江 濤 黃一丹
(西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710065)
Ni-Si金屬間化合物具有很多優(yōu)秀的性能,例如具有較高的力學(xué)性能,優(yōu)秀的耐磨損性能和抗高溫氧化性能等。Ni-Si金屬間化合物包括Ni3Si、Ni2Si和NiSi,陶瓷材料也具有很多優(yōu)秀的性能。陶瓷材料具有較高的力學(xué)性能,良好的耐磨損性能和抗高溫氧化性能等。Ni-Si金屬間化合物與陶瓷材料具有良好的相容性,可以將Ni-Si金屬間化合物與陶瓷相復(fù)合制備Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料。本文首先敘述了Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的制備技術(shù)、物相組成、顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、耐磨損性能和抗高溫氧化性能等,并敘述了Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,并對Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的未來研究發(fā)展趨勢和發(fā)展方向進(jìn)行分析和預(yù)測。
Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的制備技術(shù)主要采用粉末冶金工藝進(jìn)行制備。其中粉末冶金工藝主要包括熱壓燒結(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、熱壓反應(yīng)燒結(jié)工藝、原位反應(yīng)自生法制備工藝等。
可以將Ni-Si金屬間化合物與陶瓷相復(fù)合制備Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料。陶瓷材料主要有碳化硅(SiC)、碳化鈦(TiC)、氧化鋁(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、碳化鎢(WC)、碳化鈮(NbC)等,所以可以將Ni-Si金屬間化合物加入到這些陶瓷材料中形成Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料,例如形成Ni-Si/SiC 復(fù) 合 材 料,Ni-Si/TiC 復(fù) 合 材 料,Ni-Si/Al2O3復(fù)合材料,Ni-Si/Si3N4復(fù)合材料,Ni-Si/WC復(fù)合材料,Ni-Si/NbC 復(fù)合材料等。而上述的這些復(fù)合材料的制備技術(shù)、物相組成、顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、耐磨損性能和抗高溫氧化性能等,研究發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢概述如下:
Tian W B等[1]研究了Ni-Si-Ti粉末混合物對碳化硅陶瓷的釬焊。在許多工業(yè)應(yīng)用中,通過傳統(tǒng)的無壓釬焊方法越來越需要大型SiC組件。在研究中使用含有0~10wt%Ti的Ni-Si-Ti粉末混合物用于釬焊SiC陶瓷,進(jìn)行差熱分析(DTA)和潤濕測試以確定合適的連接溫度為1 450℃。對制備的SiC 接頭的微觀結(jié)構(gòu),物相成分和機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了表征。對于不添加Ti的釬焊組合物,中間層主要由NiSi和Ni3Si2相組成。隨著Ti的加入,在夾層內(nèi)除了Ni-Si金屬間化合物外新形成Ni49Ti14Si37相。目前釬焊時(shí)SiC接頭的抗彎強(qiáng)度在66~75 MPa,試樣一般從合金夾層與SiC基體的界面處斷裂。
Gao Fei等[2]研究了鎳和碳化硅顆粒的固態(tài)反應(yīng)制備出具有不同顯微結(jié)構(gòu)的Ni-Si-C復(fù)合材料。各組織固相鎳和碳化硅顆粒通過熱壓燒結(jié)工藝制備Ni-Si-C 復(fù)合材料。根據(jù)界面反應(yīng)的程度,將復(fù)合材料分為三種類型,即部分的,完全的和過度的反應(yīng)。對于部分反應(yīng)(I型),復(fù)合材料的特征是基體和碳化硅之間的薄的反應(yīng)層。完全反應(yīng)(II型)的復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)演變到各種不同的微觀結(jié)構(gòu)和組合物,取決于燒結(jié)溫度。應(yīng)避免過度反應(yīng)(III型)。與部分反應(yīng)的復(fù)合材料相比,完全反應(yīng)的復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能。硬度和抗彎強(qiáng)度顯著提高。II型復(fù)合材料的力學(xué)行為與復(fù)合材料的組成成分和組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在900℃獲得了復(fù)合材料對不銹鋼最有前途的摩擦學(xué)性能。
Selvan J Senthil等[3]研究了采用激光熔覆工藝在純鈦表面制備SiC和Ni-SiC涂層的制備工藝。研究了含量為100%的碳化硅和50%的鎳+50%的純鈦的激光合金化的結(jié)果。100%和50%的Ni+50%碳化硅合金化條件是由于諸如TiC,TiSi,Ti5Si3和NiTi2各種金屬間化合物相的存在獲得高硬度HV 800~1200。這些化合物存在于激光表面合金化是通過X射線衍射分析(XRD)和Ni,Si,C 擴(kuò)散驗(yàn)證,鈦負(fù)責(zé)這些相的形成是由二次離子質(zhì)譜(SIMS)研究確定。合金層的顯微組織由枝晶組成,其密度高低取決于激光加工條件。在低功率密度的滲層深度約0.5 mm 的硬度恒定的水平,而在高功率密度的滲層深度觸及1.6 mm 最大與硬度較大的波動(dòng)。
Wang Wenjuan等[4]研究了原位合成TiCx-Ni(Si,Ti)合金復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能。通過無壓燒結(jié)Ti3SiC2(10vol%和20vol%)和Ni作為前驅(qū)體,在燒結(jié)溫度為1 250℃下保溫時(shí)間為30 min制備了具有優(yōu)異機(jī)械性能的新型原位TiCx增強(qiáng)Ni(Si,Ti)合金復(fù)合材料。Ti3SiC2顆粒分解成亞化學(xué)計(jì)量的TiCx相,而額外的Si和來自Ti3SiC2的部分Ti原子擴(kuò)散到Ni基體中形成Ni(Si,Ti)合金。原位形成的TiCx相主要分散在Ni(Si,Ti)合金化的晶界上,形成堅(jiān)固的骨架,細(xì)化金屬基體的微觀結(jié)構(gòu)。20.6vol%TiCx-Ni(Si,Ti)復(fù)合材料的維氏硬度可以達(dá)到(2.15±0.04)GPa,屈服應(yīng)力σ0.2%可以達(dá)到(466.8±55.8)MPa和極限抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到(733.3±78.4)MPa。TiCx-Ni(Si,Ti)復(fù)合材料的力學(xué)性能增強(qiáng)是由于TiCx骨架的原位形成,Ni(Si,Ti)合金的細(xì)化顯微組織和固溶效應(yīng)以及TiCx與Ni(Si,Ti)基體之間良好的潤濕性所導(dǎo)致。
Chiker Nabil等[5]研究了Ni和Ti3SiC2粉末制備的原位TiC-Ni(Si,Ti)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué) 行 為。 在 此 研 究 了 Ti3SiC2對 由 Ni 和Ti3SiC2MAX 相粉末對鋼(100 Cr6)制成的原位TiC增強(qiáng)Ni(Si,Ti)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)性能的影響。在燒結(jié)溫度為1 080℃下無壓燒結(jié)4 h的Ni和Ti3SiC2粉末被用來制備具有10wt%,20wt% 和30wt%Ti3SiC2的復(fù)合材料。通過掃描電子顯微鏡(SEM),X 射線衍射(XRD)和拉曼光譜研究了這些復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。在室溫下對復(fù)合材料表面進(jìn)行不同施加載荷下的標(biāo)準(zhǔn)球盤摩擦磨損試驗(yàn)。對于3種精細(xì)復(fù)合材料,Ti3SiC2完全分解并轉(zhuǎn)變?yōu)門iC 相,而從Ti3SiC2中釋放的Si和Ti原子擴(kuò)散到Ni基體中,形成Ni(Si,Ti)固溶體。與參考(Ni)燒結(jié)復(fù)合材料相比,在Ni基體中添加20wt%Ti3SiC2將硬度提高了約250%。Ti3SiC2顆粒的添加對這些復(fù)合材料對鋼的摩擦學(xué)性能也有有益的影響。在所有施加載荷下,精細(xì)復(fù)合材料的磨損表面的特征在于存在潤滑的Fe3O4-αFe2O3摩擦膜。討論了化學(xué)成分和不同施加載荷對三種精細(xì)復(fù)合材料磨損機(jī)制的影響。
Shah Neel R 等[6]研究了離心鑄造TiC 增強(qiáng)功能級銅復(fù)合材料的表征。研究分析了使用水平離心機(jī)鑄造工藝制造的功能級Cu-Ni-Si/TiC 復(fù)合材料的物理性能和抗磨損性能。在距外部1 mm,8 mm 和13 mm 的壁厚處徑向進(jìn)行的顯微組織分析表明,顆粒分布梯度的增加使內(nèi)部周邊的硬度提高了41%,并且通過X 射線衍射(XRD)分析確定了NiSi2相的形成。對復(fù)合材料的外壁(1~8 mm)和內(nèi)壁(9~15 mm)進(jìn)行拉伸載荷測試;后來的斷裂分析表明,外部為延展性,內(nèi)部為脆性。使用針盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對內(nèi)件的耐磨損性能進(jìn)行了試驗(yàn)。使用信噪比確定最小磨損率的最佳摩擦參數(shù)(10N,2 ms-1,500 m)。使用方差分析預(yù)測每個(gè)有影響的參數(shù)的貢獻(xiàn)及其相互作用。結(jié)果表明,滑動(dòng)速度對磨損率的影響最大(45.56%),其次是外加載荷(21.82%)和滑動(dòng)距離(14.63%)。測試樣品的磨損分析顯示機(jī)械混合層;后來由能譜分析(EDX)確認(rèn)。
Dong Y J等[7]研究了激光熔覆TiC 增強(qiáng)Ti-Ni-Si金屬間化合物涂層的顯微組織和干滑動(dòng)耐磨損性能。采用TiC/Ti-Ni-Si合金粉末作為前驅(qū)體材料通過激光熔覆工藝在TA15鈦合金基體上制備耐磨TiC增強(qiáng)Ti-Ni-Si金屬間化合物復(fù)合涂層,TiC 均勻分布在Ti2Ni3Si-Ni Ti-Ti2Ni多相金屬間化合物基體中。采用光學(xué)顯微鏡(OM),掃描電子顯微鏡(SEM),X 射線衍射儀(XRD)和能譜分析儀(EDS)對涂層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。在室溫下評價(jià)了激光熔覆TiC增強(qiáng)Ti-Ni-Si金屬間化合物涂層的干滑動(dòng)耐磨損性能。結(jié)果表明,TiC/(Ti2Ni3Si-NiTi-Ti2Ni)金屬間化合物復(fù)合涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨損性能和粘附磨損性能。
Fan Ding等[8]研究了激光熔覆制備TiC 增強(qiáng)金屬間化合物基復(fù)合材料涂層的原位形成。采用激光熔覆技術(shù)在Ni基高溫合金基體上原位形成TiC 顆粒增強(qiáng)Ni3(Si,Ti)金屬間化合物復(fù)合涂層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,強(qiáng)大的冶金界面確保了涂層與基材之間的良好結(jié)合。復(fù)合涂層非常好,沒有裂縫和氣孔。采用掃描電子顯微鏡(SEM),能譜分析儀(EDS)和X 射線衍射儀(XRD),研究了Ti-C的添加對涂層顯微組織和顯微硬度的影響。涂層的顯微組織主要由Ni(Si),Ni3(Si,Ti)和TiC組成。涂層的平均顯微硬度隨著Ti-C 含量的增加而提高。當(dāng)Ti-C添加量為20wt%時(shí),顯微硬度達(dá)到780 HV。遠(yuǎn)大于鎳基高溫合金基體。
Sun Yaoning 等[9]研究了激光熔覆工藝制備的Ni3Si金屬間化合物復(fù)合涂層的抗氧化腐蝕行為。已經(jīng)通過循環(huán)氧化試驗(yàn)研究了在溫度為1 100℃時(shí),Ni-Si-Ti-C和Ni-Si-C-Nb原位增強(qiáng)復(fù)合涂層的高溫抗氧化性能。進(jìn)行了熱重分析(TG),掃描電子顯微鏡(SEM)和X 射線衍射儀(XRD),熱重分析(TG)數(shù)據(jù)表明熔覆層達(dá)到了良好的耐氧化性能。動(dòng)力學(xué)常數(shù)Kp和氧化的樣品表明,NbC 加強(qiáng)熔覆層比TiC 增強(qiáng)復(fù)合涂層具有更好的耐氧化性能,NbC 加強(qiáng)熔覆涂層氧化物產(chǎn)品包括NiO,SiO2和鈮,TiC 增強(qiáng)復(fù)合涂層氧化產(chǎn)物為NiO,一些SiO2和TiO2。
Chen H 等[10]研究了機(jī)械合金化合成Mo2Ni3Si-Al2O3納米復(fù)合材料的顯微組織和力學(xué)性能。以MoO3,Ni,Si和Al為起始材料,通過機(jī)械合金化合成Mo2Ni3Si-Al2O3納米復(fù)合材料。機(jī)械合金化的粉末通過熱壓燒結(jié)固結(jié)制備Mo2Ni3Si-Al2O3納米復(fù)合材料。通過掃描電子顯微鏡(SEM)和X 射線衍射(XRD)研究了Mo2Ni3Si-Al2O3復(fù)合粉末的形貌和結(jié)構(gòu)演變。詳細(xì)研究了Mo2Ni3Si-Al2O3納米復(fù)合材料固結(jié)產(chǎn)品的顯微組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明,研磨10 h后得到Mo2Ni3Si-Al2O3復(fù)合材料。反應(yīng)機(jī)理是機(jī)械誘導(dǎo)的自蔓延合成反應(yīng)。研磨20 h 后Mo2Ni3Si和Al2O3的平均晶粒尺寸分別為15.9 nm和32.4 nm。Mo2Ni3Si-Al2O3復(fù)合粉末在1 000℃的退火過程中是穩(wěn)定的。熱壓燒結(jié)固結(jié)后,Mo2Ni3Si-Al2O3復(fù)合材料具有較高致密度(96.3%)和細(xì)晶粒(微米和亞微米范圍)。Mo2Ni3Si-Al2O3復(fù)合材料的維氏硬度為13 GPa,抗彎強(qiáng)度為533 MPa和斷裂韌性為6.29 MPa·m1/2。同時(shí),該Mo2Ni3Si-Al2O3復(fù)合材料在高溫下具有更高的抗彎強(qiáng)度,在高達(dá)1 000℃時(shí)仍保持穩(wěn)定的抗彎強(qiáng)度約為513 MPa。
Radhika N 等[11]研究了采用離心鑄造法制備了Cu-11Ni-4Si/10wt%Si3N4功能梯度復(fù)合材料,并研究了其力學(xué)行為和三體磨粒磨損行為。沿徑向的顯微結(jié)構(gòu)分析表明,Cu-11Ni-4Si/10wt%Si3N4復(fù)合材料內(nèi)周有高濃度的Si3N4顆粒,X 射線衍射(XRD)分析證實(shí)存在引入的增強(qiáng)材料。在具有最高濃度(53vol%)增強(qiáng)顆粒的Cu-11Ni-4Si/10wt%Si3N4復(fù)合材料的內(nèi)周觀察到最高的顯微硬度(207 HV),并且內(nèi)部區(qū)域顯示出更高的拉伸強(qiáng)度(425.58 MPa)?;贚27正交陣列的磨粒磨損試驗(yàn),僅在基于力學(xué)行為的內(nèi)周邊進(jìn)行。通過信噪比和方差分析負(fù)載,速度和時(shí)間等參數(shù)對磨損率的影響。結(jié)果表明,外加載荷對磨損率的影響最大(60.45%),其次是速度和時(shí)間。對磨損樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)分析,觀察到磨損隨著參數(shù)的增加而從輕微變?yōu)閲?yán)重。這種Cu-11Ni-4Si/10wt%Si3N4復(fù)合材料適用于汽車材料。
樊丁等[12]研究了激光熔覆制備WCp/Ni-Si-Ti復(fù)合涂層。在Ni基高溫合金表面預(yù)置3種不同WC含量的Ni78Si13Ti9(at%)粉末,采用激光熔覆制備了WC和原位自生TiC復(fù)相陶瓷增強(qiáng)Ni3(Si,Ti)基復(fù)合涂層。利用掃描電鏡(SEM),能譜分析儀(EDS)和X射線衍射儀(XRD)對熔覆層組織進(jìn)行分析,并測量了其熔覆層的顯微硬度。結(jié)果表明,熔覆層與基體呈冶金結(jié)合,熔覆層組織主要由Ni(Si)固溶體,Ni3(Si,Ti)金屬間化合物和WC-TiC復(fù)相陶瓷組成。隨WC 添加量增加,涂層中復(fù)相陶瓷含量增多;孔隙率增大;碳化物形態(tài)演變歷程為不規(guī)則形狀,花瓣形狀以及不規(guī)則形狀和花瓣形狀共存。
孫耀寧等[13]研究了激光非平衡制備Ni-Si-Nb-C涂層。以Ni-Si-Nb-C 混合粉末作為預(yù)置合金,采用橫流CO2激光器進(jìn)行激光熔覆處理,在高溫合金表面制備原位合成NbC 顆粒增強(qiáng)Ni3Si復(fù)合材料涂層。結(jié)果表明,采用合適的激光熔覆工藝參數(shù),可獲得NbC顆粒增強(qiáng)的以Ni3Si金屬間化合物及γ-Ni固溶體為主要組成相的復(fù)合涂層。尺寸約在24μm的NbC 顆粒彌散分布,與復(fù)合材料基體潤濕良好,熔覆層致密,組織細(xì)小,與基材呈良好的冶金結(jié)合。晶體結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)生長過程決定了NbC 以不同的生長形態(tài)出現(xiàn)。Sun Yaoning等[14]研究了采用激光熔覆工藝制備的原位NbC 增強(qiáng)Ni3Si金屬間化合物涂層的制備工藝過程。激光熔覆技術(shù)是用來形成Ni3Si金屬間化合物復(fù)合涂層的原位生成NbC 顆粒增強(qiáng)鎳基高溫合金基體。激光熔覆技術(shù)的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化以獲得包覆層。研究了NbC 對Ni3Si金屬間化合物涂層的微觀結(jié)構(gòu)的影響。并對增強(qiáng)顆粒的形態(tài)進(jìn)行了討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,一個(gè)很好的涂層和基體之間的結(jié)合,確保了一個(gè)強(qiáng)大的冶金界面。復(fù)合涂層是非常好的,沒有裂縫和孔隙。涂層的微觀結(jié)構(gòu),主要由Ni(Si),Ni3(Si,Nb)和NbC的微粒組成,這NbC微粒是由于在激光熔覆過程中Nb和C之間的原位反應(yīng)產(chǎn)生的。NbC 的顆粒均勻地分布在復(fù)合材料中。此外,NbC顆粒的最大尺寸超過4μm。
可以將Ni-Si金屬間化合物與陶瓷相復(fù)合制備Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料。Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料主要包括Ni-Si/SiC 復(fù)合材料,Ni-Si/TiC 復(fù)合材料,Ni-Si/Al2O3復(fù)合材料,Ni-Si/Si3N4復(fù)合材料,Ni-Si/WC 復(fù)合材料,Ni-Si/NbC復(fù)合材料等。還應(yīng)該開展新型的復(fù)合材料例如Ni-Si/Al N 復(fù)合材料,Ni-Si/Zr O2復(fù)合材料,Ni-Si/TiB2復(fù)合材料,Ni-Si/Zr B2復(fù)合材料,Ni-Si/Zr C復(fù)合材料,Ni-Si/Zr N 復(fù)合材料,Ni-Si/TiN 復(fù)合材料,Ni-Si/Ti(C,N)復(fù)合材料,Ni-Si/Si Al ON復(fù)合材料,Ni-Si/Mg Al ON 復(fù)合材料研究開發(fā)工作。
Ni-Si金屬間化合物和陶瓷都具有優(yōu)秀的性能。可以將Ni-Si金屬間化合物與陶瓷相復(fù)合制備Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料。Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料具有優(yōu)秀的性能。筆者首先敘述Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的制備技術(shù),物相組成,顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能,耐磨損性能和抗高溫氧化性能等,并對Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行分析和預(yù)測。Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的未來發(fā)展趨勢是:
(1)開發(fā)新型的氧化物,氮化物,碳化物和硼化物作為基體并與Ni-Si金屬間化合物相復(fù)合制備新型的Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料,例如制備Ni-Si/氧化物陶瓷,Ni-Si/氮化物陶瓷,Ni-Si/碳化物陶瓷,Ni-Si/硼化物陶瓷復(fù)合材料等。
(2)為了提高Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能,可以向復(fù)合材料中加入顆粒,晶須,短纖維等作為增強(qiáng)增韌相提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
(3)還需要研究Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料的耐磨損性和抗高溫氧化性以及耐腐蝕性等。
(4)還需要研究Ni-Si金屬間化合物與陶瓷基體之間的界面結(jié)合性能和界面顯微結(jié)構(gòu)。
(5)將TiC,TiN,Ti(C,N),WC 硬質(zhì)合金等與Ni-Si合金相復(fù)合形成Ni-Si/硬質(zhì)合金復(fù)合材料,使得Ni-Si/硬質(zhì)合金復(fù)合材料能夠應(yīng)用到耐磨損工程領(lǐng)域。Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料具有良好的耐磨損性能和耐高溫性能以及抗高溫氧化性能等可以應(yīng)用到耐磨損工程領(lǐng)域,耐高溫工程領(lǐng)域。因此Ni-Si金屬間化合物/陶瓷復(fù)合材料將廣泛應(yīng)用在工程領(lǐng)域。