高新金屬材料9:高溫及其他金屬基復合材料

2020年01月13日 9:4 1498次瀏覽 來源:   分類: 新材料前沿   作者:

導讀: 使用溫度≥1000℃的金屬基復合材料可稱為高溫材料,主要是鎳基、鐵基等耐熱合金、金屬間化合基的復合材料,其中,鎳基、鐵基高溫合金基體復合材料較為成熟。制造這類合金的方法有兩種。

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高溫金屬基復合材料

使用溫度≥1000℃的金屬基復合材料可稱為高溫材料,主要是鎳基、鐵基等耐熱合金、金屬間化合基的復合材料,其中,鎳基、鐵基高溫合金基體復合材料較為成熟。制造這類合金的方法有兩種。

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難熔金屬增強型

主要采用鎢、鉬等難熔合金絲作為增強物,鎳或鐵作為基體,采用熱壓擴散結合工藝或粉末冶金法制備。圖1為鎢絲增強高溫合金基復合材料制備航空發動機葉片、導向葉片工藝過程示意圖。

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定向凝固共晶復合材料

定向凝固共晶復合材料又稱原位生成自增強復合材料。選用合適的共晶成分高溫合金,在定向凝固條件下使共晶兩相以層片或纖維狀增強相按單向凝固結晶方向同時有規則地排列生長,以達到增強效果。采用的高溫合金主要有Ni-TaC、Co-TaC、Ni-Cr-AINb系γ-γ′-S型和NI3AI-NI3Nb金屬間化合物型等。

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顆粒增強銅基復合材料

TiB2/Cu復合材料和TiB2陶瓷材料的性能見表1。由所示資料可見,由于Cu的加入,TiB2/Cu復合材料的致密度、抗彎強度和斷裂韌性均有很大提高。由于粘結劑Cu的熔點只有1083℃,在燃燒合成過程中會熔化。熔融Cu在加壓過程中會有效地流入原位生成的TiB2顆粒間隙內,同時對TiB2粒子的重排提供潤滑,因而Cu的添加明顯改變了材料的致密化行為。

純銅及部分高銅合金有優秀的導電與導熱性能,但它們的強度不高,高溫下抗變形能力相當弱,雖然可通過合金化或冷變形提高它們的強度,但導電性和耐熱性卻有較大下降,高強度、高電導率的耐熱銅合金是當前的重要研究課題,研究表明,氧化物彌散強化銅合金的這三項性能可很好地集于一身。

采用內氧化工藝制備的銅基復合材料含0.89%增強物AI2O3,增強物含量與用機械合金化工藝制備的相等。兩種復合材料經燒結、擠壓和冷拔后的性能列于表2。復合材變形率與強度的關系、其硬度與退火溫度的關系分別示于圖2及圖3。由圖可見,用內氧化工藝制備的銅基復合材料的力學性能和耐熱性能優于機械合金化工藝制造的。壓力加工工藝對這兩種復合材料的影響等同,冷加工對它們的電導率幾乎沒有多大影響,但機械合金化材料的電導率明顯大于內氧化復合材料的。

晶須類增強體

晶須是人工培植的細小單晶,這類單晶的組織結構缺陷很少,強度和模量,直徑0.2μm~1μm,長幾十μm??筛鶕瘜W成分將它們分為:陶瓷晶須和金屬晶須。陶瓷晶須包括氧化物(Al2O3、BeO)的和非氧化物的(Si3N4、SiC等),金屬晶須有Cu、Cr、Fe、Ni晶須等,用于金屬基復合材料的晶須為SiC、Al2O3等。晶須制造工藝相當復雜,生產成本遠比顆粒的高,以它們增強的復合材料多用粉末冶金法和擠壓鑄造法制造,復合材料性能大都各向同性。

石墨烯增強體

石墨稀是一種由碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的二維碳納米材料,被譽為新材料之王,擁有最薄、最硬、熱導率最高、電阻率最低、光學特性優異等優勢。2004年10月的一天,英國曼斯特(Manchester)大學海姆(Heim)和團隊成員,在實驗室偶然間斯開粘住石墨片的塑料膠帶,之后不斷重復這一過程,最終得到由單層碳原子構成的二維碳膜,這就是石墨烯。此后,他們專注于此,2009年發現了石墨烯“量子霍爾效應”,并于2010年折桂諾貝爾物理學獎。

目前,中國在石墨烯研究和應用開發最為活躍的國家之一,起著引領作用,在全球石墨烯專利中,中國獲得的占60%以上。初期石墨烯是從高純墨上“剝離”下來的,現在是工業化生產的,即使已能商業化生產,但價格仍較高。

責任編輯:淮金

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