（材料学专业论文）钛铝碳铁复合材料的制备与性能研究.pdf

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3 0 v 0 1 ) t i 3 a 1 c 2 与f e 块体复 合材料的制备工艺。( 2 ) 、观察和研究了不同烧结工艺下t i 3 a i c f i f e 复合材料的结 构与性能。( 3 ) 、探讨了烧结工艺对t i 3 a 1 c 2 f e 复合材料结构与性能的影响。( 4 ) 、 探讨了t i 3 a 1 c 2 与f e 高温反应的机理。 研究结果表明：以t i 、t i c 、舢、s n 粉体为原料，在1 4 5 0 温度范围内保温 1 0m i l l ，按照配比煅烧，可得到高纯的t i 3 a 1 c 2 粉体；以f e 及t i 3 a 1 c 2 粉体为原料， 在11 0 0 1 4 0 0 ，保温3 0 m i n 1 2 0 m i n ，组分为( 1 0 3 0 v 0 1 ) t i 3 a i c 2 f e ，进行无 压，热压烧结，可得到致密的t i 3 a i c 2 f e 块体复合材料。 在t i 3 a 1 c 2 中t i c 与舢原子间作用力是较弱的范德华键，在高温下由于f e 的溶解作用，发生分解，生成t i c 与m 。在t i 3 a i c 2 f e 复合材料的烧结过程中， 分解形成的砧逐渐进入到f e 基体中，形成微量的f e ( a 1 ) 合金。而由于f e 的融入， 这样使得原本处于聚集状的t i c 晶粒被f e 分隔，并在f e 基体中逐渐均匀分布， 最后得到纳米级的t i c 增强f e 的金属陶瓷复合材料。 在无压烧结条件下，实验所选用的各种烧结工艺均能制备纳米级的t i c f e 复 合材料。由于无压烧结制备下得到的材料致密度较差，极大的影响了其物理性能 和电学性能。 热压烧结制备的t i 3 a 1 c 2 f e 复合材料的各项性能相比无压烧结都得到了很大 的提高。其中2 0 t i 3 a 1 c 2 f e 的弯曲强度从1 9 0 1 6 m p a 上升到1 4 2 5 9 8 m p a ，密度从 6 0 2 8 9 c m 3 上升到7 1 3 4 9 c m 3 。这是因为热压烧结极大程度的降低了复合材料的气 孔率，并使t i 3 a 1 c 2 与f e 的反应更加充分。所以t i 3 a 1 c 2 f e 复合材料的各项性能 得到了大幅度的提升。 本文的创新点在于使用微米级的增强相t i 3 a 1 c 2 与f e 粉利用原位反应制备得 到纳米级增强相的t i 3 舢c 2 f e 复合材料。 关键词：t i 3 a 1 c 2 f e 复合材料；制备；物理性能 分类号： a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm e t a lm i n e r a l ，e n e r g y , t r a n s p o r t a t i o n ， e q m p m e n tm a n u f a c t u r i n g a n de n v i r o n m e n t a l i n d u s t r i e s ，t h er e q u e s t o fg e n e r a l p r o p e r t i e st of e m a t r i xi sg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e r d u et oh a v et h es p e c i a lp r o p e r t i e s o fb o t hm e t a la n dc e r a m i c s ，m a xc o m p o u n dh a sb e c a m et h eh o t s p o to fr e s e a r c hi n l a n d a n do v e r s e a sa st h ew i l dp h a s e t h i sw o r km a i n l ys t u d i e st h ef a b r i c a t i o na n d j h e a t - t r e a t m e n tp r o p e r t i e so ft i 3 a 1 c 2 f ec o m p o s i t e t h em i s s i o n so ft h i sw o r ka r c ；( 1 ) t of a b r i c a t eh i g hp u r i t yo f7 f i 3 a i c 2p o w d e r sa n d ( 10 3 0 v 0 1 ) ，n 3 舢c 2a n df ec o m p o s i t eb u l k s ( 2 ) o b s e r v e da n ds t u d i e ds t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so ft i 3 a l c 2 f ec o m p o s i t em a t e r i a l su n d e rd i f f e r e n ts i n t e r i n gp r o c e s s ( 3 ) h a s e x p l o r e dt h ei n f l u e n c eo ft 1 3 a 1 c 2 f e ss t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sb yd i f f e r e n ts i n t e m p r o c e s s ( 4 ) h a sd i s c u s s e dt h eh i 曲t e m p e r a t u r em e c h a n i s mo ft i 3 a 1 c 2 f ec o m p o s i t b u l k s t h er e s u l t ss h o wt h a th i g hp u r i t yo fn 3 舢c 2p o w d e r sc a nb eo b t a i n e db y p r e s s u r e l e s ss i n t e r i n gt h ep r o p e rm o l er a t i o so ft i ，a 1 ，s n , cp o w d e r sa t14 5 0 。cf o r10 m i n u t e s t a k et i 3 舢c 2a n df ep o w d e ra sr a wm a t e r i a l ，t h ec o m p a c tt i 3 趟c 2 f e c o m p o s i t ec a nb eo b t a i n e db yp r e s s u r e l e s ss i n t e r i n ga n dh o tp r e s s u r es i n t e r i n ga t 1 1 0 0 1 4 0 0 ，a n dh e a tp r e s e r v a t i o no f 3 0 m i n - 1 2 0 m i n i nt i 3 a 1 c 2o ft i ca n da 1 si n t e r - a t o m i cf o r c e si sw e a k e rv a nd e rw a a l sk e y s ， u n d e rh i g ht e m p e r a t u r ed u et ot h ee x i s t e n c eo ff e ，e a s yt od e c o m p o s e ，t h ef o r m a t i o no f t i ca n da 1 i nt i 3 a i c 2 f ec o m p o s i t es i n t e r i n gp r o c e s s ，t h ef o r m a t i o no fa 1g r a d u a l l y d e c o m p o s ei n t of e ，a tl a s ti nt h ef o r m a t i o no ft r a c ea m o u n t so ff e ( 舢) a l l o y , a n df e w i l lg r a d u a l l yi n t ot h et i cp a r t i c l e s t h eo r i g i n a ls h a p eo ft h et i cg r a i n sa r eg a t h e r e d g r a d u a l l ys e p a r a t e db yf ea n dm a t r i xu n i f o r m l yd i s t r i b u t e di nf e ，t h ef i n a lf ee n h a n c e d b yn a n o t i cm e t a lc e r a m i cc o m p o s i t e s i np r e s s u r e l e s ss i n t e r i n g ，t h ee x p e r i m e n t so nt h er a n g eo fs i n t e r i n gp r o c e s sc a nb e p r e p a r e dn a n o s i z e dt i c f ec o m p o s i t e sc a nb eg o tu n d e rt h er a n g eo fs r i n t e r i n gp r o c e s s 7 d u et ot h ep r e s s e r l e s ss i n t e r i n g ，m a t e r i a lp r e p a r a t i o no fs i n t e r e dd e n s i t yi sp o o r e r , w h i c h h a sg r e a t l ya f f e c t e dt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s h o tp r e s ss i n t e r i n go ft i 3 灿c d f ec o m p a r e dt h ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t e sb y p r e s s u r e l e s ss i n t e r i n gh a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e d f o re x a m p l e ，t h ef l e x u r a ls t r e n g t ho f 2 0 t i 3 a i c 2 f ei n c r e a s e df r o m1 9 0 1 6 m p at o1 4 2 5 9 8 m p a , d e n s i t yi n c r e a s e df r o m6 0 2 8 9 c m 3t o 7 13 4 咖m 3 t h i si sb e c a u s es i n t e r i n gi ss u b s t a n t i a l l yr e d u c e dp o r o s i t yo f c o m p o s i t e m a t e r i a l s ，a n dt ot h er e a c t i o nf ea n dt i 3 a i c 2a l em o r ef u l l y s ot h ep e r f o r m a n c e so f t i 3 a i c 2 f ec o m p o s i t em a t e r i a l sh a v eg r e a t l yi m p r o v e d - t h i sa r t i c l ei n n o v a t i o ns p o tl i e si nu s em i c r o nl e v e lt i 3 a 1 c 2a n df ep o w d e r , u s i n g t h eh o m ep o s i t i o nr e s p o n d e dap r o d u c t i o nn a n o m e t e rl e v e ls t r e n g t h e n st i 3 a i c 2 f e c o m p o u i l dm a t e r i a l s t h ei n n o v a t i o no ft h i s w o r ki sap r o d u c t i o nn a n o m e t e r l e v e l s t r e n g t l l e i l st i 3 a 1 c z f ec o m p o u n dm a t e r i a l s a l es i n t e r e dw h i c hu s em i c r o nl e v e l t i 3 a i c 2a n df ep o w d e r a sr a wm a t e r i a lb yt h eh o m ep o s i t i o nr e s p o n d s e k e y w o r d s ：t i 3 a 1 c 2 f ec o m p o s i t e ；f a b r i c a t i o n ；p h y s i c a lp r o p e r t y c l a s s n o ： 序 钢铁材料具有资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样可靠、价格低廉、 使用方便和便于回收等特点，是工业生产和人民生活中广泛使用的材料。单一的 钢铁材料，虽然数量庞大且不断增长，却难以适应金属矿产、能源、交通运输、 装备制造和环境等行业发展的需求。提高钢铁材料的质量和性能，开发高性能低 成本复合材料，已成为广大科技和工程技术人员工作中急于要解决的主要实际问 题。作为增强体的m a x 系陶瓷材料是集结构、导电和自润滑等多功能于一体的新 型材料，由于这类化合物的独特结构和性能，使其成为近年米的研究热点。本文 主要探索了在无压烧结下，不同烧结温度，保温时间，( 1 0 - - 3 0v 0 1 ) t i 3 a i c 2 f e 复 合材料的组分，微观形貌，结构及性能。同时也研究了热压烧结下烧结温度为1 1 0 0 ，1 2 0 0 ，1 3 0 0 下制备的2 0 n 3 a i c 2 f e 复合材料的组分，结构及性能。研究了 烧结工艺对其性能的影响，并与相对应的无压制备得到试样的性能进行了对比。 本文还对t i 3 a 1 c 2 与f e 的高温反应机理进行了初步的探索。 本论文由国家“8 6 3 课题( 2 0 0 6 a a 0 3 2 5 2 7 ) ：高速铁路接触网线与受电弓滑 板及其适配性研究和北京交通大学“十一五 重大科技基金：m m n + l a x n 族金 属陶瓷制备技术及摩擦学性能研究资助。 目录 中文摘要i a b s t r a c t 。i i j 芋一i v 1 绪论1 1 1 引言1 1 2 金属基复合材料2 1 2 1 金属基复合材料概述2 1 2 2 金属基复合材料的制备方法3 1 3 国内外铁基复合材料的性能与研究现状6 l - 3 1 铁基复合材料的性能j 。6 1 3 2 铁基复合材料的研究现状7 1 4m a x 系简介。8 1 4 1t i 3 a i c 2 材料简介9 1 4 2t i 3 a 1 c 2 材料的结构9 1 4 3t i 3 a l c 2 材料的制备。1 0 1 4 4 ，n 3 灿c 2 材料的性能。1 1 1 5 研究的意义一1 1 1 6 研究对象、目的及研究内容。1 2 1 6 1 研究对象、目的。l2 1 6 2 研究内容。12 2t i 3 a 1 c 2 粉体的制备1 5 2 1 实验用原料、设备15 2 1 1 实验原料1 5 2 1 2 实验设备15 2 2t i a a l c 2 粉体的制备1 6 2 2 1 原料配比17 2 2 2 实验步骤l7 2 2 3 粉体分析18 3 无压烧结t i 3 a 1 c e f e 材料的制备及性能研究2 1 3 1 实验方法2 1 3 1 1 原料配比2 1 3 1 2 实验步骤2 2 3 2 性能测试方法2 3 3 2 1 密度2 3 3 2 2 电阻率2 3 3 3 3 弯曲强度2 3 3 2 4 维氏硬度2 4 f 3 3t i 3 a 1 c 2 与f e 反应分析及机理研究2 4 3 3 1 差热分析2 4 3 3 2 物相分析2 5 3 3 3 显微结构2 8 3 3 4 高温反应机理3 3 3 4 性能测试3 5 3 4 1 密度3 5 3 4 2 电阻率3 7 3 4 3 弯曲强度3 9 3 4 4 维氏硬度4 5 3 5 本章小结4 7 4 热压烧结t i 3 a i c 2 f e 材料的制备及性能研究4 9 4 1 热压烧结的实验步骤j 4 9 4 2 热压烧结反应规律5 0 4 2 1 相组成5 0 4 2 2 显微结构5 1 4 3 热压烧结对物理性能的影响5 3 4 3 1 密度5 3 4 3 2 电阻率5 4 4 3 3 弯曲强度5 4 4 3 4 维氏硬度5 6 4 - 4 本章小结5 6 5 结论：5 9 参考文献一6 l 作者简历6 4 独创性声明6 5 学位论文数据集6 6 f ， ， 1 1 引言 1 绪论 陶瓷一金属复合材料是由一种或多种陶瓷相与金属或合金相组成的多相复合 材料，既保持有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性 好等特性，又有较好的金属韧性和可塑性。1 9 6 0 年美国a s t m 陶瓷一金属复合材料 研究委员定义的陶瓷一金属复合材料为“一种由金属或合金与同一种或多种陶瓷 相所组成晌非均质的复合材料，其中后者体积约占材料总体积的1 5 一8 5 ，同时 在制备的温度下，金属和陶瓷相之间的溶解度是极微弱的”川。实际上，陶瓷相与 金属相是否发生反应和溶解不应成为陶瓷金属复合材料的限制或判别条件，关键 是反应和溶解生成的新相是否对期待的材料性能有利。美国a s t m 的这一早期的定 义，显然不能适应新材料领域日新月异的发展。 金属材料是最重要的工程材料，而在金属材料中，9 0 为钢铁，是应用最多 的工程金属材料。日前，中国冶金工业规划研究院副院长李创新在我国钢铁工 业发展及2 0 0 6 年展望专题报告中指出，我国实现工业化要消费大量自然资源， 尤其是钢铁1 2 j 。中国钢产量和钢材消费量增长速度很快，而且近4 年来，全球钢产 量增j j l ：1 2 0 5 9 0 万吨，其中中国增加1 4 4 2 8 万吨，占全球增量的7 0 0 7 。二十一世纪， 钢铁仍将是占主导地位的结构材料 3 1 。因此，如何提高钢铁材料的性能也成为国内 外众多学者研究的目标。其中，一个重要的研究方向就是铁基复合材料的开发和 应用。低密度、高刚度和高强度的增强体颗粒加入到钢铁基体中，在降低材料密 度的同时，提高了它的弹性模量、硬度、耐磨性和高温性能，在进一步研究降低 其成本后，可将其应用于刀具行业、耐磨零件等工业领域。 钢铁材料具有资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样可靠、价格低廉、 使用方便和便于回收等特点，是工业生产和人民生活中广泛使用的材料。但是单 一的钢铁材料，虽然数量庞大且不断增长，却难以适应金属矿产、能源、交通运 输、装备制造和环境等行业发展的需求。 在此条件下，三元层状化合物m n + l a x n 脱颖而出。m n + l 撼。体系中，m 为过渡 元素，a 为、族中的某些元素，x 为c 或n 4 i ，n = l ，2 ，3 。根据n 的不同取值， m n + l a x n 相化合物可分为2 1 1 相、3 1 2 相或4 1 3 相。该类化合物具有相同的层状六方 晶体结构，空间群为以p 6 ，m m c 【5 】，如图1 1 所示。它们的原子结合方式既有共 价键、离子键又有金属键，因而兼有金属和陶瓷的性质，如类似金属的导热、导 电性、抗热震性和可加工性，类似陶瓷的抗氧化性、耐腐蚀性、耐高温性，良好 的耐磨性和自润滑性【7 】。因此，在许多领域具有重要的应用价值，是一类非常有 潜力的材料。 2 1 1 m n + l a x n 3 1 2 图1 - 1m n + l a x 。( n = l ，2 ，3 ) 晶体结构示意图【4 】 f i g 1 - 1c r y s t a ls t r u c t u r es k e t c hm a po f m n + l a x ( n = 1 ，2 ，3 ) 4 1 3 目前国内外对该类材料的研究主要集中在t i 3 s i c 2 、t i 3 a l c 2 和t i 2 s n c - - 种代表 性材料上【8 以3 1 。课题组对m a x 系固溶体材料与c u 复合进行了大量研究，并取得了很 大进展，主要探索了( 4 0 - 8 0 v 0 1 ) t i 3 a i i 2 x s n x c 2 ( x = 0 ，0 2 ，o 4 ) 与c u 采用反应型复 合的制备工艺，以及高温反应产物及其微观结构，测试了其力学、电学性能。本 文是对t i 3 a 1 c 2 与c u 复合材料的进一步探索，采用热压工艺制备出c 帆3 a i c 2 复合 材料后，又对其进行了不同温度及不同保温时间的热处理，使其改善组织结构， 减少粗大结晶相颗粒，充分发挥合金元素的有益作用，从而更大程度的提高复合 材料的综合性能。 1 2 金属基复合材料 1 2 1 金属基复合材料概述 2 ， 金属基复合材料( m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ，简称m m c ) i 口3 世至今已有3 0 余年， 其耐温性能和力学性能( 特别是刚度和硬度) 比一般金属的好，此外它还具有导电性 以及在高真空条件下不释放小分子的特点，克服了树脂基复合材料在航空航天领 域使用时存在的缺点，因此最初受到航空航天部门的青睐【1 4 1 。自8 0 年代末日本报 道活塞用a 1 2 0 3 短纤维增强铝基复合材料取得良好效果以来，美、日、英等国关于 m m c 的研究开发取得了突飞猛进的发展，并取得了很大的经济效益【l5 1 。我国于8 0 年代初对m m c 的制造工艺、材料性能、检测分析及其实用技术进行了大量的研究 工作，取得了瞩目的成果，但对m m c 的开发应用大都处于起步阶段【i6 1 。然而，尽 管m m c 在航天飞机以及其他一些尖端技术中已经获得应用，但用量很小，不足以 推动其发展。近年来虽然努力在民用领域寻找机遇，但终因成本偏高而缺乏与金 属等其他传统材料竞争的优势。因此发展m m c 的出路在于寻找降低成本的措施， 同时也要探索能充分发挥其特色的应用领域。鉴于复合材料的成型工艺占其成本 的6 0 - - 一7 0 ，所以研究发展高效、省时、低能耗、设备简单的工艺方法是当务之 急【1 7 】。这一发展趋势最终使得m m c 的制备工艺由固相法为主转向液相法为主。增 强体也由纤维和晶须为主转向颗粒为主。随着铸造法的推广和不断改进，颗粒增 强金属基复合材料( p a r t i c l e sr e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e ，m m c p ) i 约i ) t k 化生 产已经实现，它在民用领域的应用也日益拓展【l 引。 m m c p 的基体材料以a 1 、m g 、t i 、n i 、c u 及刚刚开始兴起的f e 为主。其中， a 1 、m g 基m m c p 是研究最早应用最多的一类，应用领域集中于对高温性能没有特 殊要求但注重比强度的场合，如航天飞机的内部结构部件，车辆刹车环。n 、n i 基及其金属间化合物基m m c p 用于制造涡轮转子，发动机零件等耐高温结构部件。 而c u 基和部分越基m m c p 在高性能电器元件，集成电路基板方面已进入实用化阶 段。f e 基m m c p 的研究是起步最晚的，但是它的应用前景却最为吸引人，特别是 在抗磨领域有着独特的优势。 m m c p q b ，基于复合材料强度、刚度、耐磨性和高温性能等方面的要求，主 要采用高强度、高硬度、高熔点及低密度的陶瓷颗粒为增强体。目前常用的增强 颗粒主要有碳化物( s i c 、t i c 、w c 、v c ) ，氮化物( b n 、s i 3 n 4 ) 和氧化物( a 1 2 0 3 、z r 0 2 ) 1 9 - 2 1 1 o 对m m c 而言，设计和选择增强颗粒要考虑的最主要的参数包括：( 1 ) 硬度；( 2 ) 密度；( 3 ) 与金属基体的相容性特别是润湿性及颗粒与熔融金属的界面反应；( 4 ) 成 本等方面。基于以上的考虑，目前研究较多并已用于生产的以碳化物、氧化物为 主。 1 2 2 金属基复合材料的制备方法 金属基复合材料的制备工艺可分为固相法、液相法，固相法主要是粉末冶金 法和高温自蔓延烧结法，其它如激光辐射、电子束辐射及磁控溅射也可归类于固 相法；液相法主要有搅拌铸造、原位反应铸造、铸渗法、定向凝固法及喷射沉积 法。 金属陶瓷复合材料制备方法与致密化技术是影响材料性能的重要因素。热压 烧结( h o tp r e s s i n g ，h p ) 是技术较为成熟，应用最为广泛的工艺，但是热压烧结温 度较高，耗能耗时，并且制备的材料往往晶粒粗大，难以完全密实，材料性能不 够理想；此外，热等静压( h o ti s o s t a t i cp r e s s i n g ) 技术也是常用的工艺，它具有压力 大，烧结温度较低，材料密实性好的特点，但是设备较为复杂。近年来，又出现 了许多新的制备工艺，特别是随着熔体浸渗法( m e l ti n f i l t r a t i o n ) ，高温自蔓延合成 技术( s e l f - p r o p a g a t i n gh i g h - t e m p e r a t u r es y n t h e s i s ，s h s ) ，原位合成技术( r e a c t i o n s y n t h e s i s ) ，放电等离子烧结技术( s p a r kp l a s m as i n t e r i n g ) 等技术的运用，使得材料 的性能得到了大幅的提高。 1 2 2 1 熔渗法 熔渗法是熔体在无外力作用下，借助浸润导致的毛细管压力自发进入颗粒多 孔预制件的一种制备工艺。用传统成型工艺，陶瓷粉末可预制成所需要的形状和 尺寸，金属熔体自发渗入并充满预制件中的孔隙，冷却凝固后获得颗粒在连续基 体中均匀分布的复合材料【2 2 】。它包括物理和化学两种渗透机理。物理渗透的原理 和工艺过程为：陶瓷和熔融金属接触，在一定的气氛、合金成分和工艺条件下， 金属对陶瓷的润湿性增强，或熔融金属液和预制件体内截留的气体发生反应造成 真空，从而使金属熔体自发渗入陶瓷材料中【2 3 】。化学渗透的原理和工艺过程为： 将陶瓷相的组分元素或其化合物充分混合制成压坯，置于合金熔液中，在高温下 直接与合金液发生反应生成陶瓷颗粒，均匀分布在合金液中，形成陶瓷基金属复 合材料或金属基复合材料。 浙江大学和葡萄牙a v e i r o 大学合作，利用间接无压熔融渗透法成功制备了 f e 4 0 a 1 t i c 陶瓷基复合材料【2 4 】。依赖于金属间化合物的存在，复合材料的四点抗 弯强度为9 5 0 - j ：8 0m p a - 1 2 0 0 - j ：1 2 0m p a ，对应的维氏硬度分别为1 3 1 5 和1 0 1 0 t 2 5 1 。该 工艺的优点是：工艺简单，成本低；对原料特别是金属粉末无特别要求，不需要 复杂的机械合金化过程，易于实现制品大型化生产，是制备致密复合材料的有效 方法；适当提高渗透温度，可大大缩短渗透时间。但是不足之处如金属在粉末状 4 态下表面易氧化，阻碍金属与陶瓷的接触，随着温度的升高，陶瓷不断烧结收缩 使孔隙减小，限制了金属的继续渗入，而且还会将已渗入的金属液体挤出，另外 添加剂和阻渗剂在渗透过程中会发生一系列复杂的界面反应，有时会形成脆性的 金属间化合物，成为裂纹源或应力集中源，降低材料的强度和韧性。 1 2 2 2 自蔓延高温合成法 自蔓延高温合成法【2 弛7 】是指利用反应物之间发生化学反应而进行自加热来合 成材料的一种工艺，当反应物一旦被点燃，便会自动向未反应区传播，直至反应 完全。s h s 技术的应用领域f 由丰要集中于耐火材料、会属陶瓷、陶瓷复合材料等 领域，开始转向功能材料( f g m ) ；由单一的s h s 转向s h s 同各种材料加工工艺结合， 以充分发挥s h s 的优点和克j 艮s h s 的不足。人们对利用s h s 技术合成高硬度、耐高 温、抗氧化、耐腐蚀的碳化物、硼化物、硅化物、氮化物、氢化物、磷化物、硫 化物、金属间化合物、致密金属陶瓷、陶瓷复合材料的研究较多。但是由于燃烧 过程难以控制，巨大的反应热使材料的致密性较差以及产生较大的变形。所以经 常采用s h s - 力口压法、s h s 烧结法、s h s 动压法、s h s 轧制法、挤压法等手段来提 高复合材料的致密性。傅正义【2 8 1 等为了提高材料的致密性采用t s h s 准等静压法 ( 也称s h s p i p ) 带t j 备t i b 2 t i c 复合相陶瓷材料，研究了工艺参数如压制延迟时间和 压力对材料致密性的影响。哈尔滨工业大学的李志强【2 9 】等采用t s h s p i p 法制备了 t i a 1 a 1 2 0 3 复合材料，为了提高致密性采用了准等静压反应装置，当反应到红热 状态时，迅速加压并使压力通过作为压力介质的沙子传递给反应物，最终形成致 密产物。 1 2 2 3 放电等离子烧结法 放电等离子烧结( s p s ) 是近年来发展起来的一种新型的快速烧结技术，在 有的文献上也称为等离子活化烧结或等离子辅助烧结。由于放电等离子烧结融等 离子活化、热压、电阻加热为一体，因而具有升温速度快、烧结时间短、晶粒均 匀、有利于控制烧结体的微观组织结构、获得材料的致密度高、性能好等特点。 放电等离子烧结技术利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实 现烧结过程，对于实现优质高效、低耗低成本的材料制备具有重要意义。目前国 内外许多大学和科研机构利用s p s 进行新材料的研究和开发，并对其烧结机理和特 5 点进行深入研究和探索，尤其是其快速升温的特点，可作为制备细晶材料的有效 手段，因而引起材料界的广泛关注【3 0 。3 2 】。 1 2 2 4 原位合成法 为了克服传统方法制备的复合材料存在增强体颗粒尺寸粗大、热力学不稳定、 界面结合强度低等缺点，出现了原位合成技术，即在一定条件，通过化学反应， 在基体内原位生成一种或几种增强相( 如t i b 2 、a 1 2 0 3 、t i c 等) ，从而达到强化目的。1 r 这种方法可得到增强颗粒尺寸细小、热力学性能稳定、界面无污染、结合强度高 的复合材料，足种自6 订途的颗粒增强复合材料制造工艺【33 1 。目i j 订报道的原位合 成技术主要有：原位热压技术、x d ( e x o t h e r m i cd i s p e r s i o n ) 技术、c v d ( c h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ) 技术、d i m o x ( d i r e c t e dm e t a lo x i d a t i o n ) 技术、熔体浸渍技术、反应结合 技术以及s h s 技术等。在金属间化合物陶瓷基复合材料的制备中已出现的主要有 x d 技术和定向氧化( d i m o x ) 技术，现分别介绍如下。 x d ：技术其基本原理是将增强相组分物料与金属基粉末按一定的比例均匀混 合，冷压或热压制成坯块，以一定的加热速率预热试样，在一定温度下各组分之 间进行放热反应，生成增强相，增强相尺寸细小，呈弥散分布【3 4 】。文献p 5 】报道了 含有t i b 2 分散相的n i a i 材料，我国学者陶春虎【3 6 】等人在此方面做了出色的工作。 这种复合材料是以n i 、灿、t i 、b 粉以x d 工艺合成且压成生坯，合成的t i b 2 n i a l 复合材料组织均匀。原位生成的增强体与基体之间，无确定的晶体学位向关系， 界面结合牢固。 d i m o x 技术：由美国l a n x i d e 公司发明的d i m o x 技术工艺可用于制备c m c ， 最先制备的材料为a 1 2 0 3 胤，是将铝合金熔体在高温加热一段时间，当环境为大气 气氛时，在合金熔体表面就生成氧化铝的复合材料砧2 0 3 a 1 。当环境改变时，也可 以制备其它复合材料，如改用氮气气氛，可以生长出a 1 n a 1 、t i n t i 和z r n z r 等复 一 合材料【3 7 1 。国内也有关于d 订o x 技术的报道【3 引。 1 3 国内外铁基复合材料的性能与研究现状 1 3 1 铁基复合材料的性能 烧结铁基材料以其成本低，免切削等特点而在工业上有广泛的应用，如减磨 6 材料、自润滑材料、冶金机械零件及汽车零件中的轴承、齿轮等【3 9 1 。由于烧结铁 基材料产品的强度低而限制了在其它一些对强度要求较高的场合的应用。因此， 开发铁基复合材料发挥其良好的耐磨性，改善其韧性，提高强度并降低成本是铁 基粉末冶金技术中一个重要的研究课题。 这方面的研究已进行了一些工作，通常的方法是在铁粉中加入合金元素而形 成合金粉，最后制备得到合金材料。自1 9 4 6 烧结铝问世以来，发展和研制了许多 合金材料，基本除铝以外还有铜、镍、铁、钦、镁、铝、铬以及银、铂、把等贵 重金属。合金材料在性能上有以下优越性：再结晶温度高组织稳定；屈服强度和 抗拉强度高；随温度提高下降的少；高温蠕变性能好；疲劳强度高：传导性能好。 再结晶温度高、高温时硬度变化小和蠕变速度低都说明合金材料具有良好的热稳 定性。 但在当今科学技术飞速发展的时代，铁合金材料还不能完全满足要求。于是 有了另一方法的出现，它在铁或合金粉中加入陶瓷增强相，以进一步增强铁基材 料。陶瓷材料具有卓越的高温性能、硬度和耐磨性，得到了人们的普遍重视。但 陶瓷材料的强度和韧性低，在许多加工条件下易于因为破坏而失效这大大限制了 它的应用范围。作为金属的铁具有优良的韧性和强度，能与陶瓷材料实现互补。 二十世纪七十年代出现了陶瓷颗粒增强铁基材料，它结合了陶瓷材料和硬质合金 材料的优点，在拥有硬质合金材料相近的韧性的同时高温性能和耐磨性能有了大 幅度的提高。 1 3 2 铁基复合材料的研究现状 用高温自蔓延技术制备出陶瓷内衬复合弯管；涂小掣4 5 】用复合铸造法制备出铁基 层合复合材料；此外，还有一些关于纤维增强技术、热等静压技术、热轧技术制 各铁基复合材料的报道。 在耐磨材料领域，特别是在较高的工作温度下，金属基复合材料扮演着越来 越重要的角色。虽然以轻金属为基体的复合材料的制备工艺研究得已经较为成熟， 在一些领域也有了少量的应用。但是由于其工作温度不高( 如a 1 ) 或者价格昂贵( 如 m g ，t i ) ，无法在民用工业普及应用。另外，耐高温性能较好的以c o ，n i 或一些 金属间化合物为基体的复合材料也因为成本太高而在民用工业中的应用受到限 制。因此，人们把目光投向了铁基复合材料。铁基复合材料的工作温度较高，同 时具彳j 良好的耐磨性和导热性，是比较理想的离温而j 麽材料；乡j 方面，铁基复合 材料的研制可以利用现有的比较成熟的钢铁冶炼设备和工艺，既可以缩短研究进 程，又可以降低生产成本。虽然铁合金高的熔点给铁基复合材料的制备带来了困 难，但是只要选择合理的制备工艺合方法，高性能、低