热等静压技术在金属陶瓷复合材料制备中的应用

顾嘉文，刘慧渊，范帮勇，王勇兵，徐伟，吴宗吉

（宁夏银钛科技股份有限公司，银川 750001）

综述与评述

热等静压技术在金属陶瓷复合材料制备中的应用

顾嘉文，刘慧渊，范帮勇，王勇兵，徐伟，吴宗吉

（宁夏银钛科技股份有限公司，银川 750001）

本文阐述了热等静压技术制备金属陶瓷复合材料的两种不同工艺路线及各自的技术特点。同时，综述了热等静压技术在制备金属陶瓷复合材料中的应用及研究。

金属陶瓷；复合材料；热等静压（HIP）；应用

1 前言

金属陶瓷复合材料 （Metal Matrix Composites,简称MMC）是由一种或多种陶瓷相和金属相或合金组成的多相复合材料，金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性，又具有陶瓷的耐高温 、耐腐蚀和耐磨损等特性。在国防及民用领域有着非常广阔的应用前景。常用的制备方法有混合烧结法、粘合液浸渍法、直接氧化法、自蔓延高温合成法等。在烧结过程中其烧结活性低、所需烧结温度高、烧结致密化程度低、残留孔隙度大、脆性大、综合性能不佳。随着热等静压技术发展，采用热等静压技术制备金属陶瓷复合材料，改善了成型和烧结条件，使材料的孔隙度明显降低，获得了高致密度的材料，综合性能大大提高。

2 热等静压技术

热等静压设备主要由高压容器、加热炉、压缩机、真空泵、冷却系统和计算机控制系统组成，其中，高压容器为整个设备的关键装置，图1是热等静压机的典型示意图。热等静压工艺（简称HIP）是将制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化，图2为热等静压技术原理图。

图1 典型热等静压系统示意图

图2 热等静压技术原理图

3 制备金属陶瓷复合材料的热等静压工艺

热等静压技术在金属陶瓷复合材料制备中有两种不同工艺路线，一种为直接热等静压烧结工艺；另一种是热等静压后续致密化工艺。

3.1 直接热等静压烧结工艺及特点

直接热等静压烧结制备金属陶瓷复合材料的工艺路线如图3所示。

图3 直接热等静压烧结制备金属陶瓷复合材料的工艺路线

直接热等静压烧结工艺制备金属陶瓷复合材料的技术关键如下：

（1）包套材质选择，要确保在制备过程中不与原材料粉末发生反应，同时也要考虑到去除的难易程度。

（2）包套内粉末的振实密度大小直接影响烧结制品质量，振实密度低将导致包套收缩量大，尺寸控制困难，且包套易发生破裂。

（3）粉体均匀性以及金属相、陶瓷相配比也是影响烧结制品性能的主要因素。由于陶瓷相与金属相的自身不同特性决定了其在热等静压过程中的变形不同，因此，要想保证得到足够致密的制品，必须首先保证陶瓷相与金属相分布均匀，从而使金属相的变形能够完全填充陶瓷颗粒间的间隙。

（4）由于陶瓷相与金属相物理化学性质的差异，从而使它们的性能随着温度和压力的变化也不相同。因此，选择合适温度、压力和升温、升压速率是保证产品性能的关键工艺参数。

直接热等静压烧结工艺可大大降低烧结温度。同时，在制备过程中熔融或半熔化状态的金属相均匀分布于陶瓷颗粒之间，抑制陶瓷晶粒长大。在烧结体中金属相呈连续分布，陶瓷颗粒均匀分布其中，而且可改善金属相与陶瓷相界面状态，提高界面的结合强度，很好地发挥了金属的塑性和韧性，改善材料在承受载荷时的应力状态，从而提高了材料的强度与断裂韧性。

3.2 热等静压后续致密化工艺及特点

热等静压后续致密化制备金属陶瓷复合材料的工艺路线如图4所示。

图4 热等静压后续致密化制备金属陶瓷复合材料的工艺路线

热等静压后续致密化工艺的技术关键如下：

（1）待处理的烧结体基本不含开口气孔，烧结密度须达到理论密度的92%～98%。否则仍需选择合适的包套材料对烧结体进行包封。

（2）温度的选择原则上为金属基体熔点或合金基体固溶线绝对温度值的0.6～0.9。

（3）压力选择既能使材料产生塑性流动，又能保证颗粒不被压碎。

（4）保温保压时间选择应使坯体内的蠕变充分进行，又不至于造成晶粒长大等不利现象出现，一般选择1～2 h。

热等静压后续致密化工艺可以减少乃至消除烧结体中的剩余气孔和缺陷，愈合内部微裂纹，从而提高金属陶瓷复合材料的密度、强度。

4 热等静压技术在金属陶瓷复合材料制备中的研究及应用

采用热等静压技术能获得高密度的金属陶瓷复合材料，大大改善了金属陶瓷复合材料的韧性、强度和硬度，从而广泛应用于耐高温、耐磨损领域和承受较高应力的场合，如：国防军工（陶瓷装甲）、航空航天（发动机外壳）、医疗（骨架）、汽车发动机（高性能活塞）、电子元件（电子封装材料）、机械材料（切削刀具）等领域，在国民经济中占有重要地位，受到了世界各国的高度重视，已成为材料科学领域中最为活跃的研究领域之一［1］。

4.1 采用直接热等静压烧结工艺制备金属陶瓷复合材料的研究

此类研究在国内外一直是新型金属陶瓷材料领域的研究热点，涉及到的材料也是多种多样。如：北京航空航天大学唐国宏等人研究了通过热等静压反应烧结制备B4C-TiB2-W2B5复合材料；采用温度为1700℃，氩气压力为150 MPa，保持30 min的热等静压工艺，所得制品的相对密度大于99%，硬度为38 GPa，抗弯强度达到了1030MPa，断裂韧性达到了5.6 MPa·m1/2，抗弯强度、断裂韧性比热压烧结的制品都提高了约20%［2］。北京科技大学章琳等人研究了一种氧化物（Y2O3）弥散强化钴基超合金的直接热等静压烧结工艺制备方法，烧结温度为900～1300℃，保持时间为1～3 h，制备的超细纳米颗粒增强金属基复合材料，具有弥散相细小并分布均匀、强化作用显著等特点，并具有更优异的高温蠕变性能［3］。北京工业大学材料科学与工程学院钟涛兴等人采用热等静压烧结工艺制备SiCp/Cu电子封装复合材料；烧结温度为1000℃，氩气压力为200 MPa，保持时间为3 h，升温速率8℃/min，热等静压烧结工艺制备SiCp/Cu电子封装复合材料的致密度高，制得了高导热系数、低热膨胀系数的复合材料［4］。上海交通大学张文龙等人研究了氮化铝颗粒增强铝基复合材料的直接热等静压烧结工艺制备方法，温度为500℃，保温时间为4 h，制备的氮化铝颗粒增强铝基复合材料界面结合良好，在同等体积分数和相同工艺条件下，较普通烧结制备的氮化铝颗粒增强铝基复合材料强度提高9%以上，韧性提高12%以上［5］。中国科学院金属研究所郑卓等人采用热等静压烧结工艺制备Al2O3增强Ti2AlN金属陶瓷；温度为1000℃，氩气压力为100 MPa，保持时间为2 h，在热等静压条件下制备出Ti2AlN基体和Al2O3增强相，增强相提高了基体的硬度，维氏硬度最高可达12.73 GPa［6］。H.V.A tkinson利用直接热等静压工艺成功制备出15 Vol%SiC增强A357铝合金复合材料，通过热等静压可以显著减少该类制品的气孔率，同时其弯曲强度也得到提高［7］。E.PAGOUNIS在温度为1180℃，氩气压力为100 MPa，保持时间为3 h的热等静压工艺条件下制备出99%理论密度的TiC和铁合金的复合材料［8］。Sean E．Landwehr，Gregory E．Hilmas等人研究热等静压成型，含20、30和40体积分数Mo的ZrC—Mo金属陶瓷复合材料的显微结构和机械性能；温度为1800℃，氩气压力为200 MPa，保持时间为1 h的条件下，复合材料的相对密度可以到达98%以上，致密后ZrC的粒度在l～2 μm间。抗弯强度达到了480 MPa，断裂韧性达到了6.6 MPa·m1/2［9］。

4.2 采用热等静压后续致密化工艺制备金属陶瓷复合材料的研究

热等静压致密化制备工艺研究一直以来非常活跃，它可有效地提升传统工艺制备的金属陶瓷材料，大大提升其综合性能，拓宽了传统工艺制备的金属陶瓷材料的应用领域。如：华中科技大学模具技术国家重点实验室刘文俊等人采用热等静压技术对Ti(C，N)基金属陶瓷进行了致密化处理；烧结温度为1150℃、1200℃、1250℃、1300℃，压力为100 MPa，处理时间为4 h，金属陶瓷晶粒间产生了滑移和重排，使金属陶瓷材料致密，获得较理想的表面硬化层，其表面显微硬度可达HRA93.8，其横向断裂强度达到1715.5 MPa，金属陶瓷具有较好的综合力学性能［10］。华中科技大学熊惟皓等人研究了复合金属陶瓷及其制备方法，采用热等静压后续致密化的工艺为：温度为1350～1400℃，氩气压力为100～150 MPa，保持时间为30～50 min；制得的材料具有高硬度，高抗弯强度，HRA≥ 90.0，σb≥2500 MPa[11]。武汉工业大学新材料研究所蔡克峰、袁润章采用热等静压后续致密化工艺制备（Nb,Ti）C-35Ni金属陶瓷；温度为1340℃，氩气压力为182 MPa，保持时间45 min，经热等静压处理后，制品相对密度大于99%，耐磨性、韧性和抗氧化性明显提高［12］。武汉理工大学史晓亮等人采用热等静压后续致密化工艺制备A12O3／WC-10Co／ZrO2／Ni纳米复合材料；温度为1320℃，氩气压力为120 MPa，保持时间为60 min，经热等静压处理后，可以有效地消除微波烧结造成 A12O3／WC-10Co／ZrO2／Ni金属陶瓷中的孔隙，提高复合材料的密实度和力学性能，而且金属陶瓷的晶粒基本没有异常长大；可以得到平均晶粒度小于1.5 μm的整体性能较好的亚微Al2O3／WC-10Co／ZrO2／Yi金属陶瓷，其相对密度为98.4%，洛氏硬度为HRA94.0［13］。四川大学熊计等人采用热等静压后续致密化工艺制备超细TiCO17NO13金属陶瓷制品，其烧结温度为1350℃，氩气压力为70～120 MPa，保持时间为90～120 min；经处理后制品的密度提高了0.5%，硬度提高了1.1%，而横向断裂强度则提高了将近1倍，其硬度≥93HRA，抗弯强度≥2200 MPa[14]。北京有色金属研究总院贺从训等人对Ti(C,N)基金属陶瓷经热等静压后续致密化处理后，有效降低了合金的孔隙度，并使粘结相分布更均匀，相对密度达到99.6%以上，硬度值（HRA）提高了0.9～1.7[15]。安泰科技股份有限公司贾佐诚等人采用热等静压后续致密化工艺制备WC-15Co硬质合金，烧结温度为1340℃，氩气压力100 MPa，保持时间为90 min；经处理后，主要裂纹源的孔洞被消除,抗弯强度比处理前提高了200 MPa［16］。Q.F.Li制备Al2O3/Al复合材料，将普通烧结得到的Al2O3/Al制品在520℃，200 MPa压力下保温保压1h，经过热等静压后续处理后屈服强度提高了20%[17]。

5 结语

随着科技的进步，新材料、新工艺、新装备的研发进入了飞速发展的时期；对热等静压工艺而言，由于其先进的技术特点，可以降低烧结温度和缩短保持时间，能够在减少甚至无烧结添加剂的条件下制备出微观结构均匀且几乎不含气孔的、形状复杂和大尺寸的金属陶瓷复合材料制品且性能优良。但目前热等静压技术在制备金属陶瓷复合材料中的应用仍处于早期阶段，需做大量的研究工作：（1）金属陶瓷复合材料热等静压烧结致密化机理研究，传统的热等静压烧结致密化理论无法解释金属和陶瓷两种不同的相烧结致密化原理。（2）一般金属陶瓷热等静压制备的温度较高，普通碳钢、不锈钢包套已经无法适应，必须开发钨、钼、玻璃及陶瓷等高温包套制备技术。（3）要建立金属陶瓷材料热等静压烧结致密化的数据库，同时结合计算机模拟技术，为热等静压近净成型制备形状复杂和大尺寸的金属陶瓷复合材料奠定理论基础。通过技术的积累和改进采用热等静压技术制备的金属陶瓷复合材料新产品将会日益增加，高性能的金属陶瓷复合材料将会在未来有更为广阔的应用前景。

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