先进材料制备复习.docx

一、材料制备加工1、定义：材料制备技术是指材料的合成与加工，使材料经过制备过程后获得的新材料在化学成份、元素分布或组织结构上与原材料有显著的不同。2、作用：可以通过材料制备技术控制现有的内部组织，如宏观微观结构、原子排列、元素分布、能量状态等，来控制现有材料的性能，特别是新的制备技术的出现，如快速冷凝技术可极大的提高凝固速率、改善金属的组织；复合材料制备技术的出现还克服了材料在各自性能上的缺点实现优势互补。此外，通过一些新的制备技术还能获得一些新的组织结构，得到一些新的材料，如高速冷却下可以得到金属非晶材料；不同的制备技术控制不同的实验条件还可以得到新的相，从而改善原有材料的性能。3、意义：材料制备时新材料的获取和应用的关键，也是对材料进行加工、成形和应用的品质保证，现已成为材料研究和材料加工领域引人注目的技术热点。其地位和作用已经超出了技术经济的范畴，而与整个人类社会有密不可分的关系。高新技术的发展，资源能源的有效利用，通信技术的进步，工业产品的质量，环境的保护都与材料的制备密切相关。先进制备与成形加工技术的发展对于新材料的研制、应用和产业化具有决定性的作用，其的出现与应用加速了新材料的研究开发、生产应用进程、促进如微电子和生物医用材料等新兴产业的形成。促进了现代航空航天、交通运输、能源保护等高新技术发展。现有结构材料向高性能化、复合化、结构功能一体化发展，尤其需要先进制备与成形技术的支撑，可使材料生产过程更加高效、节能、清洁。4、应用：材料制备、合成与成形在材料科学研究中占有核心支柱地位，主要用于纳米材料、薄膜材料、金属复合材料、高温柱状合金、单晶合金、非晶合金、亚晶合金以及磁性材料等的制备。二、快速凝固1、快速凝固技术：一般指以大于105k/s级的冷却速度或以数米每秒的固液界面前进速度 使液相凝固成固相的过程。2、基本原理：根据材料设计的要求，选择适当反应剂（气相、液相或粉末固相），在适当的温度下，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N种高硬度、高弹性模量的增强相，从而达到增强金属基体目的。3、快速凝固工艺可以粗分为三类：用高速气流打击金属液流，或在离心力的作用下，使之雾化变成十分细小的液滴，最后凝固成粉末。把金属液喷到极冷板或转动的锟轮上，凝固成很薄的金属箔或丝材。用激光或电子束熔化极薄一层金属表层，整块金属基体起到自身冷却剂的作用，也能获得很高冷速。4、获得快冷的三个途径：在凝固前施加一个足够大的过冷，使凝固过程放出的潜热能够消散在正在凝固的熔体中施加一个很高的冷却速度，用高速排热造成很大的过冷度在连续凝固时施加一个很高的固液界面前进速度。方法有：雾化法，液态急冷法，束流表层急冷法，电流体动力法，电火花剥蚀法5、快冷材料特点：快速凝固为亚稳创造了条件，一是成分亚稳，如过饱和固溶体，二是结构亚稳，如非晶和准晶。三是形态亚稳，如微晶，纳米晶，成分调幅带和弥散相。快冷工艺可得到如下效果 扩大亚稳固溶度 发现新的亚稳相 生成微晶、纳米晶、准晶和非晶。 减小偏析。6、快冷对性能的影响： 提高强度，快冷使晶粒细化，对提高性能有益。 提高塑性 提高耐磨性，快速凝固后金属的硬度往往大幅度提高。 提高耐蚀性，快冷材料成分均匀，组织细化，必然能改善耐蚀性。 提高磁性能 提高催化剂效率。虽然快速定向凝固技术能获得小偏析甚至无偏析的超细化的组织等，具有广阔的应用前景，但仍有一些问题要解决。第一，激光超高温度梯度定向凝固技术存在的问题是：从熔池底部到顶部短距离定向凝固，而不是沿扫描速度方向长距离连续定向凝固，从熔池底部到顶部温度梯度和凝固速度不断变化，且两者不能独立控制；凝固组织是从机体外延生长的，界面上不同位置的生长方向也不相同，这样对凝固组织进行定量分析结果产生影响。第二，深过冷快速定向凝固技术需解决两个问题。一是研究不同过冷条件下，过冷熔体激发形核晶体生长方式和组织形成规律。确定适用于形成枝晶阵列微观组织的试验条件和工艺因素。其次是解决大体积深过冷激发快速定向凝固技术。第三，快速定向凝固技术只适合于制备一维或二维小尺度材料，在应用上受到一定限制。由于在快速定向凝固过程中，大的凝固速率将导致固液界面的下凹，从而影响定向凝固组织以及凝固过程的稳定性。要实现快速的定向凝固过程，必须提高定向凝固设备的温度梯度，但是超高的温度梯度又给设备带来一定的麻烦，所以合理调节温度梯度和过冷度是快速定向凝固的一个方向。随着实验技术的改进和人们的努力，快速凝固技术必将更进一步为提高材料的使用性做出贡献。快速凝固技术是在比常规工艺条件下的冷却速度（10-4-10K/s）快得多的冷却条件（103-109K/s）下，使液态合金转变为固态的工艺方法。它使合金材料具有优异的组织和性能，如很细的晶粒（通常0.1-0.01um，甚至纳米级的晶粒），合金无偏析缺陷和高分散度的超细析出相，材料的高强度、高韧性等。快速凝固技术可使液态金属脱开常规的结晶过程（形核和生长），直接形成非晶结构的固体材料，即所谓的金属玻璃。此类非晶态合金为远程无序结构，具有特殊的电学性能、磁学性能、电化学性能和力学性能，已得到广泛的应用。如用作控制变压器铁芯材料、计算机磁头及外围设备中零件的材料、钎焊材料等。快速凝固正日益受到多方的重视。7、合金快速凝固组织基本特征：消除凝固偏析。随凝固速度的增大，溶质的分配系数偏离平衡，实际溶质分配系数总是随凝固速度的增大趋近于1，消除凝固偏析。形成非平衡相。在快速凝固条件下，平衡相的析出被抑制，常析出非平衡的亚稳相。细化晶粒和微观组织。大的冷却速率不但可以细化枝晶，而且由于形核速度增大而使晶粒细化。随冷却速度的增大，晶粒尺寸减小，可获得微晶乃至纳米晶。析出相的机构发生变化。某些相同成分的合金在不同的冷却速度下可获得完全不同的组织。形成非晶态。过冷度极大时，结晶过程完全被抑制，从而获得非晶态固体。扩大固溶极限。过饱和固溶快速凝固可显著扩大溶质组元的固溶极限，共晶合金通过快速凝固甚至可以形成单向的固溶体组织。因此，既可以通过保持高度过饱和固溶以增加固溶强化的作用，也可使固溶元素随后析出，提高其沉淀强化的作用。高的点缺陷密度。由于原子有序程度突然降低，液态金属中的缺陷密度比同温下的固态金属高的多，在快速凝固的过程中，会较多地保存在固态金属中。8、合金快速凝固组织性能特点：快速凝固合金微观组织结构的明显细化和均匀化，具有很好的晶界强化与韧化，微畴强化与韧化等作用，而成分均匀，偏析减小不仅提高了合金元素的使用效率，还避免了一些会降低合金性能的有害相的产生，消除了微裂纹萌生的隐患，因而改善了合金的强度、延性和韧性。固溶度的扩大，过饱和固溶体的形成不仅起到了很好的固溶强化作用，也为第二相析出，弥散强化提供了条件；位错层错密度的提高还产生了位错强化的作用。此外，快速凝固过程中形成的一些亚稳相也能起到很好的强化和韧化作用。 三、金属基复合材料1、对制造技术要求：能使增强材料以设计的体积分数和排列方式分布于金属基体中满足复合材料结构和强度的要求不能使增强材料和金属基体原有性能下降特别是不能对高性能增强材料造成损伤；能确保复合材料界面效应、混杂效应或复合效应得到充分发挥，有利于复合材料性能的提高和互补；不能因工艺不当造成材料性能下降尽量避免增强材料和金属基体间各种不利化学反应的发生，得到合适的界面结构和性能，充分发挥增强材料增强增韧的效果设备投资少，工艺简单易行，可操作性强，便于实现规模生产尽量制造出接近最终产品的形状、尺寸和结构，减少或避免后加工工序。2、技术难点及解决方法：加工温度易发生不利的化学反应，解决：尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应时间降至最低程度；通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快；采用扩散粘接法可以有效控制温度并缩短时间。增强材料与基体湿润性太差是金属复合材料的一难点，解决：加入合金元素，优化基体组织，改善基体对增强材料的浸润性；对增强材料进行表面处理，涂敷一层可抑制界面反应的涂层，可有效改善其浸润性按结构设计要求，使增强材料按设计要求分布于基体中是难点，解决：对增强材料进行表面处理，使其浸润基体的速率加快；加入适当的合金元素改善基体的分散性，施加适当的压力，使其分散性加大。3、制造技术的分类：固态制造技术：金属基体处在固态情况下，制成复合材料体系的方法，包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、挤压法、拉拔法和爆炸焊接法等。液态制造技术：金属基体处于熔融状态下，与增强材料混合组成新的复合材料的方法，包括浸渗法、挤压法、铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、热喷涂法。其他方法：原位自生成法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和电镀法。4、主要问题：a、产品价格 b、质量问题 c、由于长期结构不稳定性，内扩散以及界面反应导致性能降低 d、加工技术如机械加工，焊接，表面改性等 e、修补 f、回收再利用5、措施：提高工艺水平，降低生产成本，选择合适的金属基体和增强提高材料性能，减少界面反应及相的稳定性对性能的影响，加大对金属基复合材料在工业上应用的投入和研发。四、制备合金粉末的非平衡新技术。机械合金化法（MA）是一种制备合金粉末的非平衡新技术，其过程是：把欲合金化的元素粉末混合起来，在高能球磨机等设备中长时间运转，粉末经磨球的碰撞、挤压、重复地发生变形，断裂焊合，原子间相互扩散而形成粉末，成为弥散分布的超微细粒子所用设备：行星式球磨机、回转式球磨机、搅拌式球磨机和高性能球磨机。机械合金化的影响因素：a磨球的种类、尺寸；b球磨气氛；c过程控制剂；d机械合金化装置；e球磨转速和装球量机械合金化的优点：a可以避免复杂的凝固过程，工艺条件简单、经济；b能形成纳米晶结构，从而提高金属间化合物的韧性，改善加工性能；c可在金属基体中加入均匀弥散的环状金属间化合物d有完全不经过融化过程的特点，特别适合难熔金属的合金化以及非平衡相的生成。尚存在的问题：a高能球磨过程中磨罐和磨球的磨损掺杂造成粉末材料的污染；bMA法制备的亚稳态合金粉末成形困难；c操作缺乏灵活性和经济可行性、在球磨过程中无法连续添加粉料。五、金属间化合物1、定义：金属间化合物是指金属与金属之间，类金属和金属原子之间以共价键形式结合形成的化合物，其原子的排列遵循某种有序化的规律，当以微小颗粒形式存在于金属合金的组织中时，将会使金属合金的整个强度得到提高，特别是在一定温度范围内，合金的强度随温度升高而增加，这使得金属间化合物材料在高温结构应用方面具有极大的潜在优势。2、性能特点：屈服强度随温度的升高而提高；密度低，比刚度高；韧性很低或者说是脆性抗氧化性能优良；高温强度好。3、强化途径：a提高合金的原子间结合力，提高其理论强度，并得到无缺陷完整晶体，无晶须。b向晶体中引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子等。具体方法有固熔强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、细晶强化等。4、塑化和强化方法：通常有微量元素合金化，主要有元素合金化、控制微观组织、纤维强塑化、快速凝固细化晶粒方法。5、提高韧性：a加入置换元素，改变原子间键合状态和电荷分布以改善塑性；b通过合金化改变有序结构的类型；c微量合金强化晶界；d材料纯化；e细化晶粒，细化第二相组织以及加入弥散第二相质点从而提高合金塑性。f用韧性的纤维与其复合增强其韧性，同时还保留金属间化合物的诸多优点。 六、单晶镍基高温合金性能优点。优良的高温强度、良好的塑性；良好的抗高、低疲劳性能；优良的抗冷热疲劳，抗高温氧化、腐蚀性能。 七、定向凝固1、定义：定向凝固就是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起沿特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向，按要求的结晶取向进行凝固的技术。2、凝固柱状晶及单晶合金的高温力学性能。 凝固柱状晶由于消除了横向晶界具有较高的蠕变极限及断裂强度，具有较低的弹性模量故热疲劳寿命得到显著提高。 单晶合金由于加入难熔的合金元素具有较高的强度及热稳定性