金属间化合物增强陶瓷基体复合材料论文(完成)

金属间化合物增强陶瓷基复合材料

研究现状及发展前景

摘要：陶瓷材料由于具有强度高、抗氧化、耐高温、热膨胀系数低和密度小等优良性能，因而在许多方面的应用是一般金属材料和高分子材料无法替代的。但是它的致命弱点——大脆性却大大限制了其更广泛的应用。因此，改善陶瓷的韧性已成为陶瓷材料获得进一步应用的核心问题。由于金属间化合物原子的长程有序排列和原子间金属键与共价键共存的特性，其使用温度介于金属超硬合金和陶瓷之间。金属间化合物相对于金属是脆性材料，而相对于陶瓷又具有一定的塑性，其性能介于金属和陶瓷之间，制备金属间化合物/陶瓷基复合材料可使金属和陶瓷各自的缺点通过彼此的优点所弥补。

关键字：金属间化合物陶瓷基复合材料性能应用

0.引言

金属间化合物的性能介于金属和陶瓷之间，其结构与性能不同于其金属组元，而是一种长程有序的超点阵结构，因而具有许多特殊的物理化学性能和力学性能。与金属材料相比，金属间化合物密度小、抗氧化性能好、熔点高、硬度高、抗蠕变和抗疲劳性能好，并具有许多特殊的物理化学性能和力学性能，特别是一些金属间化合物的强度在特定温度范围内随温度升高而升高。金属间化合物的种类非常多，近年来国内外主要集中于对 Ti-Al、Ni-Al、Fe-Al 等含铝金属间化合物的研究[1]。Fe-Al金属间化合物中最受关注是Fe

3

Al与FeAl合金［2］。Fe-Al 金属间化合物室温脆性大、塑性差，改善其室温脆性，提高其强度是重要的研究

方向。目前研究最多的是Ni

3

-Al金属间化合物，尤其是对于其在中间温度时的

反常流变应力做了较深入的探索。许多Ni

3

-Al基合金已应用于铸造、锻压和高温熔炼。

NiAl合金比目前的Ni基高温合金质量轻，且具有高熔点、优良的抗氧化性能以及高的热导率，但是由于其低温下的断裂韧性差以及高温强度低、抗蠕变能力差，使其在结构材料方面的应用受到限制。许多文献报道，由于NiAl合金熔点高、密度低、热导率大，抗氧化和抗腐蚀性能优异，多年来一直用作高温合金零件的表面防护涂层。陶瓷材料由于具有强度高、抗氧化、耐高温、热膨胀系数低和密度小等优良性能，因而在许多方面的应用是一般金属材料和高分子材料无法替代的。但是它的致命弱点—脆性却大大限制了其更广泛的应用。因此，改善陶瓷的韧性已成为陶瓷材料获得进一步应用的核心问题。由于金属间化合物原子的长程有序排列和原子间金属键与共价键共存的特性，其使用温度介于金属超硬合金和陶瓷之间。金属间化合物相对于金属是脆性材料，而相对于陶瓷又具有一定的塑性，其性能介于金属和陶瓷之间，制备金属间化合物/陶瓷复合材料可使金属和陶瓷各自的缺点通过彼此的优点所弥补。本文主要介绍金属间化合物/陶瓷复合材料的发展现状及趋向。

1.发展历史

1.1 NiAl/Al

2O

3

及Ni

3

-Al/Al

2

O

3

复合材料的发展历程

在最近几十年内，有很多研究工作者对金属相增韧增强Al

2O

3

陶瓷材料进行

了研究［3-4］。张炳荣［3］等用Ni

3-Al增强Al

2

O

3

，其中Al

2

O

3

型号为“AKP-20”

（α-Al

2O

3

，粒度0. 5μm），Ni

3

-Al的组成为73.12Ni-18.82Al-8.06Cr-0.019MO-0.

1B（数据为原子分数，%）。其试验方法是将Al

2O

3

+ 10%（体积分数）Ni

3

-Al混

合粉末装入衬有WC不锈钢的球磨筒中，以酒精为介质强化球磨90min，球磨后的混合泥浆在70 o C烘干后过100目筛，然后装入石墨模中，在（1340±10）O C、

25Mpa压力下于氢气气氛中热压1h，得到Ni

3-Al/Al

2

O

3

复合材料。研究表明，Ni

3

-Al对Al

2O

3

陶瓷有明显的增韧作用。所得复合材料的抗弯强度与断裂韧性从室

温至600O C范围内，随温度升高下降很少。金属间化合物通过塑性变形、剥离、拔出，起到阻止裂纹扩展，提高材料性能的作用。随温度进一步升高，在600o C

以后，Ni

3-Al粒子发生软化，与Al

2

O

3

基质的结合强度下降，导致材料性能明显

下降。但是与纯Al

2O

3

陶瓷相比，该复合材料直到1000 O C仍保持了较高的断裂

韧性。

CHOU W B 等［5］利用NiAl金属间化合物增韧Al

2O

3

陶瓷获得了较好的效果。

研究表明，随NiA含量增加，复合材料的抗弯强度和断裂韧性提高，但硬度降低。

对于NiAl体积分数为50%的试样，其强度比纯Al

2O

3

陶瓷提高60%，断裂韧性提

高160%。进一步的研究表明，通过加入Fe可增强NiAl/Al

2O

3

的界面结合，提高

复合材料的韧性和强度。CHOU W B 等还借助扫描电镜和透射电镜研究了NiAl

金属间化合物增韧Al

2O

3

陶瓷材料的强韧机理。分析认为：裂纹偏转是复合材料

增韧的主要机制，而长颗粒的拔出和NiAl金属间化合物有限的塑性变形也贡献于材料的韧化。颗粒细化提高了基体材料的强度。

1.2 FeAl/Al

2O

3

及Fe

3

Al/Al

2

O

3

复合材料的发展历程

SIL VIA S 等［6-7］研究了Al

2O

3

基复合材料。他们采用铁粉、铝粉和氧化

铝粉，以丙酮为介质进行球磨、制粉。先在50 Mpa的压力下预成形，再采用冷等静压技术在900Mpa的压力下获得致密坯体，然后在1450-1500 O C的温度下无

压烧结，制备出含有Fe /Al

2O

3

和FeAl/Al

2

O

3

相的复合材料。当Fe和FeAl在复

合材料中形成网络结构时，复合材料具有最好的力学性能。文献［8］报道了Al

2O 3

基复合材料的反应合成方法，通过引入Fe

2O

3

、TiO

2

、Nb

2

O

5

和Al，或引入Fe、Ti、

Nb和Al，与Al

2O

3

通过无压烧结得到复合材料。在烧结过程中Fe

2

O

3

、TiO

2

和Nb

2

O

5

可通过Al还原形成铝化物（如TiAl，NbAl），金属Fe、Ti、Nb 与Al可直接形

成金属间化合物。FeAl、TiAl和NbAl

3金属间化合物增强Al

2

O

3

陶瓷复合材料的

抗弯强度分别为：（570±68）、（420±32）和（445±59）Mpa。

孙康宁等[9］探索了Fe

3Al/Al

2

O

3

复合材料的制备工艺。试验表明，Fe

3

Al与

Al

2O

3

有良好的亲合性。采用熔渗烧结法，通过适当控制工艺参数，可制得梯度

Fe

3Al/Al

2

O

3

复合材料。Fe

3

Al/Al

2

O

3

材料复合了Fe

3

Al与Al

2

O

3

的优点，具有良好的

使用前景。

1.3 NiAl/TiC、Ni

3

-Al/TiC和FeAl/TiC复合材料的发展历程

高明霞等［10］采用自发熔化渗透法制备了高TiC含量的NiAl/ TiC和Ni

3 -Al/TiC复合材料。由自发熔渗法制备的NiAl/86%（体积分数）TiC复合材料的四点弯曲强度高达（670±80）Mpa，断裂韧性为6.5Mpa·m1/2，维氏硬度1

4 Gpa，比用普通混合法得到的复合材料性能高［11］。采用XRD和TEM/ EDS分析了复合材料的相组成、微观结构和NiAl相与TiC颗粒在高温熔渗过程中的互溶情况。结果表明：自发熔渗法是制备致密NiAl/TiC 复合材料的既经济又简单的有效方法，用此方法可制备出致密的结合良好的高TiC含量的NiAl/TiC 复合材料。适当提高熔渗温度，可大大缩短熔渗时间。在完成熔渗并获得致密组织的前提下，