中国有色金属学报 2008年8月 料界面结构和性能影响明显。那些热膨胀系数相差 表2陶瓷增强相与Fe-AI金属间 很小的陶瓷/金属间化合物系统(如+ZO2/NiAD有 化合物界面的化学相容性6B-21 很高的物理相容性,相应地,这种金属间化合物基 Table 2 Interfac ial chemical stabilities of 复合材料具有比较高的强度和韧性。含体积分数 ceramic reinforcement/ FeAl intermetallic 15%+ZO2颗粒的NAl基复合材料的弯曲强度和 systems6,13-21 断裂韧性分别高达735MPa和11.3MPam。但 Svstem Reinforcement 当增强相与基体热膨胀系数失配较大时,环境温度 SiC. B: C. Si N4. Salon. B. C Weak read ion 的变化在增强相与基体界面产生较大的应力集中, TiC, TiB, TiN, ZrB VC, WC, AlO3 AHO, ZO,, MgO, YO3 有可能导致在基体中形成裂纹,甚至开裂 由于金属间化合物基复合材料在使用过程中要2复合材料制备技术 经历长时间的高温处理过程,在高温状态下,增强 相在基体中的大量溶解或与基体的激烈反应不仅会 连续长纤维增强的金属间化合物基复合材料主 导致增强相的损失,同时也会造成复合材料成分的 变化及性能的变化。因此增强相与基体界面的化学要采用压力铸造、液体渗透等液态成形工艺和热 相容性是一个极为重要的问题。反应热力学理论计压、箔纤维(箔叠法)及粉末布技术等固态成形 工艺制备。非连续增强的金属间化合物基复合材料 算通常被用于选择增强相,但这些计算通常仅局限 于固相反应过程,而且是反应产物为二元化合物的 的制备工艺有很多种,主要包括熔铸、无压渗透等 的液态成形工艺以及粉末共混成形、机械合金化、反 简单反应(因为三元或多元化合物的热力学数据极 其有限)。为弥补热力学计算的局限性,适当的 应固化等固态工艺。 实验研究对于确定增强相与基体界面的化学相容性 是必要的。由表2可知,增强相/FeAl金属间化合 2.1连续纤维增强复合材料 物复合系统有不反应系统、弱反应系统和反应系统 由于金属间化合物的熔点很高,采用液态工艺 成形有较大的难度,因此这方面的报道较少。Nour 3种不同的类型。对于反应系统,强的界面反应形 bakhsh等2采用压力铸造工艺,将 NiAl, NiA 成大量的反应产物,往往降低增强相与基体界面结 合强度;而在无反应系统中,增强相与基体界面结 Tl等金属间化合物的熔体渗透入AbO3或AbO 合很弱,增强相与基体界面结合强度也很低。只有 κ纤维中制造连续纤维增强金属间化合物基复 在弱反应系统中,适度的界面反应使增强相与基体 合材料。 Crimp2采用独特的液态渗透工艺,首先 界面具有较强的结合力。因此,以增强相与基体良将FeA, FecrAlY金属间化合物粉末填充在多股 好的界面化学相容性为出发点,选择TC、TiB2 AO3纤维束,加热熔化后金属液渗入纤维束中, TN、ZB等与基体发生弱化学反应的化合物作为制备连续纤维增强FeAl基复合材料。增强纤维均 制造FA金属间化合物基复合材料的增强相是合匀地分布于基体中,没有发生明显的损伤 适的。值得注意的是,增强相与基体界面的化学相 Hu等采用热压工艺制造AbO3纤维增强N 容性不仅与系统的组成有关,还与复合材料的成分 金属间化合物基复合材料。在热压过程中,发生 及成形工艺参数(如温度,添加剂等)相关。例如,N原子向纤维极弱的扩散,在界面的局部区域形成 在热压条件下AO3与FeA金属间化合物不反应 20m厚的薄膜。Daer等采用热压法制备 AbO3纤维增强F←40Al基复合材料。经1227℃,20 属于不反应系统2,但在用熔铸法制备AlO/F h热处理后,该复合材料界面平滑而“干净”,无任 N金属间化合物基复合材料时,FeN金属间化合何反应发生。lme等叫先将纯Fe,A粉按Fe=40A1 物与AlO3发生微弱的反应,形成几个微米的界面 的成分配制,混匀后在乙醇中制成料浆,再将连续 过渡层,而且基体加入某些合金化元素(如Nb,B)AbO3纤维浸在料浆中,然后将纤维单向平铺于热 对这一反应起催化促进作用,因此它又属于弱压模中,在2层纤维之间注入料浆,如此堆叠制成 反应系统。AO3与FeA金属间化合物有良好的界预制件(图1)。预制件干燥后热压成形,热压轴的 面物理、化学相容性,而且品种齐全、价格低、粒方向与纤维方向垂直。在热压过程中,Fe与A反 度等级齐全,是FA金属间化合物基复合材料研应形成晶粒细小的金属间化合物,并与体积分数 制中最常用的增强相材料 emic Journal Electronic Publi的A上Q纤维构成复合材料,该复合材料有很料界面结构和性能影响明显。那些热膨胀系数相差 很小的陶瓷/ 金属间化合物系统( 如 t-ZrO2/NiAl) 有 很高的物理相容性, 相应地, 这种金属间化合物基 复合材料具有比较高的强度和韧性。含体积分数 15% t-ZrO2 颗粒的 NiAl 基复合材料的弯曲强度和 断裂韧性分别高达735 MPa 和11. 3 MPa
m 1/ 2[ 13] 。但 当增强相与基体热膨胀系数失配较大时, 环境温度 的变化在增强相与基体界面产生较大的应力集中, 有可能导致在基体中形成裂纹, 甚至开裂。 由于金属间化合物基复合材料在使用过程中要 经历长时间的高温处理过程, 在高温状态下, 增强 相在基体中的大量溶解或与基体的激烈反应不仅会 导致增强相的损失, 同时也会造成复合材料成分的 变化及性能的变化。因此增强相与基体界面的化学 相容性是一个极为重要的问题。反应热力学理论计 算通常被用于选择增强相, 但这些计算通常仅局限 于固相反应过程, 而且是反应产物为二元化合物的 简单反应( 因为三元或多元化合物的热力学数据极 其有限) [ 14] 。为弥补热力学计算的局限性, 适当的 实验研究对于确定增强相与基体界面的化学相容性 是必要的。由表 2 可知, 增强相/Fe-Al 金属间化合 物复合系统有不反应系统、弱反应系统和反应系统 3 种不同的类型。对于反应系统, 强的界面反应形 成大量的反应产物, 往往降低增强相与基体界面结 合强度; 而在无反应系统中, 增强相与基体界面结 合很弱, 增强相与基体界面结合强度也很低。只有 在弱反应系统中, 适度的界面反应使增强相与基体 界面具有较强的结合力。因此, 以增强相与基体良 好的界面化学相容性为出发点, 选择 TiC、TiB2、 TiN、ZrB2 等与基体发生弱化学反应的化合物作为 制造 Fe-Al 金属间化合物基复合材料的增强相是合 适的。值得注意的是, 增强相与基体界面的化学相 容性不仅与系统的组成有关, 还与复合材料的成分 及成形工艺参数( 如温度, 添加剂等) 相关。例如, 在热压条件下Al2O3 与Fe-Al 金属间化合物不反应, 属于不反应系统[ 22] , 但在用熔铸法制备 Al2O3/Fe￾Al 金属间化合物基复合材料时, Fe-Al 金属间化合 物与Al2O3 发生微弱的反应, 形成几个微米的界面 过渡层, 而且基体加入某些合金化元素( 如 Nb, B) 对这一反应起催化促进作用[ 19] , 因此它又属于弱 反应系统。Al2O3 与 Fe-Al 金属间化合物有良好的界 面物理、化学相容性, 而且品种齐全、价格低、粒 度等级齐全, 是 Fe-Al 金属间化合物基复合材料研 制中最常用的增强相材料。 表 2 陶瓷增强相与 Fe-Al 金属间 化合物界面的化学相容性[ 6, 13 21] Table 2 Interfacial chemical stabilities of ceramic reinforcement/ Fe-Al intermetallic systems [ 6, 13 21] System Reinforcement Reaction SiC, B4C, Si3N4, Sialon, B, C Weak- reaction TiC, TiB2, TiN, ZrB2, VC, WC, Al2O3 Non-reaction Al2O3, ZrO2, MgO, Y2O3 2 复合材料制备技术 连续长纤维增强的金属间化合物基复合材料主 要采用压力铸造、液体渗透等液态成形工艺和热 压、箔 纤维 箔( 箔叠法) 及粉末布技术等固态成形 工艺制备。非连续增强的金属间化合物基复合材料 的制备工艺有很多种, 主要包括熔铸、无压渗透等 液态成形工艺以及粉末共混成形、机械合金化、反 应固化等固态工艺。 2. 1 连续纤维增强复合材料 由于金属间化合物的熔点很高, 采用液态工艺 成形有较大的难度, 因此这方面的报道较少。Nour￾bakhsh 等[ 23] 采用压力铸造工艺, 将 Ni3Al, NiAl, TiAl 等金属间化合物的熔体渗透入 Al2O3 或 Al2O3- ZrO2 纤维中制造连续纤维增强金属间化合物基复 合材料。Crimp [ 24] 采用独特的液态渗透工艺, 首先 将 FeAl, FeCrAlY 金属间化合物粉末填充在多股 Al2O3 纤维束, 加热熔化后金属液渗入纤维束中, 制备连续纤维增强 FeAl 基复合材料。增强纤维均 匀地分布于基体中, 没有发生明显的损伤。 Hu 等 [ 25] 采用热压工艺制造 Al2O3 纤维增强 N-i Al 金属间化合物基复合材料。在热压过程中, 发生 Ni 原子向纤维极弱的扩散, 在界面的局部区域形成 5~ 20 nm 厚的薄膜。Draper 等 [ 22] 采用热压法制备 Al2O3 纤维增强Fe-40Al 基复合材料。经1 227
, 20 h 热处理后, 该复合材料界面平滑而
干净
, 无任 何反应发生。Inoue 等[ 15] 先将纯Fe, Al 粉按 Fe-40Al 的成分配制, 混匀后在乙醇中制成料浆, 再将连续 Al2O3 纤维浸在料浆中, 然后将纤维单向平铺于热 压模中, 在 2 层纤维之间注入料浆, 如此堆叠制成 预制件( 图 1) 。预制件干燥后热压成形, 热压轴的 方向与纤维方向垂直。在热压过程中, Fe 与 Al 反 应形成晶粒细小的金属间化合物, 并与体积分数 10%的 Al2O3 纤维构成复合材料。该复合材料有很
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