镍基复合材料 57-1
金属基复合材料
改善缺点的方法
复习复合材料界面知识。
1. 基体合金化 2. 颗粒表面处理； 3. 复合过程的气氛控制； 4. 有效的机械搅拌。
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1.真空压力浸渍法
❖ 底部压入法 ❖ 顶部注入法 ❖ 顶部压入法
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❖ 预制件的制备和工艺参数的控制是得到高性能复合材料的关键。 ❖ 预制件决定复合材料中纤维、颗粒等增强材料的含量、分布和
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金属基复合材料制备工艺的分类：
1）固态法：粉末冶金法、真空热压扩散结合、热等静压、超塑 性成型/扩散结合、模压。
2）液态法：液态浸渗、液态金属搅拌法。 3）自生成法：（原位法） 4）其他法：等离子喷涂成型、喷射成型。
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5.2.1 固态法
➢ 工艺流程 ① 将金属粉末或金属箔与增强物（纤维、晶须、颗粒）按设计要求
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随着速度的进一步加快，还需要改变飞机的结构设计， 采用更细长的机冀和其它冀型，为此需要高刚度的材料，而 纤维增强钛恰可满足这种对材料刚度的要求。
钛基复合材料中最常用的增强体是 硼纤维 ，这是由 于钛与 硼 的热膨胀系数比较接近，如下表所示。
基体和增强体的热膨胀系数
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基体材料的选择
航天、航空（密度小）— 镁合金、铝合金作为基体。
2. 混合：球磨机混合法；
3. 压粉（压密）：相当于成形工艺；
4. 脱气：为除去粉末、颗粒表面水分与吸附气体，防止烧结后材料内部 气孔（相当于干燥）；
5. 压粉坯的致密化：冷等静压、挤压法；
6. 烧结（固化）：常压、热压、真空热压、热等静压、热塑性变形烧结；
7. 塑性加工：赋予材料一定形状（热加工温度下变形）。
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由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状 结构复合材料的强度受到了限制。
复合材料第五章(1)金属基复合材料-金属基复合材料的分类
增强相含量, vol % 50 50 35~40 35 50 50 18~20 20 35 45
抗拉强度， MPa
1200~1500 1300~1500 700~900 500~800
650 900 500~620 400~510 1500~1750 1300~1500
拉伸模量， GPa
200~220 210~230 95 ~ 110 100~150
工艺优点： 制品有一定形状（可制备各种型材）
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（4） 粉末(冶金)法（Slurry Powder Metallurgy） 工艺特点：解决了使用金属箔材成本高问题
工艺优点：成本低
工艺关键：低温真空下聚合物粘接剂必须能够完全挥发
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工艺概要： 1）制备基体粉末/聚合物粘接剂胶体（可将胶体轧制成薄带） 2）用胶体固定纤维，干燥获得粉末/纤维预制片 3）或按粉末法纤维/基体复合丝方法制备复合丝 4）真空扩散结合制备复合材料
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图5.16 粉末（冶金）法制备金属基复合料材料示意图 50
2.2.3 液态法 — 非连续增强相金属基复合材料制备工艺
（1） 压铸法（Squeeze Casting） 工艺特点：压力、液态或半液态金属 工艺概要：压力作用下，液态或半液态金属以一定速度 充填增强材料预制体空隙中并快速凝固成型 工艺关键：熔融金属温度、模具预热温度、压力、加压速度
220 130 96 ~138 ~100 210 ~230 220
密度， g/cm3
2.6 2.85~3.0
2.6 2.4 3.3 2.9 2.8 2.8 3.9 3.7
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（2）高的韧性和冲击性能
相对聚合物、陶瓷基复合材料而言，
金属基复合材料具有较高的韧性和耐冲击性能 ！
MoS2对镍基复合材料力学性能的影响
自润滑复合材料在油脂类润滑剂不能工作 的特 殊机械部 件 中得到广泛应 用。 自润 滑材料通 过连续 提供 固体润滑 剂 ， 在表面与偶 面形成润 滑膜 ， 从而使 材料在 长时 间的摩擦 过程 中得到有效 润滑 ， 但太 多固体润 滑剂 的加入将 导致材 料力学 性 能下 降 ， 从而影响 材料 的摩擦 系数 和磨损率 。 二硫化钼 （ Ｓ ） Ｍｏ 是应 用最 广泛 的 固体润滑 剂之 一。采 用难熔金属为基体含 Ｍｏ ， 自润 滑复合材料 ， Ｓ的 因此具有 高机 械强度 ， 摩擦 及耐磨损等特性 ， 于制作高 真空等特殊工况 低 适 的减摩部件 。
材料， 并讨论 Ｍ Ｓ 含量对 材料 力学性 能 的影响 ， ｏ 利用 显微镜
对 表 面 形 貌 进 行 观 察 ， Ｒ ｙ衍射 仪分 析 材 料物 相 。 Ｘ— ａ
１ 实验 方法
１ １ 合 金 制 备 ．
图 １ 复合材料的 Ｘ Ｄ分析 Ｒ 虽然 Ｍ Ｓ 在 Ｎ （ ｒ基体 中发生反应 ， ｏ ｉｃ ） 失去 自身作为 固体 润滑剂的作用 ， 但生成的新相如 Ｃｓ Ｃ７。 都是较 好的 固 ｒＳ 、 ｒＳ等 体润滑剂。同时 Ｍｏ Ｓ 分解 出来 的活 性元 素 Ｍ ， 方 面固溶 ｏ一 在 Ｎ —ｃ 合金基体 中 ， ｉ ｒ 另一方 面会 与石墨模具上的碳发生 反 应生成 Ｍ ｏＣ等碳 化物 ， 材料 中同时存 在少 量的 ＷＣ， 由于 是 钨与石墨模具上的碳反应的产物 Ｊ 。 从 图 ２中可看到 ， 单加 入 ｗ 粉 时， ｉ ｒ Ｎ —ｃ 合金 组织较 均 匀， 主要为 Ｎ 和 ｃ 的镍基 固溶体 ， 分布有少 量 ｃ 元素富集 ｉ ｒ 并 ｒ 的黑色斑点组织 ， 这可能是 由于混料 和烧结 时发生 偏析所 致 （ ２ ａ ） 继续 加入 Ｍ Ｓ后 ［ ２ ｂ 图 （） ； ｏ ： 图 （ ）～（ ） ， ｄ ］ 在镍基 固溶体 基体上均匀分布着由铬的硫化 物组 成的树 枝状组 织 ， 材料 中 主要存在 ３种相 ： 白色相 ， 灰 呈细小 网状或颗粒 分布的浅灰 色 相， 及少量的深 黑色相 。结合 Ｘ— ａ 衍射分析 （ １ 及 参考 Ｒｙ 图 ）
一种四元MAX相增强NiAl基高温润滑复合材料及其制备方法[发明专利]
![一种四元MAX相增强NiAl基高温润滑复合材料及其制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e1faa63117fc700abb68a98271fe910ef12daea5.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910797466.1(22)申请日 2019.08.27(71)申请人 西安交通大学地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号申请人 广西长城机械股份有限公司(72)发明人 李博 高义民 李聪 康云川 郑巧玲 赵四勇 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任公司 61200代理人 高博(51)Int.Cl.C22C 32/00(2006.01)C22C 1/05(2006.01)C22C 1/10(2006.01)B22F 9/04(2006.01)B22F 3/02(2006.01)B22F 3/10(2006.01)(54)发明名称一种四元MAX相增强NiAl基高温润滑复合材料及其制备方法(57)摘要本发明公开了一种四元MAX相增强NiAl基高温润滑复合材料及其制备方法，按比例分别称取NiAl、Mo、Ti、Al和C粉末，然后将称好的粉末放入高能球磨机上进行球磨，制备混合均匀的纳米结构混合粉末；将混合好的粉末放入石墨磨具中进行冷压处理，冷压结束后在真空热压烧结炉中进行真空热压烧结，制得NiAl -Mo 2TiAlC 2复合材料。
本发明利用Mo、Ti、Al和C在烧结过程中的原位反应生成新型四元MAX相(Mo 2TiAlC 2)，实现了复合材料的高温润滑性能，同时有效改善了MAX 相与NiAl基体之间的润湿性及复合材料的组织结构，有效提高了复合材料的强度，实现复合材料更高温度条件下优异的润滑性能。
权利要求书1页 说明书5页 附图1页CN 110453133 A 2019.11.15C N 110453133A1.一种四元MAX相增强NiAl基高温润滑复合材料的制备方法，其特征在于，包括75～90wt％的NiAl金属间化合物粉和10～25wt％的Mo粉、Ti粉、Al粉和C粉混合粉末。
en57化学成分
en57化学成分摘要：1.引言：介绍EN57 的背景和重要性2.EN57 的主要化学成分3.各化学成分对EN57 性能的影响4.EN57 在各个领域的应用5.结论：总结EN57 的特点和重要性正文：【引言】EN57 是一种高性能的合金材料，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
其优越的性能主要来源于其独特的化学成分和微观结构。
本文将对EN57 的化学成分进行详细的分析，以揭示其性能背后的秘密。
【EN57 的主要化学成分】EN57 的主要化学成分包括铁、铬、镍、钼、钨、钴和铝等元素。
其中，铁作为基础元素，提供了合金的基本性能；铬、镍、钼、钨等元素则起到了提高合金强度、硬度、耐腐蚀性等性能的作用；钴和铝元素则对合金的微观结构和性能产生了重要的影响。
【各化学成分对EN57 性能的影响】铬是EN57 中的主要合金元素，其含量的高低直接影响了合金的耐腐蚀性能。
镍则可以提高合金的强度和韧性，同时降低了合金的硬度。
钼和钨可以提高合金的硬度和强度，但同时也增加了合金的脆性。
钴可以提高合金的韧性和强度，但同时也降低了合金的硬度。
铝则主要起到了细化晶粒的作用，提高了合金的性能。
【EN57 在各个领域的应用】由于EN57 的优越性能，其被广泛应用于各个领域。
在航空航天领域，EN57 被用于制造发动机、涡轮叶片等关键部件；在汽车制造领域，EN57 被用于制造排气系统部件、汽车车身结构件等；在电子设备领域，EN57 被用于制造各种电子元器件。
【结论】EN57 的优越性能来源于其独特的化学成分和微观结构，这使得其在航空航天、汽车制造、电子设备等领域有着广泛的应用。
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镍基复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。
由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。
镍基复合材料主要用于液体火箭发动机中的全流循环发动机。
这种发动机的涡轮部件要求材料在一定温度下具有高强度、抗蠕变、抗疲劳、耐腐蚀、与氧相容。
在目前正在研制的系统中这些部件选用镍基高温合金。
虽然用SiC 颗粒或纤维增强的复合材料可以达到高强度、高刚度和抗蠕变。
但在全流循环发动机的富氧驱动气体环境下，这些材料不能兼顾与氧的相容性。
发动机起动瞬变过程的热冲击环境，排除了涡轮叶片采用加涂层的材料系的可能。
因此，用整体材料制作的涡轮叶片，必须经受住富氧燃烧产物所形成的环境。
因为涡轮部件和涡轮盘在大约9min 运行中一般不用冷却，所以在短时运行中，整体材料温度达到730℃是正常的。
对某些设计，希望密度低于6.5g/cm3 的材料的强度要大于1040MPa。
应力、温度和化学环境都十分苛刻，要延长维修平均间隔时间(MTBR)使这些材料性能目标更难达到。
其它非旋转部件也必须经受住极端运行环境的考验。
喷注器面板、喷注壳体和预燃烧器在高温下都必须抗氧化、耐腐蚀、抗氢脆。
喷嘴调节和控制流入主燃烧室的推进剂流量。
预燃烧室是个小型燃烧室。
在这个燃烧室里，产生涡轮驱动气体。
在目前一些系统(其中一些被有效冷却)中，这些部件使用钴合金。
未来发动机的这些部件，预计有极端的热环境(气体温度接近918℃)和高达62MPa 的压力。
Si3N4 整体材料正在用作喷嘴壳体，但陶瓷壳体与金属推力室的匹配困难还没有解决。
由于喷嘴壳体的形状是轴对称的，所以早就有人建议这种壳体采用连续纤维增强的复合材料，但部件的匹配条件向连续纤维增强的复合材料提出挑战。
以下为两种比较典型的镍基复合材料及其主要性能：
（一）、镍基变形高温合金
以镍为主要基体成分的变形高温合金。
镍基变形高温合金以汉语拼音字母“GH”加序号表示，如GH36、GH49、GH141等。
它可采用常规的锻、轧和挤压等冷、热变形手段加工成材。
按强化方式可分为固溶强化镍基变形高温合金，弱时效强化镍基变形高温合金和强时效强化镍基变形高温合
用途：镍基变形高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。
合金元素的作用：
铬在镍基变形高温合金中的主要作用：增加抗氧化及耐蚀能力。
20世纪40～50年代发展的镍
基变形高温合金中铬含量高达18%～20%，在60年代，为了提高高温强度，将铬含量降低到8%～12%。
过度降铬有损抗氧化、耐蚀能力
固溶强化镍基变形高温合金中加入较多的钨、钼、钴等元素。
弱时效强化镍基变形高温合金可添加一定量的铝、钛、铌等时效强化元素。
强时效强化镍基变形高温合金中则可以加入多量的铝、钛、铌元素，但其总量不能超过7.5%。
也加入硼、铈、镁等晶界强化元素。
组织特点：
主要的强化相是γ′(Ni3Al)相，含量达20%～55%左右。
另一类强化相是γ″(Ni3Nb)相，在700℃以下对强度的贡献远大于γ′相，特别显著地提高屈服强度，是涡轮盘材料中有名的强化相。
加工方法：变形高温合金塑性较低，变形抗力大，特别是含γ′相很高的强时效强化镍基变形高温合金，使用普通的热加工手段变形有一定困难，往往需采取一些特殊的加工工艺，如钢锭直接轧制、钢锭包套直接轧制和包套镦饼等新工艺。
也采用加镁微合金化和弯曲晶界热处理工艺来提高塑性。
镍基铸造高温合金
以镍为主要成分的铸造高温合金，以“K”加序号表示，如K1、 K2等。
随着使用温度和强度的提高，高温合
金的合金化程度越来越高，热加工成形越来越困难，必须采用铸造工艺进行生产。
另外，采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔，只能采用精密铸造工艺才能生产。
这样，镍基变形高温合金就转化为镍基铸造高温
添加元素及作用：
镍基铸造高温合金以γ相为基体，添加铝、钛、铌、钽等形成γ′相进行强化，γ′相数量较
多，有的合金高达60%；加入钴能提高γ′相的溶解温度，提高合金的使用温度；钼、钨、铬具有强化固溶体的作用，铬、钼、钽还能形成一系列对晶界产生强化作用的碳化物；铝和铬有助于抗氧化能力，但铬降低γ′相的溶解度和高温强度，因此铬含量应低些；铪：改善合金中温塑性和强度；为了强化晶界，添加适量硼、锆等元素。
缺点及克服方法
（1）疲劳性能稍差、塑性较低、使用中组织稳定性有所下降；
（2）存在疏松，性能波动较大。
应用：镍基铸造高温合金用于飞机、船舶、工业和车辆用燃气轮机的最关键的高温部件，如涡轮机叶片、导向叶片和整体涡轮等。
镍基复合材料在水环境中的摩擦学性能及磨损机理研究
复合材料在水环境中的摩擦系数比干摩擦降低了一半左右，磨损率仅为干摩擦下的1／15，水环境中，负荷和速度的变化对摩擦系数的影响不大，摩擦系数基本保持在0．28～0．32之间，磨损率随负荷和滑动速度的增加而不断增加。
磨损表现为机械微切削；摩擦副表面吸附水的边界润滑作用以及水的冷却作用使材料容易耗散摩擦热，塑性变形减小，严重粘着磨损明显减轻。
水的存在使不锈钢偶件更容易发生氧化，同时暴露于磨损表面的SiC以及由于水的渗透而导致与基体脱粘的SiC，易被氧化生成SiO2，进而SiO2发生水合反应在磨擦对偶表面生成不均匀的SiO2·nH2O水合反应膜，起到了一定的减磨润滑作用，显著降低摩擦系数和磨损率。
镍基纳米SiC复合镀层的摩擦学性能
为研究镍基纳米SiC复合镀层的摩擦学性能，在A3钢板上制备了该镀层，利用扫描电镀对镀层显微组织进行观察，通过纳米显微力学探针测量镀层微区硬度，在MM－200摩擦磨损试验机上对镀层进行磨损试验，研究阴极电流密度，温度和镀液中SiC浓度等主要工艺参数对镀层耐磨性能的影响。
结果表明：SiC颗粒在镀层中分布均匀：SiC颗粒附近镀层的硬度是纯镍镀层的3倍，但随着远离SiC，复合镀层硬度明显下降；复合镀层的耐磨性能与普通镍镀层相比有较大幅度的提高，在油润滑条件下磨损体积为普通镍镀层的1／8。
（二）、蓝宝石晶须蓝宝石杆
以单晶氧化铝为镍基复合材料的增强物具有高弹性模量，低密度，纤维形态的高强度、高熔点、良好的高温强度和抗氧化性。
镍-蓝宝石反应性质的影响在高温下，蓝宝石和镍或镍合金将发生反应，这种反应与弥散强化型合金所用的Al2O3质点的稳定性观测结果相一致。
除非这种反应能均匀地消耗材料或在纤维表面形成一层均匀的反应产物，否则就会因局部表面降粗糙而降低纤维的强度。
镍基复合材料的制造和性能
制造镍基复合单晶蓝宝石纤维复合材料的主要方法是将纤维夹在金属板之间进行加热。
这种方法通常称为扩散结合。
热压法成功的制造了Al2O3-NiCr复合材料，其最成功的工艺是先在杆上涂一层Y2O3（约1μm），随后再涂一层钨（约0.5μm厚）。
除了热压法制得的镍基复合材料外，人们还研究了其他方法制造的镍基复合材料的性能。
对粉末冶金法制得的材料进行的研究结果表明，在粉末压实过程中晶须因排列不当而大量断裂。
测得的性能很差，晶须体积比为23%的复合材料的室温强度最高只有690MPa。
其他方法制得的镍基复合材料的性能也不理想。