陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料發(fā)展概述

劉佳偉，曹金華，宋美慧，張 煜

(1.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150001； 2.某部駐哈爾濱地區(qū)代表室，哈爾濱 150020)

0 引言

增材制造(3D打印)是一種三維實(shí)體快速成型技術(shù)，其利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工成型技術(shù)、激光技術(shù)使用專用材料以指定的方式進(jìn)行逐層堆積，最后制造出實(shí)物[1]。

鎳基高溫合金在650℃～1 000℃范圍內(nèi)具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗腐蝕能力，可以長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下進(jìn)行工作。其中，Inconel 718在700℃時(shí)擁有高強(qiáng)度、高韌性和抗腐蝕能力，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，但其本身含有大量夾雜物，容易產(chǎn)生裂紋和小孔隙，還有在低溫?zé)嶂旅芑瘯r(shí)，不能完全消除孔隙，導(dǎo)致力學(xué)性能差[2]。

近年來(lái)，學(xué)者們?cè)诳朔鉀Q上述問(wèn)題的同時(shí)，采用增材制造技術(shù)制備出一種新型陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料，該復(fù)合材料與傳統(tǒng)鎳基高溫合金相比，在不降低韌性的情況下具有更高的比強(qiáng)度、比剛度和耐熱性[3]，所以關(guān)于陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料的研究成為目前的熱點(diǎn)問(wèn)題。本研究主要對(duì)陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基高溫合金復(fù)合材料的發(fā)展進(jìn)行了整理概述，并對(duì)其優(yōu)勢(shì)及不足展開了討論。

1 鎳基復(fù)合材料的組成

1.1 增強(qiáng)體種類

鎳基復(fù)合材料的增強(qiáng)體種類主要分為顆粒、纖維、晶須等，其中顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料制備成本較低，并且具有較高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和耐熱性。顆粒增強(qiáng)體主要分為難熔金屬化合物(TiC、TiN、ZrB、WC等)和非金屬難熔化合物(B4C、SiC、BN、Si3N4等)。一些常用陶瓷顆粒增強(qiáng)體的性質(zhì)[4]如表1所示。

表1 常用的顆粒增強(qiáng)體性質(zhì)[4]Tab.1 Properties of common particle reinforcements[4]

新加坡制造技術(shù)研究所[5]采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiC預(yù)混Inconel625，然后用激光增強(qiáng)，得到了性能優(yōu)異的復(fù)合材料。Asgharzadeh[6]等的研究表明，通過(guò)高能球磨制備含有納米Al2O3陶瓷顆粒的混合粉末，然后經(jīng)合適的熱固結(jié)工藝，可以制備出超細(xì)結(jié)構(gòu)的鎳基復(fù)合材料。除上述常用陶瓷顆粒外，稀土氧化物顆粒及金剛石顆粒等也可以作為增強(qiáng)體使用。

1.2 基體合金種類

可用于鎳基復(fù)合材料的基體合金主要有純鎳、鎳鉻合金、鎳鋁合金等。劉宗德等[7]以電解鎳塊、鈦粉、碳粉為原料，制備出TiC/Ni復(fù)合材料，原位生成的TiC顆粒是立方體形狀且均勻分布在基體中。朱桐宇[8]在Ni80Cr20基體粉末中加入氧化釔增強(qiáng)顆粒，采用機(jī)械合金化工藝制造出的氧化物彌散增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料有良好的室溫和高溫力學(xué)性能。鎳鋁合金NiAl3具有高熔點(diǎn)、低密度和良好的抗腐蝕性能，可以被用作鎳基復(fù)合材料的基體。

2 鎳基復(fù)合材料制備技術(shù)

2.1 粉末冶金技術(shù)

粉末冶金法是依次經(jīng)過(guò)粉末制備、粉末加工成型、高溫?zé)Y(jié)、后處理等過(guò)程制備復(fù)合材料的工程技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)是形狀獨(dú)特性、能控制材料的孔隙度、性能較熔煉法優(yōu)越、工藝較簡(jiǎn)單、節(jié)省成本等。缺點(diǎn)是生產(chǎn)工藝不夠成熟，產(chǎn)品質(zhì)量有待提高。

顧正陽(yáng)[9]用粉末冶金法技術(shù)制備出了WC/Ni鎳基金屬?gòu)?fù)合材料和 MoS2/Ni鎳基金屬?gòu)?fù)合材料，材料致密度較高，增強(qiáng)相顆粒均勻分布在Ni基體中。

2.2 原位合成制備技術(shù)

原位合成是指一定條件下金屬基體內(nèi)自生成陶瓷相顆粒增強(qiáng)體材料、使金屬?gòu)?fù)合材料性能得以提高的過(guò)程。原位合成增強(qiáng)體顆粒表面無(wú)污染、基體與增強(qiáng)體融合充分、界面結(jié)合強(qiáng)度較高。同時(shí)，它還具有工藝簡(jiǎn)單、熱力學(xué)性能穩(wěn)定、增強(qiáng)顆粒尺寸細(xì)小等優(yōu)點(diǎn)。趙佩佩[10]在鐵鎳合金粉末中加入碳納米管，成功制備了原位自生納米金剛石增強(qiáng)鐵鎳基復(fù)合材料。

2.2.1 超高溫處理技術(shù)

超高溫處理可以使鎳基高溫合金獲得均勻的基體和增強(qiáng)體相組織。F.S.Yin等[11]通過(guò)高溫熔融原位反應(yīng)，成功地制備了TiC/Ni高溫合金基復(fù)合材料。但是，超高溫處理法的能耗較高，僅對(duì)原位自生型復(fù)合材料有效果，而且反應(yīng)產(chǎn)生的雜質(zhì)可能會(huì)使復(fù)合材料的性能降低，因此超高溫處理技術(shù)還需要學(xué)者們努力攻克技術(shù)難關(guān)。

2.2.2 機(jī)械合金化技術(shù)

機(jī)械合金化法是粉末經(jīng)反復(fù)變形、冷焊、斷裂、焊合、再破碎達(dá)到原子間相互擴(kuò)散或發(fā)生固態(tài)反應(yīng)形成合金粉末的過(guò)程，此方法能使顆粒均勻分布，顆粒的尺寸細(xì)小彌散，提高材料的性能。不足之處是此方法的粉末原料成本較高，且需再加工，但總體上還是有很高的實(shí)用價(jià)值。徐金城[12]采用機(jī)械合金化法制備的Y2O3/Cr-Ni復(fù)合材料相比于普通冶金方法制備的材料致密度、硬度和抗拉強(qiáng)度都較高，并具有較好的塑性和保持高溫硬度性能。

2.2.3 自蔓延高溫燃燒合成技術(shù)

高溫自蔓延是具有較高生成熱的材料在燃燒瞬間以自蔓延的方式完成反應(yīng)過(guò)程[13]。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能、產(chǎn)量高、反應(yīng)快、產(chǎn)物具有高純度等。Azadmehr等[14]通過(guò)自蔓延高溫合成法成功制備了(W，Ti)C/Ni復(fù)合材料，較之于傳統(tǒng)工藝，所獲得的復(fù)合材料具有更高的硬度和韌性。Zhang等[15]利用自蔓延高溫燃燒合成技術(shù)成功地制備了TiC/Ni基復(fù)合材料，數(shù)據(jù)表明，均勻鎳網(wǎng)的結(jié)合方式與純TiC相比，大大提高了材料的韌性。它的不足之處在于工藝效率低、工作環(huán)境危險(xiǎn)、成本較高及不能制備形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。

2.3 激光增材制造技術(shù)

2.3.1 選區(qū)激光燒結(jié)(SLS)

SLS技術(shù)是建立所需成形零部件的三維CAD模型，再向密閉成形型腔內(nèi)充入惰性氣體，通過(guò)柔性鋪粉系統(tǒng)在基板上逐層鋪粉，激光逐層熔化凝固，最終獲得產(chǎn)品[16]。其主要用于加工氧化物陶瓷、銅和不銹鋼等材料，如Al2O3陶瓷、ZrO2陶瓷、Cu-Fe、Cu-Ni、Cu-(Sn/Pb)及316L體系等。但SLS技術(shù)存在一些問(wèn)題，如體積收縮率較大、氣孔率較高、相對(duì)密度較低、力學(xué)性能較差等缺陷[17-19]。

2.3.2 選區(qū)激光熔化(SLM)

SLM是一種利用金屬粉末在高能激光作用下快速熔化和凝固、然后逐層掃描累積成型的技術(shù)，其克服了傳統(tǒng)制造工藝不能制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的問(wèn)題[20]。賈清波[21]使用TiC增強(qiáng)Inconel 718復(fù)合材料，通過(guò)優(yōu)化SLM工藝，成功制備了具有均勻微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的TiC/Inconel718納米復(fù)合材料樣品。

2.3.3 激光熔化沉積(LMD)

激光熔化沉積(LMD)技術(shù)是用快速制造技術(shù)在無(wú)模具條件下，以高能量激光束為能量源，并在計(jì)算機(jī)數(shù)控驅(qū)動(dòng)下，將金屬粉末激光熔化、快速凝固逐層沉積，從而直接制造出三維零件[22]。LMD可以制造大型零部件，零件的力學(xué)性能也較高，還可以修復(fù)和再造磨損的零部件。目前，LMD技術(shù)已成功制備多種高溫合金復(fù)合材料，如鎳基沉淀硬化高溫合金、Inconel 625和Inconel 718[23]。曹賽男[24]采用優(yōu)化的LMD工藝制備的純Inconel625合金、納米Inconel625和微Inconel625復(fù)合材料，既提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度，又沒(méi)有犧牲其延展性。

2.4 放電等離子燒結(jié)(SPS)

SPS技術(shù)是一種新的加工工藝，類似于熱壓工藝，它可以做到快速燒結(jié)陶瓷粉末并完全致密化[25]。其優(yōu)點(diǎn)是升溫速度快，燒結(jié)時(shí)間短，節(jié)能環(huán)保，產(chǎn)品組織細(xì)小均勻，結(jié)構(gòu)可控，產(chǎn)品致密度高，還可以燒結(jié)梯度材料和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件。目前，利用SPS工藝制備的合金主要是二元和三元合金或陶瓷體系。秦子珺等[26]利用SPS工藝燒結(jié)40 min，基本完成了FGH96高溫合金復(fù)合材料的致密化過(guò)程，得到了性能優(yōu)異的產(chǎn)品。肖榮振[27]用SPS技術(shù)制備出了不同LaF3含量的鎳基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。然而，放電等離子燒結(jié)不能制備復(fù)雜形狀部件，在一定程度上限制了該工藝的發(fā)展。

3 鎳基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

3.1 微觀組織

Chen等人[28]的研究表明，LMD工藝中，激光能量密度影響復(fù)合材料的組織，當(dāng)能量密度小于80 kJ/m時(shí)，復(fù)合材料中存在少量的微小孔洞；當(dāng)激光能量密度高于100 kJ/m時(shí)，復(fù)合材料組織致密沒(méi)有明顯的微觀孔隙。

顧冬冬等[29]使用WC、TiC等陶瓷顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料，通過(guò)調(diào)整激光工藝參數(shù)和鎳基復(fù)合材料組分，并改進(jìn)激光成形技術(shù)，最終有效控制和消除界面殘余應(yīng)力、界面微孔和微裂紋等成形缺陷。

Ho等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在激光增強(qiáng)的WC-W2C/Inconel718復(fù)合材料中，晶粒容易在WC-W2C表面成核，并在界面處形成擴(kuò)散層。分析認(rèn)為，微觀結(jié)構(gòu)的變化是受增強(qiáng)相與基體之間的潤(rùn)濕角和相界面影響所致。

此外，增強(qiáng)體顆粒的種類、含量及顆粒尺寸均對(duì)復(fù)合材料的微觀組織產(chǎn)生影響[31-33]。

3.2 力學(xué)性能

Cooper等[34]分別用SiC、Al2O3和TiC陶瓷顆粒對(duì)Inconel625進(jìn)行了顆粒強(qiáng)化，結(jié)果表明，在三種陶瓷顆粒中，TiC作為Inconel625的增強(qiáng)顆粒具有最佳性能。

楊超[35]等發(fā)現(xiàn)納米SiC顆粒大大提高了鎳基體的機(jī)械強(qiáng)度，增強(qiáng)能力隨基體晶粒尺寸的減小而增大，當(dāng)加入適量的SiC顆粒時(shí)，Ni-SiC復(fù)合材料在提高機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)仍保持良好的塑性。

王舒[36]采用激光增強(qiáng)技術(shù)制備了原位MC碳化物增強(qiáng)Inconel625復(fù)合材料，其顯微硬度隨著TiC含量的增加而逐漸增加，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均高于Inconel625合金，但伸長(zhǎng)率下降。

3.3 摩擦磨損性能

賈清波[21]發(fā)現(xiàn)，與SLM成形純Inconel 718試樣的耐磨性相比較，SLM成形TiC/Inconel 718納米復(fù)合材料具有更好的摩擦磨損性能。

陳飛[37]在選區(qū)激光熔化成形TiN/Inconel 718復(fù)合材料組織及力學(xué)性能研究中，對(duì)摩擦磨損性能分析表明，DA熱處理態(tài)試樣的耐磨損性能最好，磨損率分別為3.334×10-4mm3/Nm 、1.587×10-4mm3/Nm，明顯高于SLM成形態(tài)、SA及HSA熱處理態(tài)試樣的耐磨損性能，且相同熱處理?xiàng)l件下復(fù)合材料試樣的耐磨損性能也優(yōu)于純Inconel 718合金。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

鎳基高溫合金雖然具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氧化、抗燃?xì)飧g能力，在高溫環(huán)境下可以長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行工作，但其本身含有大量夾雜物，容易產(chǎn)生裂紋和小孔隙，還有在低溫?zé)嶂旅芑瘯r(shí)不能完全消除孔隙導(dǎo)致力學(xué)性能差等，所以尋求新思路來(lái)提高鎳基高溫合金的材料性能勢(shì)在必行。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證明，利用激光快速成型技術(shù)制備陶瓷顆粒(如SiC、TiC、WC、Al2O3)增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料是提高鎳基高溫合金力學(xué)性能的一個(gè)重要方法，可以使復(fù)合材料具有更高的比強(qiáng)度、比剛度和耐熱性，但成本昂貴，制造工藝不成熟仍然是目前亟待解決的問(wèn)題。因此，努力完善激光增材制造等先進(jìn)技術(shù)，積極改良工序，加強(qiáng)高性能鎳基復(fù)合材料的開發(fā)，逐漸降低制造成本將是未來(lái)研究的重點(diǎn)。