劉杰慧*，丁義超，李遠(yuǎn)輝

(成都工業(yè)學(xué)院 a.實(shí)訓(xùn)基地;b.電加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

原位合成顆粒增強(qiáng)鎳基材料的制備方法

劉杰慧a*，丁義超b，李遠(yuǎn)輝b

(成都工業(yè)學(xué)院 a.實(shí)訓(xùn)基地;b.電加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

原位合成技術(shù)日益引起科研人員的廣泛關(guān)注，但是采用原位合成技術(shù)制備顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料的介紹相對(duì)較少。介紹了原位合成顆粒增強(qiáng)鎳基材料的主要制備方法和工藝，從制造過(guò)程分析各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，指出當(dāng)前研究中存在的主要問(wèn)題，探討未來(lái)鎳基材料制備技術(shù)的發(fā)展方向。

原位合成顆粒;鎳基復(fù)合材料;制備方法

隨著航空航天、電子工業(yè)以及原子能等新興產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)材料高溫性能(如高溫強(qiáng)度、熱硬性、耐磨性)的要求越來(lái)越高。金屬基復(fù)合材料特別是鎳基復(fù)合材料，因具有較好的高溫性能而成為近年研究的熱點(diǎn)。

復(fù)合材料主要由基體和增強(qiáng)體組成。增強(qiáng)體包括纖維、晶須、顆粒等。以纖維、晶須等作為鎳基材料的增強(qiáng)體，會(huì)導(dǎo)致最終材料出現(xiàn)各向異性，材料制備過(guò)程相對(duì)復(fù)雜、成本高、綜合力學(xué)性能不好等。而以顆粒作為增強(qiáng)體便可以克服以上不足。但是，顆粒增強(qiáng)鎳基材料的制備仍然不可避免地會(huì)涉及增強(qiáng)體顆粒與基體的界面問(wèn)題。界面會(huì)影響材料的力學(xué)性能，如載荷的傳遞、斷裂行為、微觀應(yīng)力分布等。同時(shí)，界面對(duì)物理性能有影響，例如對(duì)導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)等的影響。因此，降低界面的影響成為研究重點(diǎn)?，F(xiàn)有復(fù)合技術(shù)中，增強(qiáng)顆粒原位生長(zhǎng)、合成技術(shù)能最大程度地減小界面的影響，因此逐漸成為首選的復(fù)合技術(shù)［1-3］。

1 原位合成顆粒增強(qiáng)鎳基材料的制備方法

目前制備顆粒增強(qiáng)鎳基材料的方法主要有:高溫自蔓延法、粉末冶金放熱彌散法、機(jī)械合金化法、原位反應(yīng)熱噴涂法、高能束表面原位熔覆法和高能束粉末堆焊等。雖然這些方法已經(jīng)在制造其他金屬基復(fù)合材料上得到了廣泛應(yīng)用，但是在制造鎳基復(fù)合材料上還相對(duì)較少。下面介紹幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀。

圖1 固相反應(yīng)自蔓延合成過(guò)程

1.1 高溫自蔓延法

高溫自蔓延法(SHS法)是由外部提供熱能，誘發(fā)局部產(chǎn)生高溫化學(xué)反應(yīng)并形成燃燒波，燃燒波再向內(nèi)部推進(jìn)，最終完成反應(yīng)。整個(gè)過(guò)程自發(fā)進(jìn)行，最后蔓延到整個(gè)系統(tǒng)，直至反應(yīng)完成，圖1為自蔓延合成過(guò)程［4］。

文獻(xiàn)［5］采用高溫自蔓延法在鈦合金表面制備了原位反應(yīng)生成的Ti5Si3顆粒增強(qiáng)的鎳基表面復(fù)合材料。研究結(jié)果表明:在一定的加熱條件下，當(dāng)混合粉末中鎳的含量為40%時(shí)，金相組織致密、存在較少的缺陷，硬度最高。鎳含量的變化主要改變了 NiTi2相的含量。由于 SHS反應(yīng)發(fā)熱量大溫度高，NiTi2形成液相，凝固時(shí)分布在Ti5Si3相周圍起到提高組織塑性作用。

自蔓延高溫合成法的優(yōu)點(diǎn):1)工藝簡(jiǎn)單，耗時(shí)短，反應(yīng)十分迅速(一般幾秒或幾十秒)，混合粉末在瞬間升高到幾千攝氏度;2)反應(yīng)過(guò)程中有熱量釋放，外部?jī)H提供較少能量，即可完成整個(gè)反應(yīng);3)混合粉末燒成和增強(qiáng)相合成同時(shí)完成。

自蔓延法的缺點(diǎn):化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是自發(fā)進(jìn)行的，難以控制;產(chǎn)品缺陷多，如存在較多孔洞，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓實(shí)、熱壓或熱等靜壓。

1.2 粉末冶金放熱彌散法

粉末冶金放熱彌散法(XD法)的原理是將粉末混合均勻，升溫加熱到基體金屬的熔點(diǎn)以上溫度，反應(yīng)劑元素在基體金屬的熔體中發(fā)生放熱反應(yīng)，最終生成增強(qiáng)顆粒［6］。XD法實(shí)際上是由SHS法改進(jìn)而成，因?yàn)镾HS法是局部反應(yīng)釋放熱量推進(jìn)后續(xù)反應(yīng)進(jìn)行，所以熱量相對(duì)較低，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，而XD法是在整個(gè)混合物中處處發(fā)生反應(yīng)，是一個(gè)短暫的過(guò)程。放熱彌散法是根據(jù)放熱反應(yīng)后增強(qiáng)顆粒彌散分布的特點(diǎn)來(lái)定義的。放熱彌散法原位合成的增強(qiáng)體，可以避免增強(qiáng)體和基體界面雜質(zhì)的形成，有利于改善復(fù)合材料的性能。

文獻(xiàn)［7］利用真空熱壓放熱彌散法，制備了TiC顆粒增強(qiáng)的鎳基復(fù)合材料，結(jié)果表明:燒結(jié)溫度決定組織均勻性和TiC顆粒大小。隨著TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，硬度始終呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，同時(shí)材料的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度也隨TiC含量的提高而增加，但是當(dāng)TiC含量達(dá)到47.8 wt%時(shí)有所下降，主要原因增強(qiáng)顆粒含量增大到一定程度時(shí)，顆粒在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚，微氣孔增多，孔隙率升高。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn):相同制備條件下，原位反應(yīng)制備的各種成分的試樣，其綜合性能均優(yōu)于非原位反應(yīng)制備的試樣。

放熱彌散法所制備的增強(qiáng)顆粒反應(yīng)自生，形狀圓整細(xì)小彌散，但是該工藝要求較高的技巧，難以掌握;而且放熱彌散是高溫反應(yīng)，因此產(chǎn)品內(nèi)部疏松多孔，需要采取二次加工進(jìn)行解決。

1.3 機(jī)械合金化法

機(jī)械合金化(MA)是將合金元素粉末混合，在高能球磨機(jī)上進(jìn)行球磨，粉末在長(zhǎng)時(shí)間球磨過(guò)程中受到反復(fù)沖擊、剪切、摩擦和壓縮，最終形成彌散分布的微粒［8］。機(jī)械合金化法主要用于制備鎳基高溫合金，該合金主要采用氧化物彌散分布達(dá)到強(qiáng)化目的。該方法能使顆粒分布均勻，使顆粒尺寸細(xì)小彌散，最終獲得高性能的材料。

文獻(xiàn)［9］對(duì)比分析了機(jī)械合金化工藝和普通粉末冶金方法對(duì)Y2O3/Cr-Ni復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):機(jī)械合金化處理后的混合粉末，由物相分析可知最終形成Cr-Ni固溶體;與普通粉末冶金法相比，機(jī)械合金化后生成的Y2O3顆粒更加彌散均勻，Y2O3顆粒與基體的界面結(jié)合情況更好。

機(jī)械合金法原位合成的顆粒細(xì)小、均勻，高溫穩(wěn)定性好，而機(jī)械合金法的設(shè)備費(fèi)及維護(hù)費(fèi)用較低。因此，雖然該方法采用的粉末原料成本較高，且需要二次加工，但還是有較高的研究及應(yīng)用價(jià)值。

1.4 原位反應(yīng)熱噴涂法

原位反應(yīng)熱噴涂法是在熱噴涂工藝和原位合成技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要是噴涂顆粒之間發(fā)生原位反應(yīng)，反應(yīng)所釋放的高熱量使噴涂粉末熔化，最終生成常規(guī)方法不能制備的高熔點(diǎn)顆粒增強(qiáng)相。因?yàn)榉磻?yīng)自身釋放高熱量，復(fù)合涂層的制備就實(shí)現(xiàn)了低成本和高效能。按照噴涂熱源不同，原位反應(yīng)熱噴涂可分為反應(yīng)等離子噴涂、反應(yīng)電弧噴涂、爆炸反應(yīng)噴涂、反應(yīng)火焰噴涂等［10］。

文獻(xiàn)［11］運(yùn)用反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)制備了TiC顆粒增強(qiáng)鎳基合金復(fù)合涂層，從TiC顆粒增強(qiáng)鎳基合金的微觀組織結(jié)構(gòu)、摩擦磨損行為以及磨損機(jī)理入手進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明:鎳基合金復(fù)合涂層主要是鎳基材料上分布硼化物和碳化物顆粒;復(fù)合涂層與基底材料間形成一定厚度的過(guò)渡層，過(guò)渡層為冶金結(jié)合。當(dāng)含有30%TiC顆粒時(shí)，復(fù)合涂層的磨損率和摩擦系數(shù)最低。

圖2 同步送粉激光熔覆原理

1.5 高能束表面原位熔覆法

高能束表面原位熔覆法是集高能束熔覆和原位合成2種方法于一身，同時(shí)發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，最終使金屬的表面性能得到明顯改善，圖2為激光熔覆原理［12］。

文獻(xiàn)［13-18］利用激光熔覆技術(shù)，先后原位生成:B4C顆粒增強(qiáng)的鎳基復(fù)合涂層;TaC顆粒強(qiáng)化的鎳基復(fù)合涂層;TaC-NbC，Cr3C2復(fù)合顆粒增強(qiáng)的鎳基熔覆層;TiC-ZrC復(fù)合顆粒增強(qiáng)鎳基熔覆層;VC-VBB4C復(fù)合顆粒增強(qiáng)鎳基熔覆層;WB-CrB增強(qiáng)鎳基激光熔覆層和VC-WxC顆粒增強(qiáng)鎳基涂層。利用金相顯微鏡和掃描電鏡對(duì)熔覆層的顯微組織進(jìn)行分析，利用X射線衍射儀和能譜儀對(duì)熔覆層的物相進(jìn)行分析，同時(shí)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明:在適當(dāng)工藝條件下，原位生成顆粒增強(qiáng)鎳基涂層組織均勻，涂層與基層呈冶金結(jié)合。熔覆層硬度較高，耐磨性好。大量均勻彌散分布的增強(qiáng)顆粒是熔覆層硬度和耐磨性提高的主要原因。

高能束熔覆技術(shù)可明顯改善基體材料的表面性能，基體金屬與熔覆表面層能實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，基體變形小，熔覆層稀釋率可控，容易實(shí)現(xiàn)工藝自動(dòng)化，但是熔覆技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不完善。

1.6 高能束粉末堆焊

高能束粉末堆焊的特點(diǎn)是其熱源為高能束流。高能束熱源的優(yōu)點(diǎn)是熱輸入控制精確，堆焊層美觀，微觀組織致密且性能良好;而存在的主要問(wèn)題是成本較高，不易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。高能束粉末堆焊主要有激光堆焊、等離子堆焊、電子束堆焊［19］。

文獻(xiàn)［20］利用等離子堆焊技術(shù)堆焊了一層碳化鎢顆粒增強(qiáng)的鎳基合金層。由于堆焊熱量高，超過(guò)了碳化鎢顆粒的熔點(diǎn)，碳化鎢顆粒逐漸溶解，并與鎳基合金發(fā)生反應(yīng)生成以塊狀析出共晶組織。堆焊層的硬度與碳化鎢的含量有關(guān)。

2 存在的問(wèn)題及展望

原位反應(yīng)法已較多地應(yīng)用在合成其他金屬基復(fù)合材料上，但是用于增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料的原位合成法仍相對(duì)較少，主要是因?yàn)樵环磻?yīng)法制備顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料的研究時(shí)間尚短，因此還存在諸多問(wèn)題，歸納起來(lái)主要有:1)各方法中有關(guān)原位反應(yīng)機(jī)理的研究匱乏。2)原位反應(yīng)會(huì)生成增強(qiáng)體的同時(shí)，也會(huì)發(fā)生副反應(yīng)生成其他雜質(zhì)，同時(shí)原位反應(yīng)難以控制增強(qiáng)體的生成量，材料性能不夠穩(wěn)定。3)采用原位合成技術(shù)，生產(chǎn)顆粒增強(qiáng)的鎳基復(fù)合材料需要專門的設(shè)備，成本高，工藝相對(duì)復(fù)雜，不能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的規(guī)?；?。

只要充分研究原位反應(yīng)機(jī)理就能有效地控制鎳基復(fù)合材料的組成及組織結(jié)構(gòu)。因此在反應(yīng)機(jī)理上應(yīng)深入研究，以控制其他副反應(yīng)，使原位制備的顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料在工業(yè)應(yīng)用日趨成熟。

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Fabrication Methods of Reinforced Nickel-based Composites with In-situ Grown Particles

LIU Jiehuia* ，DING Yichaob，LI Yuanhuib
(a.Training Base;b.Key Laboratory of Electrical Processing，Chengdu Technological University，Chengdu 610031，China)

In-situ synthesis technique is increasingly aroused abroad attention of scientific researchers，and becomes the hotspot of relative research in recent years.But the introduction of particulate reinforced Ni-based composite materials is relatively less.This article introduces the main fabrication methods and techniques of reinforced nickel-based composite materials with in-situ grown particles.By analysing these methods from manufacturing process，the advantages and disadvantages of current studies are discussed，and the future research is proposed.

In-situ grown particle;Nickel-based Composite material;fabrication method

TF331

A

2095-5383(2013)04-0029-03

2013-11-05

四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目“新型鐵基復(fù)合材料的研制”(2010JY0076)

劉杰慧(1983-)，女(漢族)，四川成都人，助教，碩士，研究方向:金屬材料成型與熱處理，通信作者郵箱:jiehui1983@qq.com。

丁義超(1975-)，男(漢族)，河南桐柏人，副教授，博士，研究方向:金屬基復(fù)合材料和線切割技術(shù)。