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金属基复合材料的新型制备方法
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金属基复合材料的新型制备方法
发布日期: 2019-10-02   点击量: 202  

新型制备方法包括:原位自生成法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀法、电镀法及复合镀法等。

1.原位自生成法

      原位自生成法是指在复合材料制造过程中,增强体在基体金属内部自己生成和生长的方法。原位法包括定向凝固法和反应自生成法。前者指增强材料以共晶的形式从基体中凝固析出,后者则是指增强体由加入的元素相互反应生成,或通过合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物反应生成获得。原位自生成复合材料中基体与增强材料间的相容性好,界面清洁干净、结合牢固,特别是当增强材料与基体之间有共格或半共格关系时,能非常有效地传递应力,界面上不生成有害的反应产物,因此这种复合材料有较优异的力学性能,特别是高温力学性能。

 (1)定向凝固法定向凝固法制造定向凝固共晶复合材料,要求合金成分为共晶或接近共晶成分,起初主要是二元合金,后扩展至三元单变度合金,以及有包晶或偏晶反应的两相结合。工艺过程主要是:合金原料在真空或惰性气体中通过感应加热熔化,控制冷却方向(例如均匀地以一定速率将感应线圈向一个方向移动),进行定向凝固,析出的共晶相沿凝固方向整齐排列,其中连续相为基体,类似纤维的条状或片层状的分散相为增强体。

定向凝固法的特点是:在定向凝固共晶复合材料中,纤维/基体界面有最低的能量,即使在高温下也不会发生反应,因此适于用作高温结构(如发动机叶片和涡轮叶片)材料。常用的基体金属为镍基和钴基合金,其增强材料主要是耐热性好、热强度高的金属间化合物。定向凝固共晶复合材料存在的主要问题是:为了保证对微观组织的控制,需要非常低的共晶生长速率,可选择的材料体系有限,共晶增强材料的体积分数也无法调整。

(2)反应自生成法反应自生成法是20世纪80年代后期发展起来的制备金属基复合材料的有效方法。又分为金属定向氧化的Lanxide法、XD法和液相反应自生成法,这些方法的共同特点是增强材料在基体中通过反应形成,而不是外加。

1))Lanxide法:Lanxide法是由Lanxide公司开发的,其中之一是定向氧化法,即将氧气通入铝熔体中,与之反应生成Al203,弥散在金属铝熔体中,成为增强材料。此过程的关键是从Al2 03的均匀分布。Lanxide法的另一种方法称为PRIMEX法,即将金属或合金锭置于石墨模中的陶瓷预制件上,将它们一起在氮气氛中加热到金属或合金的熔点以上,熔体金属自发地浸渗到陶瓷预制件中。

2) XD法:XD法是Martin Marlatta公司研究成功的一种固相反应自生成法,也称自蔓延高温合成(SHS)法。将预期构成增强材料(通常为金属间化合物)的两种组分(元素)的粉末与基体金属粉末均匀混合,然后加热到反应温度以上使之发生化学反应,生成粒径1μm以下、均匀分布的弥散颗粒,依靠反应放出的热量使反应继续下去,获得金属基复合材料。用这种方法能制造SiC、TiC、T182、TiN等颗粒增强的铝基、钛基、镍基以及NiAl、TiAl等金属间化合物基复合材料。

3)液相反应自生成法:液相反应自生成法的基本原理是在熔融金属基体中加入或通入能生成某种颗粒的元素或化合物,在一定温度发生反应,生成细小弥散的颗粒,形成复合材料。如在铝熔体中加入钛元素,形成Al_- Ti合金,加入碳或通入碳氢化物,与铝中的钛反应生成TiC颗粒。颗粒的大小、数量与工艺过程、反应元素加入量等密切相关。液相反应自生成法适用于铝、镁、钛等基体复合材料的制造。

2.物理气相沉积法

物理气相沉积的实质是材料源的不断汽化和在基材上的冷凝沉积,最终获得涂层。传统的物理气相沉积过程中不发生化学反应,但经过改进后有时也通入反应气体,在基材上生成化合物。物理气相沉积分为真空蒸发、溅射和离子涂覆三种,是成熟的材料表面处理方法,后两种也曾在实验室中用来制备金属基复合材料的预制片(丝)。

物理气相沉积法尽管不存在界面反应问题,但其设备相对比较复杂、生产效率低,只能制造长纤维复合材料的预制丝或片。如果是一束多丝的纤维,则涂覆前必须先将纤维分开,而这是目前尚未能很好解决的问题。因此,物理气相沉积法目前并未正式用来制造金属基复合材料,但有时被用来对纤维作表面处理,如涂覆金属或化合物涂层。

3.化学气相沉积法

化学气相沉积法是化合物以气态,在一定的温度条件下发生分解或化学反应,分解或反应产物以固态沉积在工件上得到涂层的一种方法。最基本的化学气相沉积装置有两个加热区:第一个加热区的温度较低,维持材料源的蒸发并保持其蒸气压不变;第二个加热区温度较高,使气相中(往往以惰性气体作载气)的化合物发生分解反应。

用化学气相沉积法只能得到长纤维复合材料预制丝,大多数的基体金属只能用它们的有机化合物作材料源,如铝的有机化合物三异丁基铝,价格昂贵,在沉积过程中的利用率低,因此在早期曾用来作对比试验,并无实用价值。但这种方法可用来对纤维进行表面处理,涂覆金属涂层、化合物涂层和梯度涂层,以改善纤维与金属基体的润湿性和相容性。


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