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1、金屬陶瓷材料金屬材料和陶瓷材料是我們?cè)诤娇蘸教?、船舶、汽軍、日用等行業(yè)十分常見的材料,已經(jīng)融入到我們的方方面面。金屬陶瓷作為金屬材料和陶瓷材料研發(fā)的一種新型復(fù)合材料,兼具金屬和陶瓷材料的某些優(yōu)點(diǎn),受到科研工作者的廣泛關(guān)注,是材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。近年來,金屬陶瓷的研究成果越來越多,新品種不斷出現(xiàn),理論體系也日趨成熟。圖1金屬陶瓷航空鋁材質(zhì)手機(jī)外殼一、金屬陶瓷簡(jiǎn)介金屬陶瓷,是一種由金屬或合金和一種或幾種陶瓷相所組成的非均質(zhì)的復(fù)合材料,其中后者約占15%-85vol%,當(dāng)陶瓷含量高于50vol%時(shí),亦可稱為陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料。金屬陶瓷(Cermet/Ceramet)是由陶瓷(Ceramics)中
2、的詞頭Cer/Cera與金屬(Metal)中的詞頭Met結(jié)合起來構(gòu)成。金屬陶瓷的理想結(jié)構(gòu)是彌散且均勻分布的陶瓷顆粒表面被連續(xù)薄膜形態(tài)的金屬相包裹,其中陶瓷相承受機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力,通過連續(xù)的金屬和分散,金屬相因呈薄膜狀包裹再陶瓷顆粒表面而得到強(qiáng)化,故金屬陶瓷作為介于高溫合金和陶瓷材料之間的一種高溫材料,具有兼顧金屬的高韌性、可塑性和陶瓷的高熔點(diǎn)、耐腐蝕和耐磨損等性局速網(wǎng)如出殳感£PCD/CBN化學(xué)猖定性圖2常見材料化學(xué)穩(wěn)定性與抗熱沖擊性匯總楊氏模量(E)斷裂強(qiáng)度()7,483122D熱膨脹鈉(1。-七)圖3陶瓷材料和金屬材料楊氏模量及斷裂強(qiáng)度對(duì)比二、金屬陶瓷的發(fā)展史第一代:二戰(zhàn)期間,德
3、國(guó)以Ni粘結(jié)TiC生產(chǎn)金屬陶瓷;第二代:60年代美國(guó)福特汽軍公司發(fā)明的,它添加M。到Ni粘結(jié)相中改善TiC和其它碳化物的潤(rùn)濕性,從而提高材料的韌性;第三代:金屬陶瓷則將N元素弓|入合金的硬質(zhì)相,改單一相為復(fù)合相,形成Ti(C,N)固溶體;20世紀(jì)80年代,硼化物陶瓷由于具有很高的硬度、熔點(diǎn)和優(yōu)良的導(dǎo)電性、耐腐蝕性,成為最有發(fā)展前途的金屬陶瓷。圖4TiC金屬陶瓷組織結(jié)構(gòu)示意圖三、金屬陶瓷材料匹配的原則1、相間熱力學(xué)匹配:金屬相的加入大幅降低陶瓷的燒結(jié)溫度,改善期脆性。純TiC材料因其燒結(jié)溫度在2000C高溫,晶粒生長(zhǎng)較快,致密度和性能較低,加入Ni-Mo金屬作為粘接相,形成TiC-Ni-Mo陶瓷
4、金屬,可在1300c燒結(jié),且致密度和機(jī)械性能均有提高,詳見圖5;1400«1000m60020001234金屬含量/%圖5Ni-Mo金屬含量對(duì)TiC-Ni-Mo陶瓷金屬斷裂強(qiáng)度的影響2、相容性:包括陶瓷與金屬材料的熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量等的相容性,如兩者熱膨脹系數(shù)相差過大,造成的內(nèi)應(yīng)力會(huì)降低材料的熱穩(wěn)定性;圖6Ag金屬納米線、氧化鋁陶瓷復(fù)合超材料薄膜3、相間熱穩(wěn)定性:金屬相與陶瓷相之間無劇烈的化學(xué)反應(yīng)。如發(fā)生反應(yīng)形成化合物,則金屬相無法改善陶瓷的低機(jī)械性能。CHo11ko180020001600JZrO21600:16002200表1真空中陶瓷與金屬反應(yīng)溫度下線/C4、潤(rùn)濕性
5、:陶瓷與金屬之間的潤(rùn)濕性是衡量金屬陶瓷組織結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)劣的關(guān)鍵條件,潤(rùn)濕性越好,金屬相形成的連續(xù)和可能性越大,陶瓷金屬的性能越好。四、陶瓷金屬的分類金屬陶瓷的制備工藝包括粉末冶金、自蔓延高溫合成、真空微波燒結(jié)、原位反應(yīng)、機(jī)械合金化等,其中采用較多的是粉末冶金法(圖4)。金屬陶瓷中陶瓷相通常是高熔點(diǎn)氧化物(AI2Q、Zrd、BeOMg潸)、氮化物(TiN、BNSi3M等)、碳化物(TiC、W第)、硼化物(TiB2、ZrB等),金屬相主要由Ti、Cr、Ni、CoFe等各種金屬單獨(dú)或則一起使用,也可以是金屬材料,如青銅合金、高溫合金等。根據(jù)陶瓷相的種類,金屬陶瓷主要分為氧化物基、碳化物基、碳氮化物基
6、、硼化物基、含石墨或金剛石碳化物基,其具體的分類詳見表2。圖7納米金屬陶瓷復(fù)合材料微觀組織表2金屬陶瓷分類及應(yīng)用匯總神金葡腳劑氧化物基AL203基CtCr-Ho>Fs等切削刀具、導(dǎo)彈噴管襯套,機(jī)械密封環(huán)WrC2基TiZrOZ、W等活性金屬的均據(jù)”火箭噴嘴Be0>Th02.U02電子工業(yè)品、核反應(yīng)堆芯燃料元件碳化物基毗基Ccj后溫軸承、除層TiC基Ni.Ni-FosWi-Cci-Cr等高溫軸承、切削刀具、規(guī)塊Cr3czNKHi-Cr>Ni-W等量具、抗麻蝕的軸承,密封件ErC、HfC*TaC等延性金屬未實(shí)際應(yīng)用碳氮化物Ti(CiN)基Co-Ni.Mo2c等徜型可轉(zhuǎn)位刀、高溫部件
7、、量具期化物基T1B2Fe>作切削工具、鑿巖工具和耐磨零件2rB2B、SiC.Mb等葉輪、軸承、加27衽2隼多元工n、Al等熱擠壓模、熱鍛模等_氮化物基TiN%BN、S13N4一應(yīng)用較少硅化物基lo-Si.Ti-Si.Zr-Si微量金屬材質(zhì)加熱元件、熱電偶等含石墨或金剛石狀碳化物基石的金剛石狀碳化物ClkA&發(fā)動(dòng)機(jī)金屬電刷、離合器時(shí)片等葛強(qiáng)度金M陶密材料及精叁械技求1m底硬,坯件將試轅變?nèi)仗?quot;測(cè)試投告圖8高強(qiáng)度金屬陶瓷材料及精密成型方案PS:由于“金屬陶瓷”和“硬質(zhì)合金”兩個(gè)學(xué)科術(shù)語沒有明確的分界,所以具體材料也很難劃分界線,本文采用I.E.Campbell的觀點(diǎn),將“
8、硬質(zhì)合金”歸于“金屬陶瓷”五、金屬陶瓷的應(yīng)用1、航空航天領(lǐng)域在航空航天領(lǐng)域,耐高溫、抗磨損、高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性等苛刻的環(huán)境與技術(shù)要求,金屬陶瓷有了廣闊的發(fā)揮空間。金屬陶瓷良好的耐磨性與高溫強(qiáng)度,可用于制造航空或航天發(fā)動(dòng)機(jī)的閥、靜止的環(huán)件等。硼化輅晶體和輅鋁合金粘結(jié)的硼化輅金屬陶瓷具有良好的斷裂強(qiáng)度和足夠高的抗熱震性,可用于制備燃?xì)鉁u輪葉片、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管和內(nèi)燃機(jī)閥座等。而具有抗高溫沖刷和氧化特性的W-Cr-Al2Q金屬陶瓷可用于制作采用固體推進(jìn)劑的導(dǎo)彈噴管襯套。此外,美國(guó)NASA®考慮把金屬陶瓷作為液態(tài)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的自潤(rùn)滑軸承材料。廣泛應(yīng)用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱障涂層一般由三層組成,最
9、內(nèi)層是與基體結(jié)構(gòu)相接近的金屬,最外層是陶瓷,而陶瓷與金屬的中間過渡層通常采用金屬陶瓷制成(圖9)。英國(guó)羅羅公司把一層厚度為0.1mm的含Mg的ZrO2基金屬陶瓷作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層的中間過渡層,取得了比較好的應(yīng)用效果。圖9帶有熱障涂層的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片2、艦船領(lǐng)域普通的金屬合金材料涂覆在艦船表面容易因摩擦、電位腐蝕、海水腐蝕等情況導(dǎo)致涂層脫落,從而失去涂層的作用,而金屬陶瓷涂層除具有金屬的韌性,同時(shí)具有陶瓷本身的化學(xué)惰性能夠有效阻隔海水、電位帶來的腐蝕。影響金屬陶瓷涂層的因素有很多,其中最重要的是金屬陶瓷涂層材料的選取以及噴涂技術(shù)的選取,同時(shí)這些決定因素也是金屬陶瓷涂層能夠得到廣泛應(yīng)用
10、的關(guān)鍵。圖10為Cr2Q5SiO23TiO2涂層的板材在廈門海域(海水pH值8.18.2,年均水溫21C,年均鹽度為27.00%。)開展30天的海水腐蝕試驗(yàn)結(jié)果。加噴金屬陶瓷復(fù)合材料涂層作為絕緣層涂層掛板表面未見銹蝕現(xiàn)象,試板上附著有部分海鞘,無大型海生物附著,而左側(cè)的直接在鋼基體因噴涂銅合金,海水滲透到鋼基體產(chǎn)生銹蝕,但涂層完好處無海生物附著。圖10海水掛板試驗(yàn)結(jié)果(左,銅合金涂層,右,金屬陶瓷復(fù)合材料涂層)3、制造加工領(lǐng)域高硬度、耐磨性好、高抗彎強(qiáng)度、抗韌性好、抗氧化等性能決定了金屬陶瓷材料在制造加工領(lǐng)域有著不可替代的作用,尤其在量具和切削刀具方面(圖11和表3)。與硬質(zhì)合金相比,金屬陶瓷
11、具有以下特點(diǎn):(1)化學(xué)穩(wěn)定性及抗氧化性較好,尤其是硬度和抗硬性均較好,可加工硬度小于HRC45勺鑄鐵、碳鋼等材料,同時(shí)適合做計(jì)量工具的規(guī)塊和軸承材料;(2)抗粘附性良好,可有效的去除刀刃上的積屑瘤和量具上的殘留油污及廢屑;(3)更高的熱硬性、耐磨性和韌性,可用于高速切削加工刀具和高溫等特殊環(huán)境下的軸承材料。圖11金屬陶瓷刀加工圖WC-C尾國(guó)內(nèi)外研究最早也是目前廣泛應(yīng)用的一類金屬陶瓷,主要用于加工制造領(lǐng)域。隨著研究的深入,開發(fā)了Ti(C,N)基金屬陶瓷。Ti(C,N)金屬陶瓷具有比較獨(dú)特的“芯、環(huán)”結(jié)構(gòu),其組織特征由三部分構(gòu)成:TiC或Ti(C,N)硬質(zhì)相組成的核心,即“芯";邊緣為
12、TiC或Ti(C,N)的復(fù)雜固溶體組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu),也就是“環(huán)”;由銀、鉆和溶入其中的鈦、車目、碳和氮組成的粘結(jié)相。Ti(C,N)基金屬陶瓷比WC®金屬陶瓷具有更高的硬度、更好的抗腐蝕性以及更高的切削速度。圖12金屬陶瓷軸承與刀具表3我國(guó)主要刀具產(chǎn)品市場(chǎng)Z011201220132014Z015刀具市場(chǎng)37141746T527593硬質(zhì)合金刀具120138158181208金屬陶瓷刀具28323742驍4、其他領(lǐng)域具有良好的耐高溫性能、抗腐蝕性的金屬陶瓷在其他領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用,例如冶金工業(yè)用的耐高溫土甘摒和高溫件、機(jī)械工業(yè)的耐高溫耐磨零部件、電子工業(yè)的熱離子陰極等。相關(guān)學(xué)者研究了一種在冶金領(lǐng)域應(yīng)用的金屬陶瓷質(zhì)滑動(dòng)水口被,其采用剛玉和金屬鋁為主要原料,加入少量碳粉及抗氧化劑,制得的滑動(dòng)水口磚具有使用壽命長(zhǎng)、抗鋼水侵蝕和抗沖刷性好等優(yōu)點(diǎn)。圖13鋁基金屬陶瓷管熱電偶(左)與散熱陶瓷基板(右)六、金屬陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)展望金屬陶瓷材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門和現(xiàn)代技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域,對(duì)工業(yè)快速發(fā)展著重要的推動(dòng)作用,相關(guān)研究已成為材料研究領(lǐng)域中一個(gè)非常重要的研究課題。陶瓷金屬的發(fā)展趨勢(shì)主要包括:1、新金屬陶瓷材料的研發(fā):一為新型硬質(zhì)相和復(fù)合硬質(zhì)相的開發(fā);二為利用常見金屬代替稀有金屬,如Fe代替Co;三為陶瓷和金屬的相成分及含量可突破以前的限制;2、納米級(jí)金屬陶瓷的研發(fā):當(dāng)金屬粘接相不變
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