原位反应复合法制备金属基复合材料的进展 北京航空材料研究所李春玉李英刘伯操 北京科学技术大学自东胡汉起 综述了近年来利用原位反应复合法制备金属基复合材料的最新工艺方法,包括:XD法、VLS法、SHS等 讨论其组织与性能,同时还展望了原位反应复合法的发展前景。 关键词:金属基复合材料,原位反应 Metal Matrix Composites Fabricated by In-situ Reaction Method Li Chunyu Li Ying Liu Bocao Beijing Institute of Aeronautical Materials Wang Zidong Hu Hangi ( University of Science and Technology. Beijing In this paper, the new technology to fabricate metal matrix composites by in-situ reaction method is discribed, including XD, VLS and SHS, The structures and properties of metal matrix composite fabricated by those new technologies are discussed. The in-situ reaction composite technology is of great future Keywords: metal metrix composites, in-situ reaction 1前言 造、挤压、锻造、热轧等方法获得力学性能优异的复合 材料,制备工艺简便,成本低廉,为金属基复合材料的 金属基复合材料具有比强度和比刚度高,抗疲劳性应用和生产打下良好的基础。美国 Martin公司已用原位 能好,耐磨、耐热等优异的力学性能,因而吸引了众多反应复合法开发航空航天用金属基复合材料,并制备了 的材料科技工作者对其进行深入细致的研究。目前,制航空航天用的样件1 备金属基复合材料的工艺方法可分为两大类:一类是强 制法,主要有粉末冶金法、压铸法和搅拌铸造法,这些2原位反应复合的工艺方法 方法都能制备性能优异的金属基复合材料,但其工艺复 杂,成本高,限制了复合材料作为结构材料的应用 自从美国 Martin公司 Brupbacher[3.4等人发明用XD 类是原位反应复合法,这种方法起源于本世纪80年法制备A基、T基、N基、Cu基复合材料以来,美国 代,它是利用两种或两种以上元素在基体中能相互反应Kak和 Kumar利用Vs法制备Al基复合材料 生成硬质相,达到强化基体的目的。有人称此为“内生H,C.Y°和Ho7等人用自蔓延法(SHS)制备Al基,N 型”复合材料。它与强制法相比有如下的优点:(1)硬基复合材料。我国在80年代末期开始进行这方面研 质相在基体内部原位生成,表面干净,无污染物;(2)究·相继开发了两种原位复合工艺方法:中科院金属研 基体和增强相的比例可以在较大的范围内调节,能制备究所马宗义等人开发了热压反应法制备A基复合材 各种体积分数的复合材料,体积分数在2~85%的范围料,北京航空材料研究所和哈尔滨工业大学”共同开发 内;(3)增强相与基体界面结合较好,界面干净;(4)了熔铸直接接触反应法,利用这些原位反应复合工艺都 增强相表面无尖角,呈球状,尺寸在1.0μm以下,且均成功地制备了金属基复合材料。 匀地弥散分布在合金基体中;(5)其工艺方法有固相烧2.1XD法 结和液相烧结两种,可根据烧结工艺不同分别采用铸 XD( Exothermic Desposition)法在80年代中期由美国 1995年11期 o1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.net
原 位 反 应 复合 法 制 备 金 属基 复 合 材 料 的进 展 北京航 空材料研 究 所 北 京 科 一 学 技 术 大 学 李春 玉 李 英 刘 伯操 王 自东 胡汉 起 综 述 了近 年来 利 用原 位 反 应 复合 法 制 备金属 基 复合 材料 的最 新工 艺 方 法 , 包 括 : X D 法 、 V LS 法 、 S H S 等 , 讨 论其 组 织 与性 能 , 同 时还 展 望 了 原位 反 应 复合法 的发 展 前景 。 关键 词 : 金 属基 复合 材 料 , 原 位 反 应 M e t a l M a t r ix C o m Po s it e s Fa b ri e a te d b y In 一 s it u R e a e tio n M e th od L i C h u n y u L i Y i n g L i u B o e a o (Be iz i n g In s t iru te o f A e r o n a u ti e a l M a t e r i a ls ) W a n g Z id o n g H u H a n q i (U n iv e r s ity o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y , Be iji n g ) I n tti is Pa pe r , d i se r ibe d , i n e lu d in g n e w t e e h n o lo g y to f a b rica t e m e ta l m a tr i x e o m Po s ite s by in 一 situ r ea e tio n m e th od 15 V l万 a n d S H S , T h e s tr u e t u r es a n d Pro pe r ties o f m e ta l m a tr ix e o m Po s ite f a b rica te d b y th ose n e w te e h n o lo gi es a r e d is e u s e d . T h e in 一 s itu r ea e tio n e o m 详巧it e t e e h n o lo g y 15 o f gr ea t f u tu r e . K e yw o rd s : m e ta l m e trix e o m P0 s ltes , in 一 s itu rca e tio n 前言 金属 基复 合材 料 具有 比强 度 和 比 刚度 高 , 抗疲 劳性 能好 , 耐磨 、 耐 热等优 异 的 力学性 能 , 因 而 吸 引 了 众 多 的材 料科 技工 作者 对其 进 行深 入 细 致 的研 究 。 目前 , 制 备 金属 基 复合 材料 的工 艺 方法 可分 为 两大 类 : 一 类 是强 制法 , 主 要 有 粉末 冶金 法 、 压 铸 法和 搅拌 铸造 法 , 这 些 方 法 都能 制备性 能 优异 的 金属 基复 合 材料 , 但 其工 艺 复 杂 , 成 本高 , 限 制了 复合 材料 作 为结 构材 料 的应 用 。 一 类 是 原 位 反 应 复 合 法 , 这 种方 法 起 源 于 本 世 纪 8 0 年 代 , 它 是利 用两 种 或两 种 以 上 元 素 在 基 体 中能 相互 反 应 生 成 硬质 相 , 达 到 强 化 基体 的 目的 。 有人 称此 为 “ 内 生 型 ” 复 合 材料 。 它 与强 制法 相 比 有 如下 的优 点 : ( 1) 硬 质 相 在基 体 内部原 位 生 成 , 表 面 干 净 , 无 污 染物 ; ( 2) 基 体 和 增 强 相 的 比 例 可以 在较 大 的范 围 内调 节 , 能 制 备 各种 体积 分 数的复 合 材料 , 体积 分数 在 2 一 8 5 % 的 范 围 内 ; ( 3 ) 增 强 相与 基体 界 面 结 合较 好 , 界 面 干 净 ; ( 4) 增强 相 表 面 无 尖角 , 呈 球状 , 尺 寸 在 1 . oo m 以 下 , 且 均 匀 地 弥散 分 布在合 金 基体 中 ; (5) 其工 艺方 法 有 固 相烧 结和 液 相 烧 结两 种 , 可 根 据烧 结 工 艺 不 同 分别 采 用 铸 造 、 挤 压 、 锻 造 、 热 轧 等方 法获 得力 学性 能 优 异 的复 合 材 料 , 制备 工艺 简便 , 成 本低廉 , 为金属 基复 合材 料 的 应 用 和 生 产打 下 良好 的基础 。 美 国 M ar tin 公 司 已 用 原 位 反 应 复合法 开 发航 空航 天 用 金属 基 复合 材料 , 并制 备 了 航 空航 天 用 的 样件[1, 2〕 。 2 原 位 反 应 复合 的 工 艺 方法 自从 美 国 M a r tin 公 司 B ru p ba e h e r [ 3 , ‘」等 人 发 明 用 x o 法 制 备 Al 基 、 Ti 基 、 Ni 基 、 C u 基 复合 材料 以 来 , 美 国 K oc za k 和 K u m ar [5j 利 用 v 岱 法 制 备 A1 基 复 合 材 料 , H . C . Y s[ 6 〕和 H o lt [ , 」等 人 用 自蔓延 法 (S H S ) 制备 A I 基 , N i 基 复 合 材料 。 我 国 在 8 0 年 代 末 期 开 始 进 行 这 方 面 研 究 , 相 继 开 发 了两 种原位 复 合工 艺方 法 : 中科 院金属 研 究 所 马 宗 义 等 人 困 开发 了 热 压 反 应 法制 备 Al 基 复合 材 料 , 北 京 航空 材料 研究 所和 哈 尔滨工 业大 学闭 共 同 开发 了 熔铸 直接 接 触反 应 法 , 利 用这些 原位 反 应 复合 工 艺都 成 功 地 制备 了 金属 基 复 合材 料 。 2 . 1 x D 法 X D (E x o t h e r m ic D es 娜 itio n ) 法 在 8 0 年代 中期 由美 国 1 9 9 5 年 1 1 期
Martin公司的 Brupbacher等人发明并申请专利,其关键 B组:含有选用 元素的母合金 A组:元素粉 技术是;控制了金属基复合材料中增强相尺寸大小、形 状及体积分数等。一般说来,粉末冶金法、压铸法、搅 拌铸造法制取颗粒增强金属基复合材料时,增强相表面 上有污染且形状不规则,影响复合材料的力学性能,利 用XD制备颗粒增强型复合材料,正好克服了上述问 题,且获得颗粒尺寸能在1,0m以下,降低了复合材料 的制造成本,为金属基复合材料的应用和发展开辟了新 基体金屑 的前景 在用XD法制备金属基复合材料的过程中,其增强 相的形成有三种反应模型,一是元素粉末与元素粉末之 间的反应,把几种粉末按照一定比例混合均匀,加热使 溶剂辅助反应 其中两种能反应的元素固溶到其它粉末元素中,并发生 化学反应生成细小的颗粒,弥散地分布在合金基体中; 粗大组分分解 二是合金中的元素与合金中的元素之间反应,将两种分 别含有第一反应元素和含有第二反应元素的合金粉末 按照一定比例混合均匀,在加热过程中,由于浓度差的 作用,使第一反应元素向另一种粉末合金中扩散,同时 第二种反应元素也向含第一种反应元素的合金粉末中 陶瓷TB 复合材料 扩散,在扩散过程中,两种能起反应的元素原子相互碰 撞发生化学反应生成硬质相颗粒,均匀弥散地分布在合 图1XD法制备金属基复合材料原理示意图3 金基体中,三是元素与合金中元素发生反应。把元素粉 引入气体 末与合金粉末按照一定比例混合均匀,加热过程中,元 素向合金粉末中扩散发生化学反应生成增强相颗粒.三 种反应模型的基本要点是:固溶有助于反应。图1给出 了XD法制备复合材料的原理示意图。利用XD法可以 制取A/TB2、Cu/riB2、NA/TB2、TiAl/TiB2等金属基 石墨基壳 及金属间化合物复合材料。 合金液 LS法由 Kozak和 Kumat在1989年发明并申请专 利,这种方法的要点是:在高温下,用气体分解得到某 1Q聊详。的 气体起泡器 种元素,此种元素能与合金液中某种元素起反应生成硬 质相颗粒,从而制备了金属基复合材料,其装置示意图 图2VLS法制备复合材料简图5 如图2所示。具体工艺过程为:将合金如A-T合金等 放在坩埚中,升温至1200后,把CH等气体通入合金2.3sHs法 液中,这时,CH气体在高温下分解生成碳元素,进入 SHS法即自蔓延高温合成法,是在70年代由苏联 合金液中,与合金液中的T元素发生化学反应生成TC Merzhanov等人10发明,并相继获得了美国、日本、法国 颗粒,其反应式为: 英国等国的专利。这种方法起初用于合成微细颗粒,如 CH4→C+2H2 合成TC、TB2、NbC、TaC、TiSi2、TiN等,其总反应式 可以表示为 [c]+[]→Tc 合画x+点bY→2 3) 由于TC颗粒与金属铝液润湿,不会随气体而上 浮,这样就可得到TC颗粒增强铝基复合材料,这种方 式中X为:Ti,z,Hf,v,Nb,Ta,Mo,W等,为Y 法可使T颗粒尺寸在0.1~2,0μm范围,随着温度的·B(z为硼化物)、C(Z为碳化物),N(z为氮化物) 升高,TC颗粒尺寸还可以 的减小。 Si(Z为硅化物),S(z为硫化物)等 材料工程 o1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.net
M ar tin 公 司 的 Br 叩ba ch er 等 人 发 明并 申请 专 利 , 其 关 键 技术 是 : 控制 了 金 属基 复合 材料 中增 强 相 尺 寸大 小 、 形 状 及 体 积 分 数等 。 一 般 说 来 . 粉 末 冶金法 、 压铸 法 、 搅 拌 铸造 法制取 颗 粒 增强 金属 基复 合材 料 时 , 增 强 相表 面 上 有污 染且形 状 不规则 , 影 响复 合材 料 的力学 性 能 , 利 用 X D 制 备 颗粒 增 强 型 复 合 材料 , 正 好 克 服 了 上 述 问 题 , 且 获得颗 粒尺 寸能 在 1 . 伽m 以 下 , 降低 了 复 合材 料 的 制造 成本 , 为金 属基复 合材 料 的应 用 和 发展 开辟 了新 的 前景 。 在用 x D 法 制备 金属 基 复合 材 料的 过 程 中 , 其 增 强 相 的形 成有 三 种反 应 模 型 , 一 是元 素 粉末 与元 素粉 末 之 间的反 应 , 把几 种 粉末按 照 一 定 比 例 混 合 均 匀 , 加热 使 其 中两 种能反 应的 元素 固 溶到 其 它粉 末 元 素 中 , 并 发 生 化学 反应 生成 细小 的颗 粒 , 弥散 地分 布 在合 金基 体 中 ; 二是 合金 中 的元素 与合 金 中的元 素之 间反 应 , 将两 种分 别 含 有第 一 反 应元 素 和 含 有 第 二 反 应 元 素 的 合 金 粉 末 按照 一 定 比例 混合均 匀 , 在加 热过 程 中 , 由于 浓 度 差 的 作用 , 使 第一 反 应元 素 向另 一 种粉 末 合金 中扩 散 , 同 时 第 二 种 反 应 元 素也 向含 第 一 种反 应 元 素 的 合 金 粉 末 中 扩散 , 在扩 散过 程 中 , 两 种能起 反 应 的元 素原 子相 互碰 撞发 生化学 反 应 生成 硬质 相颗 粒 , 均 匀 弥 散 地分 布 在合 金基 体 中 , 三 是 元素 与合 金 中元素 发 生反 应 。 把 元 素 粉 末与 合金 粉末按 照 一 定 比 例混 合均 匀 , 加 热过 程 中 , 元 素 向合金粉 末 中扩散 发生 化学 反 应 生 成增 强 相 顺 粒 。 三 种反 应模 型 的基 本要 点是 : 固 溶有 助 于 反 应 。 图 l 给 出 了 x D 法制 备复 合材料 的 原理 示 意 图 。 利 用 x D 法 可 以 制取 A I / T IB : 、 C u / T 田: 、 N 认l / T IB : 、 T IA I/ T IB : 等 金 属基 及金属 间化 合物 复合 材料 。 2 . Z v 峪 法 v LS 法 由 K oc zak 和 K u m ar 在 1 9 8 9 年 发 明 并 申请 专 利 . 这 种方 法的要 点是 : 在高 温 下 , 用 气体 分解 得 到某 种元 素 , 此 种元 素能与 合金 液 中某种 元 素起 反应 生成 硬 质相 颗粒 , 从而 制备 了 金属 基复 合 材料 , 其 装置 示意 图 如 图 2 所 示 。 具体 工艺 过程 为 : 将 合金 如 Al 一 Ti 合金 等 放 在 增 涡 中 , 升温 至 1 2 0 0 ℃ 后 , 把 c H ; 等 气体 通 入合 金 液 中 , 这 时 , C H ; 气体 在 高 温 下分 解 生成 碳元 素 , 进 入 合 金 液 中 , 与合金 液 中的 Ti 元 素发 生 化 学反 应 生成 Ti c 颗 粒 , 其反 应式 为 : H 组 含有选用 元素的毋 合金 A 组 : 元素粉 未 八一, T i 等 、 溶剂辅助反应 巴互一 时l 日」 粗大组分 分解 细 相沉淀 金属 陶瓷 复合材 料 基体 陶瓷 T IB Z 图 1 x D 法 制备 金 属 基 复 合 材 料 原 理 示 意 图 叫 引人气 体 增锅 石单 基 壳 合金 液 含 碳i包 气体起泡器 一 蘸 旨 圈 口 胭 颐口沈 伽坛;谈 图 2 v LS 法 制 备复 合 材料 简 图[5: C H ‘ ~ C + 2 H 2 ( l ) c ~ [ C 〕 2 . 3 S H S 法 S HS 法 即 自蔓 延 高温 合成法 , 是 在 70 年 代 由苏 联 M e r z h a n o v 等 人 [ , 。习发 明 , 并 相继 获 得 T 美 国 、 日本 、 法 国 、 英 国等 国的 专利 。 这 种方 法起 初 用于 合成微 细颗 粒 , 如 合 成 T ie 、 T IB : 、 N 比 、 几e 、 T ‘i : 、 T 创 等 , 其 总反应 式 可 以 表 示 为 : 〔e 〕 + [ T i〕~ T IC ( 2 ) 又‘ 、 、洲 自 a , X . + ‘曰 b JY J ~ Z (3 ) 由于 TI C 颗 粒 与金 属 铝 液 润 湿 , 不 会 随 气 体 而 上 浮 , 这样 就可 得到 TI C 颗 粒增 强 铝 基复 合材 料 , 这 种 方 法可 使 TI C 颗 粒尺 寸在 0 . 1 ~ 2 . 0 件m 范 围 , 随着温 度 的 升高 , TI C 颗 粒尺 寸还 可 以 进 一 步 的减 小 。 材料 〔程 式 中 x 为 : Ti , z r , : B (z 为硼 化物 ) 、 5 1 (z 为硅 化物 ) , H r , v , N b , T a , M o , W 等 , 为 Y o c (Z 为碳 化物 ) , N (z 为 氮化 物 ) , s (z 为硫 化物 ) 等
SHS法也可以用于制备两种或两种以上化合物的 AI(1)+MeO (s)-Al-Me (1)+Al2O3(s)(7) 混合物,其反应表达式为: 利用这种方法可制备A/Al2O3复合材料 (4) 日本名古屋大学中田博道等人2利用一种新工艺 如:wo2+3B→WB+B2O3等; 方法制备A/TC颗粒增强型复合材料。首先将Al-T合 MeXm+ Me'+X'-MeX'n+Me/Xx (5) 金升至1473~1673k,把预热后的SC颗粒搅拌到合金 如:MoO3+2A+2Si→MoSi2+Al2O2等 液中去,由于TC的标准生成自由能MG比SC的小,因 在80年代末期,人们又利用SHs法制备金属基复 此,在AI-Ti合金液中有如下的反应产生 合材料,主要用于制备A/TB2、Cu/TiB2、Ni/TiB2等,其 Al-Ti (1)+SiC (s)-Al-Si (1)+TiC (s)(8) 主要工艺过程为:将几种粉末如A粉,Ti粉、B粉按照 这时合金液中就有TC颗粒形成。利用这种方法可以制 定的比例混合均匀,压制成一定形状的预制块,置于备A1S/Tc复合材料 高压情性气氛的反应腔中,用钨丝作为点火源,点火源 原位反应复合法近几年来在我国发展较快,中科院 的温度是由电源的电流来决定,当达到燃烧的温度时 金属研究所马宗义等人开发了真空热压反应法制备 燃烧波就逐渐向前推移直到燃烧结束,这样就可以得到Au/Tm2复合材料,其力学性能能优异北京航空材料研 复合材料的毛坯 究所和哈尔滨工业大学共同开发了接触反应法制备 2.4其它方法 A1基复合材料,这种方法把粉末冶金与铸造有机地结 日本名古屋大学小桥真等人用金属元素还原氧合起来,把颗粒形成与熔炼融为一体,制备的复合材料 化物,制备金属氧化物颗粒增强型金属基复合材料。它力学性能优异 co、SnO2、Zno、c2O3等,把它们中间的一种氧化物3原位反应复合法制备复合材料的力学性能 (MeO)搅拌到铝合金溶液中,在一定的温度下,氧化物 (MeO)存在如下的化学平衡: 利用原位反应复合法可制备A基、Ni基、Ti基复 Me0-- Me2+-+02 (6) 合材料,其增强相有TB2、TC颗粒等,增强相的尺寸可 控制在0,1~3.0μm范围内,微细的颗对基体具有弥 由于A}+与O3的亲合能力比M+与O的亲合能力散强化作用,从而使复合材料的室温和高温力学性能都 强,这时A+与O2-形成A2O3,其化学反应式为: 有进一步的提高。如表1所示 表1不同工艺方法制备A基复合材料的力学性能 增强相尺小体积分数 合金制备方法|增强相类型 考文献 (%) (MPa) XD法 13] 热压反应法 TiBa 323 接触反应法 000 343· 94.7 Al-ACu [15] 0.75Mg 5.6i接触反应法 1.5 256.3 237.4 5.0 由图估计值 4展望 金属基复合材料,在同等条件下,其力学性能一般都高 于强制法制备的复合材料。为了降低金属基复合材料的 原位反应复合法是一种新型的复合工艺,其工艺简成本,获得较高力学性能的复合材料,原位反应法将是 便,成本低,它一出现便得到了材料科技工作者的高度种最佳的选择。但是由于原位反应复合法的研究才刚 重枧。它利用化学反应在基体内部生成增强相并与基刚开始,其制备工艺还有待于完善,其元素间在基体中 体原位复合,克服了强制法增强相表面污染、增强相与相互反应的热力学和动力学的机理、微细增强相的形成 基体间界面反应等主要弱点。利用原位反应复合法制备 (下转第42页) 1995年11期 o1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.net
S H S 法 也 可 以 用 于 制 备 两 种 或 两 种 以 上 化 合 物 的 混 合物 , 其 反 应 表达 式 为 : A I ( l) + M e O ( s ) ~ A I 一 M e (l) 十 A 12 0 s ( s ) ( 7 ) M eX m + Y ~ M e y n + YX K (4 ) 如 : w o 3 + 3 B ~ W B + B Z o 。 等 ; M e X m + M e ‘ + X ‘ ~ M e X ‘ n 十 M e , X ‘ ( 5 ) 如 : M o o 3 + Z A I + 2 5 1~ Mos i: + A 一2 0 : 等 。 在 8 0 年代 末期 , 人 们 又 利 用 S H S 法 制 备金 属 基复 合材 料 , 主 要 用 于 制备 A I / T 沮 2 、 e u / T IB Z 、 N i / T ie Z 等 , 其 主 要 工艺 过程 为 : 将几 种 粉末 如 AI 粉 , Ti 粉 、 B 粉 按照 一 定的 比 例 混 合均 匀 , 压 制成 一定 形 状的 预制 块 , 置于 高压 惰性 气氛 的反 应 腔 中 , 用 钨丝 作 为点 火源 , 点 火源 的温 度是 由电源 的 电流来 决 定 , 当达 到 燃 烧 的温 度 时 , 燃 烧 波就 逐渐 向前 推 移直 到燃 烧 结束 , 这样 就 可 以 得到 复合 材料 的 毛 坯 。 2 . 组 其它 方法 日本 名 古 屋大 学 小 桥 真[l ’〕等 人 用 金 属 元 素还 原 氧 化物 , 制 备金 属 氧 化物 颗 粒增 强 型 金属 基 复合 材料 。 它 的基 本 原 理 是 : 利 用 其 自由能 高 于 A1 2 0 3 的 氧 化 物 如 Cu o 、 S n o Z 、 z n o 、 C r 2 0 。 等 , 把它 们 中间 的一 种氧 化物 (M e o ) 搅拌 到 铝 合 金溶 液 中 , 在 一定 的温 度下 , 氧化 物 (M e o ) 存 在如 下 的化学 平 衡 : 利 用这 种方 法 可制备 Al / A1 2 0 : 复合 材 料 。 日 本名 古 屋 大学 中 田 博道 等人[1 ’〕利 用 一种 新 工 艺 方 法制 备 Al / TI C 颗 粒增 强 型 复合 材料 。 首先 将 Al 一 Ti 合 金 升 至 1 4 7 3 一 1 6 7 3 k , 把 预 热后 的 Si c 颗粒 搅拌 到 合金 液 中去 , 由于 TI C 的标 准生 成 自 由能 八G 比 Si c 的小 , 因 此 , 在 Al 一 Ti 合金 液 中有如 下 的反 应 产 生 : A I 一 T i ( I ) + S IC ( s ) ~ A I 一 5 1 ( l ) + T IC ( s ) ( 8 ) 这 时合金 液 中就有 Ti c 颗 粒形 成 。 利用 这种 方法 可 以 制 备 Al 一 Si / TI C 复合 材料 。 原 位反 应 复合法 近几 年 来在 我 国 发 展较快 , 中 科院 金 属 研 究 所 马 宗 义 等 人 [8] 开发 了真 空 热 压 反 应 法 制 备 Al / TI B Z 复合 材料 , 其 力学 性 能能 优异 。 北 京 航空 材料 研 究 所 和 哈 尔 滨工 业 大 学 [9j 共 同 开 发 了接 触 反 应 法 制 备 Al 基 复合 材 料 , 这 种 方 法把 粉 末 冶 金与 铸 造 有机 地 结 合起 来 , 把颗 粒形 成与熔 炼 融为 一体 , 制 备 的复 合材 料 力学 性能 优异 。 3 原 位反 应 复合 法 制 备 复合 材 料 的 力 学性 能 M e O ~ M e Z + + 0 2 - (6 ) 由于 A1 3+ 与 以 一 的 亲 合 能 力 比 M e 2+ 与 以 一 的 亲 合 能 力 强 , 这 时 A1 3 + 与 以 一 形 成 A1 2 o 3 , 其 化 学反 应式 为 : 利用 原位 反 应 复合 法可 制备 Al 基 、 Ni 基 、 Ti 基 复 合材 料 , 其增 强相 有 TI B : 、 Ti c 颗粒 等 , 增 强相 的尺 寸 可 控 制在 0 . 1 一 3 . 0 协m 范 围 内 , 微细 的 颗 对 基 体 具 有 弥 散强 化作 用 , 从 而使 复合 材料 的 室温 和 高 温力 学性 能 都 有进 一步 的提 高 。 如表 1 所 示 。 表 1 不同 工艺 方 法制备 Al 基 复合 材料 的 力学性 能 制备 方法 增 强 相 尺寸 体积 分数 a b a o . 2 6 E ( u m 、 ( 叱 、 (乳门P 月 、 (入弓p 月 、 ( 叱 ) (G P a 、 增 强相 类 型 A l X D 法 T IB Z 0 . 3 5 2 0 3 3 4 2 3 5 7 1 3 1 仁1 3 ) 热 压 反应法 T iB Z 2 0 3 2 3 . 23 0 . 7 . [ 8 〕 接触 反应 法 T IC 0 . 29 2 0 3 4 3 书 28 4 怪 7 价 9 4 . 7 〔1 4 j X D 法 T iB Z 0 . 3 5 1 0 4 5 0 4 3 0 2 由图估计值 4 展 望 原 位反 应复 合 法是 一 种 新型 的复 合工 艺 , 其工 艺 简 便 , 成 本低 , 它 一 出 现便 得到 了 材料科 技 工作 者 的 高 度 重 视 。 它利 用化 学反 应 在基体 内部 生 成 增 强 相 , 并 与基 体 原位 复合 , 克 服 了 强制 法增 强相 表 面污 染 、 增强 相 与 基 体 间 界面 反 应 等 主要 弱 点 。 利用 原位 反 应 复 合法 制备 · 1 0 · 金 属 基复 合材 料 , 在 同等 条 件下 , 其 力学 性 能 一 般 都高 于 强 制法 制备 的复 合材 料 。 为 了降低 金属 基复 合材 料的 成 本 , 获得 较高 力 学性 能的 复合 材料 , 原 位反应 法 将是 一 种最 佳 的选 择 。 但 是 由于 原 位反 应 复 合 法的研 究 才刚 刚 开 始 , 其 制备 工 艺还 有待 于 完 善 , 其 元 素间在 基体 中 相 互 反 应 的热 力学和 动 力学 的机 理 、 微 细增 强相 的形 成 (下 转 第 4 2 页 ) 1 9 9 5 年 1 1 期
3分析与讨论 合。A、B钢在600(回吹,由于位错纸织的明显回复 M1C部分溶解并长大,道转輿氏体增加,因此強度大幅 判定析出相与4体是香共格主要依閣是明场成像存度下降,冲击韧性明显增加 在应变针度,以及对应的衍射谱中存在漫散射。前已述 及.A住10(回火表现出MC析出的不同阶段.用结论 UUa衍射得到了沿:100a连线分布的条纹,表明强 碳化物形成元素Mo,(r等原子在100·a面上发生偏聚 (1)16NC钢和23NCo钢的强化主要来自于位错 形成M(复合牖聚区,偏聚到一走程度,碳化物自基体 的延迟恢复和与基体共格的MC共同作用 中共裕析出,体周围品格产生很大净畸变,MC周围 (2)两种钢在130C回火冲击韧性出现最小值,其 共格具有的应变衬度和堪体存在漫衍射强度特征证实了原因与板条边界粗大的渗碳体及此时强度,硬度较高有 这一点·当M(脱濬析出时,衍射中出它产生的衍射 关 斑,M(的预析出和共格析出是引起二次硬化峰主要组 (3)16Na钢在510(向火,23Na钢在I8?(回 织因素、B钢在15(出￡强度峰,组织長现出均匀分布火,具有良好的强韧性配合,23NCo钢在182(回火在 极为绀小的针状其格区,Iran和 Honeycombe认为在 板条边界形成的薄膜状奥氏体。使其具有更好的强韧性 而上形成富Mu区,衍射分析显示出有沿:100 方向的漫散射“、直至硬化峰漫散射仍存在。这些结果 参考文献 都表明了析出相与基体完全共格时强度出现最大值。因 此A、B钢在二次硬化峰附近组织共同特点是析出相与 115 Feb II,1942 基体共格·同时具有高的位错密度 2.凌斌等,衾属学报,19955 A,B钢均在430(回火出现韧性最低值,A·B钢的3.凌斌.航空材料学报,195 相同处有二个·…·是在∷次硬化峰附近温度·硬度、强度 钟等.材料「.199111 较高,二是在板条界存在FeC及M:C, Speich对Hy 5. A.I. Davenport, ct al 80”, Machmericr对AF1110. Ragha\an Aver对Ae F.G. R. Speich et al., Metall Trans. 1973: I: 303 met00·指出,这种粗大的粒予会降低材料的韧性,奥7.P.M. Machmeter er al., fetals Technolgy1979; August:2 氏体晶界及板条界的碳化物提供了裂紋容易扩展的通8. aghavan Ayer et al·Me"ran·13:21A:t 道。我们对两种钢断口观寮表明,在冲击韧性断口上表 现为准解理断裂。在50(回火,两种钢冲击韧性再次(上第10页) 出现降低、断口表现为沿晶断裂。试验表明此脆性具有 机制、界面理论以及弥散强化机制等都霜进一·步探索和 可逆性,利用 Auger技术证实,产生原因与P在晶界偏聚 深入地研究 参考文献 B钢在标准状态182(同火韧性有较大幅度提高 (40%),组织中FeC粒子减少,板条界形成了薄膜状残 I.A. R.C. We\two(x. Metall. Trans.A.9 余奥氏体及细小的M2C沉淀析出,文献[8指出,在A,R,C, Westwood,Mae Technology. 6(1990)958 482C回火由于仔在着类似于淬火状态分布的薄膜状逆3.J.M. Brupbacher.t.S. Patent No.1710318,1987 转奥氏体,使得在此温度即有高的强度和高的韧性。而1.L. Christodoulou,J,M. Brupbacner, Material\ Edge,9(1990)29 在Hy-180和AF1110钢中未发现这种现象,这是因 2.M. J, Kocrak, K.S. Kumar, U.s. Parent No, 4808372+1989 Aermet10钢的A温度较低。当奥氏体以薄膜状形式存6.H.C.Yi、J.J,Mote,J. Mater..si.25(19o159 在时,比较稳定,形变诱发相变倾向性小。A钢在标准状7.J.B,Holn,z.A. Munir,J.Maer.sei.,21(1986)25 态510C回火5h,MC无明显长大,存在着共格与非共 8,马宗义,毕敬等,余属学报,28(1992)B119 格两种状态的MC,共格析出由于静畸变使基体得到强9上自东,李仆,李庆春等,金属学报,30(1994)B39 10. A, G, Merzhanov, V M. Shkiro, U. S Patent No. 3726643, 1973 化,另外,共格M2C属可变形质点,位错切割形变集中 在一定滑移面上,产生非均匀变形也使基体强化,非共 小桥真,长隆郎,轻金属,42(1992)138 12.中旧博道,长隆郎,轻金属,43(1993)152 格析出属不变形质点,位错绕过即 Orowan机制,产生均 3. A.K. Kuruvilla, K, S Prasad, Scri, Metall.,24(1990)87 匀变形使韧性改善,同时较发达的位错胞状亚结构与弥 4.王自东,李春长,李庆耷等,金属学报,30(191)B3I4 散分布的MC粒子交互作用,产生一个尺寸平衡的胞状15.R.M.ARmn,Jr.,. NASA Contractor Re4276,199 组织,使得A钢在510C回火5h具有良好的强韧性配 95年1期 o1994-2014ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.net
3 分 析与 讨 论 判定 析 出 相 与从 体 是 否共 格主 要 依据 是 明 场 成像 存 在 应 变 衬度 , 以 及 对 应 的 衍 射谱 中 存在攫 散 射 ‘ 前 已述 及 · 入 钢在 , ! 0 ( 回 火 表现 出 M 式 ’ 析 出 的 不 同阶段 . 用 { 以川 。 衍 射 i导yl] j’沿 { 1 0 川 。 迹 线分 布的 条纹 : 一 竺 . 表 明强 碳 化物 形 成 元 素 M O . 价 等原子 东 { } 0 a 面 仁发 生 偏 聚 , 形 成 M ( ‘ 豆 含 偏 聚 区 偏 聚 到 一 定 程 度 . 碳 化物 自基 体 中 共格 析 出 , 捷 1本周围 品 格产 生 很 大 .净畸 变 . M : c 周围 共格 tl. 不丁的 应变 衬度 和 簇 体 存在漫 衍 射强 度 特 征 证 实 了 这 一 点 ’ . 当 M 〔 脱溶 析出 时 , 衍射中 出 它 产 生的衍 射 斑 , M 〔 、 的 f贞析 出 和共 洛 析 出 脸 引 起 二 次 硬 化峰 主 要组 织 因 索 B 钢 在 1 5 0 〔 出 现 强 度 峰 . 组 织 丧 现 出 均 匀 分 布 极 为细 小的 针 状 共 格 I狡 . l ra n , 和 H (, .、。y e o . 11 比 认 为 在 { ! O O a 而 上 形 成富 M 。 区 . 1行射分 析 显 示 出 有沿 ( 1 0 山 , 方 向 的 趁 散 射 直 至硬 化峰馒 散 射 仍 存在 。 这 些 结果 都 表明 J’析 出 相 与基 体 完 全 共格时 强 度 出现 最大 值 。 因 此 A 、 B 钢 在 二 次 硬 化峰 附近组 织共 同 特 点是 析 出 相与 基 体共 格 . 同 时 具 有高 的 位错密 度 。 A . B 钢均 在 」3 0 f 回 火 出 现 韧性最 低值 , A . B 钢的 相同 处 有二 个 . 一 是 在 二 次 硬 化峰 附近 温 度 , 硬 度 、 强 度 较 高 · 二 是 在 板 条界 存 在 Fe , C 及 M c . SP e ich 对 H y - 1 8 0 6 . M a e h m e r ie : 对 A F l l r o ; . R a g h a 、 a 。 八y e : 对 A e r - m et 1 0 创 吕 指 出 , 这 种 粗 大 的粒 子 会 降 低 材 料 的 韧性 . 奥 氏 体 晶 界 及 板 条界 的碳 化物 提 供 了 裂坟 容 易 扩 展 的通 道 。 我 们对两 种钢 断 口 观 察 表明 , 在 冲 击韧性 断 口 七表 现 为准 解 理 断 裂 。 庄 5 5 0 ( 回 火 , 两 种钢 冲击韧 性 再次 出现 降低 , 断 口 表现 为沿 晶 断 裂 。 试 验 表 明 此脆性 具有 可逆 性 . 利 用 A ug cr 技 术 证 实 , 产 生原 因 与 P 在 晶 界 偏 聚 有关 [ 卜‘ 。 B 钢 在 标 准 状 态 1 8 2 〔 ’ 回 火 韧 性 有较 大 幅 度 提 高 ( 和 % ) , 组 织 中 Fe 3 C 粒 子减 少 . 板 条界 形 成 了 薄膜 状 残 余 奥 氏体 及 细 小的 M : C 沉淀 析 出 , 文 献 「8 三 指 出 , 在 」8 2 C 回 火 由于 存在 着 类 似 于 淬 火 状 态分 布 的薄 膜状 逆 转 奥 氏 体 , 使得 在 此 温 度 即 有 高的强 度 和 高的 韧性 。 而 在 H y 一 ! 8 0 和 A FI 4 10 钢中 未发 现 这 种 现 象 , 这 是 因 为 A er m et 1 0 0 钢 的 A . 温 度较 低 。 当 奥 氏 体以 薄 膜状形 式存 在时 , 比较 稳 定 , 形 变诱 发 相 变倾 向性 小 。 A 钢 在标 准状 态 5 1 0 〔 ’ 回 火 s h , M : C 无 明 显 长 大 . 存 在着 共格与 非共 格两 种状态 的 M , c , 共 格 析 出 由 于 静畸变 使基 体 得 到 强 化 , 另 外 . 共 格 M 式 属可变 形 质点 , 位错切 割形 变 集 中 在一 定滑移 面 上 , 产 生非均 匀变 形也 使基体强 化 , 非共 格析出 属 不 变形 质点 , 位 错绕过 即 o ro w an 机制 , 产 生 均 匀变形使韧性 改善 , 同时 较发达 的位 错 胞状亚 结构 与弥 散分 布的 M Z C 粒子 交互 作 用 , 产 生 一 个 尺 寸平 衡的 咆状 组织 . 使 得 A 钢 在 s l0 C 回 火 5h 具 有 良好 的 强 韧 性 配 · 4 2 · 合 。 A 、 , , 钢 在 6 〔jo ( 回 火 . 山 I 二 位 错乡fl织 的 研I显 I川夏 . M : C 部 分 i容解 玲 长 大 . 逆 转奥 氏 体增 加 . ltJ 此 强 度 大 幅 度 I 犷降 . 冲 击 韧书l三明 显增 加 。 4 结论 ( r ) 一6 N se o 钢 和 2 3 N i〔 · o 钢的 强 化主 要 来 自 F f花错 的 延 迟 恢 复和 与基 体共 格的 M : C 共同 作 用 。 (2) 两 种 钢 在 4 3 o C 回 火 冲击 韧性 出现 最 小值 , 其 原 因 一 与板 条边 界粗 大 的渗 碳 体 及 此 时强 度 、 硬度较 高 有 关 。 ( 3 ) 1 6 N i( ’ 。, 钢在 5 1 0 ( ‘ 问 火 , 夕3 N i‘b 钢 在 18 { , ( 回 火 . 具有 良好 的强 韧性 配 合 , 2 3 Ni (b 钢在 礴8 2 〔 回 火 在 板条边 界形 成的薄 膜状奥 氏体 。 使其 具 有 更好 的强 韧性 配 合 。 参考 文献 1 . H e m p h i一 e l a 一 L! . 5 . Pa re n r N o . 5 . 0 8 7 . 1 1 5 F e 匕 . 1 ! , 19 9 2 2 . 凌斌 等 . 金 属 学 报 , 1 9 9 5 5 3 . 凌斌 等 . 航 空 材 料学 报 . 1 9 9 5 一 钟 、卜等 . 材 书卜l _ 程 . 1 9 , 1 1 1 5 . 八 . ’ 「 . Da v e n 阳r r . e 一 a l . , M e r . S e i . J 二 1 9 7 5 , 、 u l . 性J , 竺0 1 6 . C . R . s pe 一c h e r a l . , M e ra ll T r a n s . 1 9 7 3 ; l : 3 0 3 7 . P . 卜1 . M a c h m e i e r e 丁 “ 1 . , M e ra l 、 T e e h n o l , g 卜 一 , 1 9 7 9 ; A u g L一、r : 2 9 1 . 8 . R a g h a v a n A y e r e t a 一 , M e 一d l一 T r a n 、 . 1 9 9 3 : 2 IA : 1 9 1 :飞 关 关 关 关 关 笋 关 关 子 关 关 关 ( 上 接 第 10 页 ) 机 制 、 界 面 理 论 以 及 弥散 强 化机 制 等都需 进 一 步 探 索 和 深 入 地 研 究 。 参考 文献 1 . A . R . C . W e 、r 认 ‘洲 凡1 . M e ra ll . T ra n 、 . A , 1 9 A ( 1 9 8 8 ) 7 4 9 2 . ^ . R . ( 、 . W e s ‘认 ‘洲川 . M a re r . S e s . T e e h n o 一o g y . 6 ( 1 9 9 0 ) 9 5 8 3 . J . M . 1玉r u Pb a e h e r . L; . 5 . Pa t e n l N o . I7 I 0 3 葱8 , 1 9 8 7 1 . L . c h r i 、r司o u 一o n . J . M . B r u Pb a e n e r . M a re r i a 一s E d g e , 9 ( 1 9 9 0 ) 2 9 5 . M . J . K oc 了a k , K . 5 . K u m a r , L) . 5 . Pa re n t N o . 4 8 0 8 3 7 2 , 1 9 8 9 6 . H . C . Y i 、 J . J 、 M o r e , J . M a t e r . Se i二 2 5 ( 1 9 9 0 ) 1 1 5 9 7 . J . B 、 H o lr . 2 . A . M u n ir , J . M a te r . S e i . , 2 1 ( 1 9 8 6 ) 2 5 1 8 . 马 宗 义 , 毕敬 等 , 金 属 学 报 , ? 8 ( I , 9 ? ) B l lf) 9 . 上 自东 , 李 存 l乏 . 李庆 春等 , 金 属 学 报 , 3 0 ( 1 9 9 4 ) B 3 9 10 . A . G . M e r z ha n o v , V . M . S h k ir o . U . S . Pa te n t N o . 3 72 6 6 4 3 , 1 9 7 3 1 1 . 小桥 真 , 长 隆郎 , 轻 金 属 , 4 2 ( 1 9 9 2 ) 1 3 8 1 2 . 中 田 博道 , 长 隆 郎 , 轻 金 属 , 4 3 (1 9 9 3 ) 1 5 2 1 3 . A . K . K u ru v illa , K . S . Pr asa d 、 SC r i 、 M e ta ll . , 2 4 ( 1 9 9 0 ) 8 7 3 1 4 . 王 自东 , 李 存 玉 . 李 庆 春等 , 金 属 学 报 . 3 0 ( 1 9 , 1) B 31 1 1 5 . R . M . ^ iR in , Jr . , 刊 ^ s ^ e o n rra e t价 R e卯r l 月2 7 6 , 19 9 0 1 9 9 5 年 1 1 期