原位合成颗粒增强镍基材料的制备方法

刘杰慧*，丁义超，李远辉

(成都工业学院 a.实训基地;b.电加工重点实验室，成都 610031)

原位合成颗粒增强镍基材料的制备方法

刘杰慧a*，丁义超b，李远辉b

(成都工业学院 a.实训基地;b.电加工重点实验室，成都 610031)

原位合成技术日益引起科研人员的广泛关注，但是采用原位合成技术制备颗粒增强镍基复合材料的介绍相对较少。介绍了原位合成颗粒增强镍基材料的主要制备方法和工艺，从制造过程分析各方法的优缺点，指出当前研究中存在的主要问题，探讨未来镍基材料制备技术的发展方向。

原位合成颗粒;镍基复合材料;制备方法

随着航空航天、电子工业以及原子能等新兴产业的飞速发展，人们对材料高温性能(如高温强度、热硬性、耐磨性)的要求越来越高。金属基复合材料特别是镍基复合材料，因具有较好的高温性能而成为近年研究的热点。

复合材料主要由基体和增强体组成。增强体包括纤维、晶须、颗粒等。以纤维、晶须等作为镍基材料的增强体，会导致最终材料出现各向异性，材料制备过程相对复杂、成本高、综合力学性能不好等。而以颗粒作为增强体便可以克服以上不足。但是，颗粒增强镍基材料的制备仍然不可避免地会涉及增强体颗粒与基体的界面问题。界面会影响材料的力学性能，如载荷的传递、断裂行为、微观应力分布等。同时，界面对物理性能有影响，例如对导电、导热、热膨胀系数等的影响。因此，降低界面的影响成为研究重点。现有复合技术中，增强颗粒原位生长、合成技术能最大程度地减小界面的影响，因此逐渐成为首选的复合技术［1-3］。

1 原位合成颗粒增强镍基材料的制备方法

目前制备颗粒增强镍基材料的方法主要有:高温自蔓延法、粉末冶金放热弥散法、机械合金化法、原位反应热喷涂法、高能束表面原位熔覆法和高能束粉末堆焊等。虽然这些方法已经在制造其他金属基复合材料上得到了广泛应用，但是在制造镍基复合材料上还相对较少。下面介绍几种方法的优缺点及应用现状。

图1 固相反应自蔓延合成过程

1.1 高温自蔓延法

高温自蔓延法(SHS法)是由外部提供热能，诱发局部产生高温化学反应并形成燃烧波，燃烧波再向内部推进，最终完成反应。整个过程自发进行，最后蔓延到整个系统，直至反应完成，图1为自蔓延合成过程［4］。

文献［5］采用高温自蔓延法在钛合金表面制备了原位反应生成的Ti5Si3颗粒增强的镍基表面复合材料。研究结果表明:在一定的加热条件下，当混合粉末中镍的含量为40%时，金相组织致密、存在较少的缺陷，硬度最高。镍含量的变化主要改变了 NiTi2相的含量。由于 SHS反应发热量大温度高，NiTi2形成液相，凝固时分布在Ti5Si3相周围起到提高组织塑性作用。

自蔓延高温合成法的优点:1)工艺简单，耗时短，反应十分迅速(一般几秒或几十秒)，混合粉末在瞬间升高到几千摄氏度;2)反应过程中有热量释放，外部仅提供较少能量，即可完成整个反应;3)混合粉末烧成和增强相合成同时完成。

自蔓延法的缺点:化学反应过程是自发进行的，难以控制;产品缺陷多，如存在较多孔洞，需要进行动态压实、热压或热等静压。

1.2 粉末冶金放热弥散法

粉末冶金放热弥散法(XD法)的原理是将粉末混合均匀，升温加热到基体金属的熔点以上温度，反应剂元素在基体金属的熔体中发生放热反应，最终生成增强颗粒［6］。XD法实际上是由SHS法改进而成，因为SHS法是局部反应释放热量推进后续反应进行，所以热量相对较低，持续时间长，而XD法是在整个混合物中处处发生反应，是一个短暂的过程。放热弥散法是根据放热反应后增强颗粒弥散分布的特点来定义的。放热弥散法原位合成的增强体，可以避免增强体和基体界面杂质的形成，有利于改善复合材料的性能。

文献［7］利用真空热压放热弥散法，制备了TiC颗粒增强的镍基复合材料，结果表明:烧结温度决定组织均匀性和TiC颗粒大小。随着TiC质量分数的提高，硬度始终呈增长趋势，同时材料的抗拉强度、弯曲强度和压缩强度也随TiC含量的提高而增加，但是当TiC含量达到47.8 wt%时有所下降，主要原因增强颗粒含量增大到一定程度时，颗粒在烧结过程中会出现团聚，微气孔增多，孔隙率升高。通过对比发现:相同制备条件下，原位反应制备的各种成分的试样，其综合性能均优于非原位反应制备的试样。

放热弥散法所制备的增强颗粒反应自生，形状圆整细小弥散，但是该工艺要求较高的技巧，难以掌握;而且放热弥散是高温反应，因此产品内部疏松多孔，需要采取二次加工进行解决。

1.3 机械合金化法

机械合金化(MA)是将合金元素粉末混合，在高能球磨机上进行球磨，粉末在长时间球磨过程中受到反复冲击、剪切、摩擦和压缩，最终形成弥散分布的微粒［8］。机械合金化法主要用于制备镍基高温合金，该合金主要采用氧化物弥散分布达到强化目的。该方法能使颗粒分布均匀，使颗粒尺寸细小弥散，最终获得高性能的材料。

文献［9］对比分析了机械合金化工艺和普通粉末冶金方法对Y2O3/Cr-Ni复合材料性能的影响。结果发现:机械合金化处理后的混合粉末，由物相分析可知最终形成Cr-Ni固溶体;与普通粉末冶金法相比，机械合金化后生成的Y2O3颗粒更加弥散均匀，Y2O3颗粒与基体的界面结合情况更好。

机械合金法原位合成的颗粒细小、均匀，高温稳定性好，而机械合金法的设备费及维护费用较低。因此，虽然该方法采用的粉末原料成本较高，且需要二次加工，但还是有较高的研究及应用价值。

1.4 原位反应热喷涂法

原位反应热喷涂法是在热喷涂工艺和原位合成技术的基础上发展起来的，主要是喷涂颗粒之间发生原位反应，反应所释放的高热量使喷涂粉末熔化，最终生成常规方法不能制备的高熔点颗粒增强相。因为反应自身释放高热量，复合涂层的制备就实现了低成本和高效能。按照喷涂热源不同，原位反应热喷涂可分为反应等离子喷涂、反应电弧喷涂、爆炸反应喷涂、反应火焰喷涂等［10］。

文献［11］运用反应等离子喷涂技术制备了TiC颗粒增强镍基合金复合涂层，从TiC颗粒增强镍基合金的微观组织结构、摩擦磨损行为以及磨损机理入手进行分析研究，结果表明:镍基合金复合涂层主要是镍基材料上分布硼化物和碳化物颗粒;复合涂层与基底材料间形成一定厚度的过渡层，过渡层为冶金结合。当含有30%TiC颗粒时，复合涂层的磨损率和摩擦系数最低。

图2 同步送粉激光熔覆原理

1.5 高能束表面原位熔覆法

高能束表面原位熔覆法是集高能束熔覆和原位合成2种方法于一身，同时发挥各自的优点，最终使金属的表面性能得到明显改善，图2为激光熔覆原理［12］。

文献［13-18］利用激光熔覆技术，先后原位生成:B4C颗粒增强的镍基复合涂层;TaC颗粒强化的镍基复合涂层;TaC-NbC，Cr3C2复合颗粒增强的镍基熔覆层;TiC-ZrC复合颗粒增强镍基熔覆层;VC-VBB4C复合颗粒增强镍基熔覆层;WB-CrB增强镍基激光熔覆层和VC-WxC颗粒增强镍基涂层。利用金相显微镜和扫描电镜对熔覆层的显微组织进行分析，利用X射线衍射仪和能谱仪对熔覆层的物相进行分析，同时进行力学性能试验。结果表明:在适当工艺条件下，原位生成颗粒增强镍基涂层组织均匀，涂层与基层呈冶金结合。熔覆层硬度较高，耐磨性好。大量均匀弥散分布的增强颗粒是熔覆层硬度和耐磨性提高的主要原因。

高能束熔覆技术可明显改善基体材料的表面性能，基体金属与熔覆表面层能实现冶金结合，基体变形小，熔覆层稀释率可控，容易实现工艺自动化，但是熔覆技术标准和评价标准不完善。

1.6 高能束粉末堆焊

高能束粉末堆焊的特点是其热源为高能束流。高能束热源的优点是热输入控制精确，堆焊层美观，微观组织致密且性能良好;而存在的主要问题是成本较高，不易实现工业化生产。高能束粉末堆焊主要有激光堆焊、等离子堆焊、电子束堆焊［19］。

文献［20］利用等离子堆焊技术堆焊了一层碳化钨颗粒增强的镍基合金层。由于堆焊热量高，超过了碳化钨颗粒的熔点，碳化钨颗粒逐渐溶解，并与镍基合金发生反应生成以块状析出共晶组织。堆焊层的硬度与碳化钨的含量有关。

2 存在的问题及展望

原位反应法已较多地应用在合成其他金属基复合材料上，但是用于增强镍基复合材料的原位合成法仍相对较少，主要是因为原位反应法制备颗粒增强镍基复合材料的研究时间尚短，因此还存在诸多问题，归纳起来主要有:1)各方法中有关原位反应机理的研究匮乏。2)原位反应会生成增强体的同时，也会发生副反应生成其他杂质，同时原位反应难以控制增强体的生成量，材料性能不够稳定。3)采用原位合成技术，生产颗粒增强的镍基复合材料需要专门的设备，成本高，工艺相对复杂，不能实现生产的规模化。

只要充分研究原位反应机理就能有效地控制镍基复合材料的组成及组织结构。因此在反应机理上应深入研究，以控制其他副反应，使原位制备的颗粒增强镍基复合材料在工业应用日趋成熟。

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Fabrication Methods of Reinforced Nickel-based Composites with In-situ Grown Particles

LIU Jiehuia* ，DING Yichaob，LI Yuanhuib
(a.Training Base;b.Key Laboratory of Electrical Processing，Chengdu Technological University，Chengdu 610031，China)

In-situ synthesis technique is increasingly aroused abroad attention of scientific researchers，and becomes the hotspot of relative research in recent years.But the introduction of particulate reinforced Ni-based composite materials is relatively less.This article introduces the main fabrication methods and techniques of reinforced nickel-based composite materials with in-situ grown particles.By analysing these methods from manufacturing process，the advantages and disadvantages of current studies are discussed，and the future research is proposed.

In-situ grown particle;Nickel-based Composite material;fabrication method

TF331

A

2095-5383(2013)04-0029-03

2013-11-05

四川省科技计划项目“新型铁基复合材料的研制”(2010JY0076)

刘杰慧(1983-)，女(汉族)，四川成都人，助教，硕士，研究方向:金属材料成型与热处理，通信作者邮箱:jiehui1983@qq.com。

丁义超(1975-)，男(汉族)，河南桐柏人，副教授，博士，研究方向:金属基复合材料和线切割技术。