金屬基復(fù)合材料的表面復(fù)合技術(shù)

1、金屬基復(fù)合材料的表面復(fù)合技術(shù)*復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同形態(tài)的原材料，通過復(fù)合工藝組合而成的材料，它既保持了原組分材料的主要特點(diǎn)，也具備了原組分材料所沒有的的新性能的一種多相材料。*金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，以纖維、顆粒、晶須等為增強(qiáng)材料，并均勻地分散于基體材料形成的兩相或多相組合體系的材料體系，而用于制備這種復(fù)合材料的適當(dāng)方法稱為復(fù)合材料的制造技術(shù)。*金屬基復(fù)合材料起步于上世紀(jì)60年代初期。當(dāng)時(shí)由于受到增強(qiáng)纖維品種少的限制，僅發(fā)展了硼纖維增強(qiáng)鋁、鈦等少量品種。多沿用樹脂基復(fù)合材料的成型方法，如鋪層工藝和纏繞工藝。生產(chǎn)的復(fù)合材料，價(jià)格高昂（如硼-鉛復(fù)合材料的價(jià)格約為熱軋鋼的1

2、860倍），僅限于用在航空航天上。*80年代中期，長纖維增強(qiáng)、短纖維增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料以及多種增強(qiáng)材料（硼、碳、碳化硅、碳化鈦、硼化鈦、氧化鋁等）、多種基體材料（鋼、鋁、鈦、鎂、鋅等）、多種復(fù)合方法開始較為全面的發(fā)展。由于金屬基復(fù)合材料體系很多，各組分的物理化學(xué)性質(zhì)差別很大，復(fù)合材料的用途也有很大差別，所以復(fù)合材料的制造方法也是千差萬別的。按制造技術(shù)金屬基復(fù)合材料可分為：*、固態(tài)制造技術(shù)*、液態(tài)制造技術(shù)*、表面復(fù)合技術(shù)表面復(fù)合技術(shù)：物理氣相沉積*物理氣相沉積(physical vapor deposition，pvd)技術(shù)表示在真空條件下，采用物理方法，將材料源固體或液體表

3、面氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過低壓氣體(或等離子體)過程，在基體表面沉積具有某種特殊功能的薄膜的技術(shù)。*pvd分為真空蒸發(fā)、濺射和離子涂覆三種，是成熟的材料表面處理的方法，后兩種也曾在實(shí)驗(yàn)室中用來制備金屬基復(fù)合材料的預(yù)制片（絲）。物理氣相沉積技術(shù)基本原理可分三個(gè)工藝步驟：*(1)鍍料的氣化：即使鍍料蒸發(fā)，異華或被濺 射，也就是通過鍍料的氣化源。*(2)鍍料原子、分子或離子的遷移：由氣化源供出原子、分子或離子經(jīng)過碰撞后，產(chǎn)生多種反應(yīng)。*(3)鍍料原子、分子或離子在基體上沉積。*在日本曾用離子涂覆法制備碳纖維/鋁基復(fù)合材料預(yù)制片化學(xué)氣相沉積(cvd)*cvd是傳統(tǒng)的制備薄膜的技術(shù)，

4、其原理是利用氣態(tài)前驅(qū)體，通過原子、分子間化學(xué)反應(yīng)，使得氣態(tài)前驅(qū)體中的某些成分分解，而在基體上形成薄膜。*cvd包括常壓化學(xué)氣相沉積、等離子體輔助化學(xué)沉積、激光輔助化學(xué)沉積、金屬有機(jī)化合物沉積等*作為化學(xué)氣相沉積用的原材料硬是在較低溫度下容易發(fā)生揮發(fā)的物質(zhì)，這種物質(zhì)在一定的溫度下比較穩(wěn)定，但能在較高溫度下分解或還原，作為涂層的分解或還原產(chǎn)物在作業(yè)溫度下是不易揮發(fā)的固相物質(zhì)。*大多數(shù)基體金屬只能通過它們的有機(jī)化合物 作為材料源。這些有機(jī)化合物有鋁的有機(jī)化合物三異丁基鋁，價(jià)格昂貴，在沉積過程中的利用率較低,。*cvd可用來對纖維進(jìn)行表面處理，涂覆金屬鍍層、化合物涂層和梯度涂層，以改善纖維與金屬基體的

5、潤濕性和相容性，美國的ultramet公司用mocvd法制備的鉑族金屬涂層（銥層）可解決金屬材料（鉬或錸）的抗氧化*不同于pvd，cvd方法沉積的涂層與金屬基體間是原子間的堆積，不純物一般小于0.1%，結(jié)合力高，所用的設(shè)備，結(jié)合力高，所用的設(shè)備相對相對pvdpvd較簡單，但沉積溫度一般較高較簡單，但沉積溫度一般較高（少數(shù)（少數(shù)600600，一般在，一般在900-1200900-1200）。）。熱噴涂技術(shù)*熱噴涂法包括等離子體噴涂法和氧乙炔焰噴涂兩種，制造金屬基復(fù)合材料制造金屬基復(fù)合材料主要采用等離子體噴涂法主要采用等離子體噴涂法。等離子體噴涂是利用微波、燈絲、射頻等激勵(lì)等離子體產(chǎn)生等離子體弧的

6、高溫將基體熔化后噴射到增強(qiáng)纖維基底上，冷卻并沉積下來的一種復(fù)合方法。基底為固定于金屬箔上的定向排列的增強(qiáng)纖維。*等離子體噴涂裝置原型最早是由德國人在20年代提出的，只是當(dāng)時(shí)人們對如此高的溫度不感興趣而未達(dá)到實(shí)用化。*直到50年代，隨著以受控核聚變反應(yīng)為目的的等離子體物理的研究，啟動(dòng)了對等離子體種種應(yīng)用領(lǐng)域的探索。*60年代開始，等離子噴涂跨入了實(shí)用性階段，日本在1964年發(fā)表了“等離子體射流噴涂研究”論文；1965年有了“等離子體射流噴涂ni-cr-si-b合金”的報(bào)告；1970年又發(fā)表了“等離子體射流噴涂氧化鋁、氧化鋯”的研究結(jié)果等離子噴涂的發(fā)展*等離子體噴涂適用于直徑較粗的單絲纖維（如b、

7、sic纖維）增強(qiáng)鋁、鈦基復(fù)合材料制片的大規(guī)模生產(chǎn)；對于纖維束絲，需先使纖維松散，鋪成只有數(shù)倍纖維直徑厚的纖維層作基底。*基本原理：利用等離子體將增強(qiáng)顆粒與基體金屬的混合粉末中的金屬粉末熔化，并與增強(qiáng)顆粒一起噴射到襯板上，固化后分離獲得復(fù)合材料。電鍍、化學(xué)鍍和復(fù)合鍍*電鍍就是利用電化學(xué)原理，在直流電場作用下將金屬從含有其離子的電解液中分解后沉積在工件（增強(qiáng)材料，一般為纖維）表面上的過程。*化學(xué)鍍是在水溶液中進(jìn)行的氧化還原過程，溶液中的金屬離子被還原劑還原后沉積在工件上，形成鍍層。*復(fù)合鍍是通過電沉積或化學(xué)液相沉積，將一種或多種固體微粒與基體金屬一起均勻沉積在工件表面上，形成復(fù)合鍍層的方法。一般在

8、水溶液中進(jìn)行，溫度一般不超過90，顆粒選用范圍很廣，除陶瓷顆粒（如sic、al2o3、tic、zro2、b4c、si3n4、bn、mosi2、tib2）、金剛石和石墨外，還可選用易受熱分解的有機(jī)物顆粒，如聚四氟乙烯、聚氯乙烯、尼龍。*復(fù)合鍍法還可以同時(shí)沉積兩種以上不同顆粒制成的混雜復(fù)合鍍層。如同時(shí)沉積耐磨的陶瓷顆粒和減摩的聚四氟乙烯顆粒，使鍍層具有優(yōu)異的摩擦性能。*復(fù)合鍍法主要用來制造耐磨復(fù)合鍍層和耐電弧燒蝕復(fù)合鍍層。常用的基體金屬有鎳、銅、銀、金等，金屬常用常規(guī)電鍍法沉積，加入的顆粒被帶到工件上與金屬一起沉積。*ni-p合金為基質(zhì)加入不同特性的粒子可是鍍層具有不同的優(yōu)良性能，加入高硬度的si

9、c、al2o3可以得到高硬度的復(fù)合鍍層，加入bn、ptfe、mos2等潤滑劑可以得到具有良好潤滑性的復(fù)合鍍層。ni-p-sic-mos2化學(xué)復(fù)合鍍工藝其他工藝條件為：ph3.8-5.4，施鍍時(shí)間150 min，攪拌速度240 r/min。施鍍溫度為90，表面活性劑質(zhì)量濃度為60 mg/l時(shí)，化復(fù)合鍍nipsicmos2鍍速最大，鍍層與基體的結(jié)合力強(qiáng)度較好，鍍層顯微硬度可達(dá)到684hv制備n-al2o3/ni納米顆粒復(fù)合電刷鍍層*采用含有納米氧化鋁（n-al2o3）顆粒的鎳基復(fù)合電刷鍍液，在45號(hào)鋼試樣表面制備納米顆粒復(fù)合刷鍍層。所用納米顆粒材料的粒徑為30-50 nm，在鍍液中含量為20 g/

10、l。*采用化學(xué)與機(jī)械法使納米顆粒在鍍液中分散。復(fù)合刷鍍層制備工藝參數(shù)為：刷鍍電壓為12v、陰陽極間的相對移動(dòng)速率為10 m/min。*從圖中可以直觀的看出，n-al2o3顆粒在復(fù)合電刷鍍鍍層中均勻彌散分布，無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。復(fù)合電刷鍍鍍層中納米顆粒的均勻彌散分布有利于提高鍍層的力學(xué)性能。鍍層中納米顆粒的分布鍍層中納米顆粒的分布*由表1分析 ，加入納米顆粒后，鎳的勁歌常數(shù)變小，即晶格發(fā)生了一定量的畸變。由于ni金屬是面心立方結(jié)構(gòu)，根據(jù)n-al2o3/ni和純ni電刷鍍層xrd衍射峰位置和半高寬的變化，計(jì)算兩種鍍層中ni的晶格常數(shù)，結(jié)果如表1：*由圖a可以看出，基質(zhì)ni金屬原子排列規(guī)則，但其中存在大量的空位（如虛線圈曲域所示）。*有圖b可以看出，不同微區(qū)原子的規(guī)則排列方向存在差異和錯(cuò)排現(xiàn)象，并且在原子規(guī)則排列的微區(qū)之間存在非規(guī)則排列的微小區(qū)域（尺寸為幾納米），這表明，晶態(tài)基質(zhì)ni金屬在微區(qū)的結(jié)晶方向存在差異，并且基質(zhì)ni金屬中存在非晶微小區(qū)域和大量位錯(cuò)。這些組織結(jié)構(gòu)可以阻礙金屬變形，有利于提高復(fù)合電刷鍍層的力學(xué)性能。金屬基復(fù)合材料制造技術(shù)的發(fā)展趨