金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀與展望

金屬基復(fù)合材料的現(xiàn)狀與展望學(xué)院：萍鄉(xiāng)學(xué)院專業(yè)：無機非金屬材料學(xué)號：13461001姓名：蔣家桐摘要綜述了金屬基復(fù)合材料的進展情況,重點闡述了顆粒增強金屬基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合涂層的進展,包括其性能、現(xiàn)有品種、制備工藝、應(yīng)用情況.同時報道了目前本領(lǐng)域研究存在的問題,如:力學(xué)問題、界面問題、熱疲勞問題,并在此基礎(chǔ)上展望發(fā)展前景.關(guān)鍵詞顆粒增強金屬基復(fù)合材料,復(fù)合涂層材料,界面,熱疲勞,功能梯度材料隨著近代高新技術(shù)的發(fā)展,對材料不斷提出多方面的性能要求,推動著材料向高比強度、高比剛度、高比韌性、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞等多方面發(fā)展[1].復(fù)合材料的出現(xiàn)在很大程度上解決了材料當(dāng)前面臨的問題,推進了材料的進展.金屬基復(fù)合材料(MMC)是以金屬、合金或金屬間化合物為基體,含有增強成分的復(fù)合材料.這種材料的主要目標是解決航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域提高用材強度、彈性模量和減輕重量的需要,它在60年代末才有了較快的發(fā)展,是復(fù)合材料一個新的分支.目前尚遠不如高聚物復(fù)合材料那樣成熟,但由于金屬基復(fù)合材料比高聚物基復(fù)合材料耐溫性有所提高,同時具有彈性模量高、韌性與耐沖擊性好、對溫度改變的敏感性很小、較高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,以及無高分子復(fù)合材料常見的老化現(xiàn)象等特點,成為用于宇航、航空等尖端科技的理想結(jié)構(gòu)材料.1進展情況目前,金屬基復(fù)合材料基本上可分為纖維增強和顆粒增強兩大類,所用的基體包括Al,Mg,Ti等輕金屬及其合金以及金屬間化合物等,也有少量以鋼、銅、鎳、鈷、鉛等為基體.增強纖維主要有碳及石墨纖維、碳化硅纖維、硼纖維、氧化鋁纖維等,增強顆粒有碳化硅、氧化鋁、硼化物和碳化物等.用以上的各種基體和增強體雖可組成大量金屬基復(fù)合材料的品種,但實際上只有極少幾種有應(yīng)用前景,多數(shù)仍處在研究開發(fā)階段,甚至也有不少品種目前尚看不到其應(yīng)用前景[2].1.1纖維增強金屬基復(fù)合材料纖維增強金屬基復(fù)合材料,由于具有高溫性能好、比強度、比模量高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點,而成為復(fù)合材料的主要類型.1.2顆粒增強金屬基復(fù)合材料由于纖維增強金屬基復(fù)合材料存在上述缺點,從而未能得以大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用,只有美國、日本等少數(shù)發(fā)達國家用于軍事工業(yè).為此,近年來國際上又將注意力逐漸轉(zhuǎn)移到顆粒增強金屬基復(fù)合材料的研究上.這一類金屬基復(fù)合材料與纖維增強金屬基復(fù)合材料相比制備工藝簡單,成本低,可采用常規(guī)金屬加工設(shè)備來制造,這樣有利于其開發(fā)和應(yīng)用.可見,顆粒增強金屬基復(fù)合材料是非常有發(fā)展前途的.金屬基顆粒復(fù)合材料通常是作為耐磨、耐熱、耐蝕、高強度材料開發(fā)的,目前用于顆粒增強復(fù)合材料的顆粒有數(shù)十種,常用的有石墨、SiC、SiO2、TiC、BN、α-Al2O3、TiO2、WC,它們大多是無機化合物.目前已有鋁基、鉬基、鋼基、Fe基、Co基、Ni基、Mg基等顆粒復(fù)合.但隨著宇航事業(yè)的發(fā)展,高溫耐熱金屬基復(fù)合材料,如以銅、鉬、鎳、鈷等為基體的金屬基復(fù)合材料越來越受到人們的重視.池野等[4]對Al2O3顆粒增強純鋁復(fù)合材料的性能進行了研究,發(fā)現(xiàn)隨著Al2O3顆粒體積分數(shù)增加,強度不斷上升.陶瓷顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有高的比強度和比模量,并且具有原材料成本低廉,復(fù)合材料制備工藝簡單的特點而受到重視.Hosking等[5]的研究結(jié)果表明,隨著Al2O3或SiC顆粒的體積分數(shù)增加,不但塑性下降,而且強度也下降.在Al-5Si合金中,加入SiC和石墨的結(jié)果也類似.與輕金屬Al相比,Mg及其合金密度更小,約1.8g/cm2,比Al輕約30%,在提高比強度、比剛度上有更大的潛力.顆粒增強的鎂基復(fù)合材料已表現(xiàn)出優(yōu)良性能[6].另外,M.Hunt[7]指出為適應(yīng)火箭發(fā)動機、新一代航空發(fā)動機和其它高溫航空航天用構(gòu)件的需要,必須開發(fā)在高溫下具有高強度、高剛度,甚至還有導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的金屬基復(fù)合材料.其中提到美國密執(zhí)安州麥迪遜的WallColmonoy公司開發(fā)了一種用碳化鎢增強的鎳基粉末合金,用于表面強化.這種復(fù)合材料在基體和增強劑之間產(chǎn)生冶金結(jié)合.這種涂層可用于多種基體金屬,包括低碳鋼、不銹鋼和合金鋼.它們的應(yīng)用包括傳送機、離心機、泥漿泵殼體、鉆具和其它需要耐蝕和耐磨的場合.林化春等[8用碳化鉻增強鎳基自熔合金,并用真空熔燒法在鋼基體上直接熔燒制成復(fù)合涂層,母材與基體之間也形成牢固的冶金結(jié)合,大大提高了母材的耐磨耐蝕性.這種新材料利用表面改性技術(shù),在不改變材料整體性能的基礎(chǔ)上,提高了表面強度,并降低了成本,是工程上迫切需要的新材料.顆粒增強金屬基復(fù)合材料因為粒子的長徑比小,不能使基體應(yīng)力有效地向增強相傳遞,因此,復(fù)合材料的抗拉強度比基體本身的強度好不了多少[9].用纖維增強能解決上述問題,得到高的力學(xué)性能.不過在未來的一段時間內(nèi),其制造成本和纖維的價格仍將限制這些材料的使用.對顆粒增強金屬基復(fù)合材料采用攪拌工藝制備的研究較多.為改善顆粒和熔體之間的潤濕性,提出了對顆粒進行表面處理和改變基體合金組成等兩種措施[10],另外也有不少研究致力于設(shè)計攪拌形成及槳葉設(shè)計.2表面涂層技術(shù)的進展隨著航空和宇航技術(shù)的發(fā)展,發(fā)動機的工作溫度愈來愈高,在高溫、高壓、大流量、大推力的環(huán)境下進行工作時,冷、熱高速空氣流或高溫燃氣都會對結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成最嚴重的氧化、腐蝕及疲勞破壞.具有高溫性能好,比強度、比模量高的金屬基復(fù)合材料的出現(xiàn),雖然在某些情況下能滿足性能要求,但它同時也存在成本高的缺點,從經(jīng)濟上看往往是行不通的.鑒于材料承受耐磨、腐蝕、疲勞破壞、高溫氧化都是從表面開始的,研究和發(fā)展表面強化技術(shù),對提高零件使用壽命和可靠性,對于推動高技術(shù)和新技術(shù)的發(fā)展,對于節(jié)約材料,節(jié)約能源等都有重大意義[11].近30年來,有許多新的科學(xué)技術(shù)滲透到表面強化技術(shù)領(lǐng)域,使金屬的表面強化技術(shù)得到迅速發(fā)展.材料的表面涂層是近年來發(fā)展最快的一種新的表面技術(shù),是提高材料使用性能和壽命的有效途徑[12].熱噴涂技術(shù)作為一種新的表面防護和表面強化工藝在近20年里得到迅速發(fā)展,它的發(fā)展從使用條件最苛刻,要求最嚴格的宇航工業(yè)開始,然后迅速向各民用工業(yè)部門擴展開來;激光熔敷能準確控制功率密度和加熱深度,變形小,能獲得結(jié)合強度很好的表面涂層;氣相沉積法用材廣泛,適用面寬,已廣泛用于機械制造、冶金工業(yè)以及宇航、核能等領(lǐng)域;70年代發(fā)展起來的離子注入新技術(shù),利用注入離子可得到過飽和固溶體,非晶態(tài)和某些化合物層,能改變材料摩擦系數(shù),增加表面硬度,提高耐磨性及抗蝕性,延長零件的使用壽命.還有一些歷史較長的表面處理技術(shù),近幾十年得到了飛躍發(fā)展.例如,電鍍、電刷鍍技術(shù),已成為人們公認的金屬表面新技術(shù),在我國已得到普遍應(yīng)用.目前,國內(nèi)外應(yīng)用較多的制造涂層的方法是熱噴涂、等離子噴焊、激光熔敷等新技術(shù),但它們還存在一些工藝問題,如熱噴涂涂層薄,涂層與母材結(jié)合強度低,由于對工件局部加熱,易產(chǎn)生熱應(yīng)力,引起工件熱變形;激光熔敷設(shè)備復(fù)雜,昂貴,激光器功率小,涂層不易制備;等離子噴焊噪聲污染難以克服等,所以應(yīng)用范圍受到限制.真空熔燒涂層工藝,不但在設(shè)備方面比激光器及等離子噴涂等設(shè)備簡單,而且工藝質(zhì)量也易于控制.同時,真空熔燒在真空狀態(tài)下進行熔化與凝固,因此可以提高表面涂層的質(zhì)量.真空熔燒涂層已在很多方面得到實際應(yīng)用,其中包括:內(nèi)燃機排氣閥,汽輪發(fā)動葉片,線材軋輥,軋輥機導(dǎo)衛(wèi)板等,均取得了很好的效果.隨著涂層技術(shù)的發(fā)展,涂層材料也得到了迅速發(fā)展,包括金屬、陶瓷、塑料及其混合物等.目前用的比較多的是陶瓷涂層,陶瓷涂層雖具有高硬度、耐熱、耐蝕、耐磨等許多優(yōu)點.但它有一個致命的弱點:脆性大.這就大大限制了它的使用范圍.由于當(dāng)前先進的航空機械推進系統(tǒng)、火箭發(fā)動機、空間核動力系統(tǒng)和宇航用電子器件等都是在高溫環(huán)境下工作,所以耐高溫的金屬及合金粉末如鎳基、鈷基、鐵基得到了人們的重視[7].而在這些合金中添加強脫氧元素硼、硅而得到的自熔性合金粉末由于具有熔點低,脫氧性和造渣性好,潤濕性、流動性好及高耐磨性而被廣泛應(yīng)用.向這些自熔性合金粉末中添加各種硬質(zhì)相,如碳化物、金屬陶瓷、氮化物等,制成金屬基復(fù)合材料,在鋼表面直接熔燒獲得表面涂層復(fù)合材料,使基體的耐磨、耐蝕性及抗高溫氧化性顯著提高.近年來,國內(nèi)外主要是添加WC,添加碳化鉻的很少.3金屬基復(fù)合材料研究中存在的問題3.1在力學(xué)上存在的問題以往對復(fù)合材料力學(xué)性能的研究大都是建立在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論基礎(chǔ)上,屬宏觀力學(xué).但實際上,復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與連續(xù)介質(zhì)的模型偏離很遠,建立的很多模型并不能很好地描述復(fù)合材料的力學(xué)行為,所以人們開始注意微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系,試圖建立和補充微觀力學(xué)的研究[13].由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜,應(yīng)考慮隨機和統(tǒng)計的概念,而且其力學(xué)受工藝、環(huán)境及原材料性能影響很大,因此,要建立嚴格的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型困難很大,只能采取由實驗結(jié)果尋找經(jīng)驗關(guān)系的方法來進行研究,將來或許可利用模糊數(shù)學(xué)的概念來解決復(fù)合材料的力學(xué)問題.3.2金屬基復(fù)合材料的界面界面是多種復(fù)合材料中既重要又復(fù)雜的關(guān)鍵問題,也是一直困擾本領(lǐng)域研究者的重大問題,復(fù)合材料中增強相與基體的界面強烈地影響著材料的物理性能和機械性能.當(dāng)前的工作是致力于用各種先進的分析手段如透射電鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀等方法表征界面結(jié)構(gòu).對于復(fù)合材料來說,不同材料的良好復(fù)合應(yīng)該有適當(dāng)匹配的熱擴散,其中擴散系數(shù)是表征物質(zhì)擴散能力和熱物理化學(xué)性能的重要參量.研究界面擴散和擴散系數(shù)傳統(tǒng)的方法是把含界面的樣品按不同的距離逐層剝離下來,而后用化學(xué)分析或光譜分析的方法剖析分離物樣的濃度.這樣的方法相當(dāng)繁瑣,而且仍然是以平均成分代替真實成分,也不能微觀和精確.現(xiàn)代電子探針分析(EPMA)方法的發(fā)展,提供了一種微觀界面研究的最佳方法.陶景光等[14]對金剛石復(fù)合界面的擴散問題提出了能譜儀與波譜儀原位互補分析研究的方法,并指出較低熔點鈷的擴散分布是金剛石復(fù)合界面質(zhì)量的關(guān)鍵.黃大千等[15]用電子探針、X射線能譜儀、透射電鏡、掃描電鏡研究了碳化硅顆粒增強Al2014復(fù)合材料的界面,發(fā)現(xiàn)界面沒有Si和Al的相互擴散.由于界面結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料性能具有很大影響,人們希望得到最佳的界面,以獲得復(fù)合材料的最佳性能.因此,界面的研究成為材料科學(xué)中普遍而重要的問題[16].3.3熱疲勞問題金屬基復(fù)合材料及涂層技術(shù)的發(fā)展,賦予材料高的耐磨、耐蝕性及抗高溫氧化性,但對于在高溫、高壓環(huán)境下工作的零部件,由于在使用過程中受溫度急劇變化而易產(chǎn)生熱疲勞破壞,這就要求對這些新材料的熱疲勞性能進行研究.目前國內(nèi)外已進行熱疲勞試驗的顆粒增強金屬基復(fù)合料有WC-Co-鋼、WC-Co、金屬陶瓷等.由于WC-Co應(yīng)用比較廣泛,對其研究的多一些.Lagerpuist[17]對WC-Co復(fù)合材料進行了熱疲勞裂紋擴展的研究,結(jié)果指出其機理主要是WC粒與Co粘結(jié)相之間的熱膨脹系數(shù)有很大差異,而引起高應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋萌生與擴展,疲勞裂紋優(yōu)在WC-Co晶界和WC-Co相界上擴展.明文龍[18]等在研究Ti(C,N)基金屬陶瓷熱疲勞性能時也提出了熱疲勞裂紋具有沿相界面開裂的特征.對于涂層材料,盡管它發(fā)展較晚,但也有人對其熱疲勞性能進行了研究.彭其鳳等[19]對激光敷陶瓷涂層的熱疲勞行為進行了研究,發(fā)現(xiàn)陶瓷與鋼的熱膨脹系數(shù)差異及陶瓷內(nèi)部微小裂紋的應(yīng)力集中是陶瓷涂層熱疲勞破壞的主要原因.W.C.REVELOS等[20],N.Czech等[21]和劉北興等[22]則認為在熱疲勞過程中,隨循環(huán)上限溫度升高,循環(huán)數(shù)增加,熱疲勞抗力明顯降低.目前對熱疲勞性能的研究多采用試驗法.隨著電子計算機和數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展,用有限元模擬熱疲勞過程的力學(xué)行為已開始受到人們的重視[23],但熱疲勞過程本身就是一個復(fù)雜的力學(xué)行為過程,在這個過程中,既有彈性力學(xué)問題,又有塑性力學(xué)、熱力學(xué)問題,而涂層材料的熱疲勞問題就在此基礎(chǔ)上進一步復(fù)雜化.所以目前對涂層材料熱疲勞的研究多限定在定性分析,對其力學(xué)行為有待于人們進一步研究.4金屬基復(fù)合材料的發(fā)展前景由上述可知,金屬基復(fù)合材料要在未來取得進一步的發(fā)展,并列入規(guī)模生產(chǎn)品種的行列,還有一段艱難的路程,但是由于它性能優(yōu)勢的存在,是有明確發(fā)展前景的.就當(dāng)前的實際情況來看,顆粒和短纖維增強的復(fù)合材料是有生命力的,并已在汽車工業(yè)等方面初步獲得應(yīng)用.隨著涂層技術(shù)的發(fā)展,利用先進的涂層制作方法,如熱噴涂、等離子噴焊、激光熔敷等,以金屬基復(fù)合材料作為涂層材料,在鋼或其它金屬表面制成涂層,用以提高材料的表面強度,已越來越受到重視,它在提高性能與節(jié)材方面達到很好的結(jié)合,具有廣闊的應(yīng)用前景.另外,對于涂層材料需指出的是,由于涂層與基體之間存在一個性能突變的界面,尤其是熱膨脹系數(shù)相差較大,難以得到足夠的結(jié)合強度,并在高溫下內(nèi)外溫差較大的使用環(huán)境中,界面處易產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力而引起涂層的剝落.這也是引起熱疲勞破壞的一個主要原因.在功能梯度材料研究基礎(chǔ)上開展的功能梯度薄膜的研究,就很好地解決了這一問題.功能梯度薄膜材料就是使成分、組織、性能從基體到表面呈無界面連續(xù)變化,