顧嘉文，劉慧淵，范幫勇，王勇兵，徐偉，吳宗吉

（寧夏銀鈦科技股份有限公司，銀川 750001）

綜述與評(píng)述

熱等靜壓技術(shù)在金屬陶瓷復(fù)合材料制備中的應(yīng)用

顧嘉文，劉慧淵，范幫勇，王勇兵，徐偉，吳宗吉

（寧夏銀鈦科技股份有限公司，銀川 750001）

本文闡述了熱等靜壓技術(shù)制備金屬陶瓷復(fù)合材料的兩種不同工藝路線及各自的技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)，綜述了熱等靜壓技術(shù)在制備金屬陶瓷復(fù)合材料中的應(yīng)用及研究。

金屬陶瓷；復(fù)合材料；熱等靜壓（HIP）；應(yīng)用

1 前言

金屬陶瓷復(fù)合材料 （Metal Matrix Composites,簡(jiǎn)稱(chēng)MMC）是由一種或多種陶瓷相和金屬相或合金組成的多相復(fù)合材料，金屬陶瓷既具有金屬的韌性、高導(dǎo)熱性和良好的熱穩(wěn)定性，又具有陶瓷的耐高溫 、耐腐蝕和耐磨損等特性。在國(guó)防及民用領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。常用的制備方法有混合燒結(jié)法、粘合液浸漬法、直接氧化法、自蔓延高溫合成法等。在燒結(jié)過(guò)程中其燒結(jié)活性低、所需燒結(jié)溫度高、燒結(jié)致密化程度低、殘留孔隙度大、脆性大、綜合性能不佳。隨著熱等靜壓技術(shù)發(fā)展，采用熱等靜壓技術(shù)制備金屬陶瓷復(fù)合材料，改善了成型和燒結(jié)條件，使材料的孔隙度明顯降低，獲得了高致密度的材料，綜合性能大大提高。

2 熱等靜壓技術(shù)

熱等靜壓設(shè)備主要由高壓容器、加熱爐、壓縮機(jī)、真空泵、冷卻系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中，高壓容器為整個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵裝置，圖1是熱等靜壓機(jī)的典型示意圖。熱等靜壓工藝（簡(jiǎn)稱(chēng)HIP）是將制品放置到密閉的容器中，向制品施加各向同等的壓力，同時(shí)施以高溫，在高溫高壓的作用下，制品得以燒結(jié)和致密化，圖2為熱等靜壓技術(shù)原理圖。

圖1 典型熱等靜壓系統(tǒng)示意圖

圖2 熱等靜壓技術(shù)原理圖

3 制備金屬陶瓷復(fù)合材料的熱等靜壓工藝

熱等靜壓技術(shù)在金屬陶瓷復(fù)合材料制備中有兩種不同工藝路線，一種為直接熱等靜壓燒結(jié)工藝；另一種是熱等靜壓后續(xù)致密化工藝。

3.1 直接熱等靜壓燒結(jié)工藝及特點(diǎn)

直接熱等靜壓燒結(jié)制備金屬陶瓷復(fù)合材料的工藝路線如圖3所示。

圖3 直接熱等靜壓燒結(jié)制備金屬陶瓷復(fù)合材料的工藝路線

直接熱等靜壓燒結(jié)工藝制備金屬陶瓷復(fù)合材料的技術(shù)關(guān)鍵如下：

（1）包套材質(zhì)選擇，要確保在制備過(guò)程中不與原材料粉末發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)也要考慮到去除的難易程度。

（2）包套內(nèi)粉末的振實(shí)密度大小直接影響燒結(jié)制品質(zhì)量，振實(shí)密度低將導(dǎo)致包套收縮量大，尺寸控制困難，且包套易發(fā)生破裂。

（3）粉體均勻性以及金屬相、陶瓷相配比也是影響燒結(jié)制品性能的主要因素。由于陶瓷相與金屬相的自身不同特性決定了其在熱等靜壓過(guò)程中的變形不同，因此，要想保證得到足夠致密的制品，必須首先保證陶瓷相與金屬相分布均勻，從而使金屬相的變形能夠完全填充陶瓷顆粒間的間隙。

（4）由于陶瓷相與金屬相物理化學(xué)性質(zhì)的差異，從而使它們的性能隨著溫度和壓力的變化也不相同。因此，選擇合適溫度、壓力和升溫、升壓速率是保證產(chǎn)品性能的關(guān)鍵工藝參數(shù)。

直接熱等靜壓燒結(jié)工藝可大大降低燒結(jié)溫度。同時(shí)，在制備過(guò)程中熔融或半熔化狀態(tài)的金屬相均勻分布于陶瓷顆粒之間，抑制陶瓷晶粒長(zhǎng)大。在燒結(jié)體中金屬相呈連續(xù)分布，陶瓷顆粒均勻分布其中，而且可改善金屬相與陶瓷相界面狀態(tài)，提高界面的結(jié)合強(qiáng)度，很好地發(fā)揮了金屬的塑性和韌性，改善材料在承受載荷時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，從而提高了材料的強(qiáng)度與斷裂韌性。

3.2 熱等靜壓后續(xù)致密化工藝及特點(diǎn)

熱等靜壓后續(xù)致密化制備金屬陶瓷復(fù)合材料的工藝路線如圖4所示。

圖4 熱等靜壓后續(xù)致密化制備金屬陶瓷復(fù)合材料的工藝路線

熱等靜壓后續(xù)致密化工藝的技術(shù)關(guān)鍵如下：

（1）待處理的燒結(jié)體基本不含開(kāi)口氣孔，燒結(jié)密度須達(dá)到理論密度的92%～98%。否則仍需選擇合適的包套材料對(duì)燒結(jié)體進(jìn)行包封。

（2）溫度的選擇原則上為金屬基體熔點(diǎn)或合金基體固溶線絕對(duì)溫度值的0.6～0.9。

（3）壓力選擇既能使材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)，又能保證顆粒不被壓碎。

（4）保溫保壓時(shí)間選擇應(yīng)使坯體內(nèi)的蠕變充分進(jìn)行，又不至于造成晶粒長(zhǎng)大等不利現(xiàn)象出現(xiàn)，一般選擇1～2 h。

熱等靜壓后續(xù)致密化工藝可以減少乃至消除燒結(jié)體中的剩余氣孔和缺陷，愈合內(nèi)部微裂紋，從而提高金屬陶瓷復(fù)合材料的密度、強(qiáng)度。

4 熱等靜壓技術(shù)在金屬陶瓷復(fù)合材料制備中的研究及應(yīng)用

采用熱等靜壓技術(shù)能獲得高密度的金屬陶瓷復(fù)合材料，大大改善了金屬陶瓷復(fù)合材料的韌性、強(qiáng)度和硬度，從而廣泛應(yīng)用于耐高溫、耐磨損領(lǐng)域和承受較高應(yīng)力的場(chǎng)合，如：國(guó)防軍工（陶瓷裝甲）、航空航天（發(fā)動(dòng)機(jī)外殼）、醫(yī)療（骨架）、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)（高性能活塞）、電子元件（電子封裝材料）、機(jī)械材料（切削刀具）等領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，受到了世界各國(guó)的高度重視，已成為材料科學(xué)領(lǐng)域中最為活躍的研究領(lǐng)域之一［1］。

4.1 采用直接熱等靜壓燒結(jié)工藝制備金屬陶瓷復(fù)合材料的研究

此類(lèi)研究在國(guó)內(nèi)外一直是新型金屬陶瓷材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，涉及到的材料也是多種多樣。如：北京航空航天大學(xué)唐國(guó)宏等人研究了通過(guò)熱等靜壓反應(yīng)燒結(jié)制備B4C-TiB2-W2B5復(fù)合材料；采用溫度為1700℃，氬氣壓力為150 MPa，保持30 min的熱等靜壓工藝，所得制品的相對(duì)密度大于99%，硬度為38 GPa，抗彎強(qiáng)度達(dá)到了1030MPa，斷裂韌性達(dá)到了5.6 MPa·m1/2，抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性比熱壓燒結(jié)的制品都提高了約20%［2］。北京科技大學(xué)章琳等人研究了一種氧化物（Y2O3）彌散強(qiáng)化鈷基超合金的直接熱等靜壓燒結(jié)工藝制備方法，燒結(jié)溫度為900～1300℃，保持時(shí)間為1～3 h，制備的超細(xì)納米顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，具有彌散相細(xì)小并分布均勻、強(qiáng)化作用顯著等特點(diǎn)，并具有更優(yōu)異的高溫蠕變性能［3］。北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鐘濤興等人采用熱等靜壓燒結(jié)工藝制備SiCp/Cu電子封裝復(fù)合材料；燒結(jié)溫度為1000℃，氬氣壓力為200 MPa，保持時(shí)間為3 h，升溫速率8℃/min，熱等靜壓燒結(jié)工藝制備SiCp/Cu電子封裝復(fù)合材料的致密度高，制得了高導(dǎo)熱系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)的復(fù)合材料［4］。上海交通大學(xué)張文龍等人研究了氮化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的直接熱等靜壓燒結(jié)工藝制備方法，溫度為500℃，保溫時(shí)間為4 h，制備的氮化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料界面結(jié)合良好，在同等體積分?jǐn)?shù)和相同工藝條件下，較普通燒結(jié)制備的氮化鋁顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度提高9%以上，韌性提高12%以上［5］。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所鄭卓等人采用熱等靜壓燒結(jié)工藝制備Al2O3增強(qiáng)Ti2AlN金屬陶瓷；溫度為1000℃，氬氣壓力為100 MPa，保持時(shí)間為2 h，在熱等靜壓條件下制備出Ti2AlN基體和Al2O3增強(qiáng)相，增強(qiáng)相提高了基體的硬度，維氏硬度最高可達(dá)12.73 GPa［6］。H.V.A tkinson利用直接熱等靜壓工藝成功制備出15 Vol%SiC增強(qiáng)A357鋁合金復(fù)合材料，通過(guò)熱等靜壓可以顯著減少該類(lèi)制品的氣孔率，同時(shí)其彎曲強(qiáng)度也得到提高［7］。E.PAGOUNIS在溫度為1180℃，氬氣壓力為100 MPa，保持時(shí)間為3 h的熱等靜壓工藝條件下制備出99%理論密度的TiC和鐵合金的復(fù)合材料［8］。Sean E．Landwehr，Gregory E．Hilmas等人研究熱等靜壓成型，含20、30和40體積分?jǐn)?shù)Mo的ZrC—Mo金屬陶瓷復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能；溫度為1800℃，氬氣壓力為200 MPa，保持時(shí)間為1 h的條件下，復(fù)合材料的相對(duì)密度可以到達(dá)98%以上，致密后ZrC的粒度在l～2 μm間?？箯潖?qiáng)度達(dá)到了480 MPa，斷裂韌性達(dá)到了6.6 MPa·m1/2［9］。

4.2 采用熱等靜壓后續(xù)致密化工藝制備金屬陶瓷復(fù)合材料的研究

熱等靜壓致密化制備工藝研究一直以來(lái)非?；钴S，它可有效地提升傳統(tǒng)工藝制備的金屬陶瓷材料，大大提升其綜合性能，拓寬了傳統(tǒng)工藝制備的金屬陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域。如：華中科技大學(xué)模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉文俊等人采用熱等靜壓技術(shù)對(duì)Ti(C，N)基金屬陶瓷進(jìn)行了致密化處理；燒結(jié)溫度為1150℃、1200℃、1250℃、1300℃，壓力為100 MPa，處理時(shí)間為4 h，金屬陶瓷晶粒間產(chǎn)生了滑移和重排，使金屬陶瓷材料致密，獲得較理想的表面硬化層，其表面顯微硬度可達(dá)HRA93.8，其橫向斷裂強(qiáng)度達(dá)到1715.5 MPa，金屬陶瓷具有較好的綜合力學(xué)性能［10］。華中科技大學(xué)熊惟皓等人研究了復(fù)合金屬陶瓷及其制備方法，采用熱等靜壓后續(xù)致密化的工藝為：溫度為1350～1400℃，氬氣壓力為100～150 MPa，保持時(shí)間為30～50 min；制得的材料具有高硬度，高抗彎強(qiáng)度，HRA≥ 90.0，σb≥2500 MPa[11]。武漢工業(yè)大學(xué)新材料研究所蔡克峰、袁潤(rùn)章采用熱等靜壓后續(xù)致密化工藝制備（Nb,Ti）C-35Ni金屬陶瓷；溫度為1340℃，氬氣壓力為182 MPa，保持時(shí)間45 min，經(jīng)熱等靜壓處理后，制品相對(duì)密度大于99%，耐磨性、韌性和抗氧化性明顯提高［12］。武漢理工大學(xué)史曉亮等人采用熱等靜壓后續(xù)致密化工藝制備A12O3／WC-10Co／ZrO2／Ni納米復(fù)合材料；溫度為1320℃，氬氣壓力為120 MPa，保持時(shí)間為60 min，經(jīng)熱等靜壓處理后，可以有效地消除微波燒結(jié)造成 A12O3／WC-10Co／ZrO2／Ni金屬陶瓷中的孔隙，提高復(fù)合材料的密實(shí)度和力學(xué)性能，而且金屬陶瓷的晶粒基本沒(méi)有異常長(zhǎng)大；可以得到平均晶粒度小于1.5 μm的整體性能較好的亞微Al2O3／WC-10Co／ZrO2／Yi金屬陶瓷，其相對(duì)密度為98.4%，洛氏硬度為HRA94.0［13］。四川大學(xué)熊計(jì)等人采用熱等靜壓后續(xù)致密化工藝制備超細(xì)TiCO17NO13金屬陶瓷制品，其燒結(jié)溫度為1350℃，氬氣壓力為70～120 MPa，保持時(shí)間為90～120 min；經(jīng)處理后制品的密度提高了0.5%，硬度提高了1.1%，而橫向斷裂強(qiáng)度則提高了將近1倍，其硬度≥93HRA，抗彎強(qiáng)度≥2200 MPa[14]。北京有色金屬研究總院賀從訓(xùn)等人對(duì)Ti(C,N)基金屬陶瓷經(jīng)熱等靜壓后續(xù)致密化處理后，有效降低了合金的孔隙度，并使粘結(jié)相分布更均勻，相對(duì)密度達(dá)到99.6%以上，硬度值（HRA）提高了0.9～1.7[15]。安泰科技股份有限公司賈佐誠(chéng)等人采用熱等靜壓后續(xù)致密化工藝制備WC-15Co硬質(zhì)合金，燒結(jié)溫度為1340℃，氬氣壓力100 MPa，保持時(shí)間為90 min；經(jīng)處理后，主要裂紋源的孔洞被消除,抗彎強(qiáng)度比處理前提高了200 MPa［16］。Q.F.Li制備Al2O3/Al復(fù)合材料，將普通燒結(jié)得到的Al2O3/Al制品在520℃，200 MPa壓力下保溫保壓1h，經(jīng)過(guò)熱等靜壓后續(xù)處理后屈服強(qiáng)度提高了20%[17]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步，新材料、新工藝、新裝備的研發(fā)進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)期；對(duì)熱等靜壓工藝而言，由于其先進(jìn)的技術(shù)特點(diǎn)，可以降低燒結(jié)溫度和縮短保持時(shí)間，能夠在減少甚至無(wú)燒結(jié)添加劑的條件下制備出微觀結(jié)構(gòu)均勻且?guī)缀醪缓瑲饪椎?、形狀?fù)雜和大尺寸的金屬陶瓷復(fù)合材料制品且性能優(yōu)良。但目前熱等靜壓技術(shù)在制備金屬陶瓷復(fù)合材料中的應(yīng)用仍處于早期階段，需做大量的研究工作：（1）金屬陶瓷復(fù)合材料熱等靜壓燒結(jié)致密化機(jī)理研究，傳統(tǒng)的熱等靜壓燒結(jié)致密化理論無(wú)法解釋金屬和陶瓷兩種不同的相燒結(jié)致密化原理。（2）一般金屬陶瓷熱等靜壓制備的溫度較高，普通碳鋼、不銹鋼包套已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)，必須開(kāi)發(fā)鎢、鉬、玻璃及陶瓷等高溫包套制備技術(shù)。（3）要建立金屬陶瓷材料熱等靜壓燒結(jié)致密化的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，為熱等靜壓近凈成型制備形狀復(fù)雜和大尺寸的金屬陶瓷復(fù)合材料奠定理論基礎(chǔ)。通過(guò)技術(shù)的積累和改進(jìn)采用熱等靜壓技術(shù)制備的金屬陶瓷復(fù)合材料新產(chǎn)品將會(huì)日益增加，高性能的金屬陶瓷復(fù)合材料將會(huì)在未來(lái)有更為廣闊的應(yīng)用前景。

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