高溫合金基復(fù)合材料

1、高溫合金基復(fù)合材料高溫合金 泛指能在600以上高溫抗氧化或腐蝕、并在一定應(yīng)力下可長期使用的一類金屬材料，又叫超合金，主要是鎳基、鐵基合金。 使用在航空發(fā)動機(jī)，航天火箭發(fā)動機(jī)以及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)上的各種高溫部件的關(guān)鍵材料上。航空發(fā)動機(jī)中，高溫合金用量達(dá)40-60 傳統(tǒng)Ni基合金缺點(diǎn)：比重大 高溫合金高溫合金汽車增壓器噴嘴環(huán)葉片汽車增壓器噴嘴環(huán)葉片 金屬基復(fù)合材料最有前途的應(yīng)用之一是做燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的葉片。這類零件在高溫和接近現(xiàn)有合金所能承受的最高應(yīng)力下工作，因此成了復(fù)合材料研究的一個主攻方向。 高溫復(fù)合材料使用溫度：1000以上。鎳合金基復(fù)合材料 鎳基復(fù)合材料具有良好的高溫強(qiáng)度、抗熱疲勞、抗氧化和抗

2、熱腐蝕性，是取代傳統(tǒng)鎳基高溫合金制造航空航天艦船及工業(yè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中重要受熱部件的新型金屬基復(fù)合材料。 高溫合金基復(fù)合材料的研究主要集中在纖維增強(qiáng)高溫合金 主要強(qiáng)化纖維有金屬纖維，SiC纖維、碳纖維、Al2O3纖維等金屬絲/Ni合金基復(fù)合材料 常用金屬：鎢，釷鎢絲 優(yōu)點(diǎn)：可提高工作溫度100度以上。 大幅度提高其高溫持久性能和高溫蠕變性能，一 般可以提高100h 持久強(qiáng)度 1 到3倍，主要用于高 性能航空發(fā)動機(jī)葉片等重要部件 缺點(diǎn)：比重高，含70%體積比的鎢絲鎳基復(fù)合材料的比 重是強(qiáng)度最好的鑄造高溫合金的1.9倍陶瓷纖維/Ni基復(fù)合材料 藍(lán)寶石纖維，碳纖維，SiC纖維 SiC纖維：SiC纖維

3、或顆粒和鎳基合金存在較嚴(yán)重有害的界面反應(yīng)，且不能兼顧與氧的相容性，不適合發(fā)動機(jī)環(huán)境 藍(lán)寶石纖維缺點(diǎn)：高溫下的反應(yīng)可能造成纖維表面“浸蝕”,由于其表面缺陷敏感性,即使很小的缺陷也會使得纖維性能嚴(yán)重下降。制備成本昂貴,比重較大,力學(xué)性能并不高 碳纖維優(yōu)點(diǎn)：比重小、力學(xué)性能高和成本低 缺點(diǎn)：600度以上C在Ni內(nèi)有一定固溶度，Ni在1000度以上環(huán)境會催化C結(jié)晶。 解決方案：尋找合適的纖維表面涂層，進(jìn)行表面改性。難！ 涂層種類：金屬，陶瓷 涂層結(jié)構(gòu)：單層，雙層，多層 在眾多的增強(qiáng)纖維中,難溶金屬纖維為最好,因為纖維和基體的界面作用有較大容限,而且鎢合金纖維比鉭、鉑、鈮基合金纖維強(qiáng)度高.鎢合金纖維的極

4、限拉伸強(qiáng)度在1095 時可達(dá)2165MPa,100小時蠕變持久強(qiáng)度達(dá)1400MPa,而高溫合金僅為90Mpa。 雖然鎢合金纖維密度最高,但其持久強(qiáng)度與密度之比大于其他纖維，因而,優(yōu)先選用鎢纖維作為增強(qiáng)材料。 纖維增強(qiáng)高溫合金的主要問題是纖維與合金基體難以相容,這會導(dǎo)致纖維性能下降。在最壞的情況下纖維與基體在高溫時發(fā)生反應(yīng),會形成脆性的金屬間化合物,甚至?xí)估w維溶解。鎢纖維增強(qiáng)鎳基高溫合金試驗中就曾發(fā)生由擴(kuò)散引起的再結(jié)晶,使材料的強(qiáng)度和延展性下降。 用于1000以上的高溫金屬基復(fù)合材料的基體材料主要是鎳基、鐵基耐熱合金和金屬間化合物，較成熟的是鎳基、鐵基高溫合金。 可改用FeAlCrY高溫合金作

5、基體,它與纖維的相容性遠(yuǎn)高于鎳基合金 高溫合金基復(fù)合材料的研究主要集中在纖維增強(qiáng)高溫合金,重點(diǎn)是鎢纖維增強(qiáng)FeAlCr、Incoloy907、Waspaloy和W/316AL不銹鋼等 應(yīng)用于:先進(jìn)空氣噴氣發(fā)動機(jī)，火箭發(fā)動機(jī)陶瓷/鐵基合金復(fù)合材料 特點(diǎn):熔點(diǎn)高（大于1000），適合做高溫耐磨材料 潛在問題：鐵及鐵合金對陶瓷材料的潤濕性能差 四種常用陶瓷：SiC，Al2O3，TiC， ZrO2 常用制備方法：原位生長法，粉末冶金法，自蔓延高溫合成法，浸漬法等。 SiC陶瓷：與 Fe 熔液在高溫下產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)生成脆性相鐵硅化合物和片狀石墨組織存在于界面之間，惡化陶瓷金屬界面。 制備方法：粉末冶

6、金法和浸漬法 研究方向：提高潤濕性和控制界面反應(yīng)程度方法：1) 添加合金元素。如在鐵合金中添加 Ti、Zr 、Hf 等活性金屬元素，這些活性元素與 SiC 反應(yīng)生成可被 Fe 熔液潤濕的 Si 或半金屬的碳化物層。2) 在鐵合金中添加 Si 元素，Si 的加入可以大大降低鐵合金與 SiC 潤濕角。 Al2O3陶瓷與 Fe 熔液的潤濕性差(潤濕角為 140左右)，導(dǎo)致兩者界面結(jié)合力弱；無界面反應(yīng)，化學(xué)兼容性好 Al2O3陶瓷作為鋼鐵材料的增強(qiáng)體，不僅改善鋼鐵的高溫抗氧化性、抗蠕變性及耐磨性，也使產(chǎn)品成本大大降低 優(yōu)化方案: 對藍(lán)寶石陶瓷進(jìn)行表面金屬化處理，Ni涂層I. 調(diào)整鐵合金的化學(xué)成分以提高兩者的潤濕性，比如添加稀土元素和B元素 TiC 陶瓷與 Fe 熔液之間的潤濕性較好，兩者之間無界面反應(yīng)，在鐵中溶解度低，制備簡單，不用特殊處理。 常用制備方法：原位反應(yīng)法，SHS Fe 基合金大多數(shù)選用 FeAl 合金 研究方向：改善制備工藝及調(diào)整合金元素或添加合金元素進(jìn)一步改善潤濕性 ，以提高界面結(jié)合能力。比如指出加入Mo和Al可改善TiC與Fe熔液的潤濕性，添加微量的稀土元素（0.6-0.8at%）可提高復(fù)合材料的延展性 ZrO2 陶瓷