（材料加工工程专业论文）喷射沉积6066alsicp梯度复合材料的制备及致密化工艺研究.pdf

t h e p r e p a r a t i o no f6 0 6 6 a i s i c vg r a d e dc o m p o s i t e su s i n gs p r a y d e p o s i t i o na n ds t u d yo nt h e i rd e n s i f i c a t i o n b y s h ij i n l e i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a nh o n g g e a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 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 律后果由本人承担。 作者签名：石每孰 日期：m ，f 年衫月 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 。 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曲。 ( 请在以上相应方框内打“”) e l 期：砂i1 年月f日 e l 期：弘，f 年6 月乙日 喷射沉积6 0 6 6 a l s i c p 梯度复合材料的制各及致密化t 艺研究 摘要 功能梯度材料是一种综合性能优异的先进材料，其性能沿梯度方向连续变化， 因而适用于在厚度方向上对性能有不同需求的工程构件。此类材料性能的梯度变 化是由其不同位置处的化学成分、微观组织不同造成的。目前用于制备功能梯度 材料的方法主要有粉末冶金法、离心铸造法、热喷涂、浸渗法和电磁相分离法等。 本论文探索了喷射沉积技术在梯度复合材料中应用的可行性，采用课题组自 行设计的喷射沉积装置成功地制备了6 0 6 6 a l s i c p 梯度复合材料，并对其进行了 微观组织分析和性能检测。结果表明：s i c 颗粒增强相的质量分数在沉积坯中沿 沉积方向从底部到顶部由o 逐渐增加到3 0 ，从而证实了喷射沉积法制备梯度 复合材料的可行性。 论文开展了梯度复合材料沉积坯热致密化工艺的研究，提出了利用阶梯式压 头对坯料进行致密化的新工艺，通过实验摸索出了适合于6 0 6 6 a 1 s i c p 梯度复合 材料致密化的工艺参数。结果表明：在压制温度为5 8 0 、压制压力为2 2 0 m p a 、 保压时间为1 0 m i n 的工艺参数下，采用阶梯式压头进行热模压致密化，可以将沉 积坯的相对密度提高到9 9 以上。阶梯式压头热模压工艺可以有效地消除沉积坯 中的孔隙，改善基体与增强颗粒间的界面结合情况，提高材料的致密度，特别适 用于在较小的压制压力下对较大尺寸的坯料进行热模压致密化。经热致密化后， 复合材料中s i c 增强颗粒的浓度依然呈梯度分布。梯度复合材料的力学性能沿梯 度方向呈现变化，在s i c 颗粒浓度为l5 m a s s 时力学性能最高，达到4 2 8 m p a 。 论文对比了致密化前后材料组织性能的变化并对其进行了分析讨论。初步探讨了 阶梯式压头在热模压致密化过程中的机理，就坯料在致密化过程中的受力状态进 行了分析讨论，指出了阶梯式压头致密化的优势，为进一步的研究打下了基础。 采用喷射沉积法制备s i c 颗粒增强铝基梯度复合材料的工作尚未有类似报 道。与其他方法相比，采用喷射沉积法制备的梯度复合材料具有组织细小、s i c 增强颗粒在高度方向上呈连续梯度分布且可控性强，特别适合于制备大尺寸的梯 度复合材料坯件。 关键词：喷射沉积；梯度复合材料；6 0 6 6 a 1 s i c p ；致密化 硕上学位论文 a b s t r a c t f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l s ( f g m s ) ，an e wc l a s so fa d v a n c e da n di n n o v a t i v e m a t e r i a l sw h i c ha r ec a p a b l eo fp r o v i d i n gs u p e r i o ra n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，a r e a c t i v e l yb e i n gs o u g h tf o re n g i n e e r i n gd e v i c e st h a ta r es u b j e c t e dt ot w od i s t i n c ts e r v i c e c o n d i t i o n so nt w oo p p o s i t es i d e sa c r o s st h et h i c k n e s sd i r e c t i o n i naf u n c t i o n a l l y g r a d e dm a t e r i a lt h ep r o p e r t i e sc h a n g eg r a d u a l l yw i t hp o s i t i o n t h ep r o p e r t yg r a d i e n t i nt h em a t e r i a l i sc a u s e d b y a p o s i t i o n d e p e n d e n t c h e m i c a l c o m p o s i t i o n ， m i c r o s t r u c t u r eo rp h a s ec o m p o s i t i o n t h e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s d e v e l o p e df o r p r e p a r i n gf g m si n c l u d ep o w d e rm e t a l l u r g y ，c e n t r i f u g a lc a s t i n g ，t h e r m a ls p r a y i n g ， i n f i l t r a t i o np r o c e s s i n g ，e l e c t r o m a g n e t i cs e p a r a t i o n ，e t c t h i st h e s i se x p l o r e dt h ef e a s i b i l i t yo fs p r a yd e p o s i t i o ni np r e p a r i n gf u n c t i o n a l l y g r a d e dc o m p o s i t e s t h e6 0 6 6 a 1 s i c pg r a d e dc o m p o s i t e sw e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e d v i a t h es p r a yd e p o s i t i o ns y s t e m t h i ss y s t e mw a sd e v e l o p e db yo u rr e s e a r c ht e a m t h e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep r e f o r mw e r ec h a r a c t e r i z e d t h e r e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h es i c pw e i g h tf r a c t i o no ft h ea s d e p o s i t e dp r e f o r mf r o mt h et o p t ot h eb o t t o mr a n g e sa l m o s tc o n t i n u o u s l yf r o m0t o3 0 t h i sr e s u l ti n d i c a t e dt h a t s p r a yd e p o s i t i o ni sar e l i a b l ea p p r o a c hi np r o d u c i n gt h ef g m s d e n s i f i c a t i o nw a sc o n d u c t e do nt h es p r a yd e p o s i t e dg r a d e dc o m p o s i t e si nt h i s t h e s i s an o v e lt e c h n i q u en a m e da ss t e p p e df o r c ep l u gp r e s s i n gw a sd e v e l o p e d t h e o p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e ra p p r o p r i a t e df o r6 0 6 6 a i s i c pw a so b t a i n e dt h r o u g h e x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r e l a t i v ed e n s i t yo ft h ec o m p o s i t e sw a sa b o v e 9 9 a f t e rd e n s i f i c a t i o nw i t ht h es t e p p e df o r c ep l u gp r e s s i n g i nt h e p r o c e s s i n g p a r a m e t e ro f58 0 。c ，2 2 0 m p aa n d 10 m i np r e s s u r er e t a i n i n g t h es t e p p e df o r c ep l u g p r e s s i n gs h o w e de x c e l l e n tp e r f e r m e n c ei ne l i m i n a t i n gt h ep o r o s i t yi nt h ep r e f o r ma n d i m p r o v et h ei n t e r f a c eb e t w e e n t h em a t r i xa n dt h er e i n f o r c e m e n tp a r t i c l e s i ti s a p p l i c a b l e t od e n s i f yl a r g e r p r e f o r mw i t h l e s sp r e s s u r e t h es i cp a r t i c l e si nt h e p r e f o r ms t i l lp r e s e n t e dag r a d e df e a t u r ea f t e rd e n s i f i c a t i o n t h et e n s i l es t r e n g t ho f t h e g r a d e dc o m p o s i t ev a r i e dw i t hd i f f e r e n ts i cp e r c e n t a g ea n da c h i e v e dap e a kv a l u e 4 2 8 m p aa t15 m a s s s i cw e i g h tp e r c e n t a g e t h er e s u l t sa n dd i s c u s s i o n sw e r eg i v e n a b o u tt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e sb e t w e e nt h es p r a yd e p o s i t e dp r e f o r ma n d d e n s i f i e dc o m p o s i t e s t h em e c h a n i s mo ft h es t e p p e df o r c ep l u gp r e s s i n ga n dt h e s t r e s so ft h ep r e f o r md u r i n gt h ed e n s i f i c a t i o nw e r es i m p l ya n a l y z e d t h ea d v a n t a g e s i l l 喷射沉积6 0 6 6 a i s i c p 梯度复合材料的制备及致密化工艺研究 o ft h i sn o v e ld e n s i f i c a t i o nt e c h n i q u ew e r ep r e s e n t e d ，w h i c hl a i daf o u n d a t i o nf o ri t s f u r t h e rd e v e l o p m e n t t h e r ew a sn os i m i l a rr e p o r ti nr e s e a r c h sa b o u ts i c pr e i n f o r c e da l u m i n u mm a t r i x g r a d e dc o m p o s i t e sp r e p a r i n gv i as p r a yd e p o s i t i o n c o m p a r e dw i t hg r a d e dc o m p o s i t e s p r e p a r i n gb yo t h e rt e c h n i q u e s ，s p r a yd e p o s i t e dg r a d e dc o m p o s i t e sh a v ea d v a n t a g e so f f i n e g r a i n a n d e a s yi nc o n t r o l l i n g s p r a yd e p o s i t i o nw a se s p e c i a l l ys u i t a b l ei n p r e p a r i n gl a r g eg r a d e dc o m p o s i t e s k e y w o r d s ： s p r a yd e p o s i t i o n ；f u n c t i o n a l l yg r a d e dm a t e r i a l ；6 0 6 6 a i s i c p ； d e n s i f i c a t i o n 硕i j 学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书一i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 均质金属基复合材料的组织调控技术l 1 1 1 基体组织的调控一l 1 1 2 增强相的选择及处理2 1 1 3 界面问题2 1 2 金属基梯度复合材料研究进展3 1 2 1 金属基梯度复合材料的概念、性能特点一3 1 2 2 金属基梯度复合材料的应用一4 1 2 3 金属基梯度复合材料的制备技术4 1 2 4 现有梯度复合材料制备技术的局限性8 1 3 喷射沉积技术制备铝基复合材料的研究进展一9 1 3 1 喷射沉积制备复合材料的原理9 1 3 2 喷射沉积铝基复合材料的组织特点一9 1 3 3 喷射沉积铝基复合材料的致密化技术1 0 1 4 本论文的研究背景、目的和主要内容1 2 第2 章实验方案：l4 2 1 实验原料l4 2 2 实验流程1 4 2 3 实验过程14 2 3 1 材料的制备14 2 3 2 喷射沉积坯的致密化1 6 2 4 组织性能表征方法1 7 2 4 1 密度和孔隙度检测1 7 2 4 2 微观组织分析l8 2 4 3s i c 颗粒含量的测定l8 2 4 4 物相分析l8 2 4 5 材料的热分析1 9 2 4 6 拉伸性能检测19 v 喷射沉积6 0 6 6 a i s i c p 梯度复合材料的制备及致密化t 艺研究 2 4 7 硬度检测1 9 2 4 8 断裂韧性测定19 2 4 9 拉伸断口分析2 0 第3 章喷射沉积制备6 0 6 6 a 1 s i c p 梯度复合材料2 1 3 1s i c 颗粒的预处理2 l 3 2s i c 颗粒梯度输出的控制2 2 3 3 喷射沉积工艺参数的影响2 6 3 3 1 液流直径的影响2 6 3 3 2 雾化气体压力的影响2 8 3 3 3 喷射高度的影响一2 9 3 46 0 6 6 a l s i c p 梯度复合材料的组织性能特征3 0 3 4 1 微观组织3 0 3 4 2s i c 颗粒的梯度分布3 2 3 4 3 密度和孔隙度3 4 3 4 4 相组成3 4 3 4 5 力学性能3 5 3 5 本章小结3 6 第4 章6 0 6 6 a 1 s i c p 梯度复合材料的致密化工艺研究一3 7 4 1 热模压实验方案一3 7 4 1 1 热模压样品3 7 4 1 2 压制方式3 8 4 1 3 致密化工艺参数的确定3 9 4 1 4 热处理4 2 4 2 平面压头压制致密化工艺的研究一4 2 4 2 1 压制温度4 2 4 2 2 压制压力4 4 4 2 3 保压时间4 5 4 3 阶梯式压头压制致密化工艺的研究一4 6 4 3 1m 8 0 m m 试样的致密化4 7 4 3 20 2 0 0 m m 试样的致密化4 9 4 46 0 6 6 a 1 s i c p 梯度复合材料致密化后的组织性能特征一5 2 4 4 1 微观组织5 2 4 4 2 相组成5 4 4 4 3s i c 颗粒的梯度分布5 4 4 4 4 致密度：5 5 v l 硕上学位论文 4 4 5 拉伸性能一5 6 4 4 6 断裂机制5 8 4 4 7 硬度6 1 4 4 8 断裂韧性一6 l 4 5 致密化机理分析6 2 4 5 1 多孔材料致密化机理6 2 4 5 2 阶梯式压头致密化机理分析6 3 4 5 3 坯料受力状态分析6 5 4 5 4 坯料孔洞演变规律一6 5 4 6 本章小结6 7 结论6 8 问题及展望6 9 参考文献7 0 致谢7 7 附录a ( 攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录) 一7 8 v 硕i j 学位论文 第1 章绪论 随着现代科学技术的飞速发展，单一的材料或具有均匀组织的材料已经很难 满足超高温、超低温、超高压、超音速、极高真空、强磁场、高辐射等极限环境 下对材料或零部件性能的要求。梯度功能材料( f u n c t i o n a l l yg r a d e dm a t e r i a l ，简称 f g m ) 因其成分、组成在厚度方向上呈梯度变化，可利用不同位置处的特定性能满 足不同的需求，因而受到了极大关注i l 4 j 。为了解决此类材料的制备问题，发展 出了粉末冶金法、离心铸造法、热喷涂、浸渗法和电磁相分离法等材料制备方法， 这些方法各有优缺点。发展新型的梯度复合材料制备方法对f g m 的研制具有重 要的意义。 1 1 均质金属基复合材料的组织调控技术 复合材料的性能是由基体、增强相的特征( 增强相体积分数、形貌、尺寸和分 布等) 和两者之间的界面特征共同决定的。为了获得优异的性能，研究工作主要集 中在以下几个方面： 1 1 1 基体组织的调控 金属基复合材料( m m c s ) 最初的研究与应用对象是航空、航天、交通、电子和 国防军工等关键领域，研究对象大多是铝基和钛基复合材料，这些材料具有比强 度、比刚度高、膨胀系数小、耐磨损、组织可控性高等优点”l 。铝基复合材料一 般需要通过热处理来改善和提高其性能。例如g u o 等人【6 】研究了6 0 1 3 a i s i c g r 复合材料在t 4 和t 6 状态下的时效硬化行为，结果表明：复合材料的硬度峰值比 6 0 1 3 a i 合金的峰值出现的要早一些，但是经时效处理后其硬度值的提高幅度要低 于基体合金，这是由于少量石墨粉的存在对复合材料的硬度值产生了一定的影响。 m a h a d e v a n 等人【7j 研究了延缓时效对6 0 6 1 a l s i c p 复合材料力学行为的影响，研究 发现，经过1 2 h 的延缓时效处理后，材料的硬度和疲劳强度都有所下降，但延缓 时间大于16 h 后再进行时效，硬度值和疲劳强度又提高到了0 h 延缓的水平，研究 者用p a s h l e y 动力学模型对实验结果进行了解释，尽管非连续增强复合材料与基 体合金的第二相析出顺序是相同的，但二者的g p 区形成所需的时间是不同的。 g 6 m e zd es a l a z a r 等人【8 】研究了热处理工艺对6 0 9 2 a 1 s i c 2 5 p 复合材料摩擦性能的 影响，结果表明：在5 6 0 固溶3 h ，然后在1 7 5 时效7 h 后硬度值达到峰值，基 体合金的析出相主要是m 9 2 s i 和a 1 2 m g c u 相，复合材料耐磨性的提高归因于材料 硬度的增加。m o n d a l 等人1 9 l 研究了时效工艺和s i c 增强颗粒的含量对2 0 1 4 a 1 s i c p 复合材料力学性能的影响，结果表明：铸态复合材料的弹性模量、应力硬化指数、 喷射沉积6 0 6 6 a i s i c p 梯度复合材料的制备及致密化t 艺研究 硬度值和抗拉强度均随s i c 含量的提高而增加；经过热处理强化后，复合材料的 抗拉强度提高。h u 等人l 加】对6 0 6 1 a i s i c w 复合材料的位错状态和加工硬化行为进 行了研究，考察了热处理工艺对位错组态的影响，结果表明：水淬后的复合材料 经加工硬化后引入的位错密度比退火状态的复合材料高很多，位错的组态在提高 复合材料的屈服强度和加工硬化能力方面发挥着重要的作用，水淬处理是提高复 合材料屈服强度的有效手段。 1 1 2 增强相的选择及处理 增强体的选择主要是考虑增强体材料的密度、熔点、弹性模量、硬度、热稳 定性、热膨胀系数、尺寸、形状及其与基体合金的相容性等，另外在工业化生产 中增强体自身的价格也是需要考虑的重要因素。目前通常采用的增强体主要包括 氧化物( a 1 2 0 3 、s i 0 2 、z r 0 2 ) 、氮化物( a i n 、s i 3 n 4 ) 、碳化物( s i c 、t i c 、b 4 c ) 等。在所有的颗粒增强体中，s i c 的应用最为广泛。s i c 颗粒具有高强度、高硬 度、高杨氏模量和低热膨胀系数等许多优良特性，并且制造成本低，价格便宜， 因此是一种理想的增强体。至今为止，人们针对s i c 颗粒增强铝基复合材料开展 了大量的研究工作，它们已经在要求高硬度、高强度、高耐磨、耐热及低密度的 结构部件中得以应用。 金属基复合材料中基体和增强相之间的界面对复合材料的性能起着至关重要 的作用，因此对增强相的表面处理也越来越受到人们的重视。在对碳纤维、石墨 粉、s i c 、a 1 2 0 3 等表面进行处理和包覆方面已经展开了大量的工作。增强相表面 的金属包覆层能够改善其与基体合金的润湿性，但是包覆层易与基体合金反应从 而改变基体合金的成分；陶瓷包覆层作为基体与增强相间的扩散壁垒可以有效地 防止界面反应；多层复合涂层在改善二者的润湿性、阻碍扩散和缓解残余热应力 方面都有一定的作用l 。例如，c h e n g 等人【1 2 1 用粉末冶金法制备6 0 6 6 a 1 s i c p 复 合材料，研究了s i c p 的处理方式对复合材料组织和性能的影响，s i c 颗粒的处理 方式为：( 1 ) 在110 0 。c 下焙烧10 h 后在4 0 4 0 的h f 溶液中浸泡3 0 m i n ：( 2 ) 在1o o 的饱和n a o h 溶液中碱洗2 h ，用蒸馏水洗净后在8 0 的饱和氟锆酸钾溶液中浸 泡3 0 m i n ；( 3 ) 在第一种处理方式后再在1 0 0 的饱和n a o h 溶液中碱洗2 h 。结果 表明，第二种处理方式得到的复合材料力学性能最差，而第三种处理方式的材料 有着优异的力学性能。对s i c 颗粒进行氧化处理后再经过酸洗和碱沈处理能够有 效地增加s i c 颗粒和基体间的结合强度并显著提高复合材料的力学性能，t e m 分 析表明用这种方法对s i c 进行处理后，基体与增强颗粒之间产生的界面层厚度小 于2 n m ，这是材料性能得到提高的主要原因。 1 1 3 界面问题 金属基复合材料的增强相基体界面起着联系增强材料与基体和传递应力的 2 硕士学位论文 作用，对复合材料的性能和稳定性起着极其重要的作用。从上世纪8 0 年代开始， 人们逐渐重视对复合材料界面及界面稳定性的研究。研究内容涉及到界面稳定性、 界面产物及作用、界面结构、界面反应的控制以及界面与复合材料性能的关系等 诸多方面。例如l e e 等人i l m 研究了采用不同方法制备的2 0 2 4 a 1 s i c p 复合材料的 界面特征，采用的制备方法有喷射沉积、粉末冶金、触变成型和压铸法等。对复 合材料利用电化学溶解法萃取得到了s i c 颗粒，并对其进行了扫描电镜、透射电 镜和x 射线分析，结果表明，如图1 1 所示，在2 0 2 4 a l s i c p 复合材料的界面中 存在六边形片状的a 1 4 c 3 和树枝状的s i 等反应产物，并且生成的s i 相与2 0 2 4 a 1 基体发生了后续的反应，在s i c 颗粒表面和晶界处形成了s i c u a l 2 相和其它高硅 金属间化合物。d t a 和s e m 结果表明，采用喷射沉积法得到的复合材料几乎没 有界面反应产物存在，而采用粉末冶金法、触变成型法和压铸法制得的复合材料 中都有大量的界面反应产物，因此，采用喷射沉积法制备颗粒增强铝基复合材料 时可以得到理想的界面。 图i 12 0 2 4 a i s i c p 复合材料中s i c 颗粒表面的反应产物【1 3 】 1 2 金属基梯度复合材料研究进展 1 2 1 金属基梯度复合材料的概念、性能特点 构件中材料成分和性能的突然变化常常会导致明显的局部应力集中。如果从 一种材料过渡到另一种材料是逐步进行的，这些应力集中就会大大的降低，这种 考虑就是大多数梯度复合材料的基本出发点。梯度材料的设想和概念首先是由日 本科学家新野正之、平井敏雄、渡边龙三等提出的【l 引。这种全新的材料设计概念 的基本思想是：依据使用要求选择两种不同性能的材料，采用先进的材料复合技 术使中间部分的组成和结构连续地呈梯度变化，内部不存在明显的界面，从而使 材料的性质和功能沿厚度方向也呈梯度变化的一种新型复合材料【5 】，如图1 2 所 示。梯度复合材料是指沿某一方向其物理、化学、生物等单一或复合性能发生连 续或阶梯变化，以适应不同环境，满足某些特殊使用要求的先进材料【l 3 ，5 ，i4 。由 于梯度复合材料具有许多优异的性能，它的出现引起众多领域研究者的重视，并 喷射沉积6 0 6 6 a i s i c p 梯度复合材料的制备及致密化工艺研究 且发展成为结构材料研究领域中的重要课题之一，成为一种结构、功能一体化的 特殊材料。 金属合金o 陶瓷材料 金 属 侧 陶 瓷 侧 图1 2 功能梯度材料的结构及特性【) 1 1 2 2 金属基梯度复合材料的应用 梯度复合材料在航空航天、汽车、机械工程、生物工程、能源及电气工程领 域都有着广泛的应用。例如金属陶瓷梯度功能材料应用在汽油发动机方面的研究 结果表明：内燃机滑动摩擦零件的表面采用金属陶瓷梯度功能材料后，发动机的 动力性、经济性均得到明显改善，通过对比分析试验得知，梯度功能材料可以显 著改善发动机的润滑性、耐磨性和密封性，从而提高发动机性能i l ”。功能梯度涂 层应用在抛光刀具、微型钻头上，使其冲击韧性和使用寿命得到了较大幅度的提 高；功能梯度材料在地质钻探工具上的应用实现了地质钻探工具的高强度、高韧 性、高耐磨性的统一，具有优异的综合性能【l6 1 。在生物工程领域，功能梯度生物 体植入材料在植牙中的应用，使治愈时间缩短，齿根牢固，不易破坏；在人工骨 关节上的应用使得假体与骨之间具有很强的结合力并耐用，表现出了良好的生物 相容性l l 。在能源及电气工程领域，梯度耐辐射材料在核聚变反应器中的应用表 现出良好的热应力松驰效应；梯度热电能转换材料在探测器电源上的应用使发电 能力提高了1 0 ，在发电系统的发射极上的应用使其热应力得到了巨大的缓和， 即使在1 8 6 0 下也不会发生龟裂【1 引。 1 2 3 金属基梯度复合材料的制备技术 目前为止，国内外的研究工作者利用很多种方法成功制备了金属基梯度复合 材料。有的学者认为，可以按照原料状态的不同将制备方法分为液相法、固相法 和气相法1 1 8 j 。 ( 1 ) 粉末冶金法 采用粉末冶金( p m ) i 艺制备梯度复合材料的原理是：先将金属粉末与陶瓷颗 粒或晶须按比例均匀混合，然后将配比不同的混合粉末按浓度大小分层铺叠并压 制成型，经烧结而制成梯度材料。梯度复合材料中的粉末层可以用刮片法、离心 4 硕卜学位论文 堆积、层堆积、粉浆浇注等人工或自动化方法获得，然后通过传统的固态加工方 法如冷压和无压烧结，或热等静压，或在一个密闭模具中热压使粉末预制块致密 化。 西安交通大学郭成等人l l9 j 利用此方法成功地制备出了s i c 颗粒增强铝合金基 梯度复合材料，并利用复压烧结粉末冶金工艺或挤压成形中产生的强烈压应力消 除梯度层间界面，他们系统研究了制备工艺、材料的组织性能特点，压缩、拉伸、 弯曲变形行为等。许富民等【2 l 采用混合粉末冷压成形和热压烧结工艺制备了 a i s i c p 梯度复合材料( f g m m c ) ，粉末层厚在4 m m 左右，研究发现裂纹从高s i c 含量层向低s i c 含量层扩展中发生偏转和分枝。袁秦鲁等1 2 0 1 采用粉末真空热压工 艺制备了s i c 颗粒体积分数分别为5 、15 和2 5 的铝基复合材料，分析了 a i s i c p 复合材料在真空烧结过程中的界面现象以及材料增强和断裂机理。徐永东 等1 2 1 采用粉末冶金法制备出了不同层厚的s i c 颗粒增强复合材料，研究发现其损 伤过程分为三个阶段：高速率线性阶段、低速率平缓阶段及损伤加速阶段，梯度 结构材料的芯部高塑性层或颗粒增强铝基复合材料的基体对裂纹扩展有延迟作 用。l i n 等【22 】采用粉末冶金法制备了2 1 2 4 a 1 s i c p 梯度复合材料，研究发现在致密 化前对粉末体进行振动处理，可以改善s i c 颗粒的局部分散均匀性、在层间的浓 度分布连续、破碎s i c 颗粒团聚体，从而改善材料的韧性。b r i n k m a n 等【2 3 】采用反 应热压法制备了a i t i b 2 复合材料，由于反应过程中有液相产生，得到了具有曲 折边界的梯度复合材料。 采用粉末冶金工艺制备铝基梯度复合材料的方法优点很多，如：基体合金组 织微细；可根据需要随意调整陶瓷增强颗粒的体积分数，可采用粒度微细的陶瓷 粉末，且分散均匀性好；能够随意地控制复合材料中陶瓷颗粒的浓度梯度。但该 方法也存在一些不足之处，如：仅适合于制备层状梯度复合材料；逐渐减小层厚 可以降低层间陶瓷颗粒的浓度差，但会增加工艺的复杂性：需要用金属粉末作为 原料，粉末容易污染、氧化，从而导致材料的塑性和韧性不够理想；需要粉末致 密化、烧结等工序；复合材料的尺寸受模具尺寸的限制，在制备大尺寸梯度复合 材料部件时需要大吨位的成型设备、模具费用高，产品的生产成本偏高。 ( 2 ) 离心铸造法 离心铸造法最早被用于制备管状金属铸件，后来逐渐发展成为一种应用非常 广泛的金属基梯度复合材料制备方法，相关文献报道很多。离心铸造法的原理是 将密度不同的固液两相混合物，在离心力场作用下发生分离，固相偏聚并沉积于 试样的外侧，其含量在径向上呈梯度分布，液相凝固后形成功能梯度材料。增强 颗粒可以从外部加入到熔体中，也可以通过金属熔体内的化学反应而原位生成； 可以是陶瓷颗粒，也可以是熔体中生成的金属间化合物相等。外加增强颗粒时必 须将其在熔体中均匀分散，相对而言原位生成的增强颗粒尺寸较细小且分散较均 5 喷射沉积6 0 6 6 a i s i c p 梯度复合材料的制器及致密化t 艺研究 匀。 兰州理工大学李健等人【2 4 】采用此方法，用t i 0 2 粉末与纯铝熔液原位反应生 成a 1 3 t i 颗粒增强相，获得了组织和性能在径向上呈梯度分布的a 1 3 t i a i 梯度复 合材料。秦孝华等【2 5 】发明了内外层同时强化的颗粒增强铝基功能梯度复合管及制 备方法。张新平等【2 6 】对离心加速条件下颗粒增强铝基梯度功能材料( f g m ) 制备过 程中的温度场及颗粒相分布的行为进行了理论分析与试验研究。徐自立等1 27 j 研究 了离心铸造铝基自生梯度功能材料及其热物性能。杜卓林等1 2 酬采用数值计算方法 对离心浇铸下a i s i c d 系统的二维凝固过程进行了研究，给出了各种因素对最终 颗粒分布的影响。华南理工大学发展了一种制备合金成分呈梯度分布的金属基梯 度材料，利用双流浇注连续铸造工艺制备出了a 1 s i 等金属梯度材料【2 9 1 。 r o d r i g u e z c a s t r o 等人【3 0 】采用离心铸造法制备了a 3 5 9 s i c p 铝基梯度复合材 料，研究了材料的组织和力学性能特点。q i n 等人【3 l l 采用离心铸造法制备了铝基 梯度复合材料，研究了s i c 颗粒的分布特征。w a t a n a b e 等人【3 2 j 采用离心铸造法制 备了纤维增强a 1 c u f e 梯度复合材料环件，合金中的增强相有a 1 2 c u 、a 1 7 c u 2 f e ( q ) 和a l l3 f e 4 相，相的形貌为针状，q 相呈梯度分布。l a i 等人1 3 3 j 将自蔓延反应和离 心铸造工艺结合在一起来制备陶瓷颗粒增强金属基梯度复合材料，在该技术中， 合金熔体和陶瓷颗粒是在自蔓延燃烧反应过程中生成的。d u q u en a i r o b i 等人i j 4 1 采用离心铸造法制备了陶瓷颗粒增强铝基梯度复合材料，材料的硬度沿离心力方 向呈梯度变化。m i z u n om a m o r u 等人f 35 l 采用离心铸造法制备了s i c 增强铝基梯度 复合材料，分析了s i c 颗粒在离心力方向上的分布梯度和材料的模量。g o m e s 等 人【3 6 】采用离心铸造法法制备了s i c 颗粒增强铝基梯度复合材料，研究了复合材料 与铸铁对偶摩擦时的摩擦磨损性能，讨论了相关现象及机理问题，研究发现这种 材料的摩擦系数略低于同种成分的均匀复合材料，但前者的摩擦磨损性能更优。 y a m a n a k an o b o r u 等人【3 7 1 采用离心铸造法制备了s h i r a s u a l u m i n u m 梯度功能材料 ( f g m s ) ，测量了不同方向上的热导性能。s e q u e i r a 等人1 3 叫采用离心铸造法制备了 a 1 a 1 3 t i 梯度材料，在离心力的作用下，a 1 3 t i 化合物颗粒沿离心力方向呈梯度分 布；通过改变离心力可以控制a 1 3 t i 的分布状态。y a m a g i w ak a z u h i s a 等人1 3 9 1 采用 离心铸造法制备了a i a 1 3 f e 梯度材料。v e l h i n h o 等人采用离心铸造法制备了 a l 一10 s i 2 2 m g s i c p 梯度复合材料，研究了s i c p 尺寸对材料组织性能的影响1 4 们。 离心铸造制备梯度复合材料方法的最大特点在于它适合于批量生产，能够制 备出大块组分连续分布的功能梯度材料，而且生产成本较低。但是这种方法制备 功能梯度材料一般仅适用于圆筒类铸件，而且两组分间必须有密度差。因为该方 法制备梯度复合材料的前提条件是固、液两相间存在密度差，这样才能在离心力 场作用下发生固相的定向运动而在熔体中形成浓度梯度，进而将熔体凝固后得到 功能梯度材料。另外增强相与金属熔体之间的润湿程