铁基复合材料演讲稿

根据材料复合情况的不同, 可分为整体和表面复合两大类。

粉末冶金法：颗粒增强铁基复合材料多采用成熟的粉末冶金法来制备, 即将增强体与基体合金粉末混合后冷压或热压烧结, 也可用热等静压工艺。制造过程的温度相对于液相法来说较低, 基体与增强物都呈固态，界面反应不严重, 产品可做到少余量或无余量, 从而减少机加工, 提高材料利用率。但该法不适合生产形状复杂和大型的零件, 且由于其工艺及装备复杂、生产周期长、成本高, 阻碍了它的应用和发展。

铸造法：（外加增强体颗粒法）这种方法就是将固态的增强体颗粒逐步加入并混合于液态金属中制得金属基复合材料。但增强相往往会因与基体密度不同而产生凝聚、上浮或下沉, 难以均匀分布, 为此得采用粉料供给器均匀加入增强相材料或采用超声波、机械搅拌或半固态铸造法等。虽然该方法的设备与工艺相对简单, 但制件中容易形成气孔、夹杂, 增强体分布不均匀, 界面易发生反应等。该方法要求增强体与基体之间必须具有良好的润湿性, 否则会出现增强体与基体结合不良, 造成界面剥落。

原位反应复合法：是一种新型的金属基复合材料制备方法, 与以上两种复合工艺相比, 它的增强体颗粒尺寸较细小, 表面无污染, 与基体的结合为冶金结合, 避免了与基体浸润不良的问题; 具有工艺简单、成本低的特点。将原位反应复合法与铸造技术相结合, 可制得形状复杂、尺寸大的构件, 直接得到近净形化的制品。此法虽在金

属基复合材料尤其是轻金属基复合材料的制备工艺中占有举足轻重的地位,但直到近几年才见到有关该法用于制备铁基复合材料的报道。

高温自蔓延合成：Self Propagating High Temperature Systhesis,简称SHS。反应迅速( 0. 1~15cm/ s)

表面复合技术：

A铸渗法：铸渗法是铸件表面合金化的一种方法, 即在铸型型壁上涂( 或贴) 覆具有一定配比的合金粉末膏剂( 也称涂覆层或膏块) , 当浇注成形时, 金属液浸透涂料的毛细孔隙, 高温的液态母材金属与合金粉末之间产生强烈热作用( 合金粉末溶解、熔化或发生化学反应) 并进行物质互渗, 以此改变铸件表层的结构和性能。该方法是在铸件表面原位生成复合层, 具有原位反应复合法的优点, 因而具有较大的发展优势。但铸渗法的复合层厚度难以控制是其致命的缺点。

B铸造烧结法：铸造烧结技术是近几年发展起来的一种新型制备表面复合材料的技术。它将一定配比的合金粉末所制成的压坯贴在铸型表面, 利用浇注过程金属液的热量在压坯中产生巨大的热流密度, 引发压坯中高温化学反应, 生成大量的陶瓷颗粒, 同时完成压坯的烧结致密化, 从而在铸件表面烧结反应生成表面复合材料。该方法借鉴了铸渗法在浇注过程中原位实现表面复合化这种简单工艺过

程、自蔓延高温合成技术的热激发高放热化学反应和粉末冶金法烧结致密化过程, 但它与这些方法之间有着本质的区别,具有自身的本质特征。与铸渗法相比, 铸造烧结法可在大大减少粘结剂加入量的同时得到紧实度和强度相当高的压坯,在很大程度上减少或避免复合层内产生气孔和夹杂等缺陷, 铸件质量得到保证。此外, 铸造烧结法的压坯厚度与最终铸件表面复合层的厚度相当, 故复合层的厚度易于控制。因而从根本上克服了铸渗法的致命弱点; 与SHS技术相比, 点火方式有所不同, 反应速度较慢, 克服了SHS法过程难于控制的缺点,且铸造烧结法可同时实现产品致密化。铸造烧结法的烧结不同于粉末冶金在恒温、还原气氛甚至真空条件下进行的烧结过程, 它是在金属液凝固过程中进行的, 即是在一般的大气气氛下、温度不太高且始终是变化的, 由于金属液处于高温的时间非常有限而烧结时间短, 故而烧结机理不同。

铁基复合材料常用的增强颗粒:20世纪70、80年代粉末冶金法制备铁基复合材料开始流行。这期间增强颗粒的范围不断拓展，Al2O3、Cr3C2、TiC、NbC、WC、VC、SiC等作为颗粒增强相均有研究。其中SiC、Cr3C2在烧结过程中易溶于基体，不能作为独立的硬质颗粒保留下来；可与基体发生反应生成的碳化物相，如M6C和MC型碳化物。NbC,TiC,VC的热力学稳定性高, 适合于制备铁基复合材料;Al2O3是一种离子键陶瓷，它的表面电子被束缚而带电,很难被金属润湿.随着研究工作的不断推近,增强颗粒不断向高性能方向发展,目前研究最多的增强体是TiC颗粒.这是因为TiC硬度

高且高温下稳定不易分解,TiC的标准反应吉布斯自由能低 ,其合成反应易于进行,这便于更好地与基体结合,使复合材料具有优良的耐磨性和高温性能.因此,增强铁基复合材料的应用主要是耐磨材料和高温结构材料领域.

制备工艺由固相法向液相法(特别是原位反应铸造法)转移,这主要是由于考虑到降低制备成本、简化工艺和提高复合材料的性能,以适应大规模工业化生产的需要。

复合材料以颗粒增强为主,到目前为止关于晶须和纤维增强的研究极少。这是因为铁基复合材料成形温度很高,用晶须或纤维做增强体难以保证它的化学和力学稳定性,且工艺复杂,成本昂贵。

TiC颗粒增强铁基复合材料:

原位颗粒增强金属基复合材料是当今复合材料研究领域的热点之一,也是今后金属基复合材料发展的一个重要方向。颗粒增强金属基复合材料具有良好的塑性和韧性,同时具有高硬度、高模量,表现出良好的综合力学性能,且工艺简便。在金属基复合材料中,人们对以铝、镁、钛为基体的金属复合材料研究得较多,而对铁基复合材料研究得较少。

将45钢和一定比例的Ti粉混合,在真空熔炼炉中熔化。为使化

学成分均匀,每个铸锭通过3次熔炼。熔炼完毕,打渣,去掉杂质,然后用铝脱氧去气,在包内进行变质处理,从而使碳化物细化;将铁水倒入浇包,然后倒入型腔中浇注,制得含Ti分别为0.5%,1%,2%,4%(质量分数)四种成的试样。利用光学显微镜分析和观察材料中TiC颗粒的形貌和分布。用HR2150A型洛氏硬度计测试材料的硬度。

从图1中可以看出Ti含量为0.5%试样的基体组织为大量Fe3C 和少量铁素体。Ti含量为1%的试样的Fe3C量减少,铁素体量增加。Ti含量为2%的试样的Fe3C量进一步减少,铁素体的含量进一步增加。当Ti含量达到4%时,基体组织主要是铁素体和少量的渗碳体。因此可以看出基体组织随着Ti含量的增加发生了变化, Fe3C量逐渐减少,铁素体量逐渐增加。这主要由于TiC是高度稳定的高熔点化合物,其熔点高达3080℃,其标准生成自由能非常低,因此从热力学上看, TiC 是很容易生成且非常稳定的。它夺取Fe3C中的C, Fe3C分解: Fe3C→3Fe+C。

从图2可以清楚地看到颜色呈灰色、形状呈四方形和多边形的颗粒分布在各种成分的试样基体中。用能谱分析含Ti量为4.0%的铸态试样中灰色颗粒的成分,结果可以确定灰色颗粒为TiC颗粒。从图2可以看到,含Ti为0.5%的试样组织中含有极少量的TiC颗粒,尺寸大约为2μm(图2a);含Ti为1%的试样组织中TiC颗粒数量增加,而且尺寸变大,大约为3μm(图2b);含Ti为2%的试样组织中TiC颗粒数量进一步增加,尺寸大约为4μm(图2c);含Ti为4%的试样组织中TiC