Wet milling ofFe/
28、Al/Al2O3andFe2O3/Al/Al2O3powder mixturesJ.Journal of the American CeramicSociety,1999,82(10):260722916.8SCHICKER S,GARCIA D E,BRU HN J,et al.Re2action synthesized Al2O32based intermetalic compositesJ.Acta Mater,1998,46(7):248522492.9 孙康宁,王 昕,张玉军,等.Fe3Al/Al2O3复合材料制备工艺研究J.复合材料学报,1999,16(4):50253.SUN K
29、ang2ning,WANG Xin,ZHANG Yu2Jun,etal.Experimentalstudy on fabricationprocess ofFe3Al/Al2O3compositeJ.Acta Materiae CompositaeSinica,1999,16(4):50253.10 高明霞,潘 颐,OLIVERIA FJ,等.自发熔渗法制备TiC/NiAl复合材料和其微观组织特征J.复合材料学报,2004,21(5):11215.GAO Ming2xia,PAN Yi,OLIVERIA F J,et al.Pressureless melt infiltration proc
30、essing and the mi2crostructural characteristics of TiC/NiAl compositesJ.Acta Materiae Compositae Sinica,2004,21(5):11215.11GAO M X,PAN Y,OLIVERIA F J,et al.Inter2penetrating microstructure and fracture mechanism ofNiAl/TiC composites by pressureless melt infiltrationJ.Materials Letters,2004(58):1761
31、21765.12GAO Ming2xia,OLIVEIRA F J.Melt infiltration a2bility and microstructural evolution of Fe40Al/TiCcomposites systemJ.Journal of Xiamen University:Natural Science,2002,10:93.13GAO M X,PAN Y,OLIVERIA F J,et al.Highstrength TiC matrix Fe28Al toughened compositesprepared by spontaneous melt infilt
32、rationJ.Journalof the European Ceramic Society,2006:127.14GAO M X,OLIVEIRA F J,PAN Y,et al.Strengthimprovement and fracture mechanism in Fe40Al/TiCcomposites with high content of TiCJ.Intermetal2lics,2005,13:4602466.15SUBRAMANIAN R,SCHNEIBEL J H.FeAl2TiCand FeAl2WC composites2melt infiltration proce
33、ss2ing,microstructure and mechanical properties J.Materials Science andEngineering,1998,A244:1032112.16SUBRAMANIAN R,SCHNEIBEl JH.FeAl2TiCcermets2melt infiltration processing and mechanicalproperties J.Materials Science and Engineering,1997,A239/240:6332639.17SUBRAMANIAN R,SCHNEIBEL J H.Iron alumi2n
34、ide2titanium carbide composites by pressureless meltinfiltration2microstructure and mechanical propertiesJ.Scripta Materialia,1996,35(5):5832588.18SUBRAMANIAN R,SCHNEIBEL J H.Intermetal2lic bonded WC2based cermets by pressureless melt in2filtrationJ.Intermetallics,1997,5:4012408.(编辑 汤金芝)21粉末冶金材料科学与工程 2007年2月