金屬材料和陶瓷材料

1、金屬陶瓷材料金屬材料和陶瓷材料是我們在航空航天、船舶、汽軍、日用等行業(yè)十分常見的材料，已經融入到我們的方方面面。金屬陶瓷作為金屬材料和陶瓷材料研發(fā)的一種新型復合材料，兼具金屬和陶瓷材料的某些優(yōu)點，受到科研工作者的廣泛關注，是材料領域的研究重點之一。近年來，金屬陶瓷的研究成果越來越多，新品種不斷出現(xiàn)，理論體系也日趨成熟。圖1金屬陶瓷航空鋁材質手機外殼一、金屬陶瓷簡介金屬陶瓷，是一種由金屬或合金和一種或幾種陶瓷相所組成的非均質的復合材料，其中后者約占15%-85vol%,當陶瓷含量高于50vol%時，亦可稱為陶瓷-金屬復合材料。金屬陶瓷(Cermet/Ceramet)是由陶瓷(Ceramics)中

2、的詞頭Cer/Cera與金屬(Metal)中的詞頭Met結合起來構成。金屬陶瓷的理想結構是彌散且均勻分布的陶瓷顆粒表面被連續(xù)薄膜形態(tài)的金屬相包裹，其中陶瓷相承受機械應力和熱應力，通過連續(xù)的金屬和分散，金屬相因呈薄膜狀包裹再陶瓷顆粒表面而得到強化，故金屬陶瓷作為介于高溫合金和陶瓷材料之間的一種高溫材料，具有兼顧金屬的高韌性、可塑性和陶瓷的高熔點、耐腐蝕和耐磨損等性局速網如出殳感£PCD/CBN化學猖定性圖2常見材料化學穩(wěn)定性與抗熱沖擊性匯總楊氏模量（E）斷裂強度（）7,483122D熱膨脹鈉（1。-七）圖3陶瓷材料和金屬材料楊氏模量及斷裂強度對比二、金屬陶瓷的發(fā)展史第一代：二戰(zhàn)期間，德

3、國以Ni粘結TiC生產金屬陶瓷；第二代：60年代美國福特汽軍公司發(fā)明的，它添加M。到Ni粘結相中改善TiC和其它碳化物的潤濕性，從而提高材料的韌性；第三代：金屬陶瓷則將N元素弓|入合金的硬質相，改單一相為復合相，形成Ti（C,N）固溶體；20世紀80年代，硼化物陶瓷由于具有很高的硬度、熔點和優(yōu)良的導電性、耐腐蝕性，成為最有發(fā)展前途的金屬陶瓷。圖4TiC金屬陶瓷組織結構示意圖三、金屬陶瓷材料匹配的原則1、相間熱力學匹配：金屬相的加入大幅降低陶瓷的燒結溫度，改善期脆性。純TiC材料因其燒結溫度在2000C高溫，晶粒生長較快，致密度和性能較低，加入Ni-Mo金屬作為粘接相，形成TiC-Ni-Mo陶瓷

4、金屬，可在1300c燒結，且致密度和機械性能均有提高，詳見圖5;1400«1000m60020001234金屬含量/%圖5Ni-Mo金屬含量對TiC-Ni-Mo陶瓷金屬斷裂強度的影響2、相容性：包括陶瓷與金屬材料的熱膨脹系數(shù)、導熱系數(shù)、彈性模量等的相容性，如兩者熱膨脹系數(shù)相差過大,造成的內應力會降低材料的熱穩(wěn)定性；圖6Ag金屬納米線、氧化鋁陶瓷復合超材料薄膜3、相間熱穩(wěn)定性：金屬相與陶瓷相之間無劇烈的化學反應。如發(fā)生反應形成化合物，則金屬相無法改善陶瓷的低機械性能。CHo11ko180020001600JZrO21600:16002200表1真空中陶瓷與金屬反應溫度下線/C4、潤濕性

5、：陶瓷與金屬之間的潤濕性是衡量金屬陶瓷組織結構與性能優(yōu)劣的關鍵條件，潤濕性越好，金屬相形成的連續(xù)和可能性越大，陶瓷金屬的性能越好。四、陶瓷金屬的分類金屬陶瓷的制備工藝包括粉末冶金、自蔓延高溫合成、真空微波燒結、原位反應、機械合金化等，其中采用較多的是粉末冶金法（圖4）。金屬陶瓷中陶瓷相通常是高熔點氧化物（AI2Q、Zrd、BeOMg潸）、氮化物（TiN、BNSi3M等）、碳化物（TiC、W第）、硼化物（TiB2、ZrB等），金屬相主要由Ti、Cr、Ni、CoFe等各種金屬單獨或則一起使用，也可以是金屬材料，如青銅合金、高溫合金等。根據陶瓷相的種類，金屬陶瓷主要分為氧化物基、碳化物基、碳氮化物基

6、、硼化物基、含石墨或金剛石碳化物基，其具體的分類詳見表2。圖7納米金屬陶瓷復合材料微觀組織表2金屬陶瓷分類及應用匯總神金葡腳劑氧化物基AL203基CtCr-Ho>Fs等切削刀具、導彈噴管襯套，機械密封環(huán)WrC2基TiZrOZ、W等活性金屬的均據”火箭噴嘴Be0>Th02.U02電子工業(yè)品、核反應堆芯燃料元件碳化物基毗基Ccj后溫軸承、除層TiC基Ni.Ni-FosWi-Cci-Cr等高溫軸承、切削刀具、規(guī)塊Cr3czNKHi-Cr>Ni-W等量具、抗麻蝕的軸承，密封件ErC、HfC*TaC等延性金屬未實際應用碳氮化物Ti(CiN)基Co-Ni.Mo2c等徜型可轉位刀、高溫部件

7、、量具期化物基T1B2Fe>作切削工具、鑿巖工具和耐磨零件2rB2B、SiC.Mb等葉輪、軸承、加27衽2隼多元工n、Al等熱擠壓模、熱鍛模等_氮化物基TiN%BN、S13N4一應用較少硅化物基lo-Si.Ti-Si.Zr-Si微量金屬材質加熱元件、熱電偶等含石墨或金剛石狀碳化物基石的金剛石狀碳化物ClkA&發(fā)動機金屬電刷、離合器時片等葛強度金M陶密材料及精叁械技求1m底硬,坯件將試轅變日坦"測試投告圖8高強度金屬陶瓷材料及精密成型方案PS:由于“金屬陶瓷”和“硬質合金”兩個學科術語沒有明確的分界，所以具體材料也很難劃分界線，本文采用I.E.Campbell的觀點，將“

8、硬質合金”歸于“金屬陶瓷”五、金屬陶瓷的應用1、航空航天領域在航空航天領域，耐高溫、抗磨損、高強度、高穩(wěn)定性等苛刻的環(huán)境與技術要求，金屬陶瓷有了廣闊的發(fā)揮空間。金屬陶瓷良好的耐磨性與高溫強度，可用于制造航空或航天發(fā)動機的閥、靜止的環(huán)件等。硼化輅晶體和輅鋁合金粘結的硼化輅金屬陶瓷具有良好的斷裂強度和足夠高的抗熱震性，可用于制備燃氣渦輪葉片、噴氣發(fā)動機的噴管和內燃機閥座等。而具有抗高溫沖刷和氧化特性的W-Cr-Al2Q金屬陶瓷可用于制作采用固體推進劑的導彈噴管襯套。此外，美國NASA®考慮把金屬陶瓷作為液態(tài)火箭發(fā)動機渦輪的自潤滑軸承材料。廣泛應用的航空發(fā)動機葉片熱障涂層一般由三層組成，最

9、內層是與基體結構相接近的金屬，最外層是陶瓷，而陶瓷與金屬的中間過渡層通常采用金屬陶瓷制成（圖9）。英國羅羅公司把一層厚度為0.1mm的含Mg的ZrO2基金屬陶瓷作為航空發(fā)動機渦輪葉片熱障涂層的中間過渡層，取得了比較好的應用效果。圖9帶有熱障涂層的航空發(fā)動機葉片2、艦船領域普通的金屬合金材料涂覆在艦船表面容易因摩擦、電位腐蝕、海水腐蝕等情況導致涂層脫落，從而失去涂層的作用，而金屬陶瓷涂層除具有金屬的韌性，同時具有陶瓷本身的化學惰性能夠有效阻隔海水、電位帶來的腐蝕。影響金屬陶瓷涂層的因素有很多，其中最重要的是金屬陶瓷涂層材料的選取以及噴涂技術的選取，同時這些決定因素也是金屬陶瓷涂層能夠得到廣泛應用

10、的關鍵。圖10為Cr2Q5SiO23TiO2涂層的板材在廈門海域（海水pH值8.18.2,年均水溫21C,年均鹽度為27.00%。）開展30天的海水腐蝕試驗結果。加噴金屬陶瓷復合材料涂層作為絕緣層涂層掛板表面未見銹蝕現(xiàn)象，試板上附著有部分海鞘，無大型海生物附著，而左側的直接在鋼基體因噴涂銅合金，海水滲透到鋼基體產生銹蝕，但涂層完好處無海生物附著。圖10海水掛板試驗結果（左，銅合金涂層，右，金屬陶瓷復合材料涂層）3、制造加工領域高硬度、耐磨性好、高抗彎強度、抗韌性好、抗氧化等性能決定了金屬陶瓷材料在制造加工領域有著不可替代的作用，尤其在量具和切削刀具方面(圖11和表3)。與硬質合金相比，金屬陶瓷

11、具有以下特點：(1)化學穩(wěn)定性及抗氧化性較好，尤其是硬度和抗硬性均較好，可加工硬度小于HRC45勺鑄鐵、碳鋼等材料，同時適合做計量工具的規(guī)塊和軸承材料；(2)抗粘附性良好，可有效的去除刀刃上的積屑瘤和量具上的殘留油污及廢屑；(3)更高的熱硬性、耐磨性和韌性，可用于高速切削加工刀具和高溫等特殊環(huán)境下的軸承材料。圖11金屬陶瓷刀加工圖WC-C尾國內外研究最早也是目前廣泛應用的一類金屬陶瓷，主要用于加工制造領域。隨著研究的深入，開發(fā)了Ti(C,N)基金屬陶瓷。Ti(C,N)金屬陶瓷具有比較獨特的“芯、環(huán)”結構，其組織特征由三部分構成：TiC或Ti(C,N)硬質相組成的核心，即“芯"；邊緣為

12、TiC或Ti(C,N)的復雜固溶體組成的環(huán)狀結構，也就是“環(huán)”；由銀、鉆和溶入其中的鈦、車目、碳和氮組成的粘結相。Ti(C,N)基金屬陶瓷比WC®金屬陶瓷具有更高的硬度、更好的抗腐蝕性以及更高的切削速度。圖12金屬陶瓷軸承與刀具表3我國主要刀具產品市場Z011201220132014Z015刀具市場37141746T527593硬質合金刀具120138158181208金屬陶瓷刀具28323742驍4、其他領域具有良好的耐高溫性能、抗腐蝕性的金屬陶瓷在其他領域也得到廣泛應用，例如冶金工業(yè)用的耐高溫土甘摒和高溫件、機械工業(yè)的耐高溫耐磨零部件、電子工業(yè)的熱離子陰極等。相關學者研究了一種在冶金領域應用的金屬陶瓷質滑動水口被，其采用剛玉和金屬鋁為主要原料，加入少量碳粉及抗氧化劑，制得的滑動水口磚具有使用壽命長、抗鋼水侵蝕和抗沖刷性好等優(yōu)點。圖13鋁基金屬陶瓷管熱電偶（左）與散熱陶瓷基板（右）六、金屬陶瓷的發(fā)展趨勢展望金屬陶瓷材料在國民經濟的各個部門和現(xiàn)代技術的各個領域，對工業(yè)快速發(fā)展著重要的推動作用，相關研究已成為材料研究領域中一個非常重要的研究課題。陶瓷金屬的發(fā)展趨勢主要包括：1、新金屬陶瓷材料的研發(fā)：一為新型硬質相和復合硬質相的開發(fā)；二為利用常見金屬代替稀有金屬，如Fe代替Co;三為陶瓷和金屬的相成分及含量可突破以前的限制；2、納米級金屬陶瓷的研發(fā)：當金屬粘接相不變