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四川大学硕士学位论文 原位烧结合成( t i ，v ) c f e 复合材料的 微观结构与热处理研究 材料加工工程专业 研究生龚伟指导教师王一三 摘要 颗粒增强钢铁基复合材料能够将陶瓷材料和钢铁材料的优点融为一体，是耐 磨材料、摩擦材料、高温合金及工具材料的理想应用对象。由于原位反应合成法 的一项突出优点是增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面 结合强度高，因此近年来有大量研究集中在原位反应法制备钢铁基复合材料。其 中基于铸造法和s h s 技术的居多，而结合了粉末冶金和原位反应技术优点的原位 烧结技术的报道并不多见。相比之下，原位烧结技术具有如下优点：材料外观好， 无后续加工或后续加工少；可采用液相烧结技术，材料致密化好；增强相体积分 数可以较大；与钎涂技术结合，可制取表面复合材料等优点。因此原位烧结法制 备钢铁基复合材料是一个值得研究的领域。 t i c 和v c 均具有高硬度、高模量、高熔点、热力学稳定性高等特点，因而被 广泛用作复合材料的增强相。此外，钒在钢中常被用来细化钢的组织，提高晶粒 粗化温度，降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性。在热处理中，钒溶入奥 氏体时能增加钢的淬透性，回火时钒延缓马氏体分解，提高钢的回火抗力，更重 要的是，回火时钒有强烈的二次硬化作用。在以往的研究中，多采用t i c 作钢铁 基复合材料的增强相，用v c 作增强相的研究很少。用原位烧结法制备钢铁基复合 材料，并且用t i c 和v c 复相增强的报道更是没有。 因此，本研究综合t i c 、v c 和v 的优点，以钛粉、铁粉、钒铁粉、铬铁粉、 四川大学硕士学位论文 钼铁粉及石墨粉为原料，采用原位烧结技术制备了( t i ，v ) c f e 复合材料，着重对其 微观结构和热处理问题进行了较为系统的研究。 研究发现，t i c f e 、( t i ，v ) c f e 复合材料的最佳烧结温度分别是1 4 2 0 、 1 4 0 0 。烧结所制得的复合材料致密化程度高，t i 和v 反应程度高，无f e c t i 等有 害相存在。f e - t i v - c 反应的动力学过程为：在7 6 5 左右发生钒的碳化反应 f e v + c = v c + a f e ，l1 4 0 4 c 时达至u t i c 反应的着火点反应生成t i c ，在随后的烧结 中，t i c 和v c 形成( t i ，v ) c 固溶体，( t i , v ) c 颗粒在液相中根据g i b b s - t h o m s o n 效应 按照小颗粒不断溶解，大颗粒相应粗化的模式长大。形成( t i ，v ) c 固溶体后，随着 t i 比提高会使( t i ，c 在铁中的溶解度增大，( w i ，v ) c 和基体之间的交互作用增 强。因此( n ，v ) c 增强相颗粒的形态比t i c 规则，随着v t i 比提高，f n ，c 颗粒趋 于球形，并逐渐长大。增强相( t i c 和基体之间存在的交互作用促进了基体的合 金化，改变了基体的名义成分，并提高了增强相颗粒和基体之间的界面结合强度。 t i c f e 、( t i ，v ) c f e 复合材料烧结态基体为珠光体组织。经淬火后材料具有 良好的淬硬性，硬度由烧结态的h r a 8 1 提高到h r a 8 4 8 7 。经适当温度淬火后 形成针状马氏体+ 残余奥氏体+ 硬质相的组织。v 厂r i 比提高则淬硬性提高。 t i c f e 、仃i , v ) c f e 复合材料具有较好的回火稳定性。各试样淬硬性的差别以及 试样囤火稳定性好主要是由于硬质相和基体在烧结和热处理过程中存在交互作 用，敢变了基体中c 和合金元素的含量。口i ，v ) c f e 复合材料在4 5 0 5 5 0 回火 有二砍硬化现象，系弥散析出m 7 c 3 f i e ，c 0 7 c 3 ) 碳化物和“二次淬火”所致。 v 的固溶改变( t i ，v ) c 固溶体的密度，在增强相质量分数不变的情况下，改变 了增强相的体积分数。通过调整v 含量可以调整( t i , v ) c f e 复合材料增强相的形 态、大小及体积分数，进而调整( t i ，v ) c f e 复合材料的机械性能。随着v t i 的提高， 增强相体积分数减小，硬质相颗粒直径增大，复合材料抗弯强度减小。随着v 厂r i 提高，硬质相体积分数下降，耐磨性降低。由于t i c 形态不规则，因l l j ：t i c f e 复合 材料韵抗弯强度和耐磨性并不是最好的。1 0 0 0 淬火后分别经2 5 0 回火和5 0 0 回火韵f r i ，c f e 复合材料耐磨性接近，但比烧结态试样的耐磨性明显提高。因 此，蒜处理是进一步提高( t i ，v ) c f e 复合材料耐磨性的有效手段。 关键词：原位烧结；铁基复合材料；( t i ，v ) c ；微观结构； 热处理； 抗弯强度；磨损 四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nm i c r o s t r u c t u r ea n dh e a t t r e a t m e n to f ( t i ，v ) c f ec o m p o s i t e ss y n t h e s i z e db yi ns i t us i n t e r i n g 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 ：g o n gw e is u p e r v i s o r ：w a n gy i s a n a b s t r a c t p a r t i c l er e i n f o r c o di r o nm a t r i xc o m p o s i t e sp o s s e s s i n gt h ea d v a n t a g e so fs t e e l ( o r i r o n ) m a t r i xa n dc e r a m i cp a r t i c l er e i n f o r c e m e n t sa r et h ei d e a lc h o i c ef o ra p p l i c a t i o n s o f w e a rr e s i s t a n tm a t e r i a l s r e f r a c t o r ya l l o y sa n dt o o lm a t e r i a l s t h em a i na d v a n t a g eo f i ns i t ut e c h n o l o g yi st h a tt h es u r f a c eo f r e i n f o r c e m e n t sg e n e r a t e di ns i t ut e n dt or e m a i n c l e a n ，i e f l e ef r o mg a sa b s o r p t i o n ，o x i d a t i o no ro t h e rd e t r i m e n t a ls u r f a c er e a c t i o na n d t h em a t r i x - r e i n f o r c e m e n t si n t e r f a c eb o n dt h e r e f o r et e n d st ob es t r o n g e r s o ，i nr e c e n t y e a r s ，t h e r eh a sb e e na ni n c r e a s i n gi n t e r e s ti nt h ei ns i t uf o r m a t i o no fi r o n - b a s e d c o m p o s i t e sw i t hc a r b i d er e i n f o r c e m e n t s a m o n gt h e s ei ns i t ut e c h n i q u e sa v a i l a b l e ， s h sa n dc a s t i n gt e c h n o l o g i e sa r ew i d e l yu s e d f e ws t u d i e sh a v eb e e nm a d eo ni ns i t u s i n t c r i n gt op r o d u c ei r o n - b a s e dc o m p o s i t e s c o m p a r e dw i t ho t h e ri ns i t ut e c h n o l o g i e s t h et y p i c a la d v a n t a g e so fi ns i t us i n t e r i n ga r e ：t h es u r f a c eq u a l 时a n dp r e c i s i o no f p r o d u c t sa l eg o o d ；ah i g hv o l u m ef r a c t i o no fs e c o n d - p h a s ep a r t i c l e si na na l l o yc a l lb e o b t a i n e d ；t h er e d u c t i o no fp o r o s i t yi sa c h i e v e dd u r i n gl i q u i dp h a s es i n t e r i n g t e c h n o l o g y ；c o m b i n e dw i t hb r a z ec o a t i n gt e c h n o l o g yt h ec o m p o s i t ec o a t i n gc a nb e p r o d u c e d b o t ho ft i t a n i u mc a r b i d e ( t i c ) a n dv a n a d i u mc a r b i d e ( v c ) h a v i n gc h a r a c t e r i s t i co f h i g hh a r d n e s s ，t h e r m o d y n a m i c ss t a l e n e s sa l ef r e q u e n t l yc h o s e nf o rt h er e i n f o r c e p a r t i c l e so f i r o nm a t r i xc o m p o s i t e s m o r e o v e r , a d d i t i o n so f v a n a d i u mi n t os t e e lc a nb e 四川大学硕士学位论文 e x p e c t e dt om i n i s hm a t r i xc r y s t a lg r a i n s ，i m p r o v eh a r d e n a b i l i t y a n dr e s i s t a n c et o t e m p e r i n go rr e s u l ti nt e m p e rh a r d e n i n g h e n c e ，i nt h i sp a p e r ( t i ，v ) c r ec o m p o s i t e s w e r ep r o d u c e db yi ns i t us i n t e r i n go fm i x e dt i t a n i u mp o w d e f ，f e r r o v a n a d i u mp o w d e r , c a r b o np o w d e r , m o l y b d e n u m i r o np o w d e r , e r r o c h r o m i u mp o w d e ra n di r o np o w d e r t h ei n t e n t i o no ft h es t i l d yi st ob r i n gi n t op l a yt h es t r o n g p o i n to ft h ep r o d u c t i o nr o u t e a n dt h a to ft i c ，v cm e t a lc e r a m i ct os y n t h e s i z eh i g hp e r f o r m a n c ea n di n e x p e n s i v e f f i ，v ) c f ec o m p o s i t e s t h ea i m so ft h es t u d yi st or e v e a lt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ef r i ，v ) c f ec o m p o s i t e s ， a s s e s st h eh e a t - t r e a t a b i l i t y , i n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo f v a n a d i u mo nt h em i c r o s t r u c t u r e , h e a tt r e a t m e n ta n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s t h e s t u d yr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 1 1 eo p t i m a ls i n t e r i n gt e m p e r a t u r ef o rt i c r e ，( t i ，v ) c f ec o m p o s i t e si s1 4 2 0 c ， 1 4 0 0 ，r e s p e c t i v e l y t h es i n t e r i n gt i m eo ft i c r eo rf f i ，v ) c f ec o m p o s i t e si s f o rl h o u r t h ec o m p l e t er e a c t i o nc a nb ec a r r i e do u ti nt h ec o u r s eo fs i n t e r i n g t h e r ei sn o r e s i d u a lc a r b o n ，t i t a n i u m ，v a n a d i u ma n di m p u r i t yp h a s es u c ha st i f e ，t i f e 2e x i s ti nt h e x r d p a t t e r n so f f i n a lp r o d u c t s t h er e a c t i o nd y n a m i cp r o c e s so f f e - t i - v cs y s t e m i s ： f i r s t ，f o r m a t i o no f v c a t7 6 5 ；s e c o n d ，f o r m a t i o no f t i ca t1 1 4 0 4 c ；t h i r d ，w i 也t h e i n c r e a s eo fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，( t i ，v ) cs o l i ds o l u t i o nf o r m a t i o n f i n a l l y , t h et i c ( t i ，v ) cp a r t i c l e sc o n t i n u e t o g r o wd u r i n gl i q u i ds i n t e r i n gb yg i b b s t h o m s o n m e c h a n i s m w i t ht h ei n c r e a s eo fv ，r ia t o m i cr a t i o ，t h ed i s s o l v a b i l i t yo f ( t i m cp a r t i c l e si nf e i n c r e a s e ，a n dt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e n ( t i ，v 3 l ca n di r o nm a t r i xb e c o m es t r o n g c r s o ， c o m p a r e dw i t ht i cp a r t i c l e s ，t h e ( t i ，v ) cp a r t i c l e sa s s u l n es p h e r u l i t i cm o r p h o l o g ya n d t e n dt og r o wu p t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e n ( t i ，v ) ca n di r o nm a t r i xc a u s ea ne f f e c t so n t h ec o m p o n e n t so fm a t r i x a d d i t i o n a l l y , t h em a t r i x - r e i n f o r c e m e n t si n t e r f a c eb o n d t e n d st ob es t r o n g e rb e c a u s eo ft h em e t a l l u r g i c a lb o n d i n gi n t e r f a c er e s u l t e df r o mt h e i n t e r f a c es o l u t i o na n di n t e r - d i f f u s i o no f f e ，v ，t ie r e e l e m e n t s t h em a t r i xm i e r o s t r u c t u r eo ff r i ，c f e ( o rt i c r e ) c o m p o s i t e sa f t e rs i n t e r i n gi s c o m p o s e do fp e a r l i t ea n dm 3 cp l u sm 7 c 3c a r b i d e s u n d e rt h ep r o p e rq u e n c h i n g t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ，t h e m i c r o s t r u e t u r eo ft h e c o m p o s i t e sc h a n g e s t ot h e 四川大学硕士学位论文 n e e d l e t y p em a r t e n s i t ea n dr e s i d u a la u s t e n i t ep l u s ( t i ，v ) c ( o rt i c ) c a r b i d e s w i t h i n c r e a s eo fv 厂r ia t o m i cr a t i o t h eh a r d e n a b i l i t yo f ( t i , v ) c f ec o m p o s i t e sa f t e r q u e n c h i n gi n c r e a s e i nt h ep r o c e s so fp r o p e rq u e n c h i n gp l u st e m p e ri nt h er a n g eo f 4 5 0 - 5 5 0 t h ec r , ce t c a l l o y i n gd e m e n t ss o l i d - d i s s o l v e di nt h es u p e r s a t u r a t e d a u s t e n i t ep r e c i p i t a t ea s ( c r ，f e ) 7 c 3 t h e r e b yt h er e t a i n e da u s t e n i t et r a n s f o r m si n t o m a r t e n s i t ei nc o o l i n gpr o c e s s ，w h i c hr e s u l t si ns e c o n d a r yh a r d a i n g t h ei n t e r a c t i o n s b e t w e e n ( t i ，ca n di r o nm a t r i xc a u s ev a r i o u se f f e c t so nt h et e m p e r i n gr e s i s t a n c ea n d d i f f e r e n th a r d e n a b i l i t y t h ea m o u n to fv a n a d i u mp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei na f f e c t i n gt h em o r p h o l o g ya n d v o l u m ef r a c t i o no f ( t i ，、厂) cp a r t i c l e sa n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e s w i t ht h ei n c r e a s eo fv 甩a t o m i cr a t i o ，t h ev o l u m ef r a c t i o no f ( t i ，v ) cp a r t i c l e s d e c r e a s e ，t h es i z eo f t h ep a r t i c l e sb e c o m el a r g e t h e r e b yt h eb e n d i n gs t r e n g t ha n dw e a r r e s i s t a n c eo ff f i ，v ) c f ec o m p o s i t e sd e c r e a s e a l t h o u g ht h ev o l u m ef r a c t i o no fh a r d p h a s ei sa tt h em o s t ，t h eb e n d i n gs t r e n g t ha n dw e a l r e s i s t a n c e0 ft i o 乳c o m p o s i t e sd o n o tr e a c ht h em a x i m u mb e c a u s et h em o r p h o l o g yo f t h et i cp a r t i c l e si sp o o l t h ew e a rr e s i s t a n c eo f ( t i ，c f ec o m p o s i t e sc a nb ei m p r o v e da f t e rp r o p e rh e a t t r e a t m e n t t h ew e a rr e s i s t a n c ea f t e rq u e n c h i n ga t1 0 0 0 cp l u st e m p e ra t5 0 0 ci s a p p r o x i m a t e l ye q u a lt ot h a ta f t e rq u e n c h i n ga t1 0 0 0 cp l u st e m p e r a t2 5 0 c k e yw o r d s ：i ns i t us i n t e r i n g ；i r o nm a t r i xc o m p o s i t e s ；( t i ，c ；m i c r o s t m c t u r e ；h e a t t r e a t m e n t ；b e n d i n gs t r e n g t h ；w e a r v 四川大学硕士学位论文 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 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学 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川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：至上 日 期：坦2 i ! 耻坐 粒一 生 期 学 日 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 l 。l 金属基复合材料及研究 复合材料是将两种或两种以上性质截然不向的物质加以优化组成的新材料。 金属基复合材料( i 胁l c s ) 是由连续的金属与合金基体和增强体构成“1 。增强体一 般是具有高强度、高模量的非金属材料，如碳纤维、硼纤维和陶瓷材料等。金属 基复合构料具有一系列与金属性能相似的优点，如兼有高强度、高弹性模量、高 韧性，热冲击敏感性低、表面缺陷敏感性低，导电导热性能好等。不同金属与合 金基体和不同增强体的优化组合，可使金属基复合材料具有各种特殊性能和优异 的综合性能。与合金和聚合物相比，金属基复合材料性能特点有：高比强度、高 模量、高韧性、高导热导电性、膨胀系数小、耐磨性好，高温强度高，表面稳定 性好等。 金属基复合材料的实际研究始于2 0 世纪2 0 年代关于铝氧化铝粉末烧结工 作，2 0 世纪6 0 年代，集中研究用纤维强化的连续纤维增强金属基复合材料，8 0 年代以来，发展了非连续强化的金属基复合材料。 目前用做金属基复合材料基体的种类有铝基、镁基、钛基、铜基等多种。上 述几种应用较成熟，增强体类型有连续纤维、短纤维和晶须、颗粒。 1 1 ，1 金属基复合材料基体的选择 基体金属的选择对金属基复合材料的使用性能有着举足轻重的作用，既要考 虑基体的力学、物理、化学性质及其与增强体的相容性，又要考虑工作环境。比 如，在航天与航空工程中，要求高比强度、高比模量和尺寸稳定性，必须选择体 积质量小的金属与合金作为基休，如镁合金和铝合金。汽车发动机中，工作温度 高，要有高温强度、抗气体腐蚀、耐磨、导热等，工作温度在4 5 0 c 以下可选取 铝、镁合金，更高的工作温度则选取钛基、镍基、不锈钢等。正是由于具体工程 实际的需要和基体金属的物理、化学性能的原因，目前，国内外对金属基复合材 料的开发与研究的重心主要集中在轻金属基复合材料上，如镁基、铝基和钛基复 合材料。然而，由于铁、铜、铅等熔点高、比重大、比强度小、制造工艺困难等 四川大学硕士学位论文 原因，对铁、铜、铅等重金属基复合材料的研究相对较少。 1 1 1 1 铝基复合材料 铝基复合材料具有耐磨性好、强度高、导热系数较高等优点，再加之对其研 究开发起步较早，如前面所述，目前在航天、航空、汽车工业等行业得到了较为 广泛的应用。硼纤维铝基复合材料已用于制造航天飞机中部的货航析架，美国 已用真空压力浸渍法进行s i c ，a t 封装器件的小批量生产，而国内也开始用无压 浸渍法进行此类封装材料的试验；德国已用s i c 颗粒增强铝基复合材料作为高 速列车的刹车部件，使用效果很好，且明显降低了车厢的重量。 1 1 1 2 镁基复合材料 由于镁合金具有良好的物理性能、密度低、比刚度和比强度高，作为复合材 料的基体得到广泛应用。与普通镁合金相比，s i c 颗粒增强镁基复合材料的密度 低至2 o 2 1 9 c m 3 ，而机械性能提高3 0 4 0 。镁基复合材料在航天技术方面得 到了应用，其中石墨纤维镁基复合材料已用于空间动力回收系统的构件和各种 卫星上的天线结构。1 。 1 1 1 3 钛基复合材料 钛基复合材料通常采用粉末冶金。1 和s h s 技术获得，其机械性能明显优于 烧结钛，高温机械性能优于耐热钢。该材料在航空工业得到一定的应用，可采用 s i c 纤维钛复合材料来制造先进燃气涡轮发动机，以提高其结构稳定性。1 。 1 1 1 4 钢( 铁) 基复合材料 钢具有很高的强度，同时又有很好的韧性，且价格便宜，应用面广。钢基复 合材料就是在钢的基体上均匀分布增强相而得到的复合材料。但是由于钢的熔点 高，难以实现像有色金属那样的机械搅拌、熔液密度大以及常用陶瓷颗粒易偏聚 等问题，使钢基复合材料的研究甚少，发展缓慢。 1 1 2 金属基复合材料增强体的选择 增强体在金属基复合材料中起着提高材料强度、模量、高温强度、耐磨性等 2 四川大学硕士学位论文 作用。根据其形态主要有连续长纤维、短纤维、晶须、颗粒等。 1 1 2 1 连续纤维 连续纤维长度很长，沿其轴向有很高的强度和弹性模量。根据其化学组成， 可分为碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和氮化硅纤维。纤维的直径为5 6 1 4 1 1 m 通常组成束丝使用。硼纤维、碳化硅纤维的直径为9 5 1 4 0 1 x m ，以单丝使用。 1 1 2 2 晶须 晶须是在人工控制条件下长成的小单晶。由于晶体缺陷很少，其强度接近完 整晶体的理论值，可明显提高复合材料的强度和弹件模量。金属基复合材料常用 的晶须有碳化硅、氧化铝、氮化硅、硼酸铝晶须。制备方法主要是化学气相法。 1 1 2 3 颗粒 金属基复合材料用的颗粒增强体，是选用现有的陶瓷颗粒材料，主要有氧化 铝( a i z o s ) 、碳化硅( s i c ) 、碳化钨( w c ) ，氮化硅( s i ：。) 、碳化钛( t i c ) 、硼化钛 ( t i b ：) 、碳化硼( b 正) 及氧化钇( y , 0 。) 等。陶瓷颗粒具有高强度、高弹性模量、高 硬度、耐热等优点。陶瓷颗粒呈细粉状，尺寸小于5 0 岫，一般在1 0 1 j 1 _ n 以下。 由于连续纤维增强的a 函l c s 必须先制成复合丝或复合片等先驱体，工艺复杂而 成本高，因此除极少量有特殊要求的零件采用外，目前尚看不到有扩大应用的可 能性。而用于增强体的陶瓷颗粒成本低廉，易于批量生产，从而刺激了颗粒增强 金属复合材料生产技术的发展。金属基复合材料被誉为2 1 世纪的材料，其中短 纤维或陶瓷颗粒增强金属基复合材料( p l n c ) 更具有吸引力阳1 。 1 1 3 颗粒增强金属基复合材料的制备 目前制造金属基颗粒复合材料的方法很多，在制造过程中合金基体可以是液 相，也可以是固体粉末。但如果按增强体的引入方式不同，则制备方法可以简单 地分为两大类，即外加增强颗粒法和原位自生增强体法删。 1 1 3 1 外加增强颗粒金属基复合材料的制备方法 ( 一) 粉末冶金法 3 四川大学硕士学位论文 粉末冶金法是最早开发用于制备金属基颗粒复合材料的工艺，该工艺先将增 强体和基体粉末混合均匀，经压制、烧结及后续处理等工序制成产品。与铸造法 相比，因为温度低，界面反应大大减弱，增强体粒度和体积比可以大范围调整， 增强体的选择余地较大，烧结后可经过进一步的挤、锻或热等静压处理提高致密 化和复合材料性能。为了提高混合粉末的压制性和烧结收缩率，提高烧结坯的 致密性，可以在合金中添加较多的液相烧结组元。常用的增强体有s i c ，t i c ，t i b ， t i b 。等。 ( 二) 铸造法 搅拌铸造法 目前，所采用的有液态机械搅拌法及半固态机械搅拌法。液态机械搅拌法 是通过搅拌器的旋转运动使增强材料均匀分布在液体中，然后浇注成型。此法 所用设备简单，操作方便，但增强颗粒不易与基体材料混合均匀，且材料的吸 气较严重。半固态搅拌法是利用合金在固液温度区间经搅拌后得到的流变性质， 将增强颗粒搅入半固态熔液中，依靠半固态金属的粘性阻止增强颗粒因密度差 而浮沉来制备复合材料。该法能获得增强颗粒均匀分布的复合材料，但是只适应 于有固液相温度区间的基体合金材料。工艺中需要注意的是金属熔体的温度应使 熔体达到3 0 5 0 ，而且搅拌速度应不产生湍流以防止空气进入，并使熔体中枝 晶破碎形成固相颗粒，降低熔体的粘度以利增强颗粒的加入。 正压铸造法 按加压方式分为挤压铸造和离心铸造。挤压铸造是按零件的形状制作增强物 预制块，将预制块放入铸型，在重力下浇入液态金属或合金，液体在压头作用下 渗入预制块。国内曾采用此法制备出增强物分布均匀、组织致密、无缺陷的a 卜 石墨复合材料及铸件。离心铸造法是在离心作用下将金属液体渗入增强材料间隙 形成复合材料的一种方法。日本松下润二采用离心铸造法制造出a i s i 基石墨增 强复合材料咖。王溪等用离心铸造法也制备出了w c j f e - n i 钢基复合材料，研究 了w c , 与钢基体之间的界面反应及反应产物，考察了w c p 尺寸对界面形态的影响“”。 挤压铸造法工艺优点是：工艺较简单，生产周期短，设备投资较少，有降低 成本的可能性，能实现近似无余量成型，理可较高，界面反应不严重；缺点是： 4 四川大学硕士学位论文 需先制成预成型体，预成型体对产品质量影响很大，模具造价较高。离心铸造法 存在颗粒分布不均的缺点。 负压铸造法 该法可分为真空吸铸法和自浸透法。这两种方法都需要采用预制体。真空吸 铸法是将预制体放入铸型后，将铸型一端浸入金属液中，而将铸型的另一端接真 空装置，使液态合金吸入预制体内的一种方法。北京航空材料研究所用此法生产 s i c a 1 复合棒材取得成功i 自渗透法原理是破坏金属液体表面的氧化层以改善液 体与增强颗粒的浸润性，借助预制体内的毛细管力作用使金属液体引入增强材料 间隙。 ( 三) 逐步熔融凝固法 逐步熔融凝固法又称增分熔融凝固法，是近年来提出的，它是基于感应加 热熔融及定向凝固原理开发的一种金属材料成形和加工的新方法。这种方法是向 非电磁屏蔽的成形模内连续提供颗粒或粉末状的导电性材料，在模外施以感应加 热，使原材料在模的底部开始熔化，并通过成形模与加热源的相对移动使熔融 区保持一个较窄的范围。离开加热源区域的熔体在填充模腔的情况下逐渐凝固， 熔融区由上部提供的原材料的逐渐熔化而维持其所需的量，即熔融和凝固在成形 模内自上而下逐步进行，达到成形和加工的目的。王军等人用逐步熔融凝固加 工技术制备w c 增强6 5 m n 钢金属基复合材料，研究了不同电源功率和不同模具下 降速率对增强相w c 颗粒的分布状况和力学性能的影响n 1 1 。 1 1 3 2 原位自生增强颗粒金属基复合材料的制备方法 在金属基复合材料的制备过程中，往往会遇到增强体与金属基体之间的相容 性问题，即增强体与金属基体的润湿性要求。由于外加颗粒表面污染造成基体与 颗粒湿润困难，同时，无论是固相法还是液相法，增强体与金属基体之间都存在 有界面反应，这些都影响到金属基复合材料在高温制备时和高温应用时的性能和 稳定性。原位法制各颗粒增强m 婀s 由于增强体颗粒是原位生成，避免了颗粒表 面的污染，从而改善了颗粒与基体金属的湿润性，并可望降低复合材料的生产成 本。因而原位法一经问世，便引起了人们越来越广泛的兴趣。 5 四川大学硕士学位论文 原位复合的概念起源于凝固过程中的原位结晶，经过十几年的发展，原位法 已经有了很大的进展。根据增强体颗粒生成方式的不同，原位法可分为原位凝固 自生法和原位反应合成法。 ( - - ) 原位凝固自生法 原位凝固自生复合材料主要是利用合金凝固过程中的相交规律，形成第二相 ( 增强相) 粒子，从而达到增强的目的。如传统的a 1 m g s i 合金中，一直利用m g , s i 时 效析出相作为强化相，但一旦形成大尺寸形状不规则的颗粒，合金机械性能将严 重下降。通过控制其中高m g 、s i 含量，使m 9 2 s i 颗粒在凝固过程中原位生成，可 制备出强化效果显著的a 1 m 9 2 s i s i 颗粒增强复合材料“”。但原位凝固自生复合 材料制备过程一般需要应用定向凝固方法，因而制备工艺较复杂“。 ( 二) 原位反应合成法 原位反应法即通常所说的原位法，其基本原理是通过化学反应来生成颗粒细 小、热力学稳定的增强体( 陶瓷) 颗粒。主要方法有x 矿法、v l s 法、自蔓延高 温合成( s h s ) 法、接触反应法、固一液反应法、混合盐反应法、直接氧化法等。 1 ) x d t m 法该技术是由m a r t i nm a r i e t t a 实验室发明的“q ，它是将两个固态反 应元素粉末和金属基体粉末均匀混合，压实除气后将压坯快速加热到基体金属的 熔点以上温度，两固态元素粉末在熔体介质中产生放热化学反应而生成增强体颗 粒，然后将熔体进行铸造、挤压等加工即可得到颗粒增强俩c s 。 2 ) v l s 法该技术是由k o c z a k 等人发明的颗粒增强m m c s 制备方法“”，其原理 是将含碳( 或含氮) 气体通入高温金属( 或合金) 熔体中，利用气体分解出的碳 ( 或氮) 与熔体中的增强相元素如t i 发生快速化学反应，生成热力学稳定的增强 体颗粒t i c 、t i n 等。 3 ) 自蔓延高温合成法自蔓延高温合成法( s e l f p r o p a g a t i n g h 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 ) 法是前苏联学者m e r z h a n o v 等提出的一种 材料合成新方法“”，是基于放热化学反应的基本原理，利用外部提供必要的能量 诱发局部放热化学反应( 点燃) ，形成化学反应前沿( 燃烧波) ，然后反应利用自 身放出的热量继续向前传播( 自蔓延) ，直到燃烧波蔓延至整个体系，最后合成 所需的材料。它具有节能、速度快、产物纯度高等突出的优点，因而该方法一 6 四川大学硕士学位论文 提出，便引起了广泛的兴趣。然而该方法有一最大的缺点。即产物结构疏松。对 此，m i y a m o t o 等提出了s h s 一加压法，在s h s 过程完成后的瞬间施加外压使产物致 密化“”。因为s h s 反应的温度受基体比例的限制，通常只能制备金属一陶瓷基复 合材料。 4 ) 接触反应法接触反应法是将c ( 或b ) 和t i 等多种元素的粉末预制块用钟罩 加入到一定温度的基体合金熔体中，使反应元素间发生热爆反应，生成t i c ( 或 t i b 。) 等增强体颗粒，搅拌后浇注成形即可得到颗粒增强m m c s 。 5 ) 固一液反应法该方法是将固态c ( 或b ) 元素粉末直接加入到高温合金熔体中， 使c ( 或b ) 与合金熔体中个别增强相元素直接反应而生成增强相颗粒如t i c ( 或 t i b z ) 1 。另外还可利用还原反应原理，将不稳定的化合物( 如c u 、f e ：0 3 等) 粉 末加入到合金( 如a l 合金) 熔体中，使熔体中元素组元与化合物反应而生成更稳 定的增强相( 如a l ：o 。) 粒子。 1 2 颗粒增强铁基复合材料的研究现状 颗粒增强钢( 铁) 基体的机理实际上就是弥散强化，是将所需增强的强化相 以弥散的形态分布于基体中，实现颗粒强化相与基体的优势互补，从而提高基体 的性能。增强相可以为碳化物、氧化物、氮化物以及金属间化合物，基体常常采 用可硬化的低合金钢、工具钢、不锈钢和高速钢。然而，长期以来对颗粒增强钢 ( 铁) 基复合材料的研究相对较少，主要是因为铁的熔点高、密度大、比强小、 制备困难。但是铁基材料具有高强度、良好的韧性、价格便宜、应用面广、机加 工性能好、可焊接、耐腐蚀、可进行热处理、最适宜高应力、高磨损的工况条件 等优势，弥补了传统轻金属复合材料成本高、不耐磨的缺点，因此钢( 铁) 基复 合材料目前已逐渐引起人们的关注。 1 2 1 颗粒增强铁基复合材料增强体类型 1 2 i 1t i c 颗粒增强铁基复合材料 在我国，通过外加增强体颗粒用粉末冶金方法制备的t i c f e 复合材料已实现 商品化，如6 t 3 5 牌号钢结硬质合金。美国a l l o yt e c h n o l o g yi n t e r n a t i o n a l 公 司已经开发了用热等静压法制造的多种牌号f e r r o - t i c 复合材料如：c s - 4 0 是 7 四川大学硕士学位论文 以含2 0 c r 的不锈钢为基体，掺合4 5 v o i t i c 的复合材料，可以用来制造标 准件、阀座和机械密封件。在油下淬火硬度可达h r c 6 3 呦1 。s k 是以含5 o r 的 热作模具钢为基体，含3 5 v o i t i c 的复合材料。它具有很高的横向断裂强度， 可用作工具或承受很高弯曲和拉伸应力的制品。在f e r r o - t i c 复合材料中，它 最易切削加3 - ，并具有好的耐热震性。据报道f e r r o t i c 复合材料在许多磨损 条件下使用，和工具纲相比，寿命提高约2 0 倍。西德蒂森特钢公司也用粉末冶 金法生产了一种铁一钛化物( f e r r o t i t a n t i t ) 复合材料。该材料含4 5 v o i t i c ， 它们均匀分布并镶嵌在高合金钢中。用它制成的模具比莱氏体铬钢寿命提高5 1 0 倍。在供应状态可用普通方法进行车、铣、钻削加工，最后可