粉末冶金法和金屬熔滲法制備金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)及其應(yīng)用

江　濤　陳　陽(yáng)　成　銘　萬(wàn)海榮　王園園

(西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065)

粉末冶金法和金屬熔滲法制備金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)及其應(yīng)用

江濤陳陽(yáng)成銘萬(wàn)海榮王園園

(西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065)

摘要:金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料由于具有很多優(yōu)秀的性能而被廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域中，本文主要介紹金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的制備方法是粉末冶金法和金屬熔滲法，主要包括粉末冶金法，自蔓延高溫合成法，金屬熔體熔融滲透法，原位合成法。其中粉末冶金法又包括熱壓燒結(jié)工藝，常壓燒結(jié)工藝，放電等離子燒結(jié)工藝，熱等靜壓燒結(jié)工藝，熱壓反應(yīng)燒結(jié)工藝等。并對(duì)這些制備技術(shù)的原理和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)述，并對(duì)這些制備方法在研究和生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對(duì)金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)述。并對(duì)金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)的研究發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞:金屬間化合物；陶瓷材料；復(fù)合材料；制備技術(shù)；研究發(fā)展與應(yīng)用

金屬間化合物材料具有很多優(yōu)異的力學(xué)性能，如高強(qiáng)度，高韌性，高硬度，具有良好的耐磨損性能等，特別是一些金屬間化合物的強(qiáng)度可隨溫度的升高而升高[1~3]。陶瓷材料由于具有高強(qiáng)度，抗氧化，耐高溫，熱膨脹系數(shù)小和密度小等優(yōu)良性能[1~3]。先進(jìn)陶瓷材料在工程領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。但是陶瓷材料的脆性較大而且韌性較差，這將極大的限制其更為廣泛在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用[1~3]。因此改善陶瓷材料的韌性已成為陶瓷材料得到進(jìn)一步應(yīng)用的主要問(wèn)題。為了提高陶瓷材料的力學(xué)性能，所以可以將金屬間化合物材料與陶瓷材料相復(fù)合制備金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料，可以提高金屬間化合物的性能和陶瓷材料的性能[1~3]。

金屬間化合物相對(duì)于金屬與合金而言是脆性的，但是對(duì)于陶瓷材料來(lái)說(shuō)則是具有塑性的，許多學(xué)者開(kāi)發(fā)了金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料[1~3]。目前研究較多是鋁系金屬間化合物與陶瓷形成的復(fù)合材料，通過(guò)復(fù)合工藝得到性能較好的金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料[1~3]。同時(shí)對(duì)這種金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的增強(qiáng)增韌機(jī)制進(jìn)行研究。目前金屬間化合物材料主要包括Fe-Al金屬間化合物，Ni-Al金屬間化合物和Ti-Al金屬間化合物[1~3]。Fe-Al，Ni-Al，Ti-Al金屬間化合物與陶瓷具有良好的相容性，可以將Fe-Al，Ni-Al，Ti-Al金屬間化合物與陶瓷相復(fù)合制備Fe-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料，Ni-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料，Ti-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料[1~3]。金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能和耐磨損性能以及抗氧化性能等[1~3]。先進(jìn)陶瓷材料有氧化鋁(Al2O3)，氧化鋯(ZrO2)，碳化鈦(TiC)，二硼化鈦(TiB2)，碳化鎢(WC)，氮化鋁(AlN)等。這些陶瓷材料可以與Fe-Al，Ti-Al，Ni-Al相復(fù)合制備Fe-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料，Ni-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料，Ti-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料。此外金屬硅化物材料也屬于金屬間化合物材料，還可以將金屬硅化物材料與陶瓷材料相復(fù)合制備金屬硅化物/陶瓷復(fù)合材料。

金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的主要制備方法有粉末冶金法和金屬熔滲法[4]。在金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的制備中出現(xiàn)多種工藝方法，如粉末冶金法，金屬熔體熔融滲透法，自蔓延高溫合成法以及原位合成法等。其中粉末冶金法又包括熱壓燒結(jié)工藝，常壓燒結(jié)工藝，放電等離子燒結(jié)工藝，熱等靜壓燒結(jié)工藝，熱壓反應(yīng)燒結(jié)工藝等。金屬熔滲法主要就是金屬熔體熔融浸滲法。本文對(duì)這些金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的制備技術(shù)做詳細(xì)的介紹和評(píng)述。并對(duì)這些制備方法在研究和生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對(duì)金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。本文主要介紹金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的制備方法，主要講述粉末冶金法和金屬熔滲法，主要包括粉末冶金法，自蔓延高溫反應(yīng)合成法(SHS)，金屬熔體熔融滲透法，原位合成法，并對(duì)這些制備工藝方法的原理和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)述，并對(duì)這些制備方法在研究和生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對(duì)金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)以及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1　粉末冶金法的原理和工藝過(guò)程

粉末冶金工藝是對(duì)粉末固結(jié)成型后再經(jīng)燒結(jié)工藝直接獲得所需要形狀的復(fù)合材料制件[4]。常用的粉末冶金法有機(jī)械合金化法，反應(yīng)燒結(jié)法等。在金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的制備中應(yīng)用最多的是機(jī)械合金化法。所以可以采用機(jī)械合金化工藝制備出金屬間化合物粉末，并將金屬間化合物粉末與陶瓷粉末相混合制備復(fù)合粉末，并通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝制備出金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料。粉末冶金工藝方法主要包括熱壓燒結(jié)工藝，常壓燒結(jié)工藝，放電等離子燒結(jié)工藝，熱等靜壓燒結(jié)工藝，原位自生法，熱壓反應(yīng)燒結(jié)工藝等。其中熱壓燒結(jié)工藝是將原料粉末在燒結(jié)過(guò)程中進(jìn)行加熱加壓燒結(jié)并保溫一定的時(shí)間形成致密的燒結(jié)試樣。常壓燒結(jié)工藝是首先是將原料粉末通過(guò)壓力成型工藝制備出具有一定形狀的試樣坯體，并放入到高溫?zé)Y(jié)爐中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)得到致密的燒結(jié)試樣。放電等離子燒結(jié)工藝是將原料粉末放入石墨模具中并在放電等離子燒結(jié)爐中通過(guò)熱等離子體加熱并施加一定的軸向壓力并保溫一定的時(shí)間得到致密的燒結(jié)試樣。放電等離子燒結(jié)工藝具有燒結(jié)速度快燒結(jié)試樣致密度高，具有快速成型的優(yōu)點(diǎn)。原位自生法是通過(guò)原料粉末中的某些化學(xué)反應(yīng)生成所需要的反應(yīng)產(chǎn)物并通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝制備出試樣。熱壓反應(yīng)燒結(jié)法是在熱壓燒結(jié)過(guò)程中原料粉末之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成所需要的反應(yīng)產(chǎn)物并通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝使其致密化燒結(jié)得到燒結(jié)試樣。熱等靜壓燒結(jié)工藝是將粉末通過(guò)壓力成型制成坯體并放入熱等靜壓機(jī)中，并在高溫高壓條件下保溫保壓一定時(shí)間制備致密的燒結(jié)試樣。通過(guò)熱等靜壓燒結(jié)工藝可以制備出高致密度的金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料。

1.2　粉末冶金工藝制備金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

張玉軍等采用熱壓燒結(jié)工藝制備出Fe-Al金屬間化合物/Al2O3陶瓷復(fù)合材料[5~8]。張玉軍等[5~8]利用機(jī)械球磨過(guò)程對(duì)Fe，Al金屬粉末混合進(jìn)行機(jī)械球磨，并對(duì)球磨得到的金屬合金粉末在不同溫度下進(jìn)行煅燒制得Fe-Al金屬間化合物粉末，然后再將Fe-Al金屬間化合物粉末與Al2O3粉末球磨混合形成Fe-Al/Al2O3復(fù)合粉末，并進(jìn)行熱壓燒結(jié)工藝制備Fe-Al/Al2O3復(fù)合材料[5~8]。尹衍升等[5~10]利用機(jī)械合金化和熱壓燒結(jié)工藝制備Fe3Al/Al2O3復(fù)合材料[5~10]。尹衍升等[5~10]采用金屬Fe粉和Al粉通過(guò)機(jī)械合金化結(jié)合熱處理工藝制備Fe-Al金屬間化合物粉料，然后將Fe-Al金屬間化合物粉末與Al2O3粉末混合制備Fe-Al/Al2O3復(fù)合粉末，并進(jìn)行熱壓燒結(jié)工藝制備Fe-Al/Al2O3復(fù)合材料塊材，燒結(jié)溫度為1350~1480℃，熱壓壓力為30MPa保溫保壓30min制備Fe-Al/Al2O3復(fù)合材料[5~10]。經(jīng)X射線衍射分析表明復(fù)合材料中有FeAl，F(xiàn)e3Al和Al2O3相存在[5~10]。李?lèi)?ài)民等[7]研究了Cr對(duì)Fe-Al/Al2O3復(fù)合材料韌性的影響[7]。李傳校等[8]研究了TiC與TiC-WC的添加對(duì)FeAl/Al2O3復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響[8]。孫康寧等[9]研究了Fe-Al/Al2O3復(fù)合材料制備工藝。李靜等[10]論述了Fe-Al/Al2O3功能梯度涂層材料的研究現(xiàn)狀及其展望。Schicker.S等[11,12]研究了含有鐵和鐵鋁化合物的Al2O3復(fù)合材料[11,12]。他們采用鐵粉，鋁粉和氧化鋁粉以丙酮為介質(zhì)進(jìn)行球磨制粉，先在50MPa壓力預(yù)成型，再采用冷等靜壓在900MPa的壓力下獲得致密坯體，然后在1450~1500℃的溫度下無(wú)壓燒結(jié)制備出含有Fe/Al2O3和FeAl/Al2O3相的復(fù)合材料[11,12]。當(dāng)Fe和FeAl在復(fù)合材料中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)復(fù)合材料具有最好的力學(xué)性能[11,12]。Schieker.S等[11,12]采用Al2O3粉，Al粉和Fe粉為原料，通過(guò)高能球磨合成Al2O3顆粒增強(qiáng)Fe-Al金屬間化合物基復(fù)合材料[11,12]。在原料中用Fe2O3粉替換Al2O3粉，通過(guò)高能球磨機(jī)機(jī)械球磨后在非氧化氣氛中熱處理，使Fe2O3被Al還原形成Fe-Al金屬間化合物和Al2O3顆粒，并進(jìn)行熱壓燒結(jié)工藝制備出FeAl/Al2O3復(fù)合材料塊體[11,12]。孫康寧等采用熱壓燒結(jié)工藝制備出Ti-Al/TiC復(fù)合材料和Ti-Al/TiC+Al2O3復(fù)合材料[13,14]。王素梅等[13]研究了Ti-Al/TiC復(fù)合材料的燒結(jié)過(guò)程。用差熱分析方法研究了Ti-Al/TiC陶瓷基復(fù)合材料的燒結(jié)過(guò)程，測(cè)定材料的力學(xué)性能，分析不同的燒結(jié)制度對(duì)材料性能的影響[13]。分析認(rèn)為在最高溫度為1600℃熱壓壓力為30MPa燒結(jié)時(shí)得到的材料室溫力學(xué)性能優(yōu)于在最高溫度為1520℃熱壓壓力為17.3MPa燒結(jié)時(shí)得到材料的室溫力學(xué)性能[13]。趙萍等[14]采用固態(tài)相變-熱壓燒結(jié)工藝制備Ti3Al/TiC+Al2O3陶瓷復(fù)合材料，首先將Ti粉末和Al粉末通過(guò)機(jī)械合金化工藝制備出Ti3Al金屬間化合物粉末，并將制備的Ti3Al金屬間化合物粉末與TiC和Al2O3復(fù)合制備復(fù)合粉末，并通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝制備出Ti3Al/TiC+Al2O3復(fù)合材料[14]。有些研究者將Ti粉和Al粉混合濕磨后再與Al2O3粉末通過(guò)球磨混合并通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝燒結(jié)制備出Ti3Al/Al2O3復(fù)合材料，復(fù)合材料具有較高的洛氏硬度。分析認(rèn)為隨著Ti-Al合金含量的增加Ti3Al/Al2O3復(fù)合材料的硬度有所提高[13,14]。還有些研究者首先通過(guò)機(jī)械合金化工藝制備出Ti-Al金屬間化合物粉末，并且將Ti-Al金屬間化合物粉末與Al2O3粉末相混合制備Ti-Al/Al2O3復(fù)合粉末，并通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝制備出Ti-Al/Al2O3復(fù)合材料。采用熱壓燒結(jié)工藝可以制備出致密度較高的Ti-Al/Al2O3復(fù)合材料。熱壓燒結(jié)工藝制備的Ti-Al/Al2O3復(fù)合材料具有均勻致密的顯微結(jié)構(gòu)并具有較高的力學(xué)性能[13,14]。W.B.Chou等[15,16]利用NiAl金屬間化合物增韌Al2O3陶瓷獲得了較好的增韌效果[15,16]。采用粒徑較小的NiAl金屬間化合物粉末和Al2O3粉末在球磨機(jī)中球磨，干燥粉料在熱壓燒結(jié)爐中經(jīng)過(guò)燒結(jié)溫度為1450℃，熱壓壓力為24.5MPa，保溫時(shí)間為1h進(jìn)行熱壓燒結(jié)工藝。研究表明隨著NiAl合金含量的增加，NiAl/Al2O3復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性提高但硬度降低[15,16]。對(duì)于NiAl合金含量為50vol%的試樣，NiAl/Al2O3復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性比純Al2O3陶瓷顯著提高。研究表明通過(guò)加入Fe可增強(qiáng)NiAl/Al2O3復(fù)合材料的界面結(jié)合提高NiAl/Al2O3復(fù)合材料的韌性和強(qiáng)度[15,16]。陳君平等[17,18]利用機(jī)械合金化-放電等離子燒結(jié)制備FeAl/Al2O3復(fù)合材料，將鐵粉，鋁粉和Al2O3粉的混合粉末通過(guò)球磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械活化，并利用放電等離子燒結(jié)得到FeAl/Al2O3復(fù)合材料塊體，燒結(jié)塊材具有較高致密度[17,18]。趙卓玲等[19]采用熱壓燒結(jié)法制備Ti-Al/TiC金屬陶瓷[19]。以Ti粉，Al粉和活性碳粉為組分，采用熱壓燒結(jié)工藝原位合成Ti-Al/TiC金屬陶瓷復(fù)合材料，借助X-射線衍射分析和掃描電鏡觀察該金屬陶瓷的物相成分和顯微組織[19]。結(jié)果表明在1300~1350℃原位生成TiC強(qiáng)化相；將溫度升高到1400℃后TiC與Ti-Al反應(yīng)生成Ti-Al-C系三元增強(qiáng)相[19]。

梅炳初等[20]研究了Ti-Al/TiC系統(tǒng)的反應(yīng)合成與相形成過(guò)程。采取原位熱壓燒結(jié)方法，以Ti粉，Al粉，TiC粉末為原料合成TiAl/Ti2AlC復(fù)合材料[20]。通過(guò)差熱分析和X射線衍射圖譜分析了從600℃到1300℃時(shí)的Ti-Al/TiC系統(tǒng)的反應(yīng)合成過(guò)程和相形成規(guī)律。TiAl金屬間化合物和TiC反應(yīng)并合成致密TiAl/Ti2AlC復(fù)合材料。討論這兩個(gè)階段的反應(yīng)機(jī)理及燒結(jié)產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[20]。施璐等[21]研究了放電等離子燒結(jié)(SPS)原位反應(yīng)制備TiC/Ti2AlC/TixAly系復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電性能[21]。以Al4C3，Ti和石墨混合粉體為原料，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)原位反應(yīng)制備了TiC/Ti2AlC兩相復(fù)合材料和TiC/Ti2AlC/TixAly三相復(fù)合材料[21]。利用X射線衍射分析(XRD)，掃描電鏡(SEM)，透射電鏡(TEM)研究了TiC/Ti2AlC/TixAly復(fù)合材料的物相組成和微觀結(jié)構(gòu)，透射電鏡的觀察結(jié)果顯示TiC/Ti2AlC/TixAly復(fù)合材料的相界面清潔干凈。同時(shí)研究TiC/Ti2AlC/TixAly三相復(fù)合材料的原位反應(yīng)燒結(jié)過(guò)程，并對(duì)TiC/Ti2AlC/TixAly復(fù)合材料的導(dǎo)電行為進(jìn)行表征[21]。劉鳳嬌等[22]研究FeMo-Al2O3復(fù)相陶瓷的制備及其力學(xué)性能。采用FeMo70合金和Al2O3粉體為原料，在1600℃保溫2h下埋炭無(wú)壓燒結(jié)制備得到FeMo-Al2O3復(fù)相陶瓷[22]。研究FeMo70合金微粉的加入量對(duì)FeMo-Al2O3復(fù)相陶瓷的物相組成和力學(xué)性能的影響[22]。結(jié)果表明FeMo-Al2O3復(fù)相陶瓷中主要以Al2O3，F(xiàn)e-Mo和Fe6Mo7N2三種物相形式存在。添加FeMo70合金后，Al2O3基體平均晶粒尺寸增大。FeMo-Al2O3復(fù)相陶瓷的洛氏硬度和斷裂韌性均隨FeMo70合金加入量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且當(dāng)FeMo70合金的加入量為13wt%時(shí)FeMo-Al2O3復(fù)相陶瓷的洛氏硬度(HRA)和斷裂韌性(KIC)達(dá)到最高值[22]。崔洪芝等[23]研究原位合成法制備N(xiāo)iAl(FeAl)/TiB2+Al2O3復(fù)合材料。在陶瓷相中添加金屬間化合物(NiAl或FeAl)形成復(fù)合材料。X射線衍射結(jié)果表明合成產(chǎn)物的主要組成相分別為Al2O3+TiB2，Al2O3+TiB2+NiAl及Al2O3+TiB2+FeAl，進(jìn)行燃燒合成反應(yīng)。通過(guò)對(duì)不同成分反應(yīng)產(chǎn)物的相對(duì)密度，強(qiáng)度，斷裂韌度對(duì)比，可知產(chǎn)物的相對(duì)密度在FeAl含量為15%時(shí)達(dá)到最高99.5%，Al2O3+TiB2+NiAl體系中在NiAl含量為20%時(shí)達(dá)到最高98.5%。隨著金屬間化合物含量的增加，合成復(fù)合材料的硬度下降，而斷裂韌度提高[23]。曹麗麗等[24]研究原位反應(yīng)合成(TiB2-Al2O3)/NiAl復(fù)合材料的微觀組織。通過(guò)Ni粉末，Al粉末，TiO2粉末和B2O3粉末之間的原位反應(yīng)合成(TiB2-Al2O3)/NiAl復(fù)合材料，研究材料的物相組成和組織結(jié)構(gòu)，并對(duì)典型組織的形成過(guò)程進(jìn)行探討。結(jié)果表明反應(yīng)產(chǎn)物由NiAl，TiB2和Al2O3這3種物相組成?；w由NiAl和Al2O3組成而TiB2顆粒尺寸規(guī)則[24]。呂臣敬等[25,26]采用原位合成工藝制備Al2O3/Ti-Al復(fù)合材料，并研究Al2O3/Ti-Al復(fù)合材料的物相組成，顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等，以及研究Al2O3/Ti-Al復(fù)合材料的高溫抗氧化性能[25,26]。

可用粉末冶金工藝制備的復(fù)合材料主要有：Fe-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料，Ni-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料和Ti-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料。Fe-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料有：Fe-Al/Al2O3復(fù)合材料，F(xiàn)e-Al/ZrO2復(fù)合材料，F(xiàn)e-Al/TiC復(fù)合材料等。Ni-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料有：Ni-Al/Al2O3復(fù)合材料，Ni-Al/ZrO2復(fù)合材料，Ni-Al/TiC復(fù)合材料，Ni-Al/TiB2復(fù)合材料。Ti-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料有：Ti-Al/Al2O3復(fù)合材料，Ti-Al/ZrO2復(fù)合材料，Ti-Al/TiC復(fù)合材料，Ti-Al/TiB2復(fù)合材料等。

1.3　自蔓延高溫合成法(SHS)的原理和工藝過(guò)程

自蔓延高溫合成法是指利用反應(yīng)物之間高化學(xué)反應(yīng)熱的自加熱和自傳導(dǎo)作用來(lái)合成材料的一種工藝，當(dāng)反應(yīng)物一旦被點(diǎn)燃，便會(huì)自動(dòng)向未反應(yīng)區(qū)傳播，直至反應(yīng)完全。自蔓延高溫反應(yīng)合成工藝不僅應(yīng)用于碳化物，硼化物和氮化物等單相陶瓷材料的合成，而且在制備金屬/陶瓷復(fù)合材料方面取得很好的效果。但是由于反應(yīng)過(guò)程中過(guò)高的反應(yīng)熱使材料具有較大的氣孔率和較大的收縮，所以通常采用反應(yīng)后的二次燒結(jié)，自蔓延高溫合成過(guò)程的熱壓燒結(jié)以及熱輥等手段獲得致密的復(fù)合材料。常規(guī)自蔓延高溫合成(SHS)技術(shù)是用瞬間的高溫脈沖來(lái)局部點(diǎn)燃反應(yīng)混合物壓坯體，隨后燃燒波以蔓延的形式傳播而合成目的產(chǎn)物的技術(shù)。

1.4　自蔓延高溫合成工藝制備金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀

李志強(qiáng)等[27,28]利用Ti-Al-TiO2體系進(jìn)行自蔓延高溫反應(yīng)合成獲得了Ti-Al/Al2O3復(fù)合材料。自蔓延高溫化學(xué)反應(yīng)合成工藝制得的金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料韌性較好[27,28]。李志強(qiáng)等[27,28]利用Al-Ti-TiO2體系，采用自蔓延高溫合成技術(shù)(SHS)制備Ti-Al/Al2O3復(fù)合材料。研究認(rèn)為隨著合成產(chǎn)物中的Al2O3含量的增加，燃燒溫度會(huì)提高，燃燒速度會(huì)較快，材料的致密度能夠得到改善[27,28]。自蔓延高溫反應(yīng)合成工藝不但可以原位合成基體和增強(qiáng)相，而且制得的金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料斷裂韌性較好，可以通過(guò)工藝的控制制備高性能的梯度材料[27,28]。李志強(qiáng)等[28]研究Al-Ti-TiO2體系自蔓延高溫合成及機(jī)理。有些研究者以TiO2粉，Ti粉和Al粉為原料，利用自蔓延高溫反應(yīng)合成結(jié)合準(zhǔn)等靜壓(SHS/QP)技術(shù)原位合成制備Al2O3-TiAl/Ti3Al復(fù)合材料，并分析燃燒模式，溫度和壓力等合成條件對(duì)復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響[27,28]。

朱春城等[29]研究了TiC/Ti-Al復(fù)合材料的燃燒合成過(guò)程。為了改善Ti-Al金屬間化合物的脆性利用高溫自蔓延反應(yīng)合成/熱壓燒結(jié)工藝制備了TiC/Ti-Al基復(fù)合材料[29]。采用掃描電子顯微鏡，X射線衍射儀對(duì)合成產(chǎn)物進(jìn)行了分析。結(jié)果表明合成產(chǎn)物中除存在基體相Ti3Al和TiAl和增強(qiáng)相TiC外，還存在許多三元相Ti3AlC2和Ti2AlC相[29]。武振生等[30]研究了Ti-C-Al-Ni系熱爆復(fù)合產(chǎn)物TiC/NiAl復(fù)合材料的組織形態(tài)。采用差熱分析，X射線衍射分析，掃描電鏡研究Ti-C-Al-Ni系熱爆復(fù)合產(chǎn)物TiC/NiAl的合成過(guò)程及其微觀組織和結(jié)構(gòu)[30]。結(jié)果表明在Ti-C-Al-Ni體系中Al，Ni間發(fā)生固態(tài)反應(yīng)生成NiAl，所放出的熱量引發(fā)Ti，C間反應(yīng)生成TiC。Al-Ni明顯降低Ti-C熱爆反應(yīng)起始溫度。當(dāng)體系中Ti-C含量較少時(shí)TiC和NiAl均為圓球狀。隨著Ti，C含量的增加NiAl發(fā)生溶化TiC趨于不規(guī)則形狀。當(dāng)Ti-C含量達(dá)50%左右TiC顆粒鑲嵌在熔融后凝固的NiAl基體上形成較致密的金屬間化合物基復(fù)合材料[30]。吳一等[31]研究自蔓延高溫合成Al2O3-TiC/Fe-Al復(fù)合材料。以天然鈦鐵礦為主要原料，采用高溫自蔓延反應(yīng)合成(SHS)技術(shù)，通過(guò)鋁熱，碳熱還原法合成Al2O3-TiC/Fe-Al金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料[31]。研究高溫自蔓延反應(yīng)(SHS)合成過(guò)程中制坯壓力，預(yù)熱時(shí)間，稀釋劑和碳源對(duì)高溫自蔓延反應(yīng)(SHS)合成過(guò)程的影響。研究結(jié)果表明制坯壓力在40MPa時(shí)燃燒溫度與燃燒波速率出現(xiàn)最大值[31]。鄒正光等[32]研究了碳源對(duì)自蔓延高溫合成TiC-Al2O3/Fe3Al復(fù)合材料的影響。以天然鈦鐵礦為主要原料，采用自蔓延高溫合成(SHS)技術(shù)，通過(guò)鋁熱，碳熱還原法合成了金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料[32]。探討碳源(石墨和碳黑)對(duì)FeTiO3-Al-C體系自蔓延高溫合成過(guò)程及產(chǎn)物結(jié)構(gòu)特征的影響[32]。王為民等[33]研究了熱壓自蔓延高溫合成制備TiB2/NiAl金屬間化合物基復(fù)合材料。采用熱壓自蔓延高溫合成技術(shù)(SHS+HP)制備了TiB2/NiAl顆粒復(fù)合材料[33]。采用X-射線衍射，掃描電鏡和圖像分析等方法研究復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明高溫自蔓延反應(yīng)合成結(jié)合熱壓燒結(jié)工藝(SHS+HP)特別適合制備顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料，采用該工藝制備出TiB2/NiAl復(fù)合材料。力學(xué)性能研究表明TiB2/NiAl復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和硬度隨TiB2量增加而提高[33]。王為民等[34]采用自蔓延燃燒合成工藝制備N(xiāo)iAl/TiB2復(fù)合材料。研究Ni-Al-Ti-B系統(tǒng)的自蔓延燃燒合成過(guò)程的微觀結(jié)構(gòu)變化[34]。結(jié)果表明影響合成過(guò)程的主要因素是TiB2摻量。微觀研究發(fā)現(xiàn)原位生長(zhǎng)TiB2顆粒平均尺寸受合成溫度影響[34]。黑鴻君等[35]采用自蔓延高溫合成TiB2+Al2O3/NiAl復(fù)合材料。在Al2O3+TiB2復(fù)相陶瓷中添加金屬間化合物(NiAl或FeAl)形成復(fù)合材料[35]。X射線衍射結(jié)果表明合成產(chǎn)物主要組成相分別為Al2O3+TiB2，Al2O3+TiB2+NiAl及Al2O3+TiB2+FeAl反應(yīng)按預(yù)期進(jìn)行且燃燒合成反應(yīng)進(jìn)行的較為徹底。通過(guò)對(duì)不同成分反應(yīng)產(chǎn)物的致密度，抗彎強(qiáng)度，斷裂韌性對(duì)比，可知產(chǎn)物的致密度在FeAl含量為15%時(shí)達(dá)到最高99.5%，Al2O3+TiB2+NiAl體系中NiAl含量為20%達(dá)到最高98.5%。隨金屬間化合物含量的增加合成復(fù)合材料的硬度下降而斷裂韌性得到顯著提高[35]。

1.5　金屬熔體熔融浸滲法的原理和工藝過(guò)程

金屬熔滲法就是金屬熔體熔融滲透法[36~41]。金屬熔體熔融浸滲法是首先將陶瓷粉末通過(guò)一定的燒結(jié)工藝制成預(yù)制體，并在高溫下使金屬熔體或金屬間化合物熔體自發(fā)的滲入到陶瓷預(yù)制體中形成燒結(jié)制品。金屬熔滲法包括物理滲透和化學(xué)滲透兩種機(jī)理[36~41]。物理滲透的原理和工藝過(guò)程為：陶瓷與熔融金屬接觸，在一定的氣氛，合金成分和工藝條件下，金屬對(duì)陶瓷的潤(rùn)濕性增強(qiáng)或熔融金屬液和預(yù)制體內(nèi)截留的氣體發(fā)生反應(yīng)造成真空從而使金屬熔體自發(fā)滲入陶瓷材料中?；瘜W(xué)滲透的原理和工藝過(guò)程為：將陶瓷相的組分元素或其化合物充分混合制成壓坯置于合金溶液中，在高溫下直接與合金液發(fā)生反應(yīng)生成陶瓷顆粒均勻分布在合金液中形成陶瓷基復(fù)合材料或金屬基復(fù)合材料[36~41]?？捎媒饘偃垠w熔融浸滲法制備的金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料主要有：Fe-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料，Ni-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料等，主要包括Fe-Al/TiC，F(xiàn)e-Al/WC，Ni-Al/TiC，Ni-Al/WC復(fù)合材料等。還可以制備Fe-Si/SiC復(fù)合材料。

1.6　金屬熔體熔滲法制備金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀

馬紅萍等[36]研究了熔滲法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并對(duì)熔滲法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備工藝進(jìn)行評(píng)述。有些研究者將鑄態(tài)Fe-Al金屬間化合物與氧化鋁粉末按先后順序放入石墨模具內(nèi)，利用外加壓方式在燒結(jié)爐中進(jìn)行熱壓燒結(jié)制備出Fe-Al/Al2O3復(fù)合材料。Aghajanian MK等[37]研究無(wú)壓熔滲工藝制備金屬基復(fù)合材料的制備工藝[37]。Subramanian R等[38]采用無(wú)壓熔滲工藝制備Fe-Al/TiC復(fù)合材料，并研究無(wú)壓熔滲工藝制備的Fe-Al/TiC復(fù)合材料的物相組成，顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能[38]。Subramanian R等[39]采用金屬熔體無(wú)壓熔滲工藝制備FeAl-TiC復(fù)合材料和FeAl-WC復(fù)合材料，并研究FeAl-TiC復(fù)合材料和FeAl-WC復(fù)合材料的制備工藝及其顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等[39]。Subramanian R等[40]研究了無(wú)壓熔滲工藝制備的金屬間化合物結(jié)合碳化鎢復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，包括Fe-Al/WC復(fù)合材料和Ni-Al/WC復(fù)合材料[40]。

高明霞等[41~44]采用自發(fā)熔融滲透法制備高TiC含量的NiAl/TiC和Ni3Al/TiC復(fù)合材料[41~44]。由自發(fā)熔滲制備的NiAl/86%TiC復(fù)合材料具有較高的彎曲強(qiáng)度，復(fù)合材料具有較高的斷裂韌性，具有較高的維氏硬度，采用X射線衍射分析/透射電鏡/能譜分析研究NiAl/TiC復(fù)合材料的物相組成，微觀結(jié)構(gòu)和NiAl相與TiC顆粒在高溫熔滲過(guò)程中的互滲情況[41~44]。有些研究者采用無(wú)壓熔滲法制備完全致密的Fe40Al/WC復(fù)合材料[39,40]。在WC體積分?jǐn)?shù)超過(guò)70%的情況下，用液相燒結(jié)法制備的FeAl/WC復(fù)合材料相對(duì)密度為82%~85%，而用無(wú)壓熔滲法制備的FeAl/WC復(fù)合材料的相對(duì)密度高于98.5%，當(dāng)增強(qiáng)相Fe40Al的體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，由無(wú)壓熔滲法制備的Fe40Al/WC復(fù)合材料具有較高的抗彎強(qiáng)度，復(fù)合材料具有較高的斷裂韌性，并具有較高的洛氏硬度[39,40]。通過(guò)提高WC顆粒尺寸和改善金屬間化合物的界面強(qiáng)度來(lái)提高FeAl/WC復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度[39,40]。用無(wú)壓熔滲法制備的Fe40Al/WC復(fù)合材料具有獨(dú)特的高強(qiáng)度，高韌性，耐磨損，抗腐蝕和抗氧化性能[39,40]。采用無(wú)壓熔滲法可以制備N(xiāo)i3Al/WC復(fù)合材料。有些研究者采用無(wú)壓熔滲法制備完全致密的Ni3Al/WC復(fù)合材料[39,40]。當(dāng)金屬間化合物Ni3Al的體積分?jǐn)?shù)為20%和30%時(shí)，該復(fù)合材料的相對(duì)密度分別為99.5%和99.7%。Ni3Al金屬間化合物材料的成分微小差別對(duì)Ni3Al/WC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度有很大影響[39,40]。高明霞等[41~44]研究自發(fā)熔滲法制備TiC/NiAl復(fù)合材料和其微觀組織特征。用自發(fā)熔化滲透法制備高TiC含量(75vol%)的TiC/NiAl復(fù)合材料，研究了滲透溫度和滲透時(shí)間對(duì)TiC/NiAl復(fù)合材料微觀組織形成，硬度及斷裂性能的影響。采用X射線衍射分析和透射電鏡/能譜分析研究了復(fù)合材料的物相組成，微觀結(jié)構(gòu)和NiAl相與TiC顆粒在高溫滲透過(guò)程中的互溶情況[41~44]。結(jié)果表明自發(fā)熔滲法是制備致密的TiC/NiAl復(fù)合材料的有效方法，適當(dāng)提高滲透溫度可縮短滲透時(shí)間。在完成滲透獲得致密組織的前提下，滲透溫度和滲透時(shí)間對(duì)TiC/NiAl復(fù)合材料的硬度及斷裂韌性無(wú)顯著影響。NiAl相和TiC顆粒結(jié)合良好，是滲透后復(fù)合物的僅有組成相[41~44]。高明霞等[44]研究金屬間化合物和低孔隙率TiC燒結(jié)體在熱壓下界面的擴(kuò)散，擠壓和反應(yīng)行為。分別以Fe40Al，Ni3Al和TiAl(NbCr)金屬間化合物為基體，在一定的壓力和溫度下使其和低孔隙率TiC粉體燒結(jié)體有效結(jié)合。采用掃描電鏡及能譜分析儀等對(duì)其界面的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明所有金屬間化合物均與TiC燒結(jié)體形成冶金結(jié)合的界面[44]。TiC燒結(jié)體在高溫保壓過(guò)程中有微量分解，擴(kuò)散進(jìn)入Fe40Al和Ni3Al基體表面降低其熔點(diǎn)從而使其成為可流動(dòng)狀態(tài)，被擠壓進(jìn)入TiC燒結(jié)體的孔隙。但TiAl(NbCr)合金未能進(jìn)入TiC燒結(jié)體孔隙[44]。何柏林等[45]采用無(wú)壓熔滲法制備TiC/Ni3Al復(fù)合材料，并研究無(wú)壓熔滲法制備TiC/Ni3Al復(fù)合材料的微觀組織和性能。采用無(wú)壓熔滲法制備TiC/Ni3Al復(fù)合材料[45]。研究滲透時(shí)間及溫度對(duì)TiC/Ni3Al復(fù)合材料微觀組織，硬度，斷裂韌性和力學(xué)性能的影響。采用X射線衍射分析，掃描電鏡及能譜分析研究TiC/Ni3Al復(fù)合材料的物相組成和微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明無(wú)壓熔滲法是制備致密TiC/Ni3Al復(fù)合材料的有效方法。在完成滲透獲得致密組織的前提下滲透時(shí)間和滲透溫度對(duì)TiC/Ni3Al復(fù)合材料的硬度及斷裂韌性無(wú)顯著的影響。Ni3Al和TiC是滲透后復(fù)合材料的組成相[45]。

有些研究者采用金屬熔滲工藝制備SiC/FexSiy復(fù)合材料。楊光義等[46]采用熔滲法制備SiC/FexSiy復(fù)合材料，并研究了熔滲法制備SiC/FexSiy復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu)和性能[46]。用FexSiy(Fe3Si，F(xiàn)e5Si3，F(xiàn)eSi)熔體自發(fā)浸滲SiC粉體預(yù)制件制備出致密度較高的SiC/FexSiy復(fù)合材料。利用X射線衍射分析(XRD)，光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)等對(duì)SiC/FexSiy復(fù)合材料的物相組成，顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了分析和表征[46]。研究發(fā)現(xiàn)自發(fā)浸滲過(guò)程中SiC在FexSiy 熔體中有溶解和析出導(dǎo)致復(fù)合材料的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。Fe3Si滲入后復(fù)合材料中有碳析出并生成Fe5Si3和FeSi兩種新相。Fe5Si3和FeSi的滲入無(wú)碳析出，而是發(fā)生碳化硅燒結(jié)，粒子合并和晶粒長(zhǎng)大[46]。Fe5Si3熔體滲入超細(xì)碳化硅(0.5μm)粉體預(yù)制件后，生成大顆粒的碳化硅晶粒和碳化硅單晶。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料顯微硬度，彎曲強(qiáng)度的測(cè)試，分析了金屬熔滲法制備的SiC/FexSiy復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的關(guān)系[46]?？梢圆捎媒饘偃垠w熔融滲透法制備出SiC/FexSiy復(fù)合材料?？捎糜诮饘偃垠w熔滲工藝制備的Fe-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料種類(lèi)有：Fe-Al/TiC復(fù)合材料，F(xiàn)e-Al/WC復(fù)合材料等?？捎糜诮饘偃垠w熔滲工藝制備的Ni-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料種類(lèi)有：Ni-Al/TiC復(fù)合材料，Ni-Al/WC復(fù)合材料等。此外還可以采用金屬熔滲工藝制備Fe-Si/SiC復(fù)合材料。

1.7　原位反應(yīng)合成法的原理和工藝過(guò)程

為了克服傳統(tǒng)方法制備的復(fù)合材料存在增強(qiáng)體顆粒尺寸粗大，熱力學(xué)不穩(wěn)定以及界面結(jié)合強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，出現(xiàn)了原位合成技術(shù)，即在一定條件下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在基體內(nèi)原位生成一種或幾種增強(qiáng)相，從而達(dá)到強(qiáng)化的目的[47~49]。這種方法可得到增強(qiáng)體顆粒尺寸細(xì)小，熱力學(xué)性能穩(wěn)定，界面結(jié)合強(qiáng)度高的復(fù)合材料，是一種很有前途的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料制造工藝[47~49]。目前報(bào)道原位合成技術(shù)主要有原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)技術(shù)，原位復(fù)合技術(shù)，定向氧化技術(shù)，熔體浸漬技術(shù)，反應(yīng)結(jié)合技術(shù)及自蔓延高溫反應(yīng)合成技術(shù)等。定向氧化合成技術(shù)是利用放熱反應(yīng)在金屬或金屬間化合物基體中原位分散金屬間化合物或陶瓷顆?；蚓ы毜脑粡?fù)合技術(shù)。原位合成法是利用化學(xué)反應(yīng)在原位生成補(bǔ)強(qiáng)組元-晶須或長(zhǎng)徑比較大的晶粒來(lái)補(bǔ)強(qiáng)基體材料的制備工藝[47~49]。原位合成法主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化工藝，降低材料成本，實(shí)現(xiàn)特殊顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和獲得特殊材料性能，具有很好的熱力學(xué)穩(wěn)定性[47~49]?？捎糜谠环磻?yīng)熱壓燒結(jié)工藝制備的復(fù)合材料主要有Fe-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料，Ni-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料和Ti-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料。金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的制備技術(shù)有原位復(fù)合技術(shù)和定向氧化技術(shù)以及原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)工藝[47~49]。

1.7.1原位復(fù)合技術(shù)

原位復(fù)合技術(shù)是利用放熱反應(yīng)在金屬或金屬間化合物基體中原位分散金屬間化合物或陶瓷顆?；蚓ы毜脑粡?fù)合技術(shù)[47~49]。傳統(tǒng)的方法是將粉末壓坯在恒定速率下加熱到可使反應(yīng)自發(fā)的產(chǎn)生并在整個(gè)混合物中處處發(fā)生反應(yīng)，例如制備TiB2/Ti-Al復(fù)合材料[47~49]。在這方面主要研究有NiAl-Ti，NiAl-TiB2和TiAl-TiB2等，如將純金屬粉末Ti粉末，Al粉末，Ni粉末和C粉末混合后進(jìn)行除氣干燥，隨后制成致密度為70%的壓坯，在真空熱爆爐內(nèi)合成復(fù)合材料經(jīng)測(cè)試確定制備出TiC/NiAl復(fù)合材料[47~49]。陶春虎等采用原位復(fù)合(XD)工藝合成TiAl合金基Ti/TiAl復(fù)合材料，并對(duì)Ti/TiAl復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究[48,49]。

1.7.2定向氧化復(fù)合技術(shù)

定向氧化技術(shù)是定向金屬氧化工藝，定向氧化技術(shù)可用于制備陶瓷基復(fù)合材料[47~49]。最先制備的材料為Al2O3/Al復(fù)合材料，是將鋁合金熔體在高溫加熱一定時(shí)間，當(dāng)環(huán)境為大氣氣氛時(shí)，在合金熔體表面就生成氧化鋁從而形成Al2O3/Al復(fù)合材料[47~49]。如果環(huán)境氣氛改變?yōu)榈獨(dú)鈿夥眨瑒t可制備出含氮化物的復(fù)合材料[47~49]。有報(bào)道指出，在液氮環(huán)境中球磨Ni粉和Al粉，強(qiáng)化相AlN由Al和液氮反應(yīng)生成，最后生成NiAl/AlN復(fù)合材料，該NiAl/AlN復(fù)合材料的抗蠕變強(qiáng)度達(dá)到了Ni基高溫合金SAR100的水平[47~49]。

1.7.3原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)工藝制備的金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀

高文理等[50]采用原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)工藝制備了TiB2/Ti-Al復(fù)合材料，并利用X射線衍射分析(XRD)，掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)對(duì)復(fù)合材料的物相組成和微觀組織進(jìn)行了研究[50]。湯文明等[51]研究了原位TiB2/Fe3Al基納米復(fù)合材料的合成及其晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。研究了機(jī)械合金化過(guò)程中Fe-Al-Ti-B四元粉體的結(jié)構(gòu)演變，討論其合金化機(jī)制[51]。研究表明Fe-Al-Ti-B四元粉體的機(jī)械合金化通過(guò)Al，Ti，B原子向Fe晶格中擴(kuò)散形成Fe(Al,Ti,B)過(guò)飽和固溶體[51]。李建林等[52]研究了原位生成TiC/Ti5Si3納米復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明以SiC和Ti為原料通過(guò)反應(yīng)熱壓燒結(jié)工藝可以原位合成TiC/Ti5Si3復(fù)合材料，其中大部分TiC粒子為納米粒子。TiC晶粒與Ti5Si3晶粒晶界上存在原子臺(tái)階。復(fù)合材料還含有少量Ti3SiC2相[52]。劉波波等[53]研究機(jī)械合金化及原位-熱壓燒結(jié)合成TiC/Ti5Si3復(fù)合材料。并研究TiC/Ti5Si3復(fù)合材料的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能等[53]。以Ti粉，Si粉和C粉為原料，利用高能球磨及熱壓燒結(jié)工藝合成了TiC/Ti5Si3陶瓷復(fù)合材料。研究了工藝條件尤其是熱壓燒結(jié)溫度對(duì)合成產(chǎn)物的物相組成及微觀結(jié)構(gòu)的影響，并結(jié)合差熱分析，X射線衍射分析和掃描電鏡對(duì)反應(yīng)合成機(jī)理進(jìn)行探討。結(jié)果表明通過(guò)優(yōu)化合成工藝高能球磨12h，熱壓燒結(jié)溫度為1400℃時(shí)燒結(jié)6h得到了高純度的TiC/Ti5Si3陶瓷復(fù)合材料。顯微結(jié)構(gòu)表明TiC/Ti5Si3復(fù)合材料的合成過(guò)程伴隨Si熔融，該材料以TiC-Si-Ti5Si3形式相結(jié)合，其中Si為粘結(jié)劑[53]。

姜東濤等[54]研究了燃燒合成法制備多相內(nèi)生NiAl/Cr(Mo)-TiC復(fù)合材料。利用多種元素粉末燃燒合成了復(fù)雜多相內(nèi)生復(fù)合材料NiAl/Cr(Mo)-TiC。研究發(fā)現(xiàn)隨著TiC含量的增加反應(yīng)體系的絕熱溫度和瞬時(shí)液相量提高，TiC含量和瞬時(shí)液相量對(duì)產(chǎn)物致密度的影響是相輔相成的，這種NiAl/Cr(Mo)-TiC復(fù)合材料具有較高的屈服強(qiáng)度顯著高于其他NiAl基復(fù)合材料[54]。王榮明等[55]研究了Fe對(duì)原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)工藝原位生成NiAl-TiB2復(fù)合材料室溫壓縮性能的影響及其微觀機(jī)制[55]。加入25at%Fe元素后其室溫壓縮變形量可達(dá)20%。透射電鏡和高分辨透射電鏡研究分析表明在所得到的NiAl(Fe)-TiB2復(fù)合材料中，除Ni(Al,Fe)，(Ni,Fe)3Al相及TiB2顆粒外還生成了一種新的Fe(Ni,Al,Ti)相。和基體相比該相有較高的Fe含量，分布于枝晶間，可提高材料的塑性。Fe(Ni,Al,Ti)相屬面心立方結(jié)構(gòu)并且與基體和增強(qiáng)顆粒之間結(jié)合致密[55]。米國(guó)發(fā)等[56]研究了TiC/Ti3AlC/Ti3Al三相自生復(fù)合材料熱應(yīng)力分析。根據(jù)TiC/Ti3AlC/Ti3Al三相自生復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，建立了熱應(yīng)力分析的4層嵌套模型。并利用該模型計(jì)算了TiC/Ti3AlC/Ti3Al三相復(fù)合材料的熱應(yīng)力[56]。楊福寶等[57]研究了機(jī)械合金化合成NiAl/HfB2復(fù)合材料的組織與力學(xué)性能[57]。球磨Ni，Al，Hf和B粉末反應(yīng)合成NiAl/HfB2復(fù)合材料，形成機(jī)制歸結(jié)為機(jī)械碰撞誘發(fā)的自蔓延反應(yīng)。采用熱壓燒結(jié)工藝和熱等靜壓工藝將納米雙相復(fù)合粉末壓制成較密實(shí)的塊體材料，進(jìn)而研究其微觀組織與力學(xué)性能。結(jié)果表明反應(yīng)球磨+熱壓燒結(jié)制備的NiAl/HfB2復(fù)合材料基體晶粒細(xì)小，原位生成的彌散相顆粒主要分布于基體晶界，其強(qiáng)化效果顯著而對(duì)塑性的削弱作用較??；不同溫度下壓縮屈服強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于鑄態(tài)NiAl且壓縮變形量均較??；高溫下材料屈服強(qiáng)度依靠于應(yīng)變速率，與含彌散相比例較高的原位復(fù)合工藝制備的NiAl-TiB2復(fù)合材料相當(dāng)[57]。龍堅(jiān)戰(zhàn)等[58]采用Ni粉和Al粉末元素粉末法制備WC-Ni3Al-B復(fù)合材料[58]。為發(fā)展WC-Ni3Al-B復(fù)合材料的液相燒結(jié)制備技術(shù)，研究由羰基Ni粉，分析純Al粉和粗WC粉的混合粉末反應(yīng)合成制備的WC+Ni3Al預(yù)合金粉末[58]。曹?chē)?guó)劍等[59]研究晶粒尺寸對(duì)(TiB2+TiC)/Ni3Al復(fù)合材料循環(huán)氧化性能的影響[59]。采用放電等離子燒結(jié)法制備(TiB2+TiC)/Ni3Al復(fù)合材料。在950℃下燒結(jié)的(TiB2+TiC)/Ni3Al復(fù)合材料的組織比在1050℃下燒結(jié)的(TiB2+TiC)/Ni3Al復(fù)合材料的組織更細(xì)小。對(duì)燒結(jié)溫度分別為950℃和1050℃的復(fù)合材料在900℃下進(jìn)行循環(huán)氧化性能測(cè)試[59]。李義堯等[60]用Ni，Al，Ti，B粉末通過(guò)機(jī)械合金化工藝合成TiB2/NiAl基納米復(fù)合材料[60]。其中Ni粉末和Al粉末通過(guò)機(jī)械合金化工藝形成NiAl金屬間化合物粉末，Ti粉末和B粉末通過(guò)機(jī)械合金化形成TiB2粉末[60]。將NiAl金屬間化合物粉末與TiB2粉末通過(guò)機(jī)械球磨混合形成NiAl/TiB2復(fù)合粉末，并通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝制備出NiAl/TiB2復(fù)合材料塊材[60]。

還有些研究者研究了金屬硅化物/陶瓷復(fù)合材料的制備工藝和性能[61~70]。南峰等[61]研究了反應(yīng)機(jī)械合金化/退火制備Al2O3/Fe3Si納米復(fù)合粉體[61]。以Fe2O3粉，Si粉和Al粉為原料，采用反應(yīng)機(jī)械合金化/退火法制備出了Al2O3/Fe3Si納米復(fù)合粉體。利用X射線衍射儀和掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合粉體球磨以及退火過(guò)程中的固態(tài)反應(yīng)過(guò)程，表面形貌進(jìn)行表征[61]。研究表明Fe2O3-Si-Al混合粉體球磨5h后發(fā)生反應(yīng)生成Al2O3，F(xiàn)e5Si3，F(xiàn)e3Si，F(xiàn)eSi，球磨20h后生成Al2O3/Fe3Si，物相組成有Al2O3和Fe3Si[61]。劉波波等[62]研究了Ti3SiC2/TiC復(fù)相陶瓷的原位合成制備工藝[62]。以Ti粉，Si粉和活性炭粉為主要原料，利用熱壓燒結(jié)工藝合成了Ti3SiC2/TiC復(fù)相陶瓷[62]。研究了工藝條件尤其是不同保溫保壓時(shí)間對(duì)合成產(chǎn)物相組成及微觀結(jié)構(gòu)的影響[62]。王連軍等[63]研究了放電等離子燒結(jié)工藝制備納米結(jié)構(gòu)Ti5Si3-TiC復(fù)合材料[63]。采用金屬鈦和碳化硅為初始原料，采用放電等離子快速燒結(jié)技術(shù)制備了致密納米結(jié)構(gòu)的Ti5Si3-TiC復(fù)合材料[63]。借助X-射線衍射，掃描電鏡和透射電鏡考察了復(fù)合材料的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)，利用壓痕法測(cè)定其室溫顯微硬度和斷裂韌性。結(jié)果表明利用放電等離子快速燒結(jié)技術(shù)可在1260℃，保溫8min條件下使金屬鈦和碳化硅同步完成反應(yīng)燒結(jié)致密化生成Ti5Si3-TiC復(fù)合材料[63]。王含英等[64]研究了原位SiC顆粒增強(qiáng)MoSi2基復(fù)合材料室溫?cái)嗔秧g度的效果與機(jī)制[64]。以鉬粉末，硅粉末，碳粉末為原料，采用濕法混合和原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)復(fù)合工藝制備純MoSi2及含原位反應(yīng)生成體積分?jǐn)?shù)為40vol%SiC顆粒的SiCp/MoSi2復(fù)合材料試樣，并研究其顯微結(jié)構(gòu)和室溫?cái)嗔秧g度[64]。陳輝等[65]研究了機(jī)械化學(xué)還原法制備Al2O3-Mo3Si/Mo5Si3納米復(fù)合粉體[65]。以MoO3粉，Si粉和Al粉為原料，采用機(jī)械化學(xué)還原法制備了Al2O3-Mo3Si/Mo5Si3納米復(fù)合粉體[65]。利用X射線衍射，激光粒度分析儀，透射電子顯微鏡，掃描電子顯微鏡和差熱-熱重分析等對(duì)復(fù)合粉體和球磨過(guò)程中粉體的固態(tài)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行表征[65]。陳輝等[66]研究了納米Al2O3/Mo5Si3復(fù)合粉體的機(jī)械化學(xué)合成[66]。以MoO3粉，Mo粉，Si粉及Al粉為原料，采用機(jī)械化學(xué)還原法原位合成納米Al2O3/Mo5Si3復(fù)合粉體并對(duì)固態(tài)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了探討[66]。姜子晗等[67]研究了MoSi2/ZrB2基超高溫陶瓷的放電等離子燒結(jié)(SPS)制備工藝和性能[67]。ZrB2陶瓷材料具有良好的抗氧化性能，抗熱震性能和抗燒蝕性能[67]。采用放電等離子體燒結(jié)(SPS)工藝，添加體積分?jǐn)?shù)為10%-20%的MoSi2燒結(jié)助劑，選取不同的燒結(jié)參數(shù)制備出超高溫陶瓷成品[67]。艾云龍等[68]研究了SiC-ZrO2納米顆粒協(xié)同強(qiáng)韌化MoSi2陶瓷的組織與性能[68]。通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝制備SiC-ZrO2/MoSi2復(fù)相陶瓷以及對(duì)比試樣MoSi2，ZrO2/MoSi2，SiC/MoSi2陶瓷，利用X射線衍射儀，透射電鏡以及力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)等對(duì)材料組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究[68]。艾云龍等[69]研究了ZrO2/SiC-WSi2/MoSi2納米復(fù)相陶瓷的制備工藝及增韌機(jī)制探討[69]。并研究ZrO2/SiC-WSi2/MoSi2復(fù)相陶瓷的物相組成，顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等。利用掃描電鏡，圖像分析儀以及X射線衍射儀研究ZrO2/SiC-WSi2/MoSi2復(fù)合粉末的分散，熱壓試樣結(jié)構(gòu)，組織以及斷口形貌和斷裂韌性之間的相互關(guān)系[69]。艾云龍等[70]研究了SiC(W)-ZrO2改性MoSi2復(fù)相陶瓷的組織與性能[70]。通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝制備SiC(W)-ZrO2-MoSi2復(fù)相陶瓷，利用X射線衍射儀，透射電鏡對(duì)復(fù)相陶瓷試樣組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，探討了SiC(W)-ZrO2協(xié)同作用對(duì)MoSi2陶瓷性能的影響[70]。結(jié)果表明納米ZrO2顆粒的加入對(duì)材料的細(xì)化作用較SiC晶須明顯，復(fù)相協(xié)同作用細(xì)化效果更好[70]。

可用原位反應(yīng)熱壓燒結(jié)工藝制備的復(fù)合材料有：Fe-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料，Ni-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料和Ti-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料。Fe-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料有：Fe-Al/Al2O3復(fù)合材料，F(xiàn)e-Al/ZrO2復(fù)合材料，F(xiàn)e-Al/TiC復(fù)合材料等。Ni-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料有：Ni-Al/Al2O3復(fù)合材料，Ni-Al/ZrO2復(fù)合材料，Ni-Al/TiC復(fù)合材料，Ni-Al/TiB2復(fù)合材料等。Ti-Al金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料有：Ti-Al/Al2O3復(fù)合材料，Ti-Al/ZrO2復(fù)合材料，Ti-Al/TiC復(fù)合材料，Ti-Al/TiB2復(fù)合材料等。

1.8　金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的種類(lèi)和研究現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料的種類(lèi)很多，常用金屬間化合物主要包括Fe-Al金屬間化合物，Ni-Al金屬間化合物，Ti-Al金屬間化合物。這些金屬間化合物材料都可以與陶瓷材料相復(fù)合制備金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料，如Al2O3，ZrO2，TiC，AlN，TiB2等陶瓷。此外還應(yīng)該開(kāi)發(fā)其他種類(lèi)的金屬間化合物材料，例如Nb-Al金屬間化合物，F(xiàn)e-Ni金屬間化合物，Ni-Si金屬間化合物以及Fe-Si金屬間化合物，Ni-Ti金屬間化合物，Mo-Si金屬間化合物等與陶瓷材料相復(fù)合制備金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料。Nb-Al合金，F(xiàn)e-Ni合金，Ni-Si合金，F(xiàn)e-Si合金，Ni-Ti合金，Mo-Si合金都具有良好的性能。Nb-Al金屬間化合物是高溫合金材料，將Nb-Al金屬間化合物與陶瓷相復(fù)合可以制備具有耐高溫抗氧化的新型復(fù)合材料。同時(shí)為了改善這些金屬間化合物材料的某些性能，向這些金屬間化合物中加入陶瓷顆粒形成顆粒增強(qiáng)的金屬間化合物基復(fù)合材料，可以提高金屬間化合物的力學(xué)性能，并提高金屬間化合物材料的耐磨損性能和耐高溫性能等。

1.9　金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

在金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料的制備技術(shù)中，其中能夠被廣泛應(yīng)用的是粉末冶金技術(shù)，金屬熔融浸滲技術(shù)，原位自生法和高溫自蔓延反應(yīng)合成法。其中粉末冶金法又包括熱壓燒結(jié)工藝，常壓燒結(jié)工藝，放電等離子燒結(jié)工藝，熱等靜壓燒結(jié)工藝，熱壓反應(yīng)燒結(jié)工藝。其中粉末冶金技術(shù)成本較低，制備工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品性能較好。所以采用粉末冶金技術(shù)制備金屬間化合物/陶瓷基復(fù)合材料較為廣泛。粉末冶金工藝得到的燒結(jié)制品的性能較高。所以粉末冶金法制備金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料在工程領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛。金屬熔融浸滲法需要高溫爐，所制備的燒結(jié)制品力學(xué)性能較高而且可以實(shí)現(xiàn)大批量制造產(chǎn)品或零部件。原位自生法和自蔓延高溫反應(yīng)合成法在工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，可以生產(chǎn)一些具有特殊性能的產(chǎn)品或零部件。

1.10　金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：

(1)加強(qiáng)開(kāi)發(fā)更多不同的新類(lèi)型基體的復(fù)合材料。

(2)加強(qiáng)工藝過(guò)程的控制。

(3)加強(qiáng)先進(jìn)制備技術(shù)的研究。

(4)開(kāi)發(fā)低成本制備技術(shù)。

2結(jié)論與展望

本文主要介紹金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的制備方法，包括粉末冶金法，自蔓延高溫合成法，金屬熔體熔融滲透法，原位合成法，其中粉末冶金法又包括熱壓燒結(jié)工藝，常壓燒結(jié)工藝，放電等離子燒結(jié)工藝，熱等靜壓燒結(jié)工藝，熱壓反應(yīng)燒結(jié)工藝等。并對(duì)這些制備技術(shù)的原理和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)述，并對(duì)這些制備方法在研究和生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對(duì)未來(lái)的金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。本文對(duì)金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的制備方法及其工藝進(jìn)行詳細(xì)的介紹，可以看出新技術(shù)得到了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，新技術(shù)和新材料被用來(lái)制備復(fù)合材料，而且所制備的金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料具有優(yōu)秀的性能，所以金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的制備工藝還需進(jìn)一步研究和完善，新的研究表明這些制備技術(shù)的發(fā)展有呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢(shì)，使得金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料能夠更加廣闊的應(yīng)用在工程領(lǐng)域中。

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Research Status, Development Trend and Applications of the Intermetallics compounds/ceramics Matrix Composites Fabricated by Powders Metallurgy Process and Metal Melt Infiltration Process

Jiang TaoChen YangCheng MingWan HairongWang Yuanyuan

(School of Materials Science and Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065)

Abstract:The intermetallics compounds/ceramics matrix composites have many excellent properties and applied in the engineering fields. In this paper, the fabrication process of the intermetallics compounds/ceramics matrix composites were introduced, the fabrication process included powders metallurgy process and metal melt infiltration process, the fabrication process of intermetallics compounds/ceramics matrix composites included: powders metallurgy technology, high temperature self-propagation synthesis, metal melt infiltration process and in-situ reaction synthesis process. The powders metallurgy process included hot-pressing process, pressureless sintering process, spark plasma sintering process, hot iso-static pressing process and hot-pressing reactive sintering process. The theories and development of these fabrication processes were introduced and discussed. The research and application of these preparation processes were introduced. The research status and development trend of the intermetallics compounds/ceramics matrix composites were introduced. The further development on the preparation technology of the intermetallics compounds/ceramics matrix composites was also prospected.

Keywords:intermetallics compounds; ceramics materials; composites materials; fabrication technology; research, development and application

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.05.004

作者簡(jiǎn)介：江濤(1978~)，男，博士，講師.主要從事復(fù)合材料的制備與性能方面的研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)(201410705031).