金属基复合材料的现状与展望

金属基复合材料的现状与

展望

学院：萍乡学院

专业：无机非金属材料

学号：13461001

姓名：蒋家桐

摘要综述了金属基复合材料的进展情况,重点阐述了颗粒增强金属基复合材料和金属基复合

涂层的进展,包括其性能、现有品种、制备工艺、应用情况. 同时报道了目前本领域研究存在的问

题,如:力学问题、界面问题、热疲劳问题,并在此基础上展望发展前景.

关键词颗粒增强金属基复合材料,复合涂层材料,界面,热疲劳,功能梯度材料

随着近代高新技术的发展,对材料不断提出多方面的性能要求,推动着材料向高比强度、高比刚度、高比韧性、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等多方面发展[1 ] . 复合材料的出现在很大程度上解决了材料当前面临的问题,推进了材料的进展.金属基复合材料(MMC) 是以金属、合金或金属间化合物为基体,含有增强成分的复合材料. 这种材料的主要目标是解决航空、航天等高技术领域提高用材强度、弹性模量和减轻重量的需要,它在60 年代末才有了较快的发展,是复合材料一个新的分支. 目前尚远不如高聚物复合材料那样成熟,但由于金属基复合材料比高聚物基复合材料耐温性有所提高,同时具有弹性模量高、韧性与耐冲击性好、对温度改变的敏感性很小、较高的导电性和导热性,以及无高分子复合材料常见的老化现象等特点,成为用于宇航、航空等尖端科技的理想结构材料.

1 进展情况

目前,金属基复合材料基本上可分为纤维增强和颗粒增强两大类,所用的基体包括Al ,

Mg ,Ti 等轻金属及其合金以及金属间化合物等,也有少量以钢、铜、镍、钴、铅等为基体. 增强

纤维主要有碳及石墨纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氧化铝纤维等,增强颗粒有碳化硅、氧化铝、硼

化物和碳化物等. 用以上的各种基体和增强体虽可组成大量金属基复合材料的品种,但实际上

只有极少几种有应用前景,多数仍处在研究开发阶段,甚至也有不少品种目前尚看不到其应用

前景[2 ] .

1. 1 纤维增强金属基复合材料

纤维增强金属基复合材料,由于具有高温性能好、比强度、比模量高、导电、导热性好等优

点,而成为复合材料的主要类型.

1. 2 颗粒增强金属基复合材料

由于纤维增强金属基复合材料存在上述缺点,从而未能得以大规模工业应用,只有美国、

日本等少数发达国家用于军事工业. 为此,近年来国际上又将注意力逐渐转移到颗粒增强金属

基复合材料的研究上. 这一类金属基复合材料与纤维增强金属基复合材料相比制备工艺简单,

成本低,可采用常规金属加工设备来制造,这样有利于其开发和应用. 可见,颗粒增强金属基复

合材料是非常有发展前途的.

金属基颗粒复合材料通常是作为耐磨、耐热、耐蚀、高强度材料开发的,目前用于颗粒增强

复合材料的颗粒有数十种,常用的有石墨、SiC、SiO2 、TiC、BN、α- Al2O3 、TiO2 、WC ,它们大多是无机化合物. 目前已有铝基、钼基、钢基、Fe 基、Co 基、Ni 基、Mg 基等颗粒复合. 但随着宇航事业的发展,高温耐热金属基复合材料,如以铜、钼、镍、钴等为基体的金属基复合材料越来越受到人们的重视.池野等[4 ]对Al2O3 颗粒增强纯铝复合材料的性能进行了研究,发现随着Al2O3 颗粒体积分数增加,强度不断上升. 陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度和比模量,并且具有原材料成本低廉,复合材料制备工艺简单的特点而受到重视. Hosking 等[5 ]的研究结果表明,随着Al2O3 或SiC 颗粒的体积分数增加,不但塑性下降,而且强度也下降. 在Al - 5Si 合金中,加入SiC 和石墨的结果也类似.

与轻金属Al 相比,Mg 及其合金密度更小,约1. 8g/ cm2 ,比Al 轻约30 % ,在提高比强度、比刚度上有更大的潜力. 颗粒增强的镁基复合材料已表现出优良性能[6 ] .另外,M. Hunt [7 ]指出为适应火箭发动机、新一代航空发动机和其它高温航空航天用构件的需要,必须开发在高温下具有高强度、高刚度,甚至还有导热性和导电性的金属基复合材料.其中提到美国密执安州麦迪逊的Wall Colmonoy 公司开发了一种用碳化钨增强的镍基粉末合金,用于表面强化. 这种复合材料在基体和增强剂之间产生冶金结合. 这种涂层可用于多种基体金属,包括低碳钢、不锈钢和合金钢. 它们的应用包括传送机、离心机、泥浆泵壳体、钻具和其它需要耐蚀和耐磨的场合.林化春等[8 用碳化铬增强镍基自熔合金,并用真空熔烧法在钢基体上直接熔烧制成复合涂层,母材与基体之间也形成牢固的冶金结合,大大提高了母材的耐磨耐蚀性. 这种新材料利用表面改性技术,在不改变材料整体性能的基础上,提高了表面强度,并降低了成本,是工程上迫切需要的新材料.颗粒增强金属基复合材料因为粒子的长径比小,不能使基体应力有效地向增强相传递,因此,复合材料的抗拉强度比基体本身的强度好不了多少[9 ] . 用纤维增强能解决上述问题,得到高的力学性能. 不过在未来的一段时间内,其制造成本和纤维的价格仍将限制这些材料的使用.

对颗粒增强金属基复合材料采用搅拌工艺制备的研究较多. 为改善颗粒和熔体之间的润湿性,提出了对颗粒进行表面处理和改变基体合金组成等两种措施[10 ] ,另外也有不少研究致力于设计搅拌形成及桨叶设计.

2 表面涂层技术的进展

随着航空和宇航技术的发展,发动机的工作温度愈来愈高,在高温、高压、大流量、大推力的环境下进行工作时,冷、热高速空气流或高温燃气都会对结构材料构成最严重的氧化、腐蚀及疲劳破坏. 具有高温性能好,比强度、比模量高的金属基复合材料的出现,虽然在某些情况下能满足性能要求,但它同时也存在成本高的缺点,从经济上看往往是行不通的. 鉴于材料承受耐磨、腐蚀、疲劳破坏、高温氧化都是从表面开始的,研究和发展表面强化技术,对提高零件使用寿命和可靠性,对于推动高技术和新技术的发展,对于节约材料,节约能源等都有重大意义[11 ] .近30 年来,有许多新的科学技术渗透到表面强化技术领域,使金属的表面强化技术得到迅速发展. 材料的表面涂层是近年来发展最快的一种新的表面技术,是提高材料使用性能和寿命的有效途径[12 ] .

热喷涂技术作为一种新的表面防护和表面强化工艺在近20 年里得到迅速发展,它的发展从使用条件最苛刻,要求最严格的宇航工业开始,然后迅速向各民用工业部门扩展开来;激光熔敷能准确控制功率密度和加热深度,变形小,能获得结合强度很好的表面涂层;气相沉积法用材广泛,适用面宽,已广泛用于机械制造、冶金工业以及宇航、核能等领域;70年代发展起来的离子注入新技术,利用注入离子可得到过饱和固溶体,非晶态和某些化合物层,能改变材料摩擦系数,增加表面硬度,提高耐磨性及抗蚀性,延长零件的使用寿命. 还有一些历史较长的表面处理技术,近几十年得到了飞跃发展. 例如,电镀、电刷镀技术,已成为人们公认的金属表面新技术,在我国已得到普遍应用.