金属间化合物/陶瓷基复合材料的制备工艺与研究进展
2013-01-27吕巧飞张维娜
江 涛 吕巧飞 张维娜 李 帅
(西安石油大学材料科学与工程学院,陕西西安710065)
0 前言
金属间化合物具有高强度高韧性,抗氧化性能好,熔点高,硬度高,抗蠕变和抗疲劳性能好以及耐腐蚀等性能[1-5],金属间化合物的性能介于金属和陶瓷之间[1-5]。陶瓷材料具有强度高,抗氧化性能好,硬度高,耐高温,热膨胀系数低和密度小等优良性能。但是,陶瓷材料的脆性却限制陶瓷材料的广泛使用[1-5]。因此,改善陶瓷材料的韧性已成为其发展的主要问题,这使得陶瓷材料的复合增韧成为当今研究的热点[1-5]。
金属间化合物具有一定的韧性和塑性,陶瓷材料的脆性较大而塑性较小,可以将金属间化合物和陶瓷进行复合获得金属间化合物/陶瓷复合材料。金属间化合物/陶瓷基复合材料具有优良性能,使得复合材料既有金属间化合物的塑性韧性,又具有陶瓷材料的强度硬度和耐高温性能等性能[1-5]。金属间化合物材料种类较多,目前研究和开发较多是Al系金属间化合物材料,主要包括Fe-Al金属间化合物,Ni-Al金属间化合物以及Ti-Al金属间化合物[1-5]。其中Fe-Al金属间化合物包括Fe3Al合金和FeAl合金,Ni-Al金属间化合物包括Ni3Al合金和NiAl合金,Ti-Al金属间化合物包括Ti3Al合金和TiAl合金。将Fe-Al,Ni-Al,Ti-Al金属间化合物与陶瓷相混合制备复合材料成为金属间化合物/陶瓷基复合材料的研究和发展的主要方向。
金属间化合物/陶瓷基复合材料的制备技术对性能有影响。本文首先介绍金属间化合物/陶瓷基复合材料的制备技术,然后着重介绍Fe-Al系金属间化合物/陶瓷基复合材料,Ti-Al系金属间化合物/陶瓷基复合材料,Ni-Al系金属间化合物/陶瓷基复合材料的制备工艺和研究发展现状。并对目前研究中的金属间化合物/陶瓷基复合材料的研究发展现状进行评述,同时对金属间化合物/陶瓷基复合材料的发展趋势进行预测。
1 金属间化合物/陶瓷基复合材料的制备技术
金属间化合物/陶瓷基复合材料的制备技术主要包括:粉末冶金法;熔渗法;自蔓延高温合成法;原位合成技术[1-5]。下面简要的介绍以下几种制备方法的原理与工艺过程。
1.1 粉末冶金法
粉末冶金工艺是制备金属间化合物/陶瓷基复合材料比较常用的一种方法。在金属间化合物/陶瓷基复合材料的制备中应用较多的是机械合金化法。机械合金化工艺过程是利用高能球磨机把纯金属粉末放入球磨机中进行机械球磨,粉体的制备由机械合金化过程完成,块体的制备则由烧结过程实现。采用机械合金化工艺可以制备Fe-Al金属间化合物粉末,Ti-Al金属间化合物粉末,Ni-Al金属间化合物粉末,并将制备的金属间化合物粉末与陶瓷粉末相混合,并通过热压烧结工艺制备金属间化合物/陶瓷基复合材料块材。
1.2 熔渗法
熔渗法是熔体在无外力作用下,借助浸润导致的毛细管压力自发进入颗粒多孔预制件的一种工艺。用传统成型工艺使陶瓷粉末可以预制成所需要的形状和尺寸,金属熔体自发渗入并充满预制件中的孔隙,冷却凝固后获得颗粒在连续基体中均匀分布的复合材料。利用熔渗法可制备金属间化合物/陶瓷基复合材料。
1.3 自蔓延高温合成法
自蔓延高温合成法是指利用反应物之间高化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种工艺,当反应物一旦被点燃,便会自动向未反应区传播,直至反应完全。利用自蔓延高温合成法可制备复合材料。
1.4 原位合成技术
原位合成技术即通过化学反应在基体内原位生成一种或几种增强相,使原位自生的增强相与基体相复合形成复合材料,从而达到强化的目的。这种方法是一种很有前途的颗粒增强复合材料的制造工艺。
2 金属间化合物/陶瓷基复合材料的研究发展现状
氧化铝陶瓷材料具有许多优秀的性能,将Fe-Al金属间化合物,Ni-Al金属间化合物,Ti-Al金属间化合物材料分别与Al2O3陶瓷相复合制备Fe-Al/Al2O3复合材料,Ni-Al/Al2O3复合材料和Ti-Al/Al2O3复合材料成为金属间化合物/陶瓷基复合材料的制备和研究发展的主要方向。所以本文主要介绍Fe-Al/Al2O3复合材料,Ni-Al/Al2O3复合材料和Ti-Al/Al2O3复合材料的制备工艺和研究发展现状。
2.1 Fe-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合材料
铁铝金属间化合物(FeAl,Fe3Al)其以耐热,耐磨损,高强度高韧性,抗高温氧化,高温强硬性好以及低密度和成本低等优点,具有成为新型结构材料的良好发展前景[4-7]。Fe-Al金属间化合物主要包括Fe3Al合金和FeAl合金[4,5]。Fe-Al金属间化合物可以用来增强和增韧陶瓷材料。目前,研究和开发的Fe-Al金属间化合物/陶瓷基复合材料主要是Fe-Al/Al2O3复合材料[4]。Fe-Al/Al2O3复合材料是研究和开发较多的一种复合材料。尹衍生等[4,5]利用机械合金化和热压烧结工艺制备Fe3Al/Al2O3复合材料,其Fe3Al/Al2O3复合材料具有较高的抗弯强度和较高的断裂韧性并具有较高的硬度。张玉军[4,5]等以FeAl和Al2O3为原料经球磨混合并通过热压烧结工艺制得FeAl/Al2O3复合材料。FeAl/Al2O3复合材料的抗弯强度和断裂韧性随着FeAl含量的增加而增大,当FeAl含量达到40%(体积分数)时,FeAl/Al2O3复合材料具有较高的抗弯强度和断裂韧性。研究认为复合材料中存在长颗粒的拔出效应以及FeAl和Al2O3颗粒生长的相互制约形成的细晶结构是复合材料断裂韧性和抗弯强度提高的主要原因。Schicker S等研究了Fe-Al/Al2O3复合材料[6,7],采用铁粉,铝粉和氧化铝粉进行球磨制得混合粉末,通过压力成型并采用冷等静压获得致密坯体。然后进行无压烧结工艺制备出含有Fe/Al2O3和FeAl/Al2O3相的复合材料,Fe-Al/Al2O3复合材料具有较高的力学性能[6,7]。
孙康宁等在Fe3Al/Al2O3复合材料中发现了内晶型纳米颗粒,纳米颗粒是由机械合金化过程和烧结过程中引入[8]。李传校等[9]研究TiC与TiC-WC的添加对Fe-Al/Al2O3复合材料力学性能的影响,在Fe-Al/Al2O3复合材料基体中分别添加TiC与TiC-WC固溶体可显著提高其Fe-Al/Al2O3复合材料的抗弯强度[9]。李爱民等[10]研究Cr对Fe-Al/Al2O3复合材料的断裂韧性的影响。研究表明,含有适量Cr的Fe-Al/Al2O3复合材料的断裂韧性大幅度提高。夏国栋等研究Fe-Al/Al2O3复合材料的抗热震性能[11]。陈君平等[12]利用机械球磨-放电等离子烧结的方法将铁粉,铝粉和氧化铝粉的混合粉末通过高能球磨进行机械活化,并利用放电等离子快速烧结工艺得到Fe-Al/Al2O3复合材料。结果表明,利用此机械球磨-放电等离子烧结工艺方法可以制备出致密且晶粒细小的Fe-Al/Al2O3纳米复合材料。王志伟等采用放电等离子烧结法制备出Fe-Al/Al2O3复合材料[13]。还有研究者采用机械合金化工艺球磨制备出纳米级Fe-Al金属间化合物粉末并且与Al2O3粉末相混合,并通过热压烧结工艺制备Fe-Al/Al2O3复合材料,这种Fe-Al/Al2O3复合材料具有较高的力学性能。
2.2 T i-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合材料
Ti-Al系金属间化合物主要有:Ti3Al和TiAl。Ti-Al系金属间化合物具有较高的比强度和比模量,良好的抗蠕变和抗氧化能力。Ti-Al金属间化合物可以用来增强和增韧陶瓷材料,主要包括Ti3Al合金和TiAl合金。研究和开发的Ti-Al金属间化合物/陶瓷基复合材料主要是Ti-Al/Al2O3复合材料。
Ti-Al系金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料是一种新型的复合材料。此外,钛铝金属间化合物的高温力学性能使得Ti-Al系金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料可能获得优异的高温力学性能,Ti-Al/Al2O3复合材料的低密度使其可能应用于航空领域。Ti-Al/Al2O3复合材料具有较高的力学性能和良好的耐磨损性能。
李志强等利用Al-Ti-TiO2体系采用自蔓延高温合成技术(SHS)制备Ti-Al/Al2O3复合材料[14]。吕臣敬等[15]采用原位反应合成工艺利用Ti-Al-O体系原位合成了Al2O3/Ti-Al复合材料。王志伟等采用机械活化和放电等离子烧结工艺制备TiAl-Al2O3复合材料[16]。李文虎等采用热压烧结工艺制备Al2O3/TiAl复合材料并研究其力学性能[17]。有些研究者将Ti和Al粉混合湿球磨后再与Al2O3粉末球磨制备Ti-Al/Al2O3复合粉末,通过热压烧结工艺制备出Ti3Al/Al2O3复合材料。还有些研究者通过机械合金化工艺制备Ti-Al金属间化合物粉末并且与Al2O3粉末相混合,并通过热压烧结工艺制备出Ti-Al/Al2O3复合材料。采用热压烧结工艺可以制备出致密度较高的Ti-Al/Al2O3复合材料。有些研究者采用原位反应热压烧结工艺制备Ti-Al/Al2O3复合材料,其工艺首先将Al粉末和TiO2粉末相混合通过机械球磨工艺形成混合粉末,并通过热压烧结工艺使Al和TiO2原位反应生成Ti-Al合金和Al2O3基体,通过热压烧结工艺制备出Ti-Al/Al2O3复合材料块材。
2.3 Ni-Al金属间化合物/Al2O3陶瓷复合材料
Ni-Al 金属间化合物材料具有很多优秀的性能,利用Ni-Al金属间化合物材料也可以用来增强和增韧陶瓷材料。Ni-Al金属间化合物主要包括Ni3Al合金和NiAl合金。目前正在研究和开发的Ni-Al系金属间化合物/陶瓷基复合材料主要包括Ni-Al/Al2O3复合材料等。这种Ni-Al/Al2O3复合材料具有较高的力学性能和良好的耐磨损性能,Ni-Al/Al2O3复合材料具有很好的发展和应用前景。
沈建兴等[18]通过热压烧结工艺制得Al2O3-10vol%Ni3Al复合材料。研究表明,Al2O3机械性能有明显改善,Al2O3-10vol%Ni3Al复合材料的断裂韧性比纯Al2O3陶瓷要大[18]。申玉芳等[19]通过热压烧结工艺制备出NiAl/Al2O3复合材料。研究表明,随着NiAl含量的增加,NiAl/Al2O3复合材料的断裂韧性得到大幅度提高,而NiAl/Al2O3复合材料的抗弯强度和弹性模量略有下降[19]。张炳荣等[20]采用热压烧结工艺制备出Ni3Al/Al2O3复合材料。研究表明,Ni3Al金属间化合物对Al2O3陶瓷有明显的增韧作用。所得Ni3Al/Al2O3复合材料的抗弯强度与断裂韧性值保持较高[20]。张延峰等采用热压烧结工艺制备纳米Ni3Al/Al2O3复合陶瓷并研究其显微结构和性能[21]。崔洪芝等[22]采用热压烧结工艺制备(TiB2+Al2O3)/NiAl复合材料,并研究(TiB2+Al2O3)/NiAl复合材料的物相组成和组织结构,并研究了(TiB2+Al2O3)/NiAl复合材料的力学性能等[22]。还有些研究者通过机械合金化工艺制备Ni-Al金属间化合物粉末并且与Al2O3粉末相混合,并通过热压烧结工艺制备出Ni-Al/Al2O3复合材料。采用热压烧结工艺可以制备出致密度较高的Ni-Al/Al2O3复合材料并且具有均匀致密的显微结构并具有较高的力学性能。此外,Ni-Al/Al2O3复合材料还具有良好的耐磨损性能。
3 其他类型的金属间化合物/陶瓷基复合材料
其他类型的金属陶瓷复合材料主要是基体为ZrO2,TiC等,增强相为Fe-Al合金,Ni-Al合金,Ti-Al合金。向这些陶瓷基体中加入Fe-Al合金,Ni-Al合金,Ti-Al合金形成金属间化合物/陶瓷基复合材料。本文介绍Fe-Al/ZrO2复合材料,Fe-Al/TiC复合材料,Ni-Al/TiC复合材料和Ti-Al/TiC复合材料等。
3.1 F e-Al金属间化合物/陶瓷基复合材料
(1)Fe-Al/ZrO2复合材料
氧化锆陶瓷材料具有优秀的性能被广泛的应用在工程领域中。由于氧化锆陶瓷的强度较高,韧性较低,所以向氧化锆材料中加入Fe-Al金属间化合物材料形成Fe-Al/ZrO2复合材料。Fe-Al金属间化合物可以与ZrO2材料相复合制备Fe-Al/ZrO2复合材料。通过热压烧结工艺制备的Fe-Al/ZrO2复合材料具有较高的抗弯强度和断裂韧性。李嘉等采用热压烧结工艺制备ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料,并研究ZrO2(3Y)/Fe3Al复合材料的显微结构及力学性能[23]。研究表明,采用热压烧结制备Fe-Al/ZrO2复合材料具有良好的抗热震性能[23]。
(2)Fe-Al/TiC复合材料
碳化钛陶瓷材料具有优秀的性能并已被广泛的应用在工程领域中。Fe-Al金属间化合物可以与TiC材料相复合制备Fe-Al/TiC复合材料。Fe-Al/TiC复合材料具有较高的力学性能和良好的耐磨损性能[24-30]。有些研究者采用熔渗法制备Fe-Al/TiC复合材料[24-27]。还有研究者利用无压熔融渗透法制备Fe40Al/TiC复合材料[24-27];有些研究者采用粉末冶金方法制备Fe-Al/TiC复合材料[28-30];就是首先通过机械合金化工艺制备出Fe-Al金属间化合物粉末,将Fe-Al金属间化合物粉末与TiC粉末相混合,并通过热压烧结工艺制备出Fe-Al/TiC复合材料[28-30]。热压烧结工艺制备出的Fe-Al/TiC复合材料具有均匀致密的显微结构,并且热压烧结工艺制备出的Fe-Al/TiC复合材料具有较高的力学性能和良好的耐磨损性能。杨开明[28]等采用元素混合粉末反应热压烧结工艺制备FeAl/TiC复合材料,研究TiC含量,粘结相成分以及反应热压烧结工艺对复合材料致密化过程和力学性能的影响。刘峰晓等[29]还研究了加Ni的FeAl/TiC复合材料的制备工艺与性能,采用元素粉末反应热压烧结工艺制备FeAl/TiC复合材料,研究Ni合金化对材料致密化和力学性能的影响。还有研究者采用热压烧结工艺制备Fe3Al/TiC复合材料,并研究Fe3Al/TiC复合材料的耐高温冲蚀性能[30]。
(3)Fe-Al/WC复合材料
碳化钨材料具有优秀的性能并已被广泛的应用在工程领域中。可以采用Fe-Al金属间化合物来增强增韧WC材料来制备Fe-Al/WC复合材料。有些研究者采用无压熔渗法制备致密的Fe-Al/WC复合材料[31,32]。用无压熔渗法制备的Fe-Al/WC复合材料具有较高的抗弯强度、断裂韧性、硬度并且具有良好的耐磨损性能、抗腐蚀性能和抗高温氧化性能[31,32]。
3.2 Ni-Al金属间化合物/陶瓷基复合材料
(1)Ni-Al/TiC复合材料
碳化钛陶瓷材料具有优秀的性能并已被广泛的应用在工程领域中。可以向碳化钛基体中加入一定量的Ni-Al金属间化合物材料形成Ni-Al/TiC复合材料,Ni-Al金属间化合物可以与TiC材料相复合制备Ni-Al/TiC复合材料[33,34]。有些研究者采用自发熔融渗透法制备Ni-Al/TiC复合材料[33],并且研究和分析Ni-Al/TiC复合材料的物相组成和微观结构等[33]。付彦龙等采用无压熔渗法制备Ni3Al/TiC陶瓷基复合材料[34],对复合材料的组织进行分析,研究预制件成型工艺和无压熔渗工艺对Ni3Al/TiC复合材料性能的影响[34]。郭建亭等采用机械合金化反应合成NiAl-TiC复合粉末,并通过热压烧结制备NiAl-TiC复合材料,研究了合金化过程,反应机理,球磨时间对粉末颗粒度和晶粒度的影响,并测试热压烧结的NiAl-TiC复合材料的力学性能[35]。
(2)Ni-Al/WC复合材料
碳化钨材料具有优秀的性能并已被广泛的应用在工程领域中。可以向碳化钨基体中加入一定量的Ni-Al金属间化合物材料形成Ni-Al/WC复合材料。所以可以采用Ni-Al金属间化合物来增强增韧WC材料来制备Ni-Al/WC复合材料[36]。采用无压熔渗法制备的Ni-Al/WC复合材料具有较高的抗弯强度和较高的断裂韧性,具有较高的硬度并且具有良好的耐磨损性能、抗腐蚀性能和抗高温氧化性能[36]。
3.3 Ti-Al金属间化合物/陶瓷基复合材料
碳化钛陶瓷材料具有优秀的性能被广泛的应用在工程领域中。可以向碳化钛基体中加入一定量的Ti-Al金属间化合物材料形成Ti-Al/TiC复合材料。由于Ti-Al金属间化合物与TiC陶瓷材料具有良好的相容性,所以形成的Ti-Al/TiC复合材料具有较高的力学性能和良好的耐磨损性能。孙康宁等[37-41]利用反应球磨结合热压烧结工艺制备出Ti3Al/TiC和Ti3Al/TiC+Al2O3以及Ti3Al/TiC+ZrO2陶瓷基复合材料,并对复合材料的热压烧结过程进行研究,分析不同的烧结制度以及热处理工艺对材料性能的影响。任帅等[37,38]采用机械合金化和热压烧结工艺制备Ti3Al/TiC+ZrO2陶瓷复合材料。任帅等[38]采用机械合金化和热压烧结制备TiC/(Ti3Al+ZrO2)复合材料,并研究Ti3Al含量对TiC/(Ti3Al+ZrO2)陶瓷复合材料晶粒生长及性能的影响。王素梅等[39]采用机械合金化工艺和热压烧结工艺制备Ti-Al/TiC陶瓷基复合材料。赵萍等[40]采用热压烧结工艺制备Ti3Al/TiC+Al2O3陶瓷复合材料。李江田等[41]采用反应合成工艺制备Ti3Al/TiC+Al2O3复合材料,将高能球磨后的Ti-Al粉末和TiC以及Al2O3粉末混合进行热压烧结制备Ti3Al/TiC+Al2O3复合材料。岳云龙等[42]采用热压烧结工艺制备TiC/TiAl复合材料,并研究其复合材料的微观结构及强韧化机理。所以通过机械合金化工艺可以制备出Ti-Al金属间化合物粉末并与TiC粉末相混合,并通过热压烧结工艺制备出Ti-Al/TiC复合材料。热压烧结工艺制备的Ti-Al/TiC复合材料具有较高的力学性能和良好的耐磨损性能。
3.4 其他类型的复合材料
目前,文献报道的金属间化合物/陶瓷基复合材料还有Fe-Al/TiC+Al2O3复合材料,Ni-Al/AlN复合材料,Ni-Al/TiB2复合材料,Ni-Al/TiC+Al2O3复合材料,Ti-Al/TiC+Al2O3复合材料,Ti-Al/ZrO2复合材料等。还有Fe-Al合金和Ni-Al合金增强的WC复合材料,如Fe-Al/WC复合材料和Ni-Al/WC复合材料等。正在研究和开发的金属间化合物/陶瓷基复合材料还有很多种,主要是根据增强相金属间化合物材料与基体相陶瓷材料具有良好的相容性,就可以利用热压烧结工艺制备出金属间化合物/陶瓷基复合材料块材。
4 金属间化合物/陶瓷基复合材料的新型制备工艺与技术
金属间化合物/陶瓷基复合材料的制备工艺方法有很多种,主要有粉末冶金工艺和液态金属熔渗工艺等。采用粉末冶金工艺首先需要采用机械合金化工艺制备出金属间化合物粉末,然后将金属间化合物粉末与陶瓷粉末相混合,并通过热压烧结工艺制备出金属间化合物/陶瓷基复合材料。也有研究者采用放电等离子烧结工艺制备出金属间化合物/陶瓷基复合材料;还有研究者采用液相烧结法制备金属间化合物/陶瓷基复合材料。此外,还有研究者采用原位自生法制备金属间化合物/陶瓷基复合材料。对于采用粉末冶金工艺制备金属间化合物/陶瓷基复合材料来说,采用热压烧结工艺是一种较为成熟而且广泛采用的制备工艺。此外,还有采用放电等离子烧结工艺制备金属间化合物/陶瓷基复合材料。采用放电等离子烧结工艺制备的金属间化合物/陶瓷基复合材料具有均匀致密的显微结构并且还具有较高的力学性能。还有采用常压烧结工艺制备金属间化合物/陶瓷基复合材料。这种常压烧结制备工艺简单实用可以制备形状复杂的零部件和试样,适用于工业化生产。此外,还可以采用液态金属熔渗工艺制备金属间化合物/陶瓷基复合材料。金属间化合物/陶瓷基复合材料由于具有许多优秀的性能所以具有广阔的应用前景和良好的发展前途。
5 结论
金属间化合物/陶瓷基复合材料具有优秀的力学性能和良好的耐磨损性能等将在工程领域中得到广泛的应用,而且其制备成本相对较低,制备工艺简单,具有优异的力学性能以及广阔应用前景,成为复合材料研究的热点。近年来,金属间化合物/陶瓷基复合材料的制备和研究也取得了较大的进展。但是金属间化合物/陶瓷基复合材料还有待于进一步完善和材料优化。需要着重提高金属间化合物/陶瓷基复合材料的韧性,弹性模量以及硬度等性能,改进制备工艺技术,促进大规模生产和拓展应用领域,将成为这种金属间化合物/陶瓷基复合材料的发展趋势。开发新型的金属间化合物/陶瓷基复合材料是未来的主要发展趋势,需要探索新的制备工艺,研究和开发新型的金属间化合物/陶瓷基复合材料,并且扩大金属间化合物/陶瓷基复合材料在工程领域的应用范围,并推广和促进金属间化合物/陶瓷基复合材料在工程领域的实际使用。金属间化合物/陶瓷基复合材料由于具有优异的性能将在工程领域得到广泛的应用。
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