（材料加工工程专业论文）网状结构tial金属间化合物增强al基复合材料的研究.pdf

摘要 本课题的研究主要分为三大部分，第一部分是1 f i 甜金属间化合物制备工艺的研 究；第二部分是t i a l 金属间化合物网状预制件的制备工艺研究以及性能检测；第三部 分是网状结构增强的t i a 】舢复合材料的制备工艺研究、骨架和基体的界面分析和性 能测试。旨在通过对这三个部分制备工艺分析和性能测试，研究m l 金属间化合物作 为一种新型增强骨架材料的可行性，找出合适的符合性能要求的网络结构增强 啊a 】a l 复合材料的制备工艺。 首先，选择综合性能良好，已进入实际应用状态的t i _ 4 7 灿2 c r - 2 n b 合金作为要 研究的骨架材料，以高能球磨和真空热处理相结合的方法制备出了具有细小晶粒的双 相烈t i 合金。 其次，采用有机前驱体浸渍烧结工艺制备t t a l 金属间化合物网状预制件。将制各 的t i 触合金在高能球磨机球磨，得到平均粒径约为8 p m 的粉体，加入适量去离子水， 用p v a 作为粘结剂制成浆料，选用聚氨酯泡沫塑料作为浸渍骨架，通过挤压和离心甩 料，将浆料均匀涂挂到泡沫体孔筋上，烘干以后在真空热处理炉中进行烧结。 t t a l 网状结构件的烧结分两阶段进行，即低温阶段和高温阶段。第一阶段在流动 的高纯氩气氛围中进行，从室温至u 6 5 0 ，升温速度为5 0 l l ，6 5 0 保温1 h ，有机 物及p v a 等在该阶段得到缓慢完全的挥发。第二阶段在真空中烧结，从6 5 0 到最高 设定温度，升温速度为2 0 0 h ，在最高温度下保温1 2 0 r a i n ，随炉冷却至室温，得到 结构致密的细晶双态组织的n a j 网络骨架。 在相同烧结工艺条件下，网状预制体的抗压强度随着孔隙率的下降逐渐增加；空 隙率为8 6 5 的t i 舢骨架抗压强度可达0 9 3 m p a ，而孔隙率为9 4 3 时，抗压强度仅为 0 1 m p a ；左右。当烧结温度在1 3 8 0 时，网状预制件具有最佳的烧结效果，既能保持 很高的通孔率又保证了材料具有较高的抗压强度，当超过1 4 0 0 时，抗压强度降低。 本课题采用负压浸渗工艺完成铝液对网状 r t a l 预制体的浸渗。负压条件、t t a l 骨 架的预热温度和浸渗温度是铝熔液对网状预制体浸渗质量影响的重要因素，通过试验 证明，提高熔炼温度和预制体的预热温度有利于铝熔液的润湿，在没有负压的情况下， 即使加热到较高的温度，铝熔液与网状预制体之间仍然难以很好的浸渗。本课题中选 用铝熔液熔炼温度为8 0 0 c ，预制体预热温度为8 0 0 的条件下，负压浸渗获得了最佳 的浸渗效果，铝基体与网状t i a l 预制体骨架界面结合良好。 对瞰l a l 复合材料试样进行线扫描分析，骨架和基体结合良好，在界面处有轻 微的扩散层，因此界面结合包括机械结合和扩散结合，界面结合牢固。 币a 1 a 1 复合材料的干摩擦磨损性能明显优于基体金属，随着n 砧体积分数的增 加，其磨损率降低。网状n 舢在磨损表面形成微凸体起承载作用，减轻了基体的塑性 变化和高温软化，减少了摩擦偶件同基体的接触，降低了粘着磨损，从而有效地降低 了材料的磨损量。 币a l a j 复合材料的抗压缩性能明显高于基体灿，t i a l 网状骨架体积分数占1 3 5 的复合材料抗压缩性能比a l 基体提高约1 8 。 1 f j a l a j 复合材料的热膨胀系数明显低于基体a l 的热膨胀系数，独特网状结构骨 架起到限制作用，t i a l 网状骨架体积分数占1 3 5 的复合材料3 0 0 时的热膨胀系数 为1 9 1 1 1 0 。6 ，明显低于舢基体热膨胀系数2 3 8 7 1 0 咱 c ，降低幅度约为2 0 。 工艺 关键词：m 淞l 复合材料；多孔网状骨架；有机泡沫浸渍烧结工艺；负压浸渗 i i a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei sc o m p o s e do ft h r e ep a r t sg e n e r a l l y t h ef i r s tp a r ti sa b o u tt h ef a b r i c a t i o n o ft i 越a l l o y t h es e c o n dp a r ti sa b o u tf a b r i c a t i o na n dp r o p e r t i e so fn e t w o r kt i a la l l o y t h el a s tp a r tf o c u s e so nt h ei n v e s t i g a t i o no fi n f i l t r a t i o np r o c e s sa n di n t e r f a c ec o m b i n a t i o n o ft ia l a lc o m p o s i t e s t h i sr e s e a r c hm a i n l ya j n l so ns t u d y i n gt h ef e a s i b i l i t yo fn e t w o r k 删a l l o ya sr e i n f o r c e dp h a s ea n dg e t t i n g 啊a 1 a 】c o m p o s i t e s i nt h i sw o r k , a p p r o p r i a t e m a t e r i a l sa n df a b r i c a t i n gp r o c e s sa b o u tt h er e s e a r c hw o u l db ea n a l y z e da n dc o n f i r m e d f i r s t , n _ 4 7 a l - 2 c r - 2 n ba l l o yw a sc h o s e na st h er e t i c u l u mm a t e r i a l i tw a sf a b r i c a t e d b y1 1 i g h e n e r g yb a l lm i l l i n ga n dr e a c t i v es i n t e r i n g t h er e s u l t ss h o wt h a th i g h e n e r g yb a l l m i l l i n gp r o m o t e st h es i n t e r i n gd e n s i f i c a t i o np r o c e s s t h el o n g e rt h em i l l i n gt i m ei s ，t h e h i g h e rt h er e l a t i v ed e n s i t yo f t h ea s - s i n t e r e ds p e c i m e nw i l lb e p o l y m e r i cf o a mr e p l i c a t i o np r o c e s s w a su s e dt of a b r i c a t en e t w o r k 删a l l o y t i - 4 7 灿2 c r - 2 n ba l l o yw a sm i l l e di nh i g h - e n e r g yb a l lm i l lf o rap r o p e rt i m et og e tf i n e p o w d e r sa b o u t8 i n n s o m ep u r ew a t e ri n c l u d i n g2 w t p v aw a su s e da sa g g l o m e r a n ta n d d i s s o l v e n t t h ec o m p o u n da n dw a t e rw e r et h e nm i x e du pu n i f o r m l y t h em i x e ds l u r r y s h o u l db ec o a t e do nt h ep o l y m e r i cs p o n g e se q u a b l yd u r i n gt h ee x t r u s i o na n dc e n t r i f u g a l s w i n g t w os i n t e r i n gs t e p sw e r ec a r r i e do u to r d e r l yt oe n s u r et h eh i g hq u a l i t yo fp o r o u s n e t w o r k t h ef i r s t - s t e p s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e i s6 5 0 ci na r g o na t m o s p h e r ea tw h i c h p o l y m e r i cs p o n g e sa n dp v aw e r ev o l a t i l i z e d t h es e c o n d s t e ps i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei s 1 3 8 0 f o rt w oh o u r s ，a n dt h eh i g hq u a l i t yo f p o r o u sn e t w o r kw a so b t a i n e d t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h et t a ln e t w o r ki n c r e a s e d 、而t 1 1t h ed e c r e a s eo fp o r o s i t y a tt h es a m es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e w h e nt h ep o r o s i t yw a s8 6 5 ，t h ev a l u eo fc o m p r e s s i v e s t r e n g t hw a s0 9 3 m p a , w h i l et h ep o r o s i t yw a s9 4 - 3 ，t h ec o r r e s p o n d i n gv a l u ed e c r e a s e dt o o 1 m p aq u i c k l y t h et e s t i n gr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eb e s ts i n t e r i n gt e m p e r a t u r ei s1 3 8 0 c a tw h i c ht h ep o r o u s 喇a c h i e v e dt h eh i g h e rc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dm a i n t a i n e di t sg o o d o p e nc e l l s a tt h es a m et i m e w h e nt h e s i n t e r i n gt e m p e r a t u r ee x c e e d e d 14 0 0 ， c o m p r e s s i v es t r e n g t hd e c r e a s e d i nt h er e s e a r c h , t h em o l t e na 1c o m p l e t e dt h ei n f i l t r a t i o ni n t ot h ep o r o u st i a la tt h e t r a c t i o no fn e g a t i v ep r e s s u r e t h ee f f e c to fi n f i l t r a t i o nc h a n g e d 、析t l lt h ev a r i a t i o no f e x t e r n a lc o n d i t i o n s i n c r e a s i n gt h em e l t i n gt e m p e r a t u r eo fm o l t e na 1a n dp r e h e a t i n g t e m p e r a t u r ec o u l d h a v ea l la d v a n t a g e de f f e c to nt h ei n f i l t r a t i o n t h ec a s t i n gr e s u l t ss h o w n t h a t ，t h em o l t e na lw a sd i f f i c u l tt ow e t 谢t l ln ms u r f a c ee v e na tt h eh i g h e rt e m p e r a t u r ei f t h e r ew a sn on e g a t i v ep r e s s u r eu n d e rt h em o l t e na 1 i nt h i sr e s e a r c h , t h eb e s te f f e c t i v e n e s s o fi n f i l t r a t i o nw a sa c h i e v e da tt h ec o n d i t i o no f8 0 0 co ft h em o l t e nm e t a l ya n d8 0 0 co f t h ei n f i l t r a t i n gd i e t h ei n t e r f a c eo fa 1 、访mt i a lh a dag o o db o n d i n g l i n es c a n n i n g s p e c t r u mo fd o u b l e - i n t e r p e n e t r a t i n gt i a l a 1c o m p o s i t e ss h o w st h a tt h ea p p a r e n td i f f u s i o n l a y e re x i s t s d r yf r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so ft i a 仇uc o m p o s i t e sa r eb e t t e rt h a nt h em a t r i x m e t a l i t sw e a rr a t i od e c r e a s e dw i t l lt h ei n c r e a s i n go ft i a l t h er e t i c u l a rt i a lr i s e sa n d f u n c t i o n sa sas u s t e n t a t i o ni nf r i c t i o n a lp r o c e s sw h i c hr e d u c e st h eb o d ya l l o y sp l a s t i c d e f o r m a t i o na n dt h eq u a l i t yo fs o f t e ni nh i g ht e m p e r a t u r e ，d e c r e a s e st h ec o n t a c ta r e a b e t w e e nc o m p o s i t e sa n dt h eg r i n d i n gb a l l ，a n di n c r e a s e st h ew e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t y e f f e c t i v e l y t h ec o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o no f 面a l a 】c o m p o s i t e si sa p p a r e n t l yl o w e rt h a n t h a to fm a t r i xa 1b e c a u s ei t sn e t w o r kp l a y sa sal i m i t a t i o n f o re x a m p l e ，t h ec o e f f i c i e n to f t h e r m a le x p a n s i o no ft i a l 胤c o m p o s i t e si s1 9 11x1 0 。6 a tt h et e m p e r a t u r eo f3 0 0 。c ， w h e ni t sr e t i c u l u mv o l u m et a k e su p13 5 i ti so b v i o u s l yl o w e rt h a nm a t r i xa 1w h i c h c o e f f i c i e n to f t h e r m a le x p a n s i o ni s2 3 8 7 x1 0 击 ci nt h es a m ec o n d i t i o n t h ec o m p r e s s i v ec a p a b i l i t yo ft i a f a lc o m p o s i t e si sa p p a r e n t l yh i g h e rt h a nm a t r i xa 1 f o re x a m p l e ，w h e nt h er e t i c u l u mv o l u m eo ft i a m uc o m p o s i t e st a k e su p13 5 ，t h e c o m p r e s s i v es t r e n g t hi sa b o u t18 h i g h e rt h a na 1m a t r i x k e yw o r d s ：t i a f a ic o m p o s i t e s ；n e t w o r k ；p o l y m e r i cf o a mr e p l i c a t i o np r o c e s s ； n e g a t i v ep r e s s u r et r a i l i n gp r o c e s s i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：耋：主要逸日期：勉遂：笸：! 笸 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人 授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：耋_ 玉迭 导师签名：诬日期：互翌签：笸z 1 1 研究背景和意义 1 1 1 金属基复合材料概况 第一章绪论 金属基复合材料是复合材料大家族中的一个重要的分支，其基本特征是以金属或 合金为基体，以另一种或多种材料为增强体而组成的非均质混合物，共同点是具有连 续的金属基体。金属基复合材料具有以下性能特点：( 1 ) 高的比强度和比模量；( 2 ) 良好的导电导热性能；( 3 ) 热膨胀系数小，尺寸稳定性好；( 4 ) 良好的高温性能；( 5 ) 耐磨性好；( 6 ) 良好的疲劳性能和断裂性能；( 7 ) 不吸潮、不老化、气密性好。正是 由于拥有以上诸多优良的综合性能，因此，自出现以来发展非常迅速，目前已成为复 合材料领域的研究热点。 金属基复合材料有着悠久的发展历史，伴随着人类文明的发展，金属基复合材料 也经历了从原始到先进的发展历程。土耳其出土的公元前7 0 0 0 年的铜锥子，在制造过 程中经过反复锤打与拓平，非金属夹杂物被拉长，从而产生了类似纤维增强的效果【l 】。 近代金属基复合材料的研究始于1 9 2 4 年s c h m i t 的关于铝氧化铝粉末烧结的研究工 作，并在以后的几十年中得到了进一步的发展。现代化的金属基复合材料的研究和工 业应用是上世纪六十年代迅速发展起来到【2 】，它的出现弥补了聚合物基复合材料的不 足，如耐热性差，在高真空条件下( 例如太空) 容易释放小分子而污染周围的器件， 以及不能满足材料导电和导热需要等。目前，尽管在制造成本和工艺上仍然存在很多 的问题，但金属基复合材料已经引起人们的高度重视，特别是航空航天部门推进系统 使用的材料，其性能已经达到了极限，因此，研制工作温度更高、比刚度和比强度大 幅度增加的金属基复合材料，已经成为发展高性能结构材料的一个重要方向。 按照增强体的类型不同，金属基复合材料可分为【3 】：1 ) 连续纤维增强金属基复 合材料；2 ) 非连续增强金属基复合材料( 包括颗粒、短纤维、晶须增强金属基复合 材料) ；3 ) 自生增强金属基复合材料( 包括反应自生和定向自生) ；4 ) 层板金属基复 合材料。 1 1 2 铝基复合材料的研究现状 金属基复合材料具有耐高温、耐磨损、导电导热性好、不吸湿、不放气、尺寸稳 定、不老化等许多特点，在航空航天领域占有重要地位，目前已发展的有铝基、镁基、 钛基、高温合金基、铜基等多种材料，其中以铝基发展最快并成为当前金属基复合材 料发展和研究工作的主流。这是因为铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、 热处理性好、制备工艺灵活多样等许多优点【4 5 】。铝基复合材料具有很大的应用潜力， 并且已有部分铝基复合材料成功地进入了商业化生产阶段。 铝基复合材料具有比强度、比模量高的优点，在保证强度指标的同时可以减轻零 部件重量，这在航空航天及汽车制造领域是很有吸引力的。纤维增强铝基复合材料己 被用于制造航天飞机的机身框架、哈勃望远镜的长方形天线支架【6 】、发动机活塞【7 】等 等。非连续增强的铝基复合材料的应用更为广泛，在汽车、电子器件、精密仪器、体 育用品等方而都有成功的应用【8 一。 按增强体的种类不同，铝基复合材料可分为颗粒、晶须、短纤维、连续纤维增强 的金属基复合材料。近年来，利用空间网络结构陶瓷或金属间化合物作为增强体，采 用浸渗技术制备成一种新型的复合材料，已引起了人们的广泛关注【1 0 1 。这种复合材 料以金属为增韧相，以具有网络结构的陶瓷或金属间化合物骨架为增强相，具有三维 连续交叉网络结构，相互缠结和盘绕，互相贯穿和渗透，从而具有高耐磨性、高断裂 强度、高比强度和可控制的电、热性能，在航天航空、汽车、电子、机械制造等工业 领域展示了广泛的应用前景【1 1 】。网络结构增强体具有特殊的空间拓扑结构，与轻质基 体金属有机地结合在一起，形成新型的互联通复合材料，使材料具有轻重量、高比模 量、高比强度、耐磨损、耐疲劳、抗热震、低热膨胀系数等特点。 目前，在制备网络结构增强体时大多采用陶瓷材料，因陶瓷材料具有较高的弹性 模量和相对较低的密度，很高的硬度和良好的耐腐蚀性及耐高温性能，与赳基体复合， 能够明显提高舢基体的某些特殊性能。e p a r r a s m e d ec i g o 和m i p e c h c a n u l t l 2 1 等利 用无压浸渗工艺制备a 1 s i c p 复合材料，探讨了复合材料的微观结构和性能。赵龙志、 曹小明【1 3 】等以空心多孔s i c 泡沫陶瓷为增强体制备了新型复式连通双连续相 2 s i c 3 9 0 a 1 ，具有独特的互穿式界面结构，材料界面结合优异，材料力学性能显著增 强。但是，陶瓷脆性大，热膨胀系数差别大，与舢基体的亲和性差，润湿性差，有时 二者不能有机结合在一起，甚至会恶化合金组织，降低合金性能。 金属间化合物以其低密度、高强度以及良好的耐热性能，成为近年来结构材料研 究中十分活跃的领域。1 f i 触金属间化合物以其密度低、强度高、高温力学性能和抗氧 化性好等特点，成为近年来人们研究开发的热点，是理想的高温结构材料。课题选用 t i a l 金属间化合物作为制各网络结构增强体的材料主要考虑到以下几点： ( 1 ) 密度较小，硬度高，可望制备出具有潜在优势的低密度、高强度的轻型耐 磨结构材料； ( 2 ) 与铝基体润湿性好，8 0 0 时，与铝合金的润湿角几乎为零，与a l 基体亲 和力大、化学相容性好，能够有机地结合在一起，比陶瓷材料具有更大的优越性； ( 3 ) 具有较高的熔点，能够明显提高复合材料高温抗蠕变能力和抗氧化能力， 可望制备出热强性和抗氧化性好的高温甜基复合材料。 基于以上几点因素，开展本课题研究对铝基复合材料性能的改善和提高，以及它 的应用发展都有重要意义。 1 2 连续网状结构增强金属基复合材料制备工艺的研究 连续网状结构增强的金属基复合材料是在2 0 世纪8 0 年代末由日本学者首先提出 并发展起来【1 4 1 ，系用铸造方法在预制的多孔增强骨架中浇入熔融金属而成，其基本 特征是基体与增强相在整个材料中形成各自的三维空间连续网络结构并且互相缠绕 在一起。实际上自然界中大量存在着这种材料，比如骨骼、树木等。在这种复合材料 中，每一种组成相的特性能够被保留，从而为获得具有多功能的复合材料提供了可能。 比如说，增强骨架具有低密度、高弹性模量和高强度的特点，可用来提高耐磨性能或 断裂强度，而金属基体就用来提高导电性或塑性。目前国外主要集中在陶瓷基与聚合 物基复合材料方面，其中对于用金属相来增韧的陶瓷基复合材料，在制备工艺和增韧 机理模型的研究方面人们已经做了比较多的工作【1 5 - 1 8 1 ，它们有时被称作c 4 材料 ( c o - _ c o n t i n u o u sc e r a m i cc o m p o s i t e s ) 1 9 1 。 对于连续网络结构增强金属基复合材料的研究现在还处于起步阶段，国内外的相 关报道比较少，而且相关研究主要以陶瓷作为增强骨架，与传统的复合材料相比，它 3 们具有更高的机械强度和韧性以及耐磨性能【2 0 1 ，显示出网络交叉结构潜在的优势。 根据这种复合材料自身的特点，可用于制作结构较为简单、应用环境复杂、性能要求 高的部件。 目前，制备多孔陶瓷增强金属基复合材料的方法主要是采用熔体浸渗法，即先把 增强相预制成型，然后将基体熔体倾入，在熔体的毛细现象作用下或者一定的压力下 使其浸渗到预制体间隙而达到复合化的目的。主要有压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗 三种方式，一般多采用压力浸渗和负压浸渗。 负压浸渗法制备金属基复合材料主要分为两个阶段，预制件的制备及基体金属浸 渗阶段。要想制备出高性能的金属基复合材料，首先必须制备出高质量的预制件，其 次要采用适当的浸渗条件。 1 2 1 网状预制件的制备工艺 目前研究的多孔预制件材料多数采用陶瓷材料，根据使用目的和对材料性能的要 求不同，近年来逐步开发出了多种网络结构件的制备工艺。 ( 1 ) 添加造孔剂工艺 该工艺是通过在坯料中添加造孔剂，利用造孔剂在坯体中占据一定的空间，经过 烧结后，造孔剂离开基体而形成气孔来制备多孔预制件。采用这种方法可制备出形状 复杂的制品，但是制成品气孔分布的均匀性较差，难以得到高气孔率和通孔率的制品， 因此难以用于金属浸渗用增强体的制备，其孔径大小一般为0 0 1 - - l m m ，孔隙度在o 5 0 之间。 ( 2 ) 有机前驱体浸渍烧蚀工艺 有机前驱体浸渍烧蚀工艺是s c h w a r t z w a l d e r 在1 9 6 3 年发明的【2 1 1 ，其独特之处在于 它凭借有机泡沫体所具有的开孔三维网状骨架的特殊结构，将制备好的料浆均匀的涂 覆在有机泡沫网状体上，干燥后烧掉有机泡沫体而获得一种网眼多孔陶瓷，多孔陶瓷 体的尺寸主要取决于有机泡沫体的尺寸，该工艺是制备高气孔率( 6 0 9 5 ) 和高通 孔率多孔陶瓷的一种有效工艺，工艺简单，成本低，缺点是制品形状受限制，难以制 备形状复杂的陶瓷件。 ( 3 ) 发泡工艺 4 发泡工艺是在陶瓷组分中添加有机或无机化学物质，在处理期间形成挥发性气 体，产生泡沫，经干燥和烧结制成多孔陶瓷，包括网眼型和泡沫型两种多孔陶瓷。与 泡沫浸渍工艺相比，该法更易控制制品的形状、成分和密度，并可制备出各种孔径和 不同形状的多孔陶瓷，特别适合于闭孔陶瓷制品的生产。孔径尺寸一般为0 0 1 - - 2 m m ， 孔隙度为4 0 - - - 9 0 。 ( 4 ) s 0 1 g e l 工艺 s 0 1 g e l 法已成为制备多孔陶瓷的一种非常通用的方法，该法步骤简单，使用范 围广，工艺较成熟，尤其适合微孔薄膜陶瓷的制备。这种方法一般采用无机盐或醇盐 作先驱体，先驱体水解得到溶胶，再在多孔载体上凝结成由m o m 键构成的无机聚 合物凝胶膜，用这种方法制备的多孔材料，孔径可调，经不同后续处理可得到多种性 能不同的多孔材料，但是其生产率低，工艺条件不易控制，制成品孔径尺寸一般为2 1 0 0 i x l m ，孔隙度为0 - - 9 5 。 ( 5 ) g e l c a s t m g i 艺 这种成形技术采用非孔模具，利用料浆内部或少量添加剂的化学反应作用从而使 陶瓷料浆原位凝固形成坯体，获得具有良好微观均匀性和较高密度的素坯，从而显著 提高材料的可靠性。作为制备多孔陶瓷的一种新型方法，悬浮体泡沫化是最经济的， 原位聚合固化形成的素坯具有内部网状结构且强度较高，但是其生产率低，工艺条件 不易控制，制成品孔径可调，孔隙度为0 - - 9 0 。 ( 6 ) 等离子活化烧结工艺 这是一种使电流通过试样制备金属、陶瓷和有机物的新方法。通过控制压力、温 度和直流电脉冲能够制备出多孔材料。 ( 7 ) 反应烧结工艺 反应烧结是粉末混合物发生化学反应的一种烧结工艺，在一些反应烧结工艺中， 坯体的收缩很小有时甚至没有收缩，因此所得制品便是多孔体。利用这种工艺可以进 行没有尺寸变化和收缩的近似网状烧结。 ( 8 ) 热等静压方法 热等静压常用于制备烧结致密材料，它可以消除铸造金属和合金的缺陷。目前的 研究表明热等静压也可以用于制备具有优良性能的多孔材料圈。在高气压条件下， 表面扩散增强引起烧结致密速率降低，表面扩散使颗粒与颗粒之间的颈部增大，表面 积减少，但不引起坯体的明显致密化。热等静压不但可以提高烧结多孔材料的性能， 还可以消除多孔材料中的裂缝和闭孔。热等静压法是提高多孔材料力学性能的有效方 法。该方法制备的多孔材料相对于传统方法不仅孔径分布较窄而且比较对称均匀，流 通渗透性也较高。 ( 9 ) 自蔓延高温合成工艺( s h s ) 用燃烧合成技术制备多孔材料的主要过程是放热反应，化学反应释放出来的热量 维持反应的自我进行，合成新物质的同时获得了所期望的多孔材料，包括具有一定形 状的多孔材料，燃烧合成过程总是伴随着烧结现象，烧结体的孔隙度很高，可以达到 5 0 以上，孔径尺寸较小，一般为0 1 o 5 m m 。s h s 与常规方法相比具有反应快、耗 能少和设备投资小等优点，但是其试样的烧结尺寸难以控制。 采用上述方法均可制备出符合不同需求的多孔材料，但是作为复合材料增强体的 多孔预制体必须保证具有以下几个特点： ( 1 ) 较高的通孔率； ( 2 ) 足够的高温强度； ( 3 ) 与金属或合金熔体具有良好的润湿性； ( 4 ) 满足复合材料基本性能要求； 只有满足上述要求的预制体才能用于金属基复合材料的制备。 1 2 2 网状结构增强金属基复合材料的制备工艺 1 2 2 1 原位反应自发浸渗工艺 在这种方法里，复合材料组成相的一部分或全部在浸渗过程中由液态金属与增强 相发生原位反应或自身分解生成，其特点是反应生成相与复合材料其它相相容性好， 界面结合稳定。 ( 1 ) 氧化法：这种方法的特点是熔融金属浸渗预制件和金属的氧化同时进行， 将预制件放在熔融金属的上面，用氧气或氮气使金属氧化，氧化的结果是在预制件中 生长出与陶瓷金属基体的连接相，制成致密的陶瓷金属复合材料。 ( 2 ) 置换法：预制件与熔融金属在浸渗过程中发生置换反应，从而生成陶瓷 金属基复合材料。 1 2 2 2 挤压铸造法 通过压铸机将液态金属强行压人预制件中，并在压力下凝固，最终制成复合材料， 6 由于采用高压浸渗，克服了增强体与基体不润湿的现象，保证了基体与增强体的连接。 挤压铸造法适合于批量高效率生产中，现已成功地用来制造复合材料活塞，它要求预 制体具有一定的机械强度，避免在液态金属压渗过程中变形甚至坍塌。 1 2 2 3 浸渗法 金属液浸渗法是制备多孔陶瓷增强金属基复合材料的最常用的方法，根据外加压 力的不同又可以分为无压浸渗法和真空压力浸渗法。 ( 1 ) 无压浸渗法：该工艺特点是浸渗过程中不需要外加压力，在预制件孔隙毛 细管力的作用下，熔融金属自发的浸入预制件中，这种方法受到合金成分、浸渗温度、 浸渗时间、大气成分的影响。 ( 2 ) 真空压力浸渗法：该工艺采用高压惰性气体将液态金属压人抽成真空的预 制体中，在内外压力差的作用下凝固生成复合材料，这种方法制备的复合材料组织致 密，是一种适合于批量生产、易于控制、适用性广的制各方法。 南昌航空工业学院的尧军平等采用多孔聚氨酯泡沫塑料浸涂陶瓷浆体，制成坯体 后烧结，制作出孔隙率为近5 5 的通孔率较高的各向同性的三维网络结构。再将z l l 0 2 合金采用压力浸渗技术，在1 0 m p a 压力和6 6 0 , - - 7 0 0 。c 温度下，压渗成陶瓷网络与铝合 金基体组成的复合材料，并研究了其在干摩擦状态下的滑动摩擦磨损行为瞄】。 上海交通大学周伟等利用自蔓延高温合成方法( s h s ) 制备t a l 2 0 3 t i c 多孔连通 网络陶瓷骨架，再进行真空高压浸渗纯a l 熔液获得这种复合材料，对整个制备过程进 行了分析研究【2 4 1 。 合肥工业大学的董盼等采用有机泡沫浸渗法制备s i c 多孔陶瓷骨架，然后将纯金 属趟压渗到骨架中，为了改善压渗效果，还对助渗剂进行研究。结果表明，纯金属 舢可以压渗进入陶瓷骨架中，使用助渗剂可得到更好的效果【2 卯。 上海交通大学的谢贤清等采用非晶碳组成的多孔木质陶瓷为骨架，用真空压力浸 渗工艺制备了w c m s 金属网络互穿结构复合材料，并研究了材料的性甜2 6 1 。 西安交通大学的赵敬忠 2 7 1 ，v a r u z y a nm k e v o r k j i 锄【2 羽，k k o n o p k a m 等采用半干 压后烧结的方法制备出多孔陶瓷预制体，再采用无压浸渗的方法得到陶瓷增强的舢 基复合材料。 n e c a ta l t i n k o k 等采用化学反应形成气孔的方法制备出多孔的a 1 2 0 3 s i c 陶瓷预制 7 体，再在氩气保护下将熔融的舢熔液浸渗到陶瓷预制体中去【3 0 - 3 1 1 。 d i n g f w ul i i a 等利用添加易挥发物产生气孔法制备得到多孔的a 1 n 陶瓷预制体， 再将陶瓷体浸x 至u a l 熔液中，通过自发浸渗得到网络互连的a i n a 1 复合材料 3 2 】。 s f c o r b i na 、x z h a o - j i ea 和h h e n e i n 3 3 】等利用熔融浸渍技术将a l m g 合金 在n 2 气氛下无压渗透到z 帕2 多孔陶瓷预制件中，制备出性能优良的复合材料。合金液 和氧化物预形体的复合时间控制熔渗过程，氧化物的不稳定性主要是由m g 、n 2 气气 氛、z r 0 2 多孔陶瓷预形体的微观结构决定的。 e p a r r a s - m e d e 7c i g o 和m i p e c h c a n u l t 3 4 】等利用无压浸渗工艺制备a 1 s i c p 复合材料，主要研究了熔渗温度、浸渗时间、s i c p 粒径大小、预形体的空隙率和预形 体的层高对制备a 1 s i c p 复合材料的影响。 1 3t 认l 金属间化合物研究现状 t i a l 系金属间化合物由于具有密度小、强度高、高温力学性能和抗氧化性优异 等特点，与其他金属间化合物相比，具有极高的抗氧化性、较高的比熔点、较低的密 度，已成为世界上研究最为热门的结构材料之一【3 5 。7 】。目前正在研究开发的主要有 t i 3 舢( 啦) 、m l ( 丫) 和a 1 3 t i ( t ) ，但其室温塑性和高温强度的不足是其实用化进程 上的主要障碍。现在，人们对t i 3 舢合金的研究已经趋于停止；砧3 t i 因密度最低( 3 3 6 9 c m 3 ) 、比强度最高、高温抗氧化性能最好等特点而特别引人注目，但由于室温塑 性、韧性太低，使它的实际应用受到了限制【3 8 】，只限于在日本、美国和中国等少数 国家进行基础性研究。目前研究的重点主要集中在t i 灿合金上。 1 3 1t i a i 基合金的基本结构和性能 t i a l 基合金的成分范围为：4 5 5 2 a t a 1 ，它的基本相为y n 舢，第二相为a 2 娟3 a 1 。 7 f t a i 属于b e r t h o l l i d 型金属间化合物，其特征是在任何温度下固态均为有序状态，而 且成分可以在一定范围内变化，y n 甜及其固溶体为l 1 0 结构。眈n 3 砧属于k u m a k o v 型金属间化合物。 单相y - n 甜合金晶体为面心四方结构( l 1 0 型) ，晶胞c a 比值为1 0 2 ，晶体对称性低， 滑移系少，且共价键成分大，电子云分布不均匀，无论是单晶还是多晶状态，p n 舢 在室温时均表现出严重的脆性，脆性断裂前几乎不表现任何塑性。n 触基合金的这种 脆性主要与材料本身的结构有关，称为本征脆性。因此，丫t i 舢合金没有工程使用价 8 值。 能够实际应用的t t a i 基合金通常具有双相结构( a 2 竹) ，是在啦! 相区的中间温度 区热处理而得到的组织，热处理温度的选择依据合金成分的不同而有略微变化，通常 为1 2 5 0 1 3 9 0 ，双相组织是一种退火态组织，按组织形态又可分为4 类：( 1 ) 全片层 组织( f u l l yl a m e l l a rm i c r o s t r u c t u r e - f l ) ，由较大的层片状组成；( 2 ) 近片层组织( n e a r l a m e l l a r - n l ) ，由较大的层片块及较细的啦竹等轴晶组成；( 3 ) 近丫组织( n e a r 丫 m i c r o s t r u c t u r e n g ，由粗大的y 等轴晶及较细的a 2 + v 混合组成；( 4 ) 双态组织( d u p l e x m i c r o s t r u c t u r e d u p l e x ) ，为细小的层片块和细小的啦竹等轴晶的混合组织。一般来说 3 9 - 4 2 1 ，双态组织具有最高的延伸率，较高的强度和较低的断裂韧性；全层片组织的延 性和强度都较低，但断裂韧性却较高；而近层片组织具有较高的强度和较好的延性。 1 3 2 提高t i a l 基合金组织强度和韧性的方法 细化组织晶粒是提高n a j 基合金室温延性和强度的重要组织因素。目前制备细晶 t i 舢基合金的方法主要包括：合金化、热处理、热加工和粉末冶金。 1 3 2 1 合金化法 通过合金化来改善- t i a l 金属间化合物室温脆性，是近年来1 f i 舢合金研究的一个 重要方向。目前发展的n 越基合金的成分为t i ( 4 6 - 5 2 ) a t a 1 ( 1 - 1 0 ) a t m ，其中m 为 c r , m n , vm o ，t a 等元素中的一种或几种。合金化法改善n 舢合金室温脆性的基本机 制为：( 1 ) 细化晶粒，以提高合金的延展性；( 2 ) 调控合金显微组织，获得具有较大 体积百分量的细小的全片层组织，以均衡提高t i a j 合金室温拉伸性能和断裂韧性【4 3 】； 净化合金，降低氧、氮等间隙式杂质元素的含量。 近年来，通过添加c 睐改善n 舢金属间化合物室温脆性的研究取得了显著的成 果。添) ) i c r 后，可取代t t a l 点阵中的趾的位置，有助于获得低舢的t 相；同时降低了 啦的稳定性，使片层( 1 2 相变成粒状，形成了新生的细小的丫+ a 2 晶体，因而可显著细 化晶粒 4 4 1 。k i m 3 5 】认为，同时加入n b 和c r 对提高t i 趾合金性能最为有效。 1 3 2 2 热处理工艺 热处理也是针对铸造n 舢基合金的一种细化工艺。目前研究最为广泛的t t a l 基合 金热处理工艺有：淬火回火时效热处理和循环热处理。淬火回火时效热处理工艺 9 的特点是热处理分两步进行，首先，在t a 以上温度进行淬火处理，接着再分别在t a 以上温度、a ) 两相区或者( 丫托2 ) 两相区保温一定时间后再慢速冷却。采用此工艺人 们得到了7 0 2 2 0 肛m 的全层片组织( f l ) 【4 5 。7 】，3 0 - 4 0 “m 的双态组织( d p ) ，和2 5 5 0 l a m 的细 小全层片组织( f f l ) 4 s 】。在此工艺中，淬火阶段得到的块型组织对晶粒细化具有关键 作用，保温时发生的非连续粗