Ni-Si金属间化合物_陶瓷复合材料的制备技术及其研究发展现状和发展趋势.pdf
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1、N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料的制备技术及其研究发展现状和发展趋势*江 涛 黄一丹(西安石油大学材料科学与工程学院 西安 7 1 0 0 6 5)摘 要 N i-S i金属间化合物具有很多优秀的性能,例如具有较高的力学性能、优秀的耐磨损性能和抗高温氧化性能等。N i-S i金属间化合物包括N i3S i、N i2S i和N i S i,陶瓷材料也具有很多优秀的性能。陶瓷材料具有较高的力学性能,良好的耐磨损性能和抗高温氧化性能,可以将N i-S i金属间化合物与陶瓷相复合制备N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料。N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料具有较高的力学性能和良好的耐磨
2、损性能和抗高温氧化性能等。笔者首先叙述了N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料的制备技术、物相组成、显微结构、力学性能、耐磨损性能和抗高温氧化性能等,并叙述了N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料的研究发展现状和发展趋势,并对N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料的未来研究发展趋势和发展方向进行分析和预测。关键词 N i-S i金属间化合物 陶瓷复合材料 制备技术 研究发展现状 发展趋势中图分类号:TQ 1 7 4.7 5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 2-2 8 7 2(2 0 2 3)1 1-0 0 5 0-0 5F a b r i c a t i o nT e c h n
3、o l o g y,R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n t S t a t u s a n dD e v e l o p m e n t T r e n do f t h eN i-S i I n t e r m e t a l l i c sC o m p o u n d s/C e-r a m i c sM a t r i xC o m p o s i t e sJ i a n gT a o,H u a n gY i d a n(S c h o o l o fM a t e r i a l sS c i e n c e a n dE n g i
4、n e e r i n g,X ia nS h i y o uU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 6 5,S h a a n x i,C h i-n a)A b s t r a c t:T h eN i-S i i n t e r m e t a l l i c sc o m p o u n d se x h i b i t e dm a n ye x c e l l e n tp r o p e r t i e s,s u c ha sh i g hm e c h a n i c a l p r o p e r t y,e x-c e l l e n tw e
5、 a r r e s i s t a n c ea n dh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o nr e s i s t a n c e.T h eN i-S i i n t e r m e t a l l i c sc o m p o u n d si n c l u d e dN i 3 S i,N i 2 S i a n dN i S i.C e r a m i c s e x h i b i t e dm a n ye x c e l l e n t p r o p e r t i e s.C e r a m i c se x h i
6、b i t e dh i g hm e c h a n i c a l p r o p e r t y,e x c e l l e n tw e a rr e s i s t a n c ea n dh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o nr e s i s t a n c e.S ot h eN i-S i i n t e r m e t a l l i c sc o m p o u n d sa n dc e r a m i c sc o u l db ec o m-b i n e dt of a b r i c a t e i n t o
7、t h eN i-S i i n t e r m e t a l l i c sc o m p o u n d s/c e r a m i c sm a t r i xc o m p o s i t e s.T h eN i-S i i n t e r m e t a l l i c sc o m-p o u n d s/c e r a m i c sm a t r i xc o m p o s i t e s e x h i b i t e dh i g hm e c h a n i c a l p r o p e r t y,e x c e l l e n tw e a r r e s i
8、 s t a n c e a n dh i g h t e m p e r a t u r e o x-i d a t i o nr e s i s t a n c e.I n t h i sp a p e r,t h e f a b r i c a t i o n t e c h n o l o g y,p h a s e c o m p o s i t i o n,m i c r o s t r u c t u r e,m e c h a n i c a l p r o p e r t y,w e a rr e s i s t a n c ea n dh i g ht e m p e r
9、a t u r eo x i d a t i o nr e s i s t a n c eo ft h eN i-S i i n t e r m e t a l l i c sc o m p o u n d s/c e r a m i c sm a t r i xc o m p o s i t e sw e r e i n t r o d u c e d,t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n t t r e n do f t h eN i-S i i n t e r m
10、 e t a l l i c sc o m p o u n d s/c e-r a m i c sm a t r i xc o m p o s i t e sw e r e i n t r o d u c e d.T h e f u t u r e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t r e n da n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t h eN i-S i i n t e r m e t a l l i c sc o m p o u n d s/c e r a m i c sm a
11、t r i xc o m p o s i t e sw e r ea n a l y z e da n dp r e d i c t e d.K e yw o r d s:N i-S i i n t e r m e t a l l i c s c o m p o u n d s;C e r a m i c s c o m p o s i t e s;F a b r i c a t i o n t e c h n o l o g y;R e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t s t a-t u s;D e v e l o p m e n t t r e
12、n d N i-S i金属间化合物具有很多优秀的性能,例如具有较高的力学性能,优秀的耐磨损性能和抗高温氧化性能等。N i-S i金属间化合物包括N i3S i、N i2S i和N i S i,陶瓷材料也具有很多优秀的性能。陶瓷材料具有较高的力学性能,良好的耐磨损性能和抗高温氧化性能等。N i-S i金属间化合物与陶瓷材料具有良好的相容性,可以将N i-S i金属间化合物与陶瓷相复合制备N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料。本文首先叙述了N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料的制备技术、物相组成、显微结构、力学性能、耐磨损性能和抗高温氧化性能等,并叙述了N i-S i金属间化合物/陶瓷复合
13、材料的研究发展现状和发展趋势,并对N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料的未来研究发展趋势和发展方向进行分析和预测。05 陶陶 瓷瓷 CC ee rr aa mm ii cc ss (研究与应用)2 0 2 3年1 1月*作者简介:江涛(1 9 7 8-),博士,副教授;研究方向为复合材料的制备和性能。1 N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料的制备技术N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料的制备技术主要采用粉末冶金工艺进行制备。其中粉末冶金工艺主要包括热压烧结工艺、常压烧结工艺、放电等离子烧结工艺、热等静压烧结工艺、热压反应烧结工艺、原位反应自生法制备工艺等。2 N i-S i金属间化
14、合物/陶瓷复合材料的研究发展现状和发展趋势可以将N i-S i金属间化合物与陶瓷相复合制备N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料。陶瓷材料主要有碳化硅(S i C)、碳化钛(T i C)、氧化铝(A l2O3)、氮化硅(S i3N4)、碳化钨(WC)、碳化铌(N b C)等,所以可以将N i-S i金属间化合物加入到这些陶瓷材料中形成N i-S i金属间化合物/陶瓷复合材料,例如形成N i-S i/S i C复 合 材 料,N i-S i/T i C复 合 材 料,N i-S i/A l2O3复合材料,N i-S i/S i3N4复合材料,N i-S i/WC复合材料,N i-S i/N b
15、 C复合材料等。而上述的这些复合材料的制备技术、物相组成、显微结构、力学性能、耐磨损性能和抗高温氧化性能等,研究发展现状和发展趋势概述如下:2.1 N i-S i/S i C复合材料T i a nW B等1研究了N i-S i-T i粉末混合物对碳化硅陶瓷的钎焊。在许多工业应用中,通过传统的无压钎焊方法越来越需要大型S i C组件。在研究中使用含有01 0 w t%T i的N i-S i-T i粉末混合物用于钎焊S i C陶瓷,进行差热分析(D T A)和润湿测试以确定合适的连接温度为14 5 0。对制备的S i C接头的微观结构,物相成分和机械强度进行了表征。对于不添加T i的钎焊组合物,中
16、间层主要由N i S i和N i3S i2相组成。随着T i的加入,在夹层内除了N i-S i金属间化合物外新形成N i4 9T i1 4S i3 7相。目前钎焊时S i C接头的抗弯强度在6 67 5MP a,试样一般从合金夹层与S i C基体的界面处断裂。G a oF e i等2研究了镍和碳化硅颗粒的固态反应制备出具有不同显微结构的N i-S i-C复合材料。各组织固相镍和碳化硅颗粒通过热压烧结工艺制备N i-S i-C复合材料。根据界面反应的程度,将复合材料分为三种类型,即部分的,完全的和过度的反应。对于部分反应(I型),复合材料的特征是基体和碳化硅之间的薄的反应层。完全反应(I I型)
17、的复合材料的微观结构演变到各种不同的微观结构和组合物,取决于烧结温度。应避免过度反应(I I I型)。与部分反应的复合材料相比,完全反应的复合材料具有良好的力学性能。硬度和抗弯强度显著提高。I I型复合材料的力学行为与复合材料的组成成分和组织结构密切相关。在9 0 0获得了复合材料对不锈钢最有前途的摩擦学性能。S e l v a nJS e n t h i l等3研究了采用激光熔覆工艺在纯钛表面制备S i C和N i-S i C涂层的制备工艺。研究了含量为1 0 0%的碳化硅和5 0%的镍+5 0%的纯钛的激光合金化的结果。1 0 0%和5 0%的N i+5 0%碳化硅合金化条件是由于诸如T
18、i C,T i S i,T i5S i3和N i T i2各种金属 间 化 合 物 相 的 存 在 获 得 高 硬 度HV8 0 01 2 0 0。这些化合物存在于激光表面合金化是通过X射线衍射分析(X R D)和N i,S i,C扩散验证,钛负责这些相的形成是由二次离子质谱(S I M S)研究确定。合金层的显微组织由枝晶组成,其密度高低取决于激光加工条件。在低功率密度的渗层深度约0.5mm的硬度恒定的水平,而在高功率密度的渗层深度触及1.6mm最大与硬度较大的波动。2.2 N i-S i/T i C复合材料W a n gW e n j u a n等4研究了原位合成T i C x-N i(S
19、 i,T i)合金复合材料的制备及力学性能。通过无压烧结T i3S i C2(1 0 v o l%和2 0 v o l%)和N i作为前驱体,在烧结温度为1 2 5 0下保温时间为3 0m i n制备了具有优异机械性能的新型原位T i C x增强N i(S i,T i)合金复合材料。T i3S i C2颗粒分解成亚化学计量的T i C x相,而额外的S i和来自T i3S i C2的部分T i原子扩散到N i基体中形成N i(S i,T i)合金。原位形成的T i C x相主要分散在N i(S i,T i)合金化的晶界上,形成坚固的骨架,细化金属基体的微观结构。2 0.6 v o l%T i
20、C x-N i(S i,T i)复合材料的维氏硬度可以达到(2.1 50.0 4)G P a,屈服应力 0.2%可以达到(4 6 6.85 5.8)MP a和极限抗压强度可以达到(7 3 3.37 8.4)MP a。T i C x-N i(S i,T i)复合材料的力学性能增强是由于T i C x骨架的原位形成,N i(S i,T i)合金的细化显微组织和固溶效应以及T i C x与N i(S i,T i)基体之间良好的润湿性所导致。C h i k e rN a b i l等5研究了N i和T i3S i C2粉末制备15(研究与应用)2 0 2 3年1 1月 陶陶 瓷瓷 CC ee rr a
21、a mm ii cc ss 的原位T i C-N i(S i,T i)复合材料的微观结构和摩擦学 行 为。在 此 研 究 了T i3S i C2对 由N i和T i3S i C2MA X相粉末对钢(1 0 0C r6)制成的原位T i C增强N i(S i,T i)复合材料的微观结构和摩擦学性能的影响。在烧结温度为1 0 8 0下无压烧结4h的N i和T i3S i C2粉 末 被 用 来 制 备 具 有1 0 w t%,2 0 w t%和3 0 w t%T i3S i C2的复合材料。通过扫描电子显微镜(S EM),X射线衍射(X R D)和拉曼光谱研究了这些复合材料的微观结构。在室温下对复
22、合材料表面进行不同施加载荷下的标准球盘摩擦磨损试验。对于3种精细复合材料,T i3S i C2完全分解并转变为T i C相,而从T i3S i C2中释放的S i和T i原子扩散到N i基体中,形成N i(S i,T i)固溶体。与参考(N i)烧结复合材料相比,在N i基体中添加2 0 w t%T i3S i C2将硬度提高了约2 5 0%。T i3S i C2颗粒的添加对这些复合材料对钢的摩擦学性能也有有益的影响。在所有施加载荷下,精细复合材料的磨损表面的特征在于存在润滑的F e3O4-F e2O3摩擦膜。讨论了化学成分和不同施加载荷对三种精细复合材料磨损机制的影响。S h a hN e
23、e lR等6研究了离心铸造T i C增强功能级铜复合材料的表征。研究分析了使用水平离心机铸造工艺制造的功能级C u-N i-S i/T i C复合材料的物理性能和抗磨损性能。在距外部1mm,8mm和1 3mm的壁厚处径向进行的显微组织分析表明,颗粒分布梯度的增加使内部周边的硬度提高了4 1%,并且通过X射线衍射(X R D)分析确定了N i S i2相的形成。对复合材料的外壁(18mm)和内壁(91 5mm)进行拉伸载荷测试;后来的断裂分析表明,外部为延展性,内部为脆性。使用针盘式摩擦磨损试验机对内件的耐磨损性能进行了试验。使用信噪比确定最小磨损率的最佳摩擦参数(1 0 N,2m s-1,5
24、0 0m)。使用方差分析预测每个有影响的参数的贡献及其相互作用。结果表明,滑动速度对磨损率的影响最大(4 5.5 6%),其次是外加载荷(2 1.8 2%)和滑动距离(1 4.6 3%)。测试样品的磨损分析显示机械混合层;后来由能谱分析(E D X)确认。D o n gYJ等7研究了激光熔覆T i C增强T i-N i-S i金属间化合物涂层的显微组织和干滑动耐磨损性能。采用T i C/T i-N i-S i合金粉末作为前驱体材料通过激光熔覆工艺在T A 1 5钛合金基体上制备耐磨T i C增强T i-N i-S i金属间化合物复合涂层,T i C均匀分布在T i2N i3S i-N i T
25、i-T i2N i多相金属间化合物基体中。采用光学显微镜(OM),扫描电子 显微镜(S EM),X射线衍射仪(X R D)和能谱分析仪(E D S)对涂层的微观结构进行了表征。在室温下评价了激光熔覆T i C增强T i-N i-S i金属间化合物涂层的干滑动耐磨 损 性 能。结 果 表 明,T i C/(T i2N i3S i-N i T i-T i2N i)金属间化合物复合涂层表现出优异的耐磨损性能和粘附磨损性能。F a nD i n g等8研究了激光熔覆制备T i C增强金属间化合物基复合材料涂层的原位形成。采用激光熔覆技术在N i基高温合金基体上原位形成T i C颗粒增强N i3(S i
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