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(jī)非金屬材料學(xué)號(hào)：13461001姓名：蔣家桐摘要綜述了金屬基復(fù)合材料的進(jìn)展情況,重點(diǎn)闡述了顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合涂層的進(jìn)展,包括其性能、現(xiàn)有品種、制備工藝、應(yīng)用情況.同時(shí)報(bào)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(qiáng)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(duì)材料不斷提出多方面的性能要求,推動(dòng)著材料向高比強(qiáng)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(jìn)了材料的進(jìn)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(qiáng)成分的復(fù)合材料.這種材料的主要目標(biāo)是解決航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域提高用材強(qiáng)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(gè)新的分支.目前尚遠(yuǎn)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(shí)具有彈性模量高、韌性與耐沖擊性好、對(duì)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(diǎn),成為用于宇航、航空等尖端科技的理想結(jié)構(gòu)材料.1進(jìn)展情況目前,金屬基復(fù)合材料基本上可分為纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)體雖可組成大量金屬基復(fù)合材料的品種,但實(shí)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(qiáng)金屬基復(fù)合材料纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,由于具有高溫性能好、比強(qiáng)度、比模量高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn),而成為復(fù)合材料的主要類型.1.2顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料存在上述缺點(diǎn),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(dá)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(qiáng)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(qiáng)金屬基復(fù)合材料相比制備工藝簡(jiǎn)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(qiáng)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(qiáng)度材料開發(fā)的,目前用于顆粒增強(qiáng)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(jī)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(duì)Al2O3顆粒增強(qiáng)純鋁復(fù)合材料的性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)隨著Al2O3顆粒體積分?jǐn)?shù)增加,強(qiáng)度不斷上升.陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)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(jiǎn)單的特點(diǎn)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?jǐn)?shù)增加,不但塑性下降,而且強(qiáng)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(qiáng)度、比剛度上有更大的潛力.顆粒增強(qiáng)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(dòng)機(jī)、新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)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(qiáng)的鎳基粉末合金,用于表面強(qiáng)化.這種復(fù)合材料在基體和增強(qiáng)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(jī)、離心機(jī)、泥漿泵殼體、鉆具和其它需要耐蝕和耐磨的場(chǎng)合.林化春等[8用碳化鉻增強(qiáng)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(qiáng)度,并降低了成本,是工程上迫切需要的新材料.顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料因?yàn)榱Ｗ拥拈L(zhǎng)徑比小,不能使基體應(yīng)力有效地向增強(qiáng)相傳遞,因此,復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度比基體本身的強(qiáng)度好不了多少[9].用纖維增強(qiáng)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(shí)間內(nèi),其制造成本和纖維的價(jià)格仍將限制這些材料的使用.對(duì)顆粒增強(qiáng)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(rùn)濕性,提出了對(duì)顆粒進(jìn)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(jì)攪拌形成及槳葉設(shè)計(jì).2表面涂層技術(shù)的進(jìn)展隨著航空和宇航技術(shù)的發(fā)展,發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行工作時(shí),冷、熱高速空氣流或高溫燃?xì)舛紩?huì)對(duì)結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成最嚴(yán)重的氧化、腐蝕及疲勞破壞.具有高溫性能好,比強(qiáng)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(shí)也存在成本高的缺點(diǎn),從經(jīng)濟(jì)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(qiáng)化技術(shù),對(duì)提高零件使用壽命和可靠性,對(duì)于推動(dòng)高技術(shù)和新技術(shù)的發(fā)展,對(duì)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(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域,使金屬的表面強(qiáng)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(hù)和表面強(qiáng)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(yán)格的宇航工業(yè)開始,然后迅速向各民用工業(yè)部門擴(kuò)展開來;激光熔敷能準(zhǔn)確控制功率密度和加熱深度,變形小,能獲得結(jié)合強(qiáng)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(jī)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(zhǎng)零件的使用壽命.還有一些歷史較長(zhǎng)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(rèn)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(qiáng)度低,由于對(duì)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(jiǎn)單,而且工藝質(zhì)量也易于控制.同時(shí),真空熔燒在真空狀態(tài)下進(jìn)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(shí)際應(yīng)用,其中包括:內(nèi)燃機(jī)排氣閥,汽輪發(fā)動(dòng)葉片,線材軋輥,軋輥機(jī)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(diǎn).但它有一個(gè)致命的弱點(diǎn):脆性大.這就大大限制了它的使用范圍.由于當(dāng)前先進(jìn)的航空機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、空間核動(dòng)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(qiáng)脫氧元素硼、硅而得到的自熔性合金粉末由于具有熔點(diǎn)低,脫氧性和造渣性好,潤(rùn)濕性、流動(dòng)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(duì)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(shí)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(yuǎn),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(bǔ)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(jī)和統(tǒng)計(jì)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(yán)格的力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型困難很大,只能采取由實(shí)驗(yàn)結(jié)果尋找經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的方法來進(jìn)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(qiáng)相與基體的界面強(qiáng)烈地影響著材料的物理性能和機(jī)械性能.當(dāng)前的工作是致力于用各種先進(jìn)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(duì)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(kuò)散,其中擴(kuò)散系數(shù)是表征物質(zhì)擴(kuò)散能力和熱物理化學(xué)性能的重要參量.研究界面擴(kuò)散和擴(kuò)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(shí)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(duì)金剛石復(fù)合界面的擴(kuò)散問題提出了能譜儀與波譜儀原位互補(bǔ)分析研究的方法,并指出較低熔點(diǎn)鈷的擴(kuò)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(qiáng)Al2014復(fù)合材料的界面,發(fā)現(xiàn)界面沒有Si和Al的相互擴(kuò)散.由于界面結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)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(duì)這些新材料的熱疲勞性能進(jìn)行研究.目前國內(nèi)外已進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)的顆粒增強(qiáng)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(duì)其研究的多一些.Lagerpuist[17]對(duì)WC-Co復(fù)合材料進(jìn)行了熱疲勞裂紋擴(kuò)展的研究,結(jié)果指出其機(jī)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(kuò)展,疲勞裂紋優(yōu)在WC-Co晶界和WC-Co相界上擴(kuò)展.明文龍[18]等在研究Ti(C,N)基金屬陶瓷熱疲勞性能時(shí)也提出了熱疲勞裂紋具有沿相界面開裂的特征.對(duì)于涂層材料,盡管它發(fā)展較晚,但也有人對(duì)其熱疲勞性能進(jìn)行了研究.彭其鳳等[19]對(duì)激光敷陶瓷涂層的熱疲勞行為進(jìn)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(rèn)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(duì)熱疲勞性能的研究多采用試驗(yàn)法.隨著電子計(jì)算機(jī)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(gè)復(fù)雜的力學(xué)行為過程,在這個(gè)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(jìn)一步復(fù)雜化.所以目前對(duì)涂層材料熱疲勞的研究多限定在定性分析,對(duì)其力學(xué)行為有待于人們進(jìn)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(jìn)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(shì)的存在,是有明確發(fā)展前景的.就當(dāng)前的實(shí)際情況來看,顆粒和短纖維增強(qiáng)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(jìn)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(qiáng)度,已越來越受到重視,它在提高性能與節(jié)材方面達(dá)到很好的結(jié)合,具有廣闊的應(yīng)用前景.另外,對(duì)于涂層材料需指出的是,由于涂層與基體之間存在一個(gè)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(qiáng)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(gè)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,