金属材料和陶瓷材料.doc

(完整版)金属材料和陶瓷材料金属陶瓷材料金属材料和陶瓷材料是我们在航空航天、船舶、汽车、日用等行业十分常见的材料,已经融入到我们的方方面面。金属陶瓷作为金属材料和陶瓷材料研发的一种新型复合材料,兼具金属和陶瓷材料的某些优点，受到科研工作者的广泛关注,是材料领域的研究重点之一。近年来，金属陶瓷的研究成果越来越多，新品种不断出现，理论体系也日趋成熟.图1 金属陶瓷航空铝材质手机外壳一、金属陶瓷简介金属陶瓷，是一种由金属或合金和一种或几种陶瓷相所组成的非均质的复合材料，其中后者约占1585vol，当陶瓷含量高于50vol%时，亦可称为陶瓷-金属复合材料。金属陶瓷(Cermet/Ceramet)是由陶瓷（Ceramics)中的词头Cer/Cera与金属（Metal）中的词头Met结合起来构成。金属陶瓷的理想结构是弥散且均匀分布的陶瓷颗粒表面被连续薄膜形态的金属相包裹，其中陶瓷相承受机械应力和热应力,通过连续的金属相分散,金属相因呈薄膜状包裹再陶瓷颗粒表面而得到强化，故金属陶瓷作为介于高温合金和陶瓷材料之间的一种高温材料，具有兼顾金属的高韧性、可塑性和陶瓷的高熔点、耐腐蚀和耐磨损等性能.图2 常见材料化学稳定性与抗热冲击性汇总图3 陶瓷材料和金属材料杨氏模量及断裂强度对比二、金属陶瓷的发展史第一代：二战期间,德国以Ni粘结TiC生产金属陶瓷；第二代：60年代美国福特汽车公司发明的,它添加Mo到Ni粘结相中改善TiC和其它碳化物的润湿性，从而提高材料的韧性；第三代:金属陶瓷则将N元素引入合金的硬质相，改单一相为复合相，形成Ti(C,N)固溶体;20世纪80年代，硼化物陶瓷由于具有很高的硬度、熔点和优良的导电性、耐腐蚀性，成为最有发展前途的金属陶瓷.图4 TiC金属陶瓷组织结构示意图三、金属陶瓷材料匹配的原则1、相间热力学匹配：金属相的加入大幅降低陶瓷的烧结温度,改善期脆性。纯TiC材料因其烧结温度在2000高温，晶粒生长较快,致密度和性能较低，加入Ni-Mo金属作为粘接相,形成TiCNi-Mo陶瓷金属，可在1300烧结，且致密度和机械性能均有提高，详见图5；图5 Ni-Mo金属含量对TiCNiMo陶瓷金属断裂强度的影响2、相容性：包括陶瓷与金属材料的热膨胀系数、导热系数、弹性模量等的相容性,如两者热膨胀系数相差过大，造成的内应力会降低材料的热稳定性; 图6 Ag金属纳米线、氧化铝陶瓷复合超材料薄膜3、相间热稳定性：金属相与陶瓷相之间无剧烈的化学反应。如发生反应形成化合物，则金属相无法改善陶瓷的低机械性能。表1 真空中陶瓷与金属反应温度下线/4、润湿性:陶瓷与金属之间的润湿性是衡量金属陶瓷组织结构与性能优劣的关键条件,润湿性越好,金属相形成的连续相可能性越大，陶瓷金属的性能越好.四、陶瓷金属的分类金属陶瓷的制备工艺包括粉末冶金、自蔓延高温合成、真空微波烧结、原位反应、机械合金化等，其中采用较多的是粉末冶金法（图4）。金属陶瓷中陶瓷相通常是高熔点氧化物（Al2O3、ZrO3、BeO、MgO等）、氮化物（TiN、BN、Si3N4等）、碳化物（TiC、WC等）、硼化物（TiB2、ZrB2等），金属相主要由Ti、Cr、Ni、Co、Fe等各种金属单独或则一起使用，也可以是金属材料，如青铜合金、高温合金等。根据陶瓷相的种类，金属陶瓷主要分为氧化物基、碳化物基、碳氮化物基、硼化物基、含石墨或金刚石碳化物基,其具体的分类详见表2。图7 纳米金属陶瓷复合材料微观组织表2 金属陶瓷分类及应用汇总图8 高强度金属陶瓷材料及精密成型方案PS：由于“金属陶瓷和“硬质合金”两个学科术语没有明确的分界，所以具体材料也很难划分界线,本文采用I。E.Campbell的观点，将“硬质合金归于“金属陶瓷”。五、金属陶瓷的应用1、航空航天领域在航空航天领域,耐高温、抗磨损、高强度、高稳定性等苛刻的环境与技术要求,金属陶瓷有了广阔的发挥空间.金属陶瓷良好的耐磨性与高温强度，可用于制造航空或航天发动机的阀、静止的环件等。硼化铬晶体和铬钼合金粘结的硼化铬金属陶瓷具有良好的断裂强度和足够高的抗热震性，可用于制备燃气涡轮叶片、喷气发动机的喷管和内燃机阀座等.而具有抗高温冲刷和氧化特性的W-CrAl2O3金属陶瓷可用于制作采用固体推进剂的导弹喷管衬套。此外，美国NASA还考虑把金属陶瓷作为液态火箭发动机涡轮的自润滑轴承材料。广泛应用的航空发动机叶片热障涂层一般由三层组成，最内层是与基体结构相接近的金属,最外层是陶瓷，而陶瓷与金属的中间过渡层通常采用金属陶瓷制成(图9）.英国罗罗公司把一层厚度为0.1mm的含Mg的ZrO2基金属陶瓷作为航空发动机涡轮叶片热障涂层的中间过渡层，取得了比较好的应用效果。图9 带有热障涂层的航空发动机叶片2、舰船领域普通的金属合金材料涂覆在舰船表面容易因摩擦、电位腐蚀、海水腐蚀等情况导致涂层脱落,从而失去涂层的作用,而金属陶瓷涂层除具有金属的韧性，同时具有陶瓷本身的化学惰性能够有效阻隔海水、电位带来的腐蚀。影响金属陶瓷涂层的因素有很多，其中最重要的是金属陶瓷涂层材料的选取以及喷涂技术的选取,同时这些决定因素也是金属陶瓷涂层能够得到广泛应用的关键.图10为Cr2O35SiO23TiO2涂层的板材在厦门海域(海水pH值8.18。2,年均水温21，年均盐度为27。00) 开展30天的海水腐蚀试验结果.加喷金属陶瓷复合材料涂层作为绝缘层涂层挂板表面未见锈蚀现象，试板上附着有部分海鞘，无大型海生物附着，而左侧的直接在钢基体因喷涂铜合金，海水渗透到钢基体产生锈蚀,但涂层完好处无海生物附着。图10 海水挂板试验结果（左，铜合金涂层，右，金属陶瓷复合材料涂层）3、制造加工领域高硬度、耐磨性好、高抗弯强度、抗韧性好、抗氧化等性能决定了金属陶瓷材料在制造加工领域有着不可替代的作用,尤其在量具和切削刀具方面（图11和表3）。与硬质合金相比，金属陶瓷具有以下特点：(1）化学稳定性及抗氧化性较好，尤其是硬度和抗硬性均较好，可加工硬度小于HRC45的铸铁、碳钢等材料,同时适合做计量工具的规块和轴承材料;（2）抗粘附性良好，可有效的去除刀刃上的积屑瘤和量具上的残留油污及废屑；（3)更高的热硬性、耐磨性和韧性,可用于高速切削加工刀具和高温等特殊环境下的轴承材料。图11 金属陶瓷刀加工图WCCo是国内外研究最早也是目前广泛应用的一类金属陶瓷,主要用于加工制造领域。随着研究的深入,开发了Ti（C,N）基金属陶瓷。Ti（C，N)金属陶瓷具有比较独特的“芯、环”结构,其组织特征由三部分构成：TiC或Ti(C,N）硬质相组成的核心，即“芯;边缘为TiC或Ti（C，N)的复杂固溶体组成的环状结构，也就是“环”；由镍、钴和溶入其中的钛、钼、碳和氮组成的粘结相.Ti(C，N）基金属陶瓷比WC基金属陶瓷具有更高的硬度、更好的抗腐蚀性以及更高的切削速度.图12 金属陶瓷轴承与刀具表3 我国主要刀具产品市场4、其他领域具有良好的耐高温性能、抗腐蚀性的金属陶瓷在其他领域也得到广泛应用，例如冶金工业用的耐高温坩埚和高温件、机械工业的耐高温耐磨零部件、电子工业的热离子阴极等。相关学者研究了一种在冶金领域应用的金属陶瓷质滑动水口砖，其采用刚玉和金属铝为主要原料，加入少量碳粉及抗氧化剂,制得的滑动水口砖具有使用寿命长、抗钢水侵蚀和抗冲刷性好等优点。图13 钼基金属陶瓷管热电偶（左）与散热陶瓷基板（右）六、金属陶瓷的发展趋势展望金属陶瓷材料在国民经济的各个部门和现代技术的各个领域，对工业快速发展着重要的推动作用，相关研究已成为材料研究领域中一个非常重要的研究课题。陶瓷金属的发展趋势主要包括:1、新金属陶瓷材料的研发：一为新型硬质相和复合硬质相的开发；二为利用常见金属代替稀有金属，如Fe代替Co；三为陶瓷和金属的相成分及含量可突破以前的限制；2、纳米级金属陶瓷的研发:当金属粘接相不变时，陶瓷的晶粒达到纳米尺寸可提高其机械性能；3、梯度金属陶瓷的研发：开发热应力缓释型等特殊性的梯度金属陶瓷对于满足不同部位的不同性能要求具有重要意义。图14 梯度金属陶瓷材料组织4、金属陶瓷回收再利用问题:受环境保护和资源利用意识的影响，采用现代化技术和大规模生产模式实现资源的充分利用和经济效益的统一,已经成为金属陶瓷发展的不可忽略的问题.作者：舟彧