耐腐蝕金屬復(fù)合材料制備工藝研究進(jìn)展

劉 超

（山東省冶金科學(xué)研究院有限公司，山東 濟南 250022）

近幾年來，隨著我國科技的快速發(fā)展，海洋工程、電子工程、航空航天以及其他金屬行業(yè)都得到了充分的創(chuàng)新以及發(fā)展，因此，在這樣的發(fā)展背景之下，原本單一普通的金屬材料已經(jīng)不再能滿足社會綜合性能的需求，不僅如此，傳統(tǒng)的金屬材料內(nèi)質(zhì)結(jié)構(gòu)也較為單一、簡單，不具有形成復(fù)雜金屬材料的潛質(zhì)[1]。在實際應(yīng)用上，傳統(tǒng)的單一高分子金屬材料還極易受到腐蝕，不同的環(huán)境對于金屬的使用壽命也會產(chǎn)生一定的影響。不僅如此，金屬材料的制備工藝也相對較為落后，這也不利于其實際使用范圍的擴大，還會形成相應(yīng)的約束條件。面對這樣的現(xiàn)狀，應(yīng)該進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)展金屬制備工藝，將耐腐蝕金屬復(fù)合材料的研制與生產(chǎn)提上日程，耐腐蝕金屬復(fù)合材料的制造通常會將至少一種的單一金屬材料與合金、陶瓷、高分子以及異種金屬等進(jìn)行熔煉重組，通過調(diào)整溫度以及冶煉環(huán)境來更改金屬的內(nèi)質(zhì)結(jié)構(gòu)，以片層的融合方式來進(jìn)行交替排列式的制備，在這個過程中，各個金屬的層級材料以及質(zhì)子結(jié)構(gòu)一般是保持原有的特征的，同時各層組元之間一旦出現(xiàn)異常，還會形成互補，這也使得復(fù)合材料在剛度、耐腐蝕性、強度以及抗沖擊性等方面都會得到極大地優(yōu)化改善[2]。目前，人們在混合金屬材料原本的優(yōu)勢上進(jìn)行相關(guān)制備工藝的改變，依據(jù)不同的制造環(huán)境，設(shè)計相符合的制備工藝，采取增強相位、調(diào)節(jié)層疊等方式來更好地提升耐腐蝕金屬復(fù)合材料的質(zhì)量和應(yīng)用效果，制造出具有低密度、耐腐蝕性、耐摩擦磨損等特殊性能復(fù)合材質(zhì)金屬，一定程度上提升我國的技術(shù)制造水平。

1 耐腐蝕金屬復(fù)合材料制備工藝設(shè)計分析

1.1 獲取熔鑄密度參數(shù)

在進(jìn)行耐腐蝕金屬復(fù)合材料制備工藝設(shè)計之前，需要先利用熔鑄的形式來獲取實際的密度參數(shù)。熔鑄實質(zhì)上是一種利用鑄造設(shè)備改變復(fù)合材料形態(tài)，以便于塑形的一種現(xiàn)代工藝。通過溫度的改變將反應(yīng)材料恢復(fù)成基礎(chǔ)的形態(tài)，對其進(jìn)行鑄型澆鑄、冷卻結(jié)晶、退火等操作，在這個過程中，可以從中獲取到較為優(yōu)良的材料數(shù)據(jù)信息，同時可以通過調(diào)整材料的密度來擴大其使用范圍[3]。將單一性質(zhì)的金屬材料置于高溫的熔爐之中，利用測值設(shè)備獲取熔煉前的數(shù)據(jù)信息，作出記錄。計算相對熔鑄標(biāo)準(zhǔn)時間，如下公式1所示：

公式1中：H表示相對熔鑄標(biāo)準(zhǔn)時間，β表示動態(tài)粒子運動時間，f表示綜合測算比值。通過以上計算，最終可以得出實際的相對熔鑄標(biāo)準(zhǔn)時間。在此基礎(chǔ)上，利用較為簡單的工藝程序，將單質(zhì)的金屬材料中的運動晶粒結(jié)構(gòu)作出更改，使整個材料在常溫下逐漸發(fā)生形變。調(diào)整材料的熔煉程度分別設(shè)置5vo1%，15vol% ，25vo1%三個等級，并且注意觀察材料的具體變化規(guī)律，通常情況下，基礎(chǔ)含量為TiC或者單一Ti-6A1-4V材質(zhì)的復(fù)合材料熔煉的時間會相對較慢，相對地成形的時間也會隨著增加[4]。將材料混合，測算各項指標(biāo)數(shù)據(jù)，并計算熔鑄密度參數(shù)，如下公式2所示：

公式2中：g表示熔鑄密度參數(shù)，α表示態(tài)欽基數(shù)，s表示成形時間，δ表示抗拉強度。通過以上計算，最終可以得出實際的熔鑄密度參數(shù)。依據(jù)以上密度參數(shù)，進(jìn)行復(fù)合材料的制備。

1.2 基體與增強體的引入

在完成熔鑄密度參數(shù)的獲取之后，接下來，需要將耐腐蝕金屬復(fù)合材料的基體以及增強體作出引入操作。一般情況下，傳統(tǒng)的基體引入方式多為物理方式，表現(xiàn)為將單一結(jié)構(gòu)的金屬材料煉化，融合在一起，這種方式雖然可以達(dá)到目的，但是一定程度上會影響制備后金屬材料的硬度和剛度，同時還會縮小實際應(yīng)用的范圍[5]。耐腐蝕金屬復(fù)合材料的基體引入呈現(xiàn)為半物理狀態(tài)，并且結(jié)合了可控成型工藝，將引入的效果達(dá)到了最佳，對耐腐蝕金屬材料的熱固性進(jìn)行對比，如下表1所示：

表1 耐腐蝕金屬材料的熱固性對比分析表

通過以上表1中數(shù)據(jù)的對比分析，可以得知在高溫的狀態(tài)下，基體與增強體更加容易成型或者引入，所以在此基礎(chǔ)上，計算引入比例，如下公式3所示：

公式3中：B表示引入比例，ω表示服役溫度，?表示材料單一純度值。通過以上計算，最終可以得出實際的引入比例，依據(jù)比例將材料的基體與增強體混合，與金屬材料完成晶粒的融合，調(diào)整金屬材料的純度為TA0～TA6，此時，基體與增強體有著相同的膨脹系數(shù)，為避免出現(xiàn)熔鑄異常，可以在熔煉成型過程中適當(dāng)添加TiB顆粒或者陶瓷顆粒，以保證金屬材料的質(zhì)量。

1.3 原位合成法實現(xiàn)耐腐蝕金屬復(fù)合材料的制備

在完成基體與增強體的引入之后，接下來，可以利用原位合成法來實現(xiàn)耐腐蝕金屬復(fù)合材料制備工藝的設(shè)計。首先，為了增強耐腐蝕金屬復(fù)合材料的顆粒尺寸，在材料的煉化過程中添加內(nèi)部原位合成的TiB、TiC以及TiB2等增強體，利用原位合成法計算復(fù)合材料制備完成后的實測硬度、耐腐蝕系數(shù)，如下公式4所示：

公式4中：F表示耐腐蝕金屬復(fù)合材料的硬度，d表示基體標(biāo)準(zhǔn)比值，λ表示細(xì)化范圍。通過以上計算，最終可以得出實際的材料硬度。在此基礎(chǔ)上，材料的顆粒會有所變化，粒子結(jié)構(gòu)以及形態(tài)也會有所變化，具體如下圖1所示：

圖1 耐腐蝕金屬復(fù)合材料顆粒形態(tài)變化圖

通過圖1中的結(jié)構(gòu)演化，最終可以實現(xiàn)金屬材料顆粒的重組。計算內(nèi)部的原位合成范圍，如下公式5所示：

公式5中：N表示原位合成范圍，θ表示反應(yīng)百分比，m表示合成初始距離。通過以上計算，最終可以得出實際的原位合成范圍[6]。將其設(shè)置為耐腐蝕金屬復(fù)合材料制備工藝的標(biāo)準(zhǔn)，增強基體以及增強體的引入范圍，完成金屬制備工藝的設(shè)計。

2 制備工藝測試

2.1 測試準(zhǔn)備

本次對耐腐蝕金屬復(fù)合材料制備工藝進(jìn)行研究分析。首先，進(jìn)行測試環(huán)境的設(shè)置，準(zhǔn)備符合材料的熔鑄設(shè)備，并調(diào)節(jié)對應(yīng)的溫度，通常為500℃左右，在測試的過程中可以依據(jù)實際的情況作出調(diào)節(jié)。設(shè)備運行頻率為30/次，激光束功率為230 W，延展密度為2.35%TiC。測試共分為兩組，一組為傳統(tǒng)的塑韌金屬材料制備工藝，將其設(shè)定為傳統(tǒng)塑韌測試組，另一組為本文設(shè)計的方法，將其設(shè)定為原位合成耐腐蝕測試組，兩組同時進(jìn)行測試，核查測試的設(shè)備是否處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)，并確保無外部影響因素，開始測試。

2.2 測試過程及結(jié)果分析

通過以上設(shè)置，進(jìn)行測試，具體的測試流程如下圖2所示：

圖2 金屬復(fù)合材料制備結(jié)構(gòu)圖

通過圖2中的測試，最終可以得出以下兩組測試結(jié)果，對其進(jìn)行對比分析，如下表2所示。

表2 制備工藝測試結(jié)果對比分析表

通過表2中所得出的測試數(shù)據(jù)，最終可以得出最終的測試結(jié)論：在相同的測試環(huán)境下，對比于傳統(tǒng)的塑韌測試組，原位合成耐腐蝕測試組在對耐腐蝕復(fù)合金屬材料的制備成型時間相對更短，表明其塑形、制備效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法，效果更佳，具有一定的實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

綜上所述，便是對耐腐蝕金屬復(fù)合材料制備工藝研究進(jìn)展的分析研究。其實，耐腐蝕金屬復(fù)合材料對比于傳統(tǒng)的單一結(jié)構(gòu)金屬材料具有更強的優(yōu)勢。不僅成本低，質(zhì)量高，同時還可以批量化、自動化地生產(chǎn)，一定程度上增強了我國金屬制備的效率，因此得到社會各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。另外，耐腐蝕金屬復(fù)合材料的實際應(yīng)用也較為便捷，在高溫下很容易發(fā)生形變，具有高性能、多功能化的特點，有利于我國金屬以及相關(guān)行業(yè)的進(jìn)一步創(chuàng)新與發(fā)展。