EBPVD金属/陶瓷微层复合材料的研究与应用

介绍了电子束物理气相沉积 (EBPVD)法制备微层复合材料的优点 ,详述了其四种不同材料体系的设计思想 。

热压制备Ni/Al微叠层复合板的协调变形行为和气压胀形成形性

为了制造NiAl合金复杂薄壁构件,采用真空热压法制备一种新型Ni/Al微叠层复合板(NAMCS)。基于不同温度的单向拉伸试验,研究Ni/Al微叠层复合板的力学性能。为了阐明Ni/Al微叠层复合板的单向拉伸协调变形机制,通过扫描电子显微镜对不同拉伸应变下的变形组织进行表征。结果表明,在5%应变、室温和300℃条件下,NiAl_(3)层和Ni_(2)Al_(3)层中形成了一些裂纹。在600℃和20%应变条件下,在NiAl3层观察到一些微孔。样品在78.7%的拉伸应变断裂时,Ni_(2)Al_(3)层也未出现裂纹,表现出良好的协调变形能力。Ni/Al微叠层复合板的高温自由气压胀形试验表明,600℃时其极限胀形比(极限胀形高度与凹模直径之比)达到33.3%,表现出良好的成形性。

SUS441不锈钢/Al金属间化合物微叠层复合板的界面结构与力学性能

采用“表面预处理—交替层叠—热轧复合—热处理”的工艺流程制备了SUS441不锈钢/Al金属间化合物微叠层复合板。利用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜等检测与表征方法研究了热处理温度对复合板界面形貌、微观组织、物相组成、维氏硬度、拉伸性能的影响。结果表明:复合板界面结合良好;热处理后,固–液反应界面氧化严重,易导致界面分层而开裂;固–固、固–半固、固–液热处理后,金属间化合物层由均匀层和两相层组成,均匀层的物相组成为Fe_(2)A_(15),两相层的物相组成为Fe_(4)Al_(13)和Al_(13)Cr_(2),且两相层具有韧性特征,固–半固反应所得到的复合板的综合力学性能最佳。

碳纤维与扩散层厚度对Al-Mg-Ti微叠层复合材料组织性能的影响

以1060纯铝、TC4钛合金、AZ31镁合金和镀镍碳纤维编织布为原材料,使用真空热压扩散技术和“箔-纤维-箔”法制备出碳纤维增强Al-Mg-Ti微叠层复合材料。通过控制铝镁保温时间分析了铝镁扩散层厚度对材料组织性能的影响,探讨碳纤维的强化机理,采用X射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDS)和扫描电子显微镜(SEM)等分析了复合材料的相组成、元素分布与裂纹扩展形貌,测试了复合材料的抗弯强度和冲击韧性。结果表明:碳纤维增强Al-Mg-Ti微叠层复合材料扩散层厚度随着保温时间的延长而增加,力学性能呈先上升后下降的趋势,碳纤维通过纤维脱粘、纤维拔出和纤维劈裂等方式吸收了大量断裂能,起到显著的增韧效果。在铝钛热压温度640℃保温时间2 h,铝镁热压温度440℃保温时间8 h时,复合材料力学性能最优,抗弯强度为380 MPa,冲击韧度为26.2 J/cm^(2),相对于基体抗弯强度和冲击韧性分别提高了10.8%和30.3%。

微叠层复合材料的制备现状及连接难点讨论

本文阐述了微叠层复合材料的增韧机理、制备工艺和连接难点。微叠层复合材料通过韧性层的塑性变形拦截裂纹扩展路径,屏蔽裂纹之间的桥接,改善材料的断裂韧性。目前,制备微叠层复合材料的方法主要有热压扩散成形、自蔓延高温合成、磁控溅射沉积及电子书物理气相沉积等。熔焊时,微叠层复合材料的连接难点在于焊缝组织的不均匀性,可能会造成部分熔合及其他缺陷;钎焊时微叠层复合材料的连接难点在于钎料的选择。微叠层复合材料具有高的强度和耐高温性能,而且质量较单体合金轻,在航空制造中将会起到举足轻重的作用。

铝铜微叠层复合材料制备和组织性能研究

通过真空热压法制备出铝铜金属间化合物微叠层复合材料,研究了保温时间、热压温度等工艺参数对成形过程的影响.采用SEM对结合界面进行显微形貌观察,利用EPMA表征界面处元素分布,确定出扩散层的数量和种类;通过显微硬度测试分析结合界面处的硬度分布.另外,分析了不同工艺条件下铝铜微叠层复合材料的导电率和导热系数.结果表明:随热压温度升高,铝铜微叠层复合材料结合界面处扩散层析出相种类逐渐变多、厚度逐渐增加,同时导致复合材料导电率呈现出先升后降,而导热系数则保持单调下降的态势.显微硬度的测试结果呈现由Cu层和Al层向扩散层急剧增大的规律,且在扩散层中部硬度达到最大值.最终确定热压温度570℃、保温时间4 h为较优的制备工艺,获得的铝铜微叠层复合材料导电率为55.75%(IACS),导热系数为258.3 W/(m·K).

单分散SiO_2/TiO_2/SiO_2多层复合微球的制备

采用一种以醇盐水解法为基础的生长硅溶胶的方法，制备了粒径为２００ｎｍ的单分散二氧化硅球形颗粒，并将其作为核心，利用常温连续进料的钛酸丁酯水解的多步法，在二氧化硅核心外经多次包覆形成厚层二氧化钛；在正硅酸乙酯的水解和陈化环境下，将上述ＴｉＯ２／ＳｉＯ２复合颗粒外再包覆一薄层二氧化硅，形成一种高折射率，可用于组装光子晶体的ＳｉＯ２／ＴｉＯ２／ＳｉＯ２多层复合微球．对该复合微球用重力沉降法、透射电镜法（ＴＥＭ）、Ｘ射线能谱分析法（ＥＤＳ）进行了表征．其中，重力沉降法是一种将Ｓｔｏｋｅｓ公式为基础推导的复合颗粒的粒径与沉降速度关系式所得的一系列数据进行拟合外延，来测定复合颗粒的粒径及包覆厚度的方法．

Fe-Al微叠层复合材料的制备及界面表征

将多层纯铁和纯铝薄板交替叠放,采用“热轧复合—冷轧减薄—合金化热处理”工艺流程制备了Fe-Al金属/金属间化合物微叠层复合材料(Fe-Al MIL),研究了合金化温度对该复合材料微观组织、相组成、相变及力学性能的影响.结果表明:所制备的Fe-Al微叠复合材料Fe/Al界面结合状态良好;随合金化温度的升高,化合物层厚度随之增加,当温度低于Fe-Al固-半固态反应温度655℃时,Fe_(2)Al_(5)和FeAl是化合物层的主要物相,而高于655℃时,则会在化合物层和Fe金属界面处出现少量交替分布的FeAl_(3)和Fe_(3)Al;DSC曲线上呈现出~559,~571和~667℃三个放热峰,分别代表FeAl_(3),Fe_(2)Al_(5)和FeAl的相转变;固-固和固-液合金化后得到的Fe-Al MIL力学性能较差,均易发生分层断裂现象,而固-半固态合金化热处理后其力学性能最佳.

冷轧热处理钛-铝箔制备微叠层Ti-Al系金属间化合物板材(英文)

通过钛箔、铝箔叠加烧结制备出微叠层Ti-Al系金属间化合物合金板材。对不同烧结条件下获得的板材组织和相组成进行分析。结果表明,当烧结温度到达到Al的熔点以上时,高温自蔓延反应(SHS)在Ti箔和Al箔之间发生,生成α-Ti、Ti3Al、TiAl、TiAl2和TiAl3等相;随着烧结时间的延长,α-Ti、TiAl2和TiAl3逐渐消失,最终获得包含Ti3Al和TiAl的叠层结构板材。由于铝的熔化,柯肯达尔效应和反应前、后摩尔体积的变化在烧结过程中产生大量的孔洞,随后的热压处理将孔洞消除并获得致密的合金板材。

热处理对NiCrAl/Ni_3Al微叠层材料力学性能影响

利用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)制备NiCrAl/Ni3Al微叠层复合材料,对其在制备态和时效态不同温度下的力学性能进行试验,考察不同时效温度对材料拉伸性能的影响。结果表明,制备态样品沿柱状晶晶界发生脆性断裂,而热处理态样品的断口具有典型的韧性断裂特征。力学性能测试结果表明,经过适当的热处理后,微层材料室温和高温力学性能与制备态时相比,有明显的改善。经740℃/32h热处理后,材料性能明显提高。

Fe-13Cr合金沉积（ZrO2-Y2O3）／（Al2O3-Y2O3）微叠层的抗氧化性能

采用交替电化学沉积和烧结的方法在Fe-13Cr合金表面制备（ZrO2-Y2O3）／（Al2O3-Y2O3）微叠层复合膜。采用高分辨扫描电镜（FE-SEM）对微叠层进行表征，结果表明（ZrO2-Y2O3）／（Al2O3-Y2O3）微叠层具有纳米结构。采用SEM，DES和增重法用来研究Fe-13Cr合金沉积（ZrO2-Y2O3）／（Al2O3-Y2O3）微叠层的抗氧化性能。实验结果表明，这种微叠层对合金抗氧化性能的提高优于分别沉积ZrO2-Y2O3或Al2O3-Y2O3膜，其抗氧化性能随着涂层中层次的增加而提高。这些有益效应可归于这种微叠层综合了ZrO2-Y2O3或Al2O3-Y2O3膜的各种优点同时克服了缺点。

NiCrAl/Ni_3Al微叠层材料的断裂韧度测算

利用电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)制备了NiCrAl/Ni3Al微叠层复合材料。建立了具有中心穿透裂纹有限宽NiCrAl叠层的I型裂纹扩展模型,推导出它的断裂韧度表达式,并利用带预制裂纹的Ni-CrAl/Ni3Al叠层试样的四点弯曲断裂数据,估算出NiCrAl的断裂韧度,叠层后增强Ni3Al单体的断裂抗力。实验结果表明,制备态NiCrAl/Ni3Al微叠层复合材料试样的拉伸断口呈现出裂纹扩展和裂纹瞬断两个区域;随着温度的升高,塑性增加。

组元层厚对TC4/Al_(3)Ti微叠层复合材料性能影响

以TC4箔材和纯Al箔材为原材料,用高真空热压法制备了TC4/Al_(3)Ti微叠层复合材料,研究了组元层厚对复合材料组织与性能的影响。使用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和场发射电子探针对复合材料的显微组织、裂纹断口进行分析。结果表明,当试样厚度及试样内Al_(3)Ti体积分数一定时,组元层厚越小,复合材料力学性能越优异。当堆叠层数为55层时,组元层厚最小,材料性能最佳,其抗弯强度为970 MPa,垂直于层的抗压强度为1 307 MPa,平行于层的抗压强度为1 206 MPa。

未来航空发动机涡轮叶片用材的最新形式——微叠层复合材料

微叠层复合材料技术将是未来航空发动机涡轮叶片用材料的最新材料形式技术。本文对该技术进行了综合论述,包括微叠层体型复合材料技术及纳米层状热障涂层技术两个方面。

纯铝表面ZrO2复合微弧氧化膜层制备及性能研究

以纯铝为基材,在微弧氧化电解液中添加不同含量的纳米ZrO2颗粒进行微弧氧化,制备了ZrO2复合微弧氧化膜层。采用SEM和EDS观察并分析微弧氧化复合膜层表面形貌和膜层成分,研究不同含量纳米ZrO2颗粒的添加对微弧氧化复合膜层硬度和耐蚀性的影响。结果表明,微弧氧化膜及其复合膜层表面粗糙不平,纳米ZrO2颗粒的添加使得微弧氧化复合膜层裂纹减少,孔径减小,硬度和耐蚀性提高。

Ti_2Ni/TiNi微叠层复合材料的制备及表征

将Ti箔和Ni箔交替排列,在900℃条件下,通过热压烧结法来制备Ti_2Ni/TiNi微叠层复合材料。研究了保温时间对复合材料的微观组织及相组成的影响。采用扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射(XRD)及差示扫描量热分析(DSC)对不同保温时间下制备的复合材料的微观组织、相组成、相结构及相变温度进行分析。结果表明:随着保温时间的增加,Ti和Ni逐渐消耗,在其界面上形成Ti_2Ni、TiNi、Ni_3Ti3种金属间化合物。当Ni消耗完毕,Ti原子向Ni_3Ti层扩散,使之完全转变成TiNi。当Ti完全消耗,仅有交替排列的Ti_2Ni和TiNi两相存在,且在TiNi层上分布着颗粒状和条状的Ti_2Ni相。保温8h后制备的Ti_2Ni/TiNi叠层复合材料的相变温度A_s、A_f、M_s、M_f及相变迟滞温度ΔT分别为75.9,99.2,63.6,45.7和32.5℃。

铝镁微叠层复合材料制备与组织性能研究

以1060铝合金片和AZ31镁合金片为原材料,制备了铝镁微叠层复合材料,研究了层厚比对复合材料组织与性能的影响。使用金相显微镜、X射线衍射仪、场发射电子探针和扫描电镜对复合材料的组织结构、元素分布、裂纹扩展情况进行分析。结果表明,采用真空热压烧结技术制备的复合材料结合良好,力学性能呈先上升后下降的趋势。铝镁层厚比为1∶1.5时复合材料性能最佳,其抗弯强度为159 MPa,比强度为7.4×10^(4) N·m/kg,抗压强度为310 MPa。

Ni/Al微叠层复合板的成形性能

采用真空热压法制备了Ni/Al微叠层复合板。通过不同温度、不同变形量下的单向拉伸实验研究了Ni/Al微叠层复合板的力学性能与裂纹萌生扩展规律。结果表明,Ni/Al微叠层复合板在室温至400℃塑性较差,变形量仅为5%时,NiAl_(3)和Ni_(2)Al_(3)金属间化合物层便已产生较多垂直于拉伸方向的裂纹。Ni/Al微叠层复合板600℃表现出良好的塑性变形能力,断裂延伸率高达56%,且变形量达到20%时NiAl_(3)层才开始出现微裂纹,变形量达到50%时裂纹仍未扩展至Ni_(2)Al_(3)层及Al层。采用气压自由胀形实验研究了Ni/Al微叠层复合板600℃条件下的成形性能,并对胀形件微观组织分布进行了表征。结果表明,Ni/Al微叠层复合板600℃/5.5 MPa/8 min条件下,极限胀形率(极限胀形高度/凹模直径)达36.7%。胀形球壳由底部至顶部壁厚逐渐减小,顶部Ni、Al层颈缩严重,NiAl_(3)层产生裂纹,但并未扩展至Ni_(2)Al_(3)层及Al层。

Nb／Nb5Si3微叠层复合材料制备工艺实现突破

金属间化合物Nb5Si3抗氧化性能和导电性能优良，是未来航空航天领域最具潜力的新型超高温结构材料，但是室温脆性和可加工性差阻碍了其工程应用。采用热物理性能匹配、化学兼容性好的Nb作为增韧相制备的Nb／Nb5Si3双相复合材料则具有良好的室温韧性和冷热加工性能，同时还能保留Nb5Si3高熔点与低密度的优良特性。