陶瓷颗粒增强镍基高温合金复合材料发展概述

刘佳伟，曹金华，宋美慧，张 煜

(1.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150001； 2.某部驻哈尔滨地区代表室，哈尔滨 150020)

0 引言

增材制造(3D打印)是一种三维实体快速成型技术，其利用计算机辅助设计、材料加工成型技术、激光技术使用专用材料以指定的方式进行逐层堆积，最后制造出实物[1]。

镍基高温合金在650℃～1 000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗腐蚀能力，可以长时间在高温环境下进行工作。其中，Inconel 718在700℃时拥有高强度、高韧性和抗腐蚀能力，被广泛应用于航空航天等领域，但其本身含有大量夹杂物，容易产生裂纹和小孔隙，还有在低温热致密化时，不能完全消除孔隙，导致力学性能差[2]。

近年来，学者们在克服解决上述问题的同时，采用增材制造技术制备出一种新型陶瓷颗粒增强镍基复合材料，该复合材料与传统镍基高温合金相比，在不降低韧性的情况下具有更高的比强度、比刚度和耐热性[3]，所以关于陶瓷颗粒增强镍基复合材料的研究成为目前的热点问题。本研究主要对陶瓷颗粒增强镍基高温合金复合材料的发展进行了整理概述，并对其优势及不足展开了讨论。

1 镍基复合材料的组成

1.1 增强体种类

镍基复合材料的增强体种类主要分为颗粒、纤维、晶须等，其中颗粒增强镍基复合材料制备成本较低，并且具有较高的屈服强度、抗拉强度和耐热性。颗粒增强体主要分为难熔金属化合物(TiC、TiN、ZrB、WC等)和非金属难熔化合物(B4C、SiC、BN、Si3N4等)。一些常用陶瓷颗粒增强体的性质[4]如表1所示。

表1 常用的颗粒增强体性质[4]Tab.1 Properties of common particle reinforcements[4]

新加坡制造技术研究所[5]采用不同质量分数TiC预混Inconel625，然后用激光增强，得到了性能优异的复合材料。Asgharzadeh[6]等的研究表明，通过高能球磨制备含有纳米Al2O3陶瓷颗粒的混合粉末，然后经合适的热固结工艺，可以制备出超细结构的镍基复合材料。除上述常用陶瓷颗粒外，稀土氧化物颗粒及金刚石颗粒等也可以作为增强体使用。

1.2 基体合金种类

可用于镍基复合材料的基体合金主要有纯镍、镍铬合金、镍铝合金等。刘宗德等[7]以电解镍块、钛粉、碳粉为原料，制备出TiC/Ni复合材料，原位生成的TiC颗粒是立方体形状且均匀分布在基体中。朱桐宇[8]在Ni80Cr20基体粉末中加入氧化钇增强颗粒，采用机械合金化工艺制造出的氧化物弥散增强镍基复合材料有良好的室温和高温力学性能。镍铝合金NiAl3具有高熔点、低密度和良好的抗腐蚀性能，可以被用作镍基复合材料的基体。

2 镍基复合材料制备技术

2.1 粉末冶金技术

粉末冶金法是依次经过粉末制备、粉末加工成型、高温烧结、后处理等过程制备复合材料的工程技术，它的优点是形状独特性、能控制材料的孔隙度、性能较熔炼法优越、工艺较简单、节省成本等。缺点是生产工艺不够成熟，产品质量有待提高。

顾正阳[9]用粉末冶金法技术制备出了WC/Ni镍基金属复合材料和 MoS2/Ni镍基金属复合材料，材料致密度较高，增强相颗粒均匀分布在Ni基体中。

2.2 原位合成制备技术

原位合成是指一定条件下金属基体内自生成陶瓷相颗粒增强体材料、使金属复合材料性能得以提高的过程。原位合成增强体颗粒表面无污染、基体与增强体融合充分、界面结合强度较高。同时，它还具有工艺简单、热力学性能稳定、增强颗粒尺寸细小等优点。赵佩佩[10]在铁镍合金粉末中加入碳纳米管，成功制备了原位自生纳米金刚石增强铁镍基复合材料。

2.2.1 超高温处理技术

超高温处理可以使镍基高温合金获得均匀的基体和增强体相组织。F.S.Yin等[11]通过高温熔融原位反应，成功地制备了TiC/Ni高温合金基复合材料。但是，超高温处理法的能耗较高，仅对原位自生型复合材料有效果，而且反应产生的杂质可能会使复合材料的性能降低，因此超高温处理技术还需要学者们努力攻克技术难关。

2.2.2 机械合金化技术

机械合金化法是粉末经反复变形、冷焊、断裂、焊合、再破碎达到原子间相互扩散或发生固态反应形成合金粉末的过程，此方法能使颗粒均匀分布，颗粒的尺寸细小弥散，提高材料的性能。不足之处是此方法的粉末原料成本较高，且需再加工，但总体上还是有很高的实用价值。徐金城[12]采用机械合金化法制备的Y2O3/Cr-Ni复合材料相比于普通冶金方法制备的材料致密度、硬度和抗拉强度都较高，并具有较好的塑性和保持高温硬度性能。

2.2.3 自蔓延高温燃烧合成技术

高温自蔓延是具有较高生成热的材料在燃烧瞬间以自蔓延的方式完成反应过程[13]。优点是节能、产量高、反应快、产物具有高纯度等。Azadmehr等[14]通过自蔓延高温合成法成功制备了(W，Ti)C/Ni复合材料，较之于传统工艺，所获得的复合材料具有更高的硬度和韧性。Zhang等[15]利用自蔓延高温燃烧合成技术成功地制备了TiC/Ni基复合材料，数据表明，均匀镍网的结合方式与纯TiC相比，大大提高了材料的韧性。它的不足之处在于工艺效率低、工作环境危险、成本较高及不能制备形状复杂的产品。

2.3 激光增材制造技术

2.3.1 选区激光烧结(SLS)

SLS技术是建立所需成形零部件的三维CAD模型，再向密闭成形型腔内充入惰性气体，通过柔性铺粉系统在基板上逐层铺粉，激光逐层熔化凝固，最终获得产品[16]。其主要用于加工氧化物陶瓷、铜和不锈钢等材料，如Al2O3陶瓷、ZrO2陶瓷、Cu-Fe、Cu-Ni、Cu-(Sn/Pb)及316L体系等。但SLS技术存在一些问题，如体积收缩率较大、气孔率较高、相对密度较低、力学性能较差等缺陷[17-19]。

2.3.2 选区激光熔化(SLM)

SLM是一种利用金属粉末在高能激光作用下快速熔化和凝固、然后逐层扫描累积成型的技术，其克服了传统制造工艺不能制造复杂结构零件的问题[20]。贾清波[21]使用TiC增强Inconel 718复合材料，通过优化SLM工艺，成功制备了具有均匀微观结构和优异性能的TiC/Inconel718纳米复合材料样品。

2.3.3 激光熔化沉积(LMD)

激光熔化沉积(LMD)技术是用快速制造技术在无模具条件下，以高能量激光束为能量源，并在计算机数控驱动下，将金属粉末激光熔化、快速凝固逐层沉积，从而直接制造出三维零件[22]。LMD可以制造大型零部件，零件的力学性能也较高，还可以修复和再造磨损的零部件。目前，LMD技术已成功制备多种高温合金复合材料，如镍基沉淀硬化高温合金、Inconel 625和Inconel 718[23]。曹赛男[24]采用优化的LMD工艺制备的纯Inconel625合金、纳米Inconel625和微Inconel625复合材料，既提高了材料的机械强度，又没有牺牲其延展性。

2.4 放电等离子烧结(SPS)

SPS技术是一种新的加工工艺，类似于热压工艺，它可以做到快速烧结陶瓷粉末并完全致密化[25]。其优点是升温速度快，烧结时间短，节能环保，产品组织细小均匀，结构可控，产品致密度高，还可以烧结梯度材料和结构复杂的零部件。目前，利用SPS工艺制备的合金主要是二元和三元合金或陶瓷体系。秦子珺等[26]利用SPS工艺烧结40 min，基本完成了FGH96高温合金复合材料的致密化过程，得到了性能优异的产品。肖荣振[27]用SPS技术制备出了不同LaF3含量的镍基自润滑复合材料，具有优良的摩擦学性能。然而，放电等离子烧结不能制备复杂形状部件，在一定程度上限制了该工艺的发展。

3 镍基复合材料研究现状

3.1 微观组织

Chen等人[28]的研究表明，LMD工艺中，激光能量密度影响复合材料的组织，当能量密度小于80 kJ/m时，复合材料中存在少量的微小孔洞；当激光能量密度高于100 kJ/m时，复合材料组织致密没有明显的微观孔隙。

顾冬冬等[29]使用WC、TiC等陶瓷颗粒增强镍基复合材料，通过调整激光工艺参数和镍基复合材料组分，并改进激光成形技术，最终有效控制和消除界面残余应力、界面微孔和微裂纹等成形缺陷。

Ho等[30]研究发现，在激光增强的WC-W2C/Inconel718复合材料中，晶粒容易在WC-W2C表面成核，并在界面处形成扩散层。分析认为，微观结构的变化是受增强相与基体之间的润湿角和相界面影响所致。

此外，增强体颗粒的种类、含量及颗粒尺寸均对复合材料的微观组织产生影响[31-33]。

3.2 力学性能

Cooper等[34]分别用SiC、Al2O3和TiC陶瓷颗粒对Inconel625进行了颗粒强化，结果表明，在三种陶瓷颗粒中，TiC作为Inconel625的增强颗粒具有最佳性能。

杨超[35]等发现纳米SiC颗粒大大提高了镍基体的机械强度，增强能力随基体晶粒尺寸的减小而增大，当加入适量的SiC颗粒时，Ni-SiC复合材料在提高机械强度的同时仍保持良好的塑性。

王舒[36]采用激光增强技术制备了原位MC碳化物增强Inconel625复合材料，其显微硬度随着TiC含量的增加而逐渐增加，屈服强度和抗拉强度均高于Inconel625合金，但伸长率下降。

3.3 摩擦磨损性能

贾清波[21]发现，与SLM成形纯Inconel 718试样的耐磨性相比较，SLM成形TiC/Inconel 718纳米复合材料具有更好的摩擦磨损性能。

陈飞[37]在选区激光熔化成形TiN/Inconel 718复合材料组织及力学性能研究中，对摩擦磨损性能分析表明，DA热处理态试样的耐磨损性能最好，磨损率分别为3.334×10-4mm3/Nm 、1.587×10-4mm3/Nm，明显高于SLM成形态、SA及HSA热处理态试样的耐磨损性能，且相同热处理条件下复合材料试样的耐磨损性能也优于纯Inconel 718合金。

4 结语与展望

镍基高温合金虽然具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力，在高温环境下可以长时间进行工作，但其本身含有大量夹杂物，容易产生裂纹和小孔隙，还有在低温热致密化时不能完全消除孔隙导致力学性能差等，所以寻求新思路来提高镍基高温合金的材料性能势在必行。经大量实验证明，利用激光快速成型技术制备陶瓷颗粒(如SiC、TiC、WC、Al2O3)增强镍基复合材料是提高镍基高温合金力学性能的一个重要方法，可以使复合材料具有更高的比强度、比刚度和耐热性，但成本昂贵，制造工艺不成熟仍然是目前亟待解决的问题。因此，努力完善激光增材制造等先进技术，积极改良工序，加强高性能镍基复合材料的开发，逐渐降低制造成本将是未来研究的重点。