高温合金基复合材料

• 纤维增强高温合金的主要问题是纤维与合金基体难以相容, 这会导致纤维性能下降。在最坏的情况下纤维与基体在高 温时发生反应,会形成脆性的金属间化合物,甚至会使纤维 溶解。钨纤维增强镍基高温合金试验中就曾发生由扩散引 起的再结晶,使材料的强度和延展性下降。 • 用于1000℃以上的高温金属基复合材料的基体材料主要是 镍基、铁基耐热合金和金属间化合物，较成熟的是镍基、 铁基高温合金。
陶瓷纤维/Ni基复合材料
• 蓝宝石纤维，碳纤维，SiC纤维 • SiC纤维：SiC纤维或颗粒和来自百度文库基合金存在较严重有害的界面反应，且不
能兼顾与氧的相容性，不适合发动机环境
• 蓝宝石纤维缺点：高温下的反应可能造成纤维表面“浸蚀”,由于其表
面缺陷敏感性,即使很小的缺陷也会使得纤维性能严重下降。制备成本昂贵,比 重较大,力学性能并不高
• 可改用FeAlCrY高温合金作基体,它与纤维的相容性远高于 镍基合金 • 高温合金基复合材料的研究主要集中在纤维增强高温合金, 重点是钨纤维增强FeAlCr、Incoloy907、Waspaloy和 W/316AL不锈钢等
• 应用于:先进空气喷气发动机，火箭发动机
陶瓷/铁基合金复合材料
• 特点:熔点高（大于1000℃），适合做高温耐磨材料 • 潜在问题：铁及铁合金对陶瓷材料的润湿性能差 • 四种常用陶瓷：SiC，Al2O3，TiC， ZrO2
• ZrO2 陶瓷：较高的熔点、高温耐磨性及抗高温氧化性，可 应用于高温环境 • 缺点：与Fe熔液浸润性差 本身存在可逆相变，t与m相转变过程中，晶体体 积膨胀或收缩约5%
• 优化方法：对陶瓷进行金属化处理，改善浸润性
四种常见陶瓷性价比较
• TiC 陶瓷与 Fe 熔液之间的润湿性较好，两者之间无界面 反应，在铁中溶解度低，制备简单，不用特殊处理。 • 常用制备方法：原位反应法，SHS • Fe 基合金大多数选用 FeAl 合金
• 研究方向：改善制备工艺及调整合金元素或添加合金元素 进一步改善润湿性 ，以提高界面结合能力。比如指出加 入Mo和Al可改善TiC与Fe熔液的润湿性，添加微量的稀土 元素（0.6-0.8at%）可提高复合材料的延展性
高温合金 汽车增压器喷嘴环叶片
燃气轮机涡轮零件
• 金属基复合材料最有前途的应用之一是做 燃气涡轮发动机的叶片。这类零件在高温 和接近现有合金所能承受的最高应力下工 作，因此成了复合材料研究的一个主攻方 向。 • 高温复合材料使用温度：1000℃以上。
镍合金基复合材料
• 镍基复合材料具有良好的高温强度、抗热疲劳、抗氧化和 抗热腐蚀性，是取代传统镍基高温合金制造航空航天舰船 及工业燃气涡轮发动机中重要受热部件的新型金属基复合 材料。 • 高温合金基复合材料的研究主要集中在纤维增强高温合金
• 主要强化纤维有金属纤维，SiC纤维、碳纤维、Al2O3纤维 等
金属丝/Ni合金基复合材料
• 常用金属：钨，钍钨丝 a. 优点：可提高工作温度100度以上。 大幅度提高其高温持久性能和高温蠕变性能，一 般可以提高100h 持久强度 1 到3倍，主要用于高 性能航空发动机叶片等重要部件 b. 缺点：比重高，含70%体积比的钨丝镍基复合材料的比 重是强度最好的铸造高温合金的1.9倍
• 常用制备方法：原位生长法，粉末冶金法，自蔓延高温合 成法，浸渍法等。
• SiC陶瓷：与 Fe 熔液在高温下产生剧烈的化学反应生成 脆性相铁硅化合物和片状石墨组织存在于界面之间，恶化 陶瓷−金属界面。 • 制备方法：粉末冶金法和浸渍法 • 研究方向：提高润湿性和控制界面反应程度 方法： 1) 添加合金元素。如在铁合金中添加 Ti、Zr 、Hf 等活性金 属元素，这些活性元素与 SiC 反应生成可被 Fe 熔液润 湿的 Si 或半金属的碳化物层。 2) 在铁合金中添加 Si 元素，Si 的加入可以大大降低铁合金 与 SiC 润湿角。
• 碳纤维优点：比重小、力学性能高和成本低 • 缺点：600度以上C在Ni内有一定固溶度，Ni在1000度以上环境会催化C结
晶。
• 解决方案：寻找合适的纤维表面涂层，进行表面改性。
难！
• 涂层种类：金属，陶瓷 • 涂层结构：单层，双层，多层 • 在众多的增强纤维中,难溶金属纤维为最好,因为纤维和基 体的界面作用有较大容限,而且钨合金纤维比钽、铂、铌 基合金纤维强度高.钨合金纤维的极限拉伸强度在1095 ℃ 时可达2165MPa,100小时蠕变持久强度达1400MPa,而高温 合金仅为90Mpa。 • 虽然钨合金纤维密度最高,但其持久强度与密度之比大于 其他纤维，因而,优先选用钨纤维作为增强材料。
• Al2O3陶瓷与 Fe 熔液的润湿性差(润湿角为 140˚左右)，导 致两者界面结合力弱；无界面反应，化学兼容性好 • Al2O3陶瓷作为钢铁材料的增强体，不仅改善钢铁的高温 抗氧化性、抗蠕变性及耐磨性，也使产品成本大大降低 • 优化方案:
I. 对蓝宝石陶瓷进行表面金属化处理，Ni涂层 II. 调整铁合金的化学成分以提高两者的润湿性，比如添加稀 土元素和B元素
高温合金基复合材料
高温合金
• 泛指能在600℃以上高温抗氧化或腐蚀、并在一 定应力下可长期使用的一类金属材料，又叫超合 金，主要是镍基、铁基合金。 • 使用在航空发动机，航天火箭发动机以及工业燃 气轮机上的各种高温部件的关键材料上。航空发 动机中，高温合金用量达40％-60％ • 传统Ni基合金缺点：比重大