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f e v c 复合材料的制备及焊接性研究 专业：材料加工工程专业 研究生：杨廷贵指导老师；王一三教授 目前，由于钨、钴资源日益枯竭，传统的以w c 为硬质相、c d 为粘接相的复 合材料会越来越少，而以铁为基体、v c 颗粒为增强相的复合材料将具有诱人的 应用前景，立足四川攀西地区丰富的钒钛资源，开展利用粉末冶金原位合成法 制备f e - v c 复合材料及其焊接性研究，为f e - v c 复合材料的推广应用提供理论参 考依据，具有重要的现实意义。 基于铸造法制备颗粒增强f e v c 复合材料的研究较多，而利用粉末冶金原 位合成法制各的还鲜有报道。本文在f e 一、卜- c 三元系碳化反应生成f e - v c 复合材 料的基础上，特添加稀土、镍、铬、钼等合金元素，利用粉末冶金原位合成了 f e v c 复合材料。通过不同的成分设计，重点考察稀土、镍对f e - v c 复合材料组 织及性能的影响。根据实验结果，选择一种较为优化的成分组合，按照焊接工 艺尺寸要求，制备焊接用的f e - v c 复合材料。选择不绣钢焊丝e r 3 0 9 l ，氩弧焊焊 接f e v c 复合材料与4 5 钢。在真空炉中，用纯铜做钎料，通过正交试验，确定较 为优化的钎焊工艺，钎焊连接f e v c 复合材料与4 5 。钢。借助x r d 、s e m 、e p m a 检测 手段对复合材料、焊接接头进行组织、形貌、成分分析，按照国家标准对复台 材料的硬度、密度，焊接接头的抗拉强度、剪切强度进行测试。 f e - v c 复合材料的组织、性能检测结果表明：( 1 ) 稀土的加入，净化了晶体 表面，改善了f e 与v c 颗粒的润湿性，适量的稀土可以促进试样的烧结，但过量 的稀土会使颗粒粗大，组织中的孔隙增多，不利于烧结致密化。( 2 ) n i 的加入， 进一步改善了f e 与v c 颗粒的润湿性，在烧结时可以促使液相的生成，有助于烧 四川大学硕士学位论文 结致密化。( 3 ) f e v c 复合材料的基体组织，随着合金元素含量的增加，逐渐 由珠光体转变为马氏体加残余奥氏体。 氩弧焊接试验结果表明：( 1 ) f e - v c 复合材料焊缝、焊缝4 5 。钢界面实现 了良好的冶金结合，拉伸试样的断口位置都在复合材料的焊接热影响区，满足 异种金属的焊接要求，其抗拉强度在1 8 0 m p a 左右。( 2 ) 在焊缝区域，各元素的 含量呈梯度分布，其显微硬度的大小与v c 的含量多少一致。分析拉伸试样的断 口属于脆性准解理断口。( 3 ) 热影响区v c 的颗粒大小与复合材料母材中的v c 颗粒大小一致。 钎焊试验结果表明：( 1 ) 在钎焊正交试验中，焊接工艺对钎焊强度的影响 显著程度依次为：钎料厚度、钎焊温度、保温时间和搭接长度。( 2 ) 在铜与复 合材料的界面，铜的边缘呈不规则的锯齿状。( 3 ) 当铜熔化时，在铜与铁接触 的界面形成铜铁固溶体，进而形成牢固的钎焊接头，其剪切强度在1 7 0 m p a 2 皇右， 断裂位置在复合材料侧。 实验结果表明：( 1 ) 当稀土含量为0 2 1 ，镍含量为3 ，在1 2 0 0 烧结时， 可以得到具有较高密度和硬度的铁基复合材料，其基体组织为马氏体加残余奥 氏体，增强相为颗粒细小的v c 硬质相。( 2 ) 氩弧焊焊接试验所采用的工艺是合 适的，没有造成复合材料的开裂、及v c 颗粒长大的现象。( 3 ) 较为优化的钎焊 工艺为：钎料铜箔的厚度为0 4 r a m ，钎焊温度为1 1 0 0 1 2 ，保温时间为l o m i n ，搭 接长度为1 3 m 。 关键词：f e - v c 复合材料；4 5 钢；粉末冶金；原位合成；真空钎焊； 钨极氩弧焊； a b s t r a c t s t u d yo np r e p a r a t i o na n dw e l d a b i l i t yo ff e _ v c c o m p o s i t e s m a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：y a n gt i n g g u i s u p e r v i $ o r ：g a n gy i s a n w i t hg r a d u a l l ye x h a u s t i n go fwa n dc or e s o u r c e s ，i ti ss i g n i f i c a n t t os t u d yo nan e wv cc a r b i d et or e i n f o r c ei r o nm a t i xc o m p o s i t e sb e c a u s e t h ea b u n d a n tv a n a d i u m - t i t a n i u mr e s o u r c e si ns i c h u a np a n x ia r e a i nt h er e c e n ty e a r s ，m a n yp a p e r so fv cp a r t i c l e sr e i n f o r c e df em a t r i x c o m p o s i t e sp r o d u c e db yc a s t i n gt e c h n i q u eh a v eb e e nr e p o r t e d i nt h i s p a p e r ，an e wi ns i t up o w d e rm e t a l l u r g yt e c h n i q u ew a sd e v e l o p e dt op r o d u c e f e _ v cc o m p o s i t e s i no r d e rt oi m p r o v et h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s o ft h ef e v cc o m p o s i t e s 。n i 、c r 、m aa l l o ye l e m e n t sw e r ea d d e di n t ot h i s s y s t e mt h ee f f e c to fr ea n dn ic o n t e n t so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o ff e v cc o m p o s i t ew e r e i n v e s t i g a t e dw i t h d i f f e r e n tc o m p o n e n t s a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dw e l d i n g p r o c e s s ，t h ef e v cc o m p o s i t ew a sp r e p a r e da saw e l d i n gm a t e r i a l t h ef e v c c o m p o s i t ea n d4 5s t e e lw e r ew e l d e db yt u n g s t e ni n e r tg a sw e l d i n g ( t i g ) w i t ha na u s t e n i t i cs t a i n l e s sw e l d i n gw i r e ( e r 3 0 9 l ) a sf i l l e rm e t a l f e - v c c o m p o s i t ea n d4 5s t e e lw e r e v a c c u mb r a z e dw i t hp u r ec o p p e ra sf i l l e rm e t a l ， t h ep r e f e r a b l eb r a z i n gt e c h n o l o g yi sa s c e r t a i n e dw i t ho r t h o g o n a lt e s t m i c r o s t r u c t u r e so ft h ec o m p o s i t e sa n dt h ew e l d i n gj o i n ta r ea n a l y z e di n t h em e a n so fs c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s n o ，e l e c t r o n i cp r o b e m i c r o a n a l y s i s ( e p i l l a ) a n dx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，a n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ff e v cc o m p o s i t e sa n dt h ew e l d i n gj o i n tw a st e s t e d i 四川大学硕士学位论文 t h er e s u l t so fm i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so ff e v cc o m p o s i t e sw e r e i n d i c a t e d ：( 1 ) t h e w e t t a b i l i t y o f f e v c p a r t i c l e si n t e r f a c e w a se n h a n c e d b yr ea d d i t i o nd u et or eb e i n ga b l et op u r i f yt h es u r f a c eo fc r y s t a la n d c o n t r i b u t et os i n t e r h o w e v e r t h ee x c e s s i v ec o n t e n to fr ec a ni n c r e a s e p o r o s i t yi nt h em i c r o s t r u c t u r e sa n dc o a r s e nt h ev cp a r t i c l e s ，w h i c hi s u n f a v o r a b l ef o rs i n t e r i n gd e n s i f i c a t i o n ( 2 ) t h ew e t t a b i l i t yo ff e v c p a r t i c l e si n t e r f a c e i si n c r e a s e dw i t hn ia d d i t i o n 。f e - v cc o m p o s i t e s b e c o m em o r ed e n s i f i c a t i o nb e c a u s en ic a ni n d u c el i q u i dp h a s ea tt h e s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ( 3 ) t h em a t r i xo ff e v cc o m p o s i t ei st r a n s f o r m e d f r o mp e a r l i t ei n t om a r t e n s i t ea n dr e m a i n e da u s t e n i t eg r a d u a l l yw i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ec o n t e n to fa l l o ye l e m e n t s t h er e s u l t so ff e v cc o m p o s i t ea n d4 5s t e e lt i gw e l d i n gw e r ei n d i c a t e d ( 1 ) f e - v cc o m p o s i t ea n d4 5s t e e ld i s p l a y e de x c e l l e n tm e t a l l u r g yb o n d i n g t h ec r a c k i n gz o n e so ft e n s i l es a m p l e sw e r el o c a t e da tt h ec o m p o s i t es i d e a n di t st e n s i l es t r e n g t hi sa b o u t1 8 0 m p a 。w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ea p p l i e d w e l d i n gm e t h o di sr e l i a b l e ( 2 ) t h ea l l o ye l e m e n t si nt h ew e l dt o o ko n g r a d i e n td i s t r i b u t i o na n dt h em i c r o - h a r d n e s si nw e l dc h a n g e dw i t ht h e a m o u n to fv cp a r t i c l e s f o u r t h e r m o r e ，t h es t r u c t u r e so ff r a t u r et e n s i l e e x h i b i t e db r i t t l e n e s sq u a s i c l e a v a g ef r a t u r e ( 3 ) t h es i z e so fv c p a r t i c l e si nh e a ta f f e c t e dz o n e w e r es i m i l a rt ot h o s eo ff e v cc o m p o s i t e s u b s t r a t e t h er e s u l t so fv a c c u mb r a z i n gf e v cc o m p o s i t ea n d4 5s t e e lw e r e i n d i c a t e d ：( 1 ) t h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r ys e q u e n c ea f f e c t i n gs h e a rs t r e n g t h i st h i c k n e s so ff i l l e rm e t a l ，b r a z i n gt e m p e r a t u r e ，h e r m o s t a t i ct i m ea n d l a pj o i n tl e n t h ( 2 ) t h ef r i g eo fc ui ss h a p e ds e r r a t i o na tt h ei n t e r f a c e b e t w e e nf e v cc o m p o s i t ea n d4 5s t e e l ( 3 ) c u f es o l i ds o l u t i o ni sf o r m e d b yi n t e rd i f f u l s i o nc ua n df ed u r i n gs i n t e r i n g ，t h es h e a rs t r e n g t ho f b r a z i n gj o i n ti sa b o u t1 7 0 m p a ，t h ec r a c k i n gz o n e so ft e n s i l es a m p l e sw e r e l o c a t e da tt h ec o m p o s i t es i d e a b s t r a c t t h er e s u l t so ft e s t ss h o w ：( 1 ) f e v cc o m p o s i t ec o n t a i n i n g1 3 i im v cp a r t i c u l a t e sd i s p e r s e dt h r o u g h o u tm a r t e n s i t ea n da u s t e n i t em a t r i x ， a n de x c e l l e n td e n s i f i c i t i o na n dh i g hh a r d n e s sw e r eo b t a i n e db yl i q u i d s i n t e r i n ga t1 2 0 0 t h ea d d i t i o no f0 2 1 r ea n d3 n ia r et h eo p t i m a l c o n t e n t st og r e a t l yi m p r o v et h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h e f e v cc o m p o s i t e ( 2 ) t h et e s to ft i gw e l d i n gs h o w e dt h a tt h ea p p l i e d w e l d i n gm e t h o d ，f i l l e rm e t a la n dw e l dp r o c e s sc a ns a t i s f i e dt h ew e l d i n g t e c h n i q u e so ft h e s et w od i f f e r e n tm a t e r i a l s 。i na d d i t i o n ，t h eq u a l i t y o fw e l di sr e l i a b l ea n dt h e r ea r en ol a r g ec r a c k sa n dc o a r s ev cp a r t i c l e s i nt h ef e v cc o m p o s i t e ( 3 ) t h ep r e f e r a b l eb r a z i n gt e c h n o l o g ya r ea s f o l l o w s ：f i l l rm e t a lt h i c k n e s so f0 4 衄，b r a z i n gt e m p e r a t u r eo f1 1 0 0 ， t h e r m o s t a t i ct i m eo f1 0 r a i na n dl a pj o i n tl e n g t ho f1 3 皿 k e y w o r d s ：f e 叫cc o m p o s i t e ：4 5s t e e l ：i n - s i t u ；p o w d e rm e t a l l u r g y t e c h n i q u e ：t i gw e l d i n g ；v a c c u mb r a z i n g 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四j | 大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 指导老师： 至二至 日 期：竺1 2 年l 月竺 学生：趟 日瓤掣月粤 第一章绪论 第一章绪论 1 1 金属基复合材料及其分类 随着现代科学技术的进步，特别是航空航天的高速发展和大规模原子能的 利用、海洋开发等新兴工业的出现，对结构材料提出了越来越高的要求，单一 的金属、陶瓷材料已难以满足应用的需要。近年来金属基复合材料因其具有高 的比强度、比模量、耐磨、耐高温以及热膨胀系数小，尺寸稳定往好等优异的 物理性能和力学性能，引起了世界各国的高度重视。从2 0 世纪印年代开始 对金属基复合材料进行研究以来，美、日、欧洲已取得显著成果，发达国家如 美国、日本等更是将这类材料的研究列为2 l 世纪新材料开发的重点。1 。我国 虽然对金属基复合材料的研究起步较晚，但受到高度重视，已成为近年来高新 技术中新材料研究和开发的重要领域，并取得显著成就0 3 。 金属基复合材料是以金属、金属合金以及金属间化合物为基体，通过加入 高性能的增强纤维、晶须或颗粒，或者通过反应生成增强相而获得的复合材料 “】。金属基复合材料分为连续纤维增强和非连续纤维增强( 包括颗粒、晶须、 短纤维) 两大类，连续纤维增强金属基复合材料主要是利用高强度、高模量、低 密度的碳( 石墨) 纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、金属合金丝等来增 强金属基体从而形成高性能的复合材料。在纤维增强金属基复合材料中，纤维 具有很高的强度、模量，是复合材料的主要承载体；基体金属主要起固定纤维、 传递载荷、部分承载的作用。连续纤维增强金属基复合材料因纤维排布有方向 性，其性能有明显的各向异性，沿纤维轴向上具有高强度、高模量等性能，而 横向性能较差，制造过程难度大，制造成本高。非连续增强金属基复合材料由 短纤维、晶须、颗粒为增强物，增强物在基体中随机分布，其性能是各向同性。 非连续增强物的加入，明显提高了金属的耐磨、耐热性、高温力学性能、弹性 模量、降低了热膨胀系数等。同时非连续增强金属基复合材料制造方法简便， 制造成本低，适合于大批量生产m 。 目前，国内外对金属基复合材料的研究主要集中于铝基、镁基、钛基等轻 金属基复合材料，由于价格高，极大地限制了它的应用，主要应用于航空、航 天等高技术领域。而对铁基复合材料的研究较少，主要是因为钢铁材料熔点高， 1 婴型查堂堡主兰垡丝塞 比重大、比强度小、制造工艺困难等原因。然而，现代工业的发展又迫切需要 在高温、耐磨条件下工作的结构件，如高速线材轧机的辊环和导向轮等：另一 方面，钢铁企业已有的成熟工艺和设备亦推动了人们将复合材料理论应用于钢 铁材料。挖掘钢铁材料的性能，研制开发出性能优良、价格低廉的铁基复合材 料，以适应工业发展的需要，可以给钢铁工业注入新的活力。虽然早在1 9 6 5 年 就有人成功地利用精密铸造定向凝固技术研制出铁基共晶高温合金，可取代贵 重的n i 基高温合金用作涡轮叶片和导向叶片，但真正对铁基复合材料进行规模 性的研究和开发是近十几年才兴起的n 一。由于铁的润湿性等问题，很少采用纤 维浸渍法在液体基体中浸入纤维来制造纤维增强铁基复合材料。故国内外学者 对铁基复合材料的研究和开发的重心放在颗粒增强铁基复合材料上。 1 2 颗粒增强铁基复合材料的制备技术 颗粒增强铁基复合材料由于具有制造成本相对较低，材料各向同性，可二 次加工等优点，其开发和研制日益成为材料科学与工程领域中极为活跃的研究 热点川。目前制备铁金属基复合材料的方法种类繁多，但是归纳起来可以分为 两大类：原位反应合成法和非原位反应合成孵。每种方法具有各自的优缺点， 下面分别进行论述。 1 2 1 原位反应合成法 原位复合的概念来源于原位结晶和原位聚合的概念，早在1 9 7 6 年，前苏联 m e r x h a n o vag 等入在用s h s 法合成t i b 。c u 功能梯度材料时，就提出了原位复 合材料的构想嘲，但当时尚未引起人们重视。直到8 0 年代中后期，美国k a n x i d e 公司和d r e x e l 大学的k o c z a kmj 等人先后报道了各自研制的原位a l 她a l 和 t i c a 1 复合材料及其相应的制备工艺后“”，才真正开始对原位反应复合材料的 大规模研究。 原位反应合成技术的基本原理是在一定条件下，通过元素之间或元素与化 合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度，高弹性模量 的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的。与传统复合工艺相比，该工艺 具有如下特点：( i ) 增强相在基体中通过形核长大生成，具有热力学稳定性； 2 蔓二兰丝丝 ( 2 ) 颗粒增强相表面无污染，由于避免了与基体浸润不良的问题，因而与基体 结合良好；( 3 ) 增强体大小和分布较易控制，并且数量可在较大范围内调整： ( 4 ) 在保持较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹 性模量；( 5 ) 具有工艺简便，成本低的特征，并且可制得形状复杂、尺寸大的 构件。但该工艺也有诸多不足：增强颗粒只限于特定基体中的热力学稳定的粒 子；颗粒大小、形状受形核长大过程的动力学控制，而且工艺性差，制备成本 较现有工艺高o ”。显然，原位合成技术实现产业化的关键是优化工艺，降低生产 成本。目前，国内外研究者在原位颗粒增强铁基复合材料的研究方面，主要有 表面原位复合和整体复合两大类0 4 。 1 2 1 1 整体原位反应合成法 ( 一) 粉末冶金法 颗粒增强铁基复合材料多采用成熟的粉末冶金法来制备，即将增强体与基 体合金粉末混合后冷压或热压烧结，也可用热等静压工艺，制造过程的温度相 对于液相法来说较低，基体与增强物都呈固态，界面反应不严重，产品可做到 少余量或无余量，从而减少机加工，提高材料利用率。作为一种很古老的技术， 粉末冶金之所以能够得以不断发展，是由它的技术特点决定的：粉末冶金工艺 能够将熔点相差很大的元素粉末( 包括金属粉末和非金属粉末) 混合并通过压 制、烧结制成特殊材料，其成分在理论上可以是任意的，烧结温度一般低于原 材料的熔点温度，这样对于基体和增强相的润湿性和相容性的限制就降低了。 并且由于在一定范围内可以任意调整增强相的比例，从而制备出性能更优越的 材料。因此到目前为止粉末冶金法是制备铁基复合材料的主要方法之一。国际 上各发达国家也都相当重视这一技术，粉末冶金工业一直保持着较高的发展速 度。目前用粉末冶金法生产的铁基复合材料主要用于机械零件、轴承、摩擦材 料等。 ( - - ) 原位自蔓延反应合成 自蔓延高温合成法是苏联a g m e r z h a n o v 等人于1 9 6 7 年提出来的，也称为 燃烧合成或自蔓延燃烧，它是利用高放热反应的能量使两种或两种以上物质压 坯的化学反应，自动持续蔓延下去，生成金属陶瓷或金属化合物的方法。它一 般有两种基本的燃烧反应形式：一是在压坯的一端进行强热点火使反应以燃烧 3 璺业查兰堡主堂焦堡壅 波的形式自动蔓延进行；二是以极快的加热速度将压坯加热至燃点，使其以整 体热爆合成反应的形式快速进行，前者主要用于强放热反应体系，如t i b 2 、t i c 等的合成，后者则用于弱放热体系，如b , c 、s i c 等的合成。在金属基复合材料 方面，已制备了原位生长的t i c 、t i b 。、a 1 她和s i c 等粒子增强的a 1 、c u 、n i 、 t i 等复合材料以及金属表面陶瓷涂层复合材料啡蛔该法的优点是：过程简单， 不需要复杂的设备，产品的纯高度，并能获得稳定相和亚稳定相，但其中一个 明显的不足在于所制备的材料多为疏松开裂状态。因此，s h s 致密一体化是 该工艺的一个发展方向。 ( 三) 原位反应铸造法 华中科技大学严有为等n ”将原位反应和铸造法融合在一起，研究了一种新 的制备方法。它是在熔炼过程中，加入合成增强颗粒的合成元素，利用液态铁 基熔液的高温，热爆合成增强基体所需要的颗粒，同时在电磁搅拌的作用下， 使颗粒均匀分散。利用这种工艺很多学者对t i c f e 复合材料及生产工艺进行了 深入的研究。但由于该技术设备昂贵，生产成本高，且不适合于生产形状复杂 的零件，故要真正实现批量生产，还有许多问题有待于研究和解决。 1 2 1 2 表面原住反应合成法 ( 一) 原位铸造烧结法 铸造烧结技术是四川大学王一三教授等渊发明的一种新型制备表面复合材 料的技术，它将配比一定的合金粉末历制成的压坯贴在铸型表面，利用浇注过 程中金属液的热量在压坯中产生巨大的热流密度，引发压坯中高温化学反应， 生成大量的陶瓷颗粒，同时完成压坯的烧结致密化，从而在铸件表面烧结反应 生成表面复合材料。该方法借鉴了铸渗法在浇注过程中原位实现表面复合化这 种简单工艺过程，以及自蔓延高温合成技术的热激发高放热化学反应和粉末冶 金法烧结致密化过程，但它与这些方法之间有着本质的区别，具有自身的本质 特征，与铸渗法相比：铸造烧结法可大大减少粘结剂加入量，同时得到紧实度 和强度相当高的压坯，在很大程度上减少或避免复合层内产生气孔和夹杂等缺 陷，铸件质量得到保证。此外，铸造烧结法的压坯厚度与最终铸件表面复合层 的厚度相当，故复合层的厚度易于控制。因而从根本上克服了铸渗法的致命弱 点。与s h s 技术相比：点火方式有所不同，反应速度较慢，克服了s h s 法过程 4 苎二兰堕堡 中难于控制的缺点，且铸造烧结法可同时实现产品致密化，铸造烧结法的烧结 不同于粉末冶金在恒温、还原气氛甚至真空条件下进行的烧结过程，它是在金 属液凝固过程中进行的，即是在一般的大气气氛下，温度不太高且始终是变化 的，由于金属液处于高温的时间非常有限而烧结时间短，故而烧结机理不同。 根据目前国内实际情况，铸造烧结法是最具有发展潜力的新技术，但由于该技 术起步较晚，其形成机理目前尚不清楚，过程控制还处于凭经验阶段。 ( 二) 表面原位熔覆法 现在激光熔敷是众多制备原位生成颗粒增强金属基复合材料中最经济、有 效的方法之一，工艺方法是利用高能束如激光、聚焦光束、等离子体等将反应 合成粉末热喷涂在金属表面。清华大学张庆茂等“”刎利用合金粉末，加入强碳 化物形成元素通过激光熔敷，对激光熔敷( z r + w c ) f e c s i b r e 合金的组织和性 能进行了研究。扫描电镜观察表明，熔敷层与基体结合良好；颗粒主要以耳c 为主，弥散析出的颗粒直径小于11 1m ，熔敷层硬度在5 0 0 6 0 0 h h ：。 ( 三) 铸渗法 铸渗法是铸件表面合金化的一种方法，即在铸型型壁上涂( 或贴) 覆具有一 定配比的合金粉末膏剂( 也称涂覆层或膏块) ，当浇注成形时，金属液浸透涂科 的毛细孔隙，高温的液态母材金属与合金粉末之间产生强烈热作用( 合金粉末溶 解、熔化或发生化学反应) 并进行物质互渗，以此改变铸件表层的结构和性能。 该方法是在铸件表面原位生成复合层，具有原位反应复合法的优点，因面具有 较大的发展优势，但铸渗法的复合层厚度难以控制是其致命的缺点。 1 2 2 非原位反应合成法 所谓非原位合成技术是指把增强体以一定的方法外加入基体中形成复合材 料的方法，外加增强体法又分为液态法和固态法。液态法包括液态浸渗、真空 压铸、负压铸造、半固态铸造等，是采用铸造的方法制备金属基复合材料的一 种简单常用的方法，即将固态的增强体逐步加入并混合于液态金属中，或将固 态的增强体作成预成型体并浸渗或浸渍液态金属，从而制备得到金属基复合材 料。采用该方法，有界面反应的可能，要求增强体与基体之间必须具有良好的 润湿性，否则容易出现增强体与基体的结合不良，造成界面剥落。 5 婴业查堂堡主堂垡堡苎 目前搅拌混合法和挤压铸造法比较成熟，己具备批量生产的条件。其中对 搅拌混合法工艺进行了大量工作，包括对增强体的表面处理、调整基体合金元 素、采用超声波或施加负压装置等，以期能够改善增强体与基体的结合、减轻 界面反应和改善增强体分布的均匀性。挤压铸造法己普遍使用在金属基复合材 料的小型零部件制造中。此外，从工艺角度来看，无压浸渗法的成本是最低的。 而真空压力浸渍法具有增强体体积分数范围大、制品质量好、以及可以实现近 似无余量成型，特别适合于复杂精密件的制作。因此，这两种方法都属于比较 新颖而有发展前景的工艺 固态法主要包括真空热压扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法等，主 要是采用粉末冶金法将增强体与基体合金粉末混合后冷压或热压烧结，也可用 热等静压工艺来制备得到。制造过程的温度相对于液相法来说较低，基体与增 强物都呈固态，基本上不存在界面反应，质量稳定，增强体体积分数可较高， 且分布均匀，产品可做到少余量或无余量，从而减少机加工，提高材的利用率。 尽管搅拌铸造法的开发取得了令人鼓舞的成果，但仍然存在搅拌过程中陶 瓷颗粒的偏聚、颗粒在液体中的分散和界面反应，以及体积分数还受到一定的 限制等问题。常见的金属一陶瓷的润湿性和相容性都比较差，改变金属一陶瓷润 湿性的研究是近十多年国内外金属基复合材料的研究重点之一。目前改善金属一 陶瓷润湿性的主要方法有；使用涂层技术、提高润湿过程中的温度、采用流体 动力学方法和添加合金元素等。使用涂层技术，效果较好，但工艺复杂，成本 较高。提高温度是改善润湿性的最简单办法，但工艺上明显有局限性，而添加 合金元素则是目前国内外在改善润湿性方面研究和应用最广泛的技术之一。 1 3 颗粒增强铁基复合材料的研究现状 许多试验和理论已经证明衄1 ，金属基复合材料的低塑性和低韧性主要由两 个因素造成：( 1 ) 与增强体有关，如颗粒的团聚、断裂、增强体大小、形状、 分布、增强体与基体界面结合强度；( 2 ) 与基体有关，如基体的内应力状态、 热膨胀系数等，同时，两者相互作用并相互影响，因此合理选择增强颗粒和金 属基体是制备铁基复合材料的关键。目前原位颗粒增强铁基复合材料的增强体 主要是碳化物，其中t i c 因其高强度、高模量以及化学稳定性好等优点，再加 之与铁的润湿性好( 润湿角0 适于全位置焊接；( 5 ) 操作技 术容易且便于实现自动化。 而对于那些焊接时容易氧化的零件，真空钎焊是一个好的连接方式。真空 钎焊具有以下优点嘲：( 1 ) 不用钎剂，显著提高了产品的抗腐蚀性，免除了各 种污染，无公害的处理设备费，有好的安全生产条件；( 2 ) 真空钎焊不仅节省 大量价格昂贵的金属钎剂，而且又不需要复杂的焊剂清洗工序，降低了生产成 本：( 3 ) 真空钎焊钎料的湿润性和流动性良好，可以焊更复杂和狭小通道的器 件，真空钎焊提高了产品的成品率，可以获得坚固清洁的工作面。 4 5 钢是一种广泛使用的机器零件用钢，把4 5 钢与颗粒增强的v c 铁基复合 材料连接起来，这样既耐磨又有一定的韧性，使之能够在某些特殊工况下工作， 所以开展4 5 。钢与颗粒增强的v c 铁基复合材料的焊接研究，具有重大的现实意 义。 1 6 2 本课题研究的创新点 本研究采用粉末冶金、原位内生相结合的方法制备铁基复合材料，克服了 传统方法的不足，很好地解决了润湿性的问题、增强相的分布均匀性问题和增 强相与基体的界面结合等问题，是铁基复合材料制造方法上的创新。 添加合金元素稀土硅铁、镍、钼铁、铬铁，考察合金元素稀土、镍对烧结 材料组织性能的影响。 首次利用t i g 焊和真空钎焊技术对f e - v c 复合材料与4 5 钢进行焊接，为该复 合材料的推广应用提供理论依据。 1 6 3 本课题研究的内容及技术路线 本课题研究的主要内容有： ( 1 ) 研究不同的合金元素对v c 颗粒增强铁基复合材料组织、性能的影响。 ( 2 ) 研究利用t i g 方法焊接复合材料与4 5 钥的可行性，分析各合金元素在连 接界面的扩散过程。 ( 3 ) 研究真空钎焊工艺对焊接接头性能的影响。 1 8 第一章绪论 ( 4 ) 研究钎焊接头的形成机理。 研究技术路线如图1 1 所示。 图1 1 技术路线图 9 四川大学硕士学位论文 第二章f e - v c 复合材料的制备及实验方法 2 1 试样的制备 2 1 1 实验材料的选择及成分配比 2 1 1 1 合金元素的选择 复合材料的性能与基体材料和增强体相有着密切的关系。因此在进行成分 设计时，应根据材料的使用性能和工作条件，选择合适的基体材料和增强体。 同时基体与增强体的润湿程度，基体与增强体是否发生界面反应，也是值得注 意的问题。v c 与铁具有良好的润湿性，高温稳定性好，其显微硬度高达2 8 0 0 m p a ( 硬度介与t i c 和w c 之间) ，是一种很理想的颗粒增强相。课题组对v c 增强 的铁基复合材料材料研究较多，所以其增强相选择以v c 为主的增强颗粒。v c 通常以细小的颗粒状分布于合金基体中，一方面细化晶粒，提高基体合金的强 度和耐磨性；另一方面增加基体的高温持久强度和抗蠕变能力，在铁合金中，v 主要分配于固溶体和碳化物中，在铸态组织中形成初生和二次碳化物，使基体 中含碳量降低，从而提高马氏体的转变温度，有利于铸态马氏体基体组织的形 成。在颗粒增强金属基复合材料中，基体是主要的承载体，起着支撑住硬质颗 粒的作用，以充分发挥硬质颗粒的耐磨作用，若基体组织为马氏体加残余奥氏 体，这样基体组织既有强度又有韧性。对提高复合材料的强度和耐磨性是及其 有利的，在铁基粉末冶金材料中加入稀土可以起到促进烧结、细化颗粒、固溶 强化等作用咖3 ；此外，为了使烧结的复合材料更加致密，在压坯中添加一定量 的n i ，便于在烧结温度下，复合层压坯中能出现一定量的共晶液相，以实现液 相烧结，提高复合材料的致密化程度；尽管碳化钒与铁的润湿性要好于碳化钛 与铁的润湿性，但它的润湿角还不是为o o 。根据资料删在镍中添加少量的铝就 可以使它对t i c 的润湿性由3 0 0 降为o o ，二面角由4 5 0 降为o o 。因此为了改善 增强体与基体的润湿性，在合金粉中添加适量的可能是必要的：铬可以提高 淬透性，强化基体，有利于马氏体基体在复合材料中的形成。这样合金元素稀 土、镍、铬、钼的加入可以进一步强化基体、改善f e 与v c 增强相的润湿性、 降低液相烧结温度，从而促进烧结致密化。 第二章f e - v c 复合材料的制备及实验方法 v c 由于是原位生成的增强颗粒，其质量分数可以在较大范围内进行调节， 从材料的使用性能和开发应用的成本考虑，研究中v 的加入量控制在1 0 4 0 ( t ) 。由于v 是一种非常活泼的金属元素，它很容易被空气中的氧所氧化， 它的制备、储存都有较大的难度，故本研究采用钒铁代替钒的加入。同样从制 备、成本等因素等考虑，稀土硅铁代替稀土、铝铁代替钼的加入。根据资料咖 稀土的加入量不能超过i 2 。采用c r 铁代替c r 的加入。根据资料嘲，c r 的 加入量应控制在1 6 5 以下，钢中c r 的含量不能太多，若大于1 6 6 ，将增加 残余奥氏体的数量，降低硬度及尺寸稳定性，另外c r 的含量过高，还会增加碳 化物的不均匀性，降低钢的韧性和疲劳强度。根据本课题组的经验及参考低合 金钢的化学成分，铝的含量在控制在2 5 以下。要保证在复合层中按设计要求 生成大量的碳化物增强相，在提供足够的c r 、v 等合金元素的同时，还必须提 供足够的c 元素。不过v c 存在一个比较宽的均相区，在均相区中，碳含量会有 所变化。所以真实组成应该由化学式v c 。来代表其非化学计量比组成为好，此 处x 是碳和钒的原子比。对于v c 。来说，在x = o 6 6 - 0 8 8 范围内的碳化钒最常 出现，也最容易被制备得到，为了选择合适的含碳量，本实验采用固定的c v ( 摩尔比) 为1 ：i 。这样既可以保证绝大部分的￥与c 发生反应生成v c ，还可 以使多余的c 与其它合金元素发生反应，如生成c r 、m o 、r e 等的碳化物。为了 2 1 ：堕型查堂堡主兰垡堡壅 在制备过程中，避免由于各种合金粉末表面氧化而在反应中生成夹杂物，同时 能实现压坯的完全烧结，在合金粉末成分中加入一定量的助熔剂。为了考察l i e 、 n i 对复合材料的影响，选择一种最合适的成分配比，实验配制了1 6 种不同的 成分，如表2 1 、2 2 所示。 表2 2 各组份的成份及含量 其中a o 为钒铁合金加石墨；b 。试样是在a o 的基础上，添加了铬和钼两种元素， 考察铬和钼的影响；c 组试样是在b 。的基础上，依次增加镍的含量，考察镍的影 响；d 组试样也是在b 。的基础上，依次增加稀土的含量，考察稀土的影响；根据 c 组、d 组试样的试验结果，发现当稀土含量为0 2 1 ，镍含量为3 时，对复合材 料的组织及性能较为有利，于是在固定稀土含量0 2 1 的基础上，配制e ，e 。试 2 2 墨三! ! ! 竺墨垒塑整塑塑鱼墨壅墼查鲨 样来考察镍的影响；在固定镍含量为3 的基础上，配制e i e 。试样来考察稀土的 影响。试样配制完成后，把这些粉末以及少量的烧结活性剂放入球磨罐中，加 入无水乙醇后置于行星式球磨机中湿混2 4 小时。 2 1 2 工艺参数的确定和实验方法 2 1 2 1 球磨 粉料混合质量和粉料粒度是会金压坯在高温烧结下能否激发化学反应和实 现烧结致密化的关键因素。实践证明合金粉料得到充分混合并具有较小粒度和 均匀颗粒，制得的合金压坯将易于发生化学反应，并且可以降低烧结温度从而 控制晶粒的长大，否则，就可能由于化学反应进行的不完全和致密化不充分而 无法达到预期的目的。 ， 本研究采用机械合金化方法混制粉料并通过控制研磨时间来控制粉料粒度 和混合质量。机械合金化方法就是将两种或两种以上的金属粉末在球磨机内通 过研磨剂之阅的互相碰撞，剪切等作用使磨料在研磨过程中发生塑性变形、冷 焊、研磨的综合过程。为了避免长时间研磨过程中粉料的氧化，采用在混料器 中加入无水乙醇的方法对粉料进行湿混。采用湿法可以防止氧化，使粉料混合 的更均匀将称量好的原料粉末、不锈钢球和工业酒精一起放入伽一i s p 行星球 磨机中以1 8 0