先進(jìn)材料制備復(fù)習(xí).docx

一、材料制備加工1、定義：材料制備技術(shù)是指材料的合成與加工，使材料經(jīng)過(guò)制備過(guò)程后獲得的新材料在化學(xué)成份、元素分布或組織結(jié)構(gòu)上與原材料有顯著的不同。2、作用：可以通過(guò)材料制備技術(shù)控制現(xiàn)有的內(nèi)部組織，如宏觀微觀結(jié)構(gòu)、原子排列、元素分布、能量狀態(tài)等，來(lái)控制現(xiàn)有材料的性能，特別是新的制備技術(shù)的出現(xiàn)，如快速冷凝技術(shù)可極大的提高凝固速率、改善金屬的組織；復(fù)合材料制備技術(shù)的出現(xiàn)還克服了材料在各自性能上的缺點(diǎn)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。此外，通過(guò)一些新的制備技術(shù)還能獲得一些新的組織結(jié)構(gòu)，得到一些新的材料，如高速冷卻下可以得到金屬非晶材料；不同的制備技術(shù)控制不同的實(shí)驗(yàn)條件還可以得到新的相，從而改善原有材料的性能。3、意義：材料制備時(shí)新材料的獲取和應(yīng)用的關(guān)鍵，也是對(duì)材料進(jìn)行加工、成形和應(yīng)用的品質(zhì)保證，現(xiàn)已成為材料研究和材料加工領(lǐng)域引人注目的技術(shù)熱點(diǎn)。其地位和作用已經(jīng)超出了技術(shù)經(jīng)濟(jì)的范疇，而與整個(gè)人類社會(huì)有密不可分的關(guān)系。高新技術(shù)的發(fā)展，資源能源的有效利用，通信技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量，環(huán)境的保護(hù)都與材料的制備密切相關(guān)。先進(jìn)制備與成形加工技術(shù)的發(fā)展對(duì)于新材料的研制、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化具有決定性的作用，其的出現(xiàn)與應(yīng)用加速了新材料的研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)應(yīng)用進(jìn)程、促進(jìn)如微電子和生物醫(yī)用材料等新興產(chǎn)業(yè)的形成。促進(jìn)了現(xiàn)代航空航天、交通運(yùn)輸、能源保護(hù)等高新技術(shù)發(fā)展?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料向高性能化、復(fù)合化、結(jié)構(gòu)功能一體化發(fā)展，尤其需要先進(jìn)制備與成形技術(shù)的支撐，可使材料生產(chǎn)過(guò)程更加高效、節(jié)能、清潔。4、應(yīng)用：材料制備、合成與成形在材料科學(xué)研究中占有核心支柱地位，主要用于納米材料、薄膜材料、金屬?gòu)?fù)合材料、高溫柱狀合金、單晶合金、非晶合金、亞晶合金以及磁性材料等的制備。二、快速凝固1、快速凝固技術(shù)：一般指以大于105k/s級(jí)的冷卻速度或以數(shù)米每秒的固液界面前進(jìn)速度 使液相凝固成固相的過(guò)程。2、基本原理：根據(jù)材料設(shè)計(jì)的要求，選擇適當(dāng)反應(yīng)劑（氣相、液相或粉末固相），在適當(dāng)?shù)臏囟认拢ㄟ^(guò)元素之間或元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位生成一種或N種高硬度、高彈性模量的增強(qiáng)相，從而達(dá)到增強(qiáng)金屬基體目的。3、快速凝固工藝可以粗分為三類：用高速氣流打擊金屬液流，或在離心力的作用下，使之霧化變成十分細(xì)小的液滴，最后凝固成粉末。把金屬液噴到極冷板或轉(zhuǎn)動(dòng)的錕輪上，凝固成很薄的金屬箔或絲材。用激光或電子束熔化極薄一層金屬表層，整塊金屬基體起到自身冷卻劑的作用，也能獲得很高冷速。4、獲得快冷的三個(gè)途徑：在凝固前施加一個(gè)足夠大的過(guò)冷，使凝固過(guò)程放出的潛熱能夠消散在正在凝固的熔體中施加一個(gè)很高的冷卻速度，用高速排熱造成很大的過(guò)冷度在連續(xù)凝固時(shí)施加一個(gè)很高的固液界面前進(jìn)速度。方法有：霧化法，液態(tài)急冷法，束流表層急冷法，電流體動(dòng)力法，電火花剝蝕法5、快冷材料特點(diǎn)：快速凝固為亞穩(wěn)創(chuàng)造了條件，一是成分亞穩(wěn)，如過(guò)飽和固溶體，二是結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)，如非晶和準(zhǔn)晶。三是形態(tài)亞穩(wěn)，如微晶，納米晶，成分調(diào)幅帶和彌散相?？炖涔に嚳傻玫饺缦滦Ч?擴(kuò)大亞穩(wěn)固溶度 發(fā)現(xiàn)新的亞穩(wěn)相 生成微晶、納米晶、準(zhǔn)晶和非晶。 減小偏析。6、快冷對(duì)性能的影響： 提高強(qiáng)度，快冷使晶粒細(xì)化，對(duì)提高性能有益。 提高塑性 提高耐磨性，快速凝固后金屬的硬度往往大幅度提高。 提高耐蝕性，快冷材料成分均勻，組織細(xì)化，必然能改善耐蝕性。 提高磁性能 提高催化劑效率。雖然快速定向凝固技術(shù)能獲得小偏析甚至無(wú)偏析的超細(xì)化的組織等，具有廣闊的應(yīng)用前景，但仍有一些問(wèn)題要解決。第一，激光超高溫度梯度定向凝固技術(shù)存在的問(wèn)題是：從熔池底部到頂部短距離定向凝固，而不是沿掃描速度方向長(zhǎng)距離連續(xù)定向凝固，從熔池底部到頂部溫度梯度和凝固速度不斷變化，且兩者不能獨(dú)立控制；凝固組織是從機(jī)體外延生長(zhǎng)的，界面上不同位置的生長(zhǎng)方向也不相同，這樣對(duì)凝固組織進(jìn)行定量分析結(jié)果產(chǎn)生影響。第二，深過(guò)冷快速定向凝固技術(shù)需解決兩個(gè)問(wèn)題。一是研究不同過(guò)冷條件下，過(guò)冷熔體激發(fā)形核晶體生長(zhǎng)方式和組織形成規(guī)律。確定適用于形成枝晶陣列微觀組織的試驗(yàn)條件和工藝因素。其次是解決大體積深過(guò)冷激發(fā)快速定向凝固技術(shù)。第三，快速定向凝固技術(shù)只適合于制備一維或二維小尺度材料，在應(yīng)用上受到一定限制。由于在快速定向凝固過(guò)程中，大的凝固速率將導(dǎo)致固液界面的下凹，從而影響定向凝固組織以及凝固過(guò)程的穩(wěn)定性。要實(shí)現(xiàn)快速的定向凝固過(guò)程，必須提高定向凝固設(shè)備的溫度梯度，但是超高的溫度梯度又給設(shè)備帶來(lái)一定的麻煩，所以合理調(diào)節(jié)溫度梯度和過(guò)冷度是快速定向凝固的一個(gè)方向。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn)和人們的努力，快速凝固技術(shù)必將更進(jìn)一步為提高材料的使用性做出貢獻(xiàn)?？焖倌碳夹g(shù)是在比常規(guī)工藝條件下的冷卻速度（10-4-10K/s）快得多的冷卻條件（103-109K/s）下，使液態(tài)合金轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的工藝方法。它使合金材料具有優(yōu)異的組織和性能，如很細(xì)的晶粒（通常0.1-0.01um，甚至納米級(jí)的晶粒），合金無(wú)偏析缺陷和高分散度的超細(xì)析出相，材料的高強(qiáng)度、高韌性等。快速凝固技術(shù)可使液態(tài)金屬脫開(kāi)常規(guī)的結(jié)晶過(guò)程（形核和生長(zhǎng)），直接形成非晶結(jié)構(gòu)的固體材料，即所謂的金屬玻璃。此類非晶態(tài)合金為遠(yuǎn)程無(wú)序結(jié)構(gòu)，具有特殊的電學(xué)性能、磁學(xué)性能、電化學(xué)性能和力學(xué)性能，已得到廣泛的應(yīng)用。如用作控制變壓器鐵芯材料、計(jì)算機(jī)磁頭及外圍設(shè)備中零件的材料、釬焊材料等。快速凝固正日益受到多方的重視。7、合金快速凝固組織基本特征：消除凝固偏析。隨凝固速度的增大，溶質(zhì)的分配系數(shù)偏離平衡，實(shí)際溶質(zhì)分配系數(shù)總是隨凝固速度的增大趨近于1，消除凝固偏析。形成非平衡相。在快速凝固條件下，平衡相的析出被抑制，常析出非平衡的亞穩(wěn)相。細(xì)化晶粒和微觀組織。大的冷卻速率不但可以細(xì)化枝晶，而且由于形核速度增大而使晶粒細(xì)化。隨冷卻速度的增大，晶粒尺寸減小，可獲得微晶乃至納米晶。析出相的機(jī)構(gòu)發(fā)生變化。某些相同成分的合金在不同的冷卻速度下可獲得完全不同的組織。形成非晶態(tài)。過(guò)冷度極大時(shí)，結(jié)晶過(guò)程完全被抑制，從而獲得非晶態(tài)固體。擴(kuò)大固溶極限。過(guò)飽和固溶快速凝固可顯著擴(kuò)大溶質(zhì)組元的固溶極限，共晶合金通過(guò)快速凝固甚至可以形成單向的固溶體組織。因此，既可以通過(guò)保持高度過(guò)飽和固溶以增加固溶強(qiáng)化的作用，也可使固溶元素隨后析出，提高其沉淀強(qiáng)化的作用。高的點(diǎn)缺陷密度。由于原子有序程度突然降低，液態(tài)金屬中的缺陷密度比同溫下的固態(tài)金屬高的多，在快速凝固的過(guò)程中，會(huì)較多地保存在固態(tài)金屬中。8、合金快速凝固組織性能特點(diǎn)：快速凝固合金微觀組織結(jié)構(gòu)的明顯細(xì)化和均勻化，具有很好的晶界強(qiáng)化與韌化，微疇強(qiáng)化與韌化等作用，而成分均勻，偏析減小不僅提高了合金元素的使用效率，還避免了一些會(huì)降低合金性能的有害相的產(chǎn)生，消除了微裂紋萌生的隱患，因而改善了合金的強(qiáng)度、延性和韌性。固溶度的擴(kuò)大，過(guò)飽和固溶體的形成不僅起到了很好的固溶強(qiáng)化作用，也為第二相析出，彌散強(qiáng)化提供了條件；位錯(cuò)層錯(cuò)密度的提高還產(chǎn)生了位錯(cuò)強(qiáng)化的作用。此外，快速凝固過(guò)程中形成的一些亞穩(wěn)相也能起到很好的強(qiáng)化和韌化作用。 三、金屬基復(fù)合材料1、對(duì)制造技術(shù)要求：能使增強(qiáng)材料以設(shè)計(jì)的體積分?jǐn)?shù)和排列方式分布于金屬基體中滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的要求不能使增強(qiáng)材料和金屬基體原有性能下降特別是不能對(duì)高性能增強(qiáng)材料造成損傷；能確保復(fù)合材料界面效應(yīng)、混雜效應(yīng)或復(fù)合效應(yīng)得到充分發(fā)揮，有利于復(fù)合材料性能的提高和互補(bǔ)；不能因工藝不當(dāng)造成材料性能下降盡量避免增強(qiáng)材料和金屬基體間各種不利化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，得到合適的界面結(jié)構(gòu)和性能，充分發(fā)揮增強(qiáng)材料增強(qiáng)增韌的效果設(shè)備投資少，工藝簡(jiǎn)單易行，可操作性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)盡量制造出接近最終產(chǎn)品的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)，減少或避免后加工工序。2、技術(shù)難點(diǎn)及解決方法：加工溫度易發(fā)生不利的化學(xué)反應(yīng)，解決：盡量縮短高溫加工時(shí)間，使增強(qiáng)材料與基體界面反應(yīng)時(shí)間降至最低程度；通過(guò)提高工作壓力使增強(qiáng)材料與基體浸潤(rùn)速度加快；采用擴(kuò)散粘接法可以有效控制溫度并縮短時(shí)間。增強(qiáng)材料與基體濕潤(rùn)性太差是金屬?gòu)?fù)合材料的一難點(diǎn)，解決：加入合金元素，優(yōu)化基體組織，改善基體對(duì)增強(qiáng)材料的浸潤(rùn)性；對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理，涂敷一層可抑制界面反應(yīng)的涂層，可有效改善其浸潤(rùn)性按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，使增強(qiáng)材料按設(shè)計(jì)要求分布于基體中是難點(diǎn)，解決：對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行表面處理，使其浸潤(rùn)基體的速率加快；加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪馗纳苹w的分散性，施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ蛊浞稚⑿约哟蟆?、制造技術(shù)的分類：固態(tài)制造技術(shù)：金屬基體處在固態(tài)情況下，制成復(fù)合材料體系的方法，包括粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、擠壓法、拉拔法和爆炸焊接法等。液態(tài)制造技術(shù)：金屬基體處于熔融狀態(tài)下，與增強(qiáng)材料混合組成新的復(fù)合材料的方法，包括浸滲法、擠壓法、鑄造法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、共噴沉積法、熱噴涂法。其他方法：原位自生成法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)鍍和電鍍法。4、主要問(wèn)題：a、產(chǎn)品價(jià)格 b、質(zhì)量問(wèn)題 c、由于長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，內(nèi)擴(kuò)散以及界面反應(yīng)導(dǎo)致性能降低 d、加工技術(shù)如機(jī)械加工，焊接，表面改性等 e、修補(bǔ) f、回收再利用5、措施：提高工藝水平，降低生產(chǎn)成本，選擇合適的金屬基體和增強(qiáng)提高材料性能，減少界面反應(yīng)及相的穩(wěn)定性對(duì)性能的影響，加大對(duì)金屬基復(fù)合材料在工業(yè)上應(yīng)用的投入和研發(fā)。四、制備合金粉末的非平衡新技術(shù)。機(jī)械合金化法（MA）是一種制備合金粉末的非平衡新技術(shù)，其過(guò)程是：把欲合金化的元素粉末混合起來(lái)，在高能球磨機(jī)等設(shè)備中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，粉末經(jīng)磨球的碰撞、擠壓、重復(fù)地發(fā)生變形，斷裂焊合，原子間相互擴(kuò)散而形成粉末，成為彌散分布的超微細(xì)粒子所用設(shè)備：行星式球磨機(jī)、回轉(zhuǎn)式球磨機(jī)、攪拌式球磨機(jī)和高性能球磨機(jī)。機(jī)械合金化的影響因素：a磨球的種類、尺寸；b球磨氣氛；c過(guò)程控制劑；d機(jī)械合金化裝置；e球磨轉(zhuǎn)速和裝球量機(jī)械合金化的優(yōu)點(diǎn)：a可以避免復(fù)雜的凝固過(guò)程，工藝條件簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)；b能形成納米晶結(jié)構(gòu)，從而提高金屬間化合物的韌性，改善加工性能；c可在金屬基體中加入均勻彌散的環(huán)狀金屬間化合物d有完全不經(jīng)過(guò)融化過(guò)程的特點(diǎn)，特別適合難熔金屬的合金化以及非平衡相的生成。尚存在的問(wèn)題：a高能球磨過(guò)程中磨罐和磨球的磨損摻雜造成粉末材料的污染；bMA法制備的亞穩(wěn)態(tài)合金粉末成形困難；c操作缺乏靈活性和經(jīng)濟(jì)可行性、在球磨過(guò)程中無(wú)法連續(xù)添加粉料。五、金屬間化合物1、定義：金屬間化合物是指金屬與金屬之間，類金屬和金屬原子之間以共價(jià)鍵形式結(jié)合形成的化合物，其原子的排列遵循某種有序化的規(guī)律，當(dāng)以微小顆粒形式存在于金屬合金的組織中時(shí)，將會(huì)使金屬合金的整個(gè)強(qiáng)度得到提高，特別是在一定溫度范圍內(nèi)，合金的強(qiáng)度隨溫度升高而增加，這使得金屬間化合物材料在高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面具有極大的潛在優(yōu)勢(shì)。2、性能特點(diǎn)：屈服強(qiáng)度隨溫度的升高而提高；密度低，比剛度高；韌性很低或者說(shuō)是脆性抗氧化性能優(yōu)良；高溫強(qiáng)度好。3、強(qiáng)化途徑：a提高合金的原子間結(jié)合力，提高其理論強(qiáng)度，并得到無(wú)缺陷完整晶體，無(wú)晶須。b向晶體中引入大量晶體缺陷，如位錯(cuò)、點(diǎn)缺陷、異類原子等。具體方法有固熔強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等。4、塑化和強(qiáng)化方法：通常有微量元素合金化，主要有元素合金化、控制微觀組織、纖維強(qiáng)塑化、快速凝固細(xì)化晶粒方法。5、提高韌性：a加入置換元素，改變?cè)娱g鍵合狀態(tài)和電荷分布以改善塑性；b通過(guò)合金化改變有序結(jié)構(gòu)的類型；c微量合金強(qiáng)化晶界；d材料純化；e細(xì)化晶粒，細(xì)化第二相組織以及加入彌散第二相質(zhì)點(diǎn)從而提高合金塑性。f用韌性的纖維與其復(fù)合增強(qiáng)其韌性，同時(shí)還保留金屬間化合物的諸多優(yōu)點(diǎn)。 六、單晶鎳基高溫合金性能優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、良好的塑性；良好的抗高、低疲勞性能；優(yōu)良的抗冷熱疲勞，抗高溫氧化、腐蝕性能。 七、定向凝固1、定義：定向凝固就是指在凝固過(guò)程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固金屬熔體中建立起沿特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向，按要求的結(jié)晶取向進(jìn)行凝固的技術(shù)。2、凝固柱狀晶及單晶合金的高溫力學(xué)性能。 凝固柱狀晶由于消除了橫向晶界具有較高的蠕變極限及斷裂強(qiáng)度，具有較低的彈性模量故熱疲勞壽命得到顯著提高。 單晶合金由于加入難熔的合金元素具有較高的強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性