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【關(guān)鍵詞】粉末冶金 模具 仿真技術(shù) 加工方法

中圖分類號(hào)：TD353.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2013）35-111-01

0引言

粉末冶金是通過(guò)制取金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末的混合物作為生產(chǎn)原材料，通過(guò)過(guò)壓制成形、燒結(jié)等工藝過(guò)程，制造出各種粉末冶金制品的工藝技術(shù)?，F(xiàn)在，這種工藝已經(jīng)成為我們?cè)谛虏牧涎兄祁I(lǐng)域內(nèi)的重要工藝技術(shù)。在粉末冶金工業(yè)中，模具對(duì)于在很多工序中都有所應(yīng)用，并且對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)工藝也具有較大的影響。粉末冶金模具是粉末冶金制品生產(chǎn)的重要工藝裝備，粉末冶金模具的質(zhì)量對(duì)粉末冶金制品的質(zhì)量具有直接的影響。然而，粉末冶金模具的質(zhì)量主要取決于它的加工過(guò)程。因此，對(duì)于粉末冶金模具加工方法及仿真技術(shù)的研究，對(duì)于粉末冶金工業(yè)具有重大的意義。

1 粉末冶金模具的加工方法

目前，對(duì)于粉末冶金模具的先進(jìn)加工方法種類很多，其中各種加工方法也是各有特點(diǎn)?，F(xiàn)就幾種主要的粉末冶金模具加工方法進(jìn)行介紹，并對(duì)各種方法的特點(diǎn)和對(duì)粉末冶金模具的影響進(jìn)行探討。

1.1 電火花加工方法

電火花加工的方法，是通過(guò)在放電瞬間產(chǎn)生劇烈高溫。然后，利用這一高溫將工件的表面熔化（甚至汽化），從而達(dá)到機(jī)械加工的目的。這種加工方法在一些難以加工的超硬材料加工中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（1）電火花加工方法的特點(diǎn)

電火花加工方法能夠有效的填補(bǔ)常規(guī)的機(jī)械加工方法對(duì)于難加工材料的不足，適用于對(duì)于強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高、硬度高等難加工的材料的加工。另外，由于電火花加工方法直接利用電能與熱能進(jìn)行加工，因此在加工過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化控制。再者，這種加工方法的精細(xì)度很高，對(duì)于粉末冶金模具這種加工質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品是一種較為合適的加工方法。不過(guò)，這種方法也存在著一定的缺點(diǎn)，那就是利用電火花加工方法加工的粉末冶金模具的表面粗糙度較高，會(huì)對(duì)粉末冶金工業(yè)造成一定的影響。

（2）電火花加工方法在模具加工中的應(yīng)用

在粉末冶金模具電火花加工中，常是通過(guò)使用數(shù)控電火花機(jī)床來(lái)進(jìn)行加工的。數(shù)控電火花機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)粉末冶金模具的精密加工，確保滿足粉末冶金模具的質(zhì)量要求。在粉末冶金模具的尺寸精度、仿形精度和表面質(zhì)量等方面將發(fā)揮重要的作用。

1.2 仿形磨削加工方法

利用仿形磨削加工方法加工粉末冶金模具，即是通過(guò)利用專門(mén)的平面磨床，通過(guò)仿形尺對(duì)粉末冶金模具進(jìn)行仿形磨削。這種粉末冶金模具加工方法的特點(diǎn)是其加工生產(chǎn)的粉末冶金模具的精密度較高，且表面較為光滑、平整，粗糙度較低。這種加工方法的缺點(diǎn)是加工效率較低。

1.3 數(shù)控線切割加工方法

數(shù)控線切割加工的方法，是通過(guò)將金屬絲電極安裝在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的貯絲筒上，然后分別將被切割工件與金屬絲電極接到高頻電源的正、負(fù)極上，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)控制控制電極的移動(dòng)方向，并通過(guò)電火花加工達(dá)到自動(dòng)切割的目的。

數(shù)控線切割方法是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電火花加工技術(shù)的結(jié)合，可以發(fā)揮電火花加工方法的優(yōu)點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割的目的。其在粉末冶金模具的加工上具有重要的作用。由于這種加工方法對(duì)于電極沒(méi)有特別的要求，并可以對(duì)各種硬度和形狀的工件進(jìn)行加工。數(shù)控線切割加工的方法，還可以反復(fù)的使用電極絲，加工損耗小、精度高等特點(diǎn)，非常適合粉末冶金模具的加工生產(chǎn)。因此，數(shù)控線切割加工的方法也是目前在粉末冶金模具加工中最常用的方法之一。

2 粉末冶金模具的數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在各類科技領(lǐng)域都有廣泛的影響，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不斷發(fā)展成熟，已經(jīng)可以應(yīng)用到產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到結(jié)束使用壽命的整個(gè)周期的各個(gè)環(huán)節(jié)中，其中在產(chǎn)品的加工階段應(yīng)用更為廣泛。在粉末冶金模具的加工過(guò)程中，仿真技術(shù)的應(yīng)用將對(duì)粉末冶金模具的加工行業(yè)，甚至整個(gè)粉末冶金工業(yè)都具有重要的意義。

在粉末冶金模具的加工過(guò)程中，建立一個(gè)較為精確的數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真模型，通過(guò)模擬整個(gè)模具加工過(guò)程，從而獲得在粉末冶金模具加工過(guò)程中所需的幾何數(shù)據(jù)和力學(xué)信息，以及加工過(guò)程中可能發(fā)生的不良影響和可能出現(xiàn)的偏差值。通過(guò)數(shù)控動(dòng)態(tài)仿真模型，便可以在加工前獲得準(zhǔn)確的信息，規(guī)避可能產(chǎn)生的不良影響，有效的降低了加工失誤、偏差等現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

在粉末冶金模具的加工過(guò)程中，利用精確的數(shù)控加工動(dòng)態(tài)仿真模型，可以獲得準(zhǔn)確的數(shù)控加工代碼，避免加工的錯(cuò)誤和偏差；另外，還可以對(duì)加工誤差值、刀具磨損等進(jìn)行預(yù)測(cè)，為保證粉末冶金模具的質(zhì)量要求和刀具的更換提供重要的參考信息。因此，在粉末冶金模具的制造加工過(guò)程中，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)揮了重要的作用，對(duì)于保證模具加工生產(chǎn)的質(zhì)量和提高模具生產(chǎn)效率都有很大的幫助。

3 結(jié)語(yǔ)

粉末冶金模具的加工，對(duì)于粉末冶金制品的質(zhì)量具有很大的影響。目前，對(duì)于粉末冶金模具的加工方法仍具有很大的發(fā)展空間，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在粉末冶金模具加工中的應(yīng)用，也還需要人們不斷的進(jìn)行發(fā)展和研究。

參考文獻(xiàn)：

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1高速壓制

高速壓制技術(shù)的誕生實(shí)現(xiàn)了總質(zhì)量大于5.0kg的高密度大型粉末冶金零件的燒結(jié)，在20ms之內(nèi)對(duì)粉末實(shí)現(xiàn)壓縮處理，在3000ms之內(nèi)實(shí)現(xiàn)多次的壓制，提高齒輪零件的密度。當(dāng)前粉末冶金的困境可通過(guò)高速壓制打破，鑒于傳統(tǒng)的壓制成形對(duì)成形壓力的要求非常高，但是壓機(jī)噸位又對(duì)成形壓力造成了限制，因此無(wú)法滿足傳統(tǒng)壓制成形技術(shù)的成形壓力要求，高速壓制基本上不會(huì)受到成形壓力的影響。粉末帶有預(yù)合金化與擴(kuò)散合金化的雙重特征，其密度最大可達(dá)到7.7g/cm3，在粉末冶金行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)液壓進(jìn)行控制的沖錘，其產(chǎn)生的沖擊波比較強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)高速壓制的致密化，而致密化的程度主要是由沖錘的速度以及質(zhì)量而決定的，因此其采用的是液壓控制，因此可防止出現(xiàn)非軸向反彈，避免損壞壓坯。進(jìn)行多次高速壓制是可行的，并且經(jīng)過(guò)重復(fù)壓制之后，齒輪零件的密度會(huì)顯著增加，單次的沖擊時(shí)間間隔要求＜300ms，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)沖錘的沖擊功以及行程實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制，確保多次沖擊壓制可快速完成。然而，高速壓制技術(shù)尚處于研究階段，在復(fù)雜的臺(tái)階型的零件制備方面尚有很大的潛力可供挖掘。

2燒結(jié)齒輪的表面致密化技術(shù)

提高粉末冶金齒輪零件性能的核心方法在于提高密度，筆者認(rèn)為，經(jīng)過(guò)熱處理以及后加工的齒輪零件，其性能并不十分理想，出現(xiàn)了失效的問(wèn)題，而失效問(wèn)題出現(xiàn)的主要原因是齒輪的表面接觸疲勞，提高齒輪疲勞性能的的主要途徑及時(shí)提高其表面的密度。對(duì)齒輪進(jìn)行表面滲碳或者是激光熱處理，可提高齒輪的外部硬度，增加其碳含量，提高其耐磨性與韌性。粉末冶金齒輪普遍存在著一定數(shù)量的孔隙，因此其表面接觸疲勞強(qiáng)度不如經(jīng)過(guò)鑄軋鋼加工的齒輪，然而經(jīng)過(guò)表面致密化處理之后，齒部跟軋輥模進(jìn)行接觸的表面可達(dá)到全致密的效果。經(jīng)過(guò)表面致密化之后，齒輪的齒部表面處于無(wú)孔狀態(tài)，心部則是多孔體，因?yàn)橹挥旋X輪的表面承受外加的應(yīng)力，所以可降低齒輪的生產(chǎn)成本。通過(guò)軋輥模對(duì)燒結(jié)齒輪進(jìn)行反復(fù)地軋制，可切實(shí)提高齒輪的齒形精度以及尺寸精度。如果齒輪的表面致密化深度＞0.7mm，則齒輪的表面接觸疲勞強(qiáng)度得以增強(qiáng)，降低齒輪的表面粗糙度，臻于“鏡面”標(biāo)準(zhǔn)，保持絕對(duì)的光滑狀態(tài)，降低齒輪在運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的噪音。再對(duì)表面無(wú)孔的齒輪進(jìn)行熱處理，按照滲碳鋼的水平對(duì)齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度以及彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，大致的技術(shù)流程為成形燒結(jié)機(jī)加工表面致密化熱處理。表面致密化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)可概括為噪音低、尺寸精度高、耐磨性高、耐腐蝕性強(qiáng)等，而這正是高質(zhì)量的齒輪所必須要具備的客觀條件，即便是密度僅僅為7.25g/cm3的燒結(jié)齒輪，經(jīng)過(guò)表面致密化處理之后，其表面接觸的疲勞性能比鑄軋鋼更高。

3結(jié)語(yǔ)

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[關(guān)鍵詞] CNTs；鎂基；復(fù)合材料；制備方法

[中圖分類號(hào)] TB331 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A 文章編號(hào)：1671-0037（2014）01-66-1.5

鎂及鎂合金具有密度低，比強(qiáng)度、比剛度高，鑄造性能和切削加工性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、通訊、光學(xué)儀器和計(jì)算機(jī)制造業(yè)。但鎂合金強(qiáng)度低，耐腐蝕性能差嚴(yán)重阻礙其廣泛應(yīng)用。

碳納米管不僅具有極高的強(qiáng)度、韌性和彈性模量，而且具有良好的導(dǎo)電性能，還是目前最好的導(dǎo)熱材料。這些獨(dú)特的性能使之特別適宜作為復(fù)合材料的納米增強(qiáng)相。近年來(lái)，碳納米管作為金屬的增強(qiáng)材料來(lái)強(qiáng)度、硬度、耐摩擦、磨損性能以及熱穩(wěn)定性等方面發(fā)揮了重要作用。

近些年，鎂基復(fù)合材料成為了金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域的新興研究熱點(diǎn)之一，碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究也逐漸成為材料學(xué)者研究重點(diǎn)之一。本文就目前有關(guān)碳納米管增強(qiáng)鎂基合金復(fù)合材料的制備技術(shù)做綜述，以供研究者參考。

1 熔體攪拌法

熔體攪拌法是通過(guò)機(jī)械或電磁攪拌使增強(qiáng)相充分彌散到基體熔體中，最終凝固成形的工藝方法。主要原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌器攪動(dòng)金屬熔體，將CNTS加入到熔體漩渦中，依靠漩渦的負(fù)壓抽吸作用使CNTS進(jìn)入金屬熔體中，并隨著熔體的強(qiáng)烈流動(dòng)迅速擴(kuò)散[1]。

周國(guó)華[2]等人采用攪拌鑄造法制備了CNTs/AM60鎂基復(fù)合材料。研究采用機(jī)械攪拌法，在精煉處理后，在機(jī)械攪拌過(guò)程下不斷加入碳納米管到鎂熔體中，攪拌時(shí)間20 min，然后采用真空吸鑄法制得拉伸試樣。研究結(jié)果顯示，碳納米管具有細(xì)化鎂合金組織的作用，在拉伸過(guò)程中，能夠起到搭接晶粒和承載變形抗力的作用。

C.S.Goh[3]等采用攪拌鑄造法制備了CNTS / Mg基復(fù)合材料時(shí)，金屬熔化后采用攪拌槳以450 r / min的轉(zhuǎn)速攪拌，然后用氬氣噴槍將熔體均勻地噴射沉積到基板上，從而制得CNTS / Mg基復(fù)合材料。力學(xué)性能測(cè)試表明，復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能。

李四年[4]等人采用液態(tài)攪拌鑄造法制備了CNTS/Mg基復(fù)合材料。CNTS加入前首先經(jīng)過(guò)了化學(xué)鍍鎳處理，研究采用了正交實(shí)驗(yàn)，考察了CNTS加入量、加入溫度和攪拌時(shí)間對(duì)復(fù)合材料組織和性能的影響。研究結(jié)果表表明，CNTS加入量在1.0%、加熱溫度在680 ℃、攪拌3 min時(shí)，能獲得綜合性能較好的復(fù)合材料。

攪拌鑄造法優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、成本低、操作簡(jiǎn)單，因此在研究CNTS增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料方面得到廣泛應(yīng)用。但攪拌鑄造法在熔煉和澆鑄時(shí)，金屬鎂液容易氧化，CNTS均勻地分散到基體中也存在一定難度。

2 消失模鑄造法

消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的石蠟或泡沫模型黏結(jié)組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振動(dòng)造型，在負(fù)壓下澆注，使模型氣化，液體金屬占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法。

周國(guó)華[5]等人就通過(guò)消失模鑄造法制備CNTs / ZM5鎂合金復(fù)合材料。將PVC母粒加入到二甲苯中溶解，把CNTs加入上述溶液中超聲分散10 min后過(guò)濾、靜置20 h，裝入發(fā)泡模具發(fā)泡成型，用線切割機(jī)加工制得消失模。把制得的含碳納米管的消失模具放入砂箱內(nèi)，填滿砂并緊實(shí)，將自行配制的ZM5鎂合金熔體澆注制得復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳納米管對(duì)鎂合金有較強(qiáng)的增強(qiáng)效果，對(duì)ZM5合金的晶粒有明顯的細(xì)化作用。

3 粉末冶金法

粉末冶金法是把CNTS與鎂合金基體粉末進(jìn)行機(jī)械混合，通過(guò)模壓等方法制坯，然后加入到合金兩相區(qū)進(jìn)行燒結(jié)成型的一種成型工藝。粉末冶金法的優(yōu)點(diǎn)在于合金成分體積分?jǐn)?shù)可任意配比而且分布比較均勻，可以避免在鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的成分偏析現(xiàn)象，而且由于燒結(jié)溫度是在合金兩相區(qū)進(jìn)行，能夠避免由于高溫產(chǎn)生的氧化等問(wèn)題。

沈金龍[6]等人采用粉末冶金的方法制備了多壁碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。試驗(yàn)采用CCl4作為分散劑將鎂粉和CNTS混合，在室溫下將混合粉末采用雙向壓制成型后進(jìn)行真空燒結(jié)，制成碳納米/強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。研究結(jié)果表明：碳納米管提高了復(fù)合材料的硬度和強(qiáng)度，鎂基復(fù)合材料的強(qiáng)化主要來(lái)自增強(qiáng)體的強(qiáng)化作用、細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化。

Carreno-Morelli[7]等利用真空熱壓燒結(jié)粉末冶金法制備了碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CNTs含量為2%時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量提高9%。

楊益利用利用粉末冶金法，制備了碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，研究了碳納米管制備工藝和含量對(duì)復(fù)合材料組織和性能的影響。研究采用真空熱壓燒結(jié)技術(shù)，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在熱壓溫度為600 ℃、保壓時(shí)間20 min、保壓壓力在20MPa、CNTS含量為1.0%時(shí)，制得的復(fù)合材料具有強(qiáng)度最高值。TEM分析CNTS與鎂基體結(jié)合良好，增強(qiáng)機(jī)理主要有復(fù)合強(qiáng)化、橋連強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。

4 熔體浸滲法

熔體浸滲法是先把增強(qiáng)相預(yù)制成形，然后將合金熔體傾入，在熔體的毛細(xì)現(xiàn)象作用下或者一定的壓力下使其浸滲到預(yù)制體間隙而達(dá)到復(fù)合化的目的。按施壓方式可以分為壓力浸滲、無(wú)壓浸摻和負(fù)壓浸滲三種。

Shimizu等采用無(wú)壓滲透的方法制備了碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，隨后進(jìn)行了熱擠壓，力學(xué)性能測(cè)試顯示，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了388MPa、韌性提高了5%。

5 預(yù)制塊鑄造法

周國(guó)華等人采用碳納米管預(yù)制塊鑄造法制備了CNTS / AZ91鎂基復(fù)合材料。將AL粉、Zn粉、CNTs按比例混合分散后，用50目不銹鋼網(wǎng)篩過(guò)濾后在模具中壓制成預(yù)制塊。然后利用鐘罩將預(yù)制塊壓入鎂熔體并緩慢攪拌至預(yù)制塊完全溶解，采用真空吸鑄法制得復(fù)合材料試樣。研究結(jié)果表明，預(yù)制塊鑄造法能夠使CNTs均勻分散到鎂合金熔體中，復(fù)合材料的晶粒組織得到細(xì)化，力學(xué)性能明顯提高。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，CNTs在增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的研究越來(lái)越多，目前存在的主要問(wèn)題是CNTs的分散和與基體界面的結(jié)合等問(wèn)題。由于但碳納米管具有高的比表面能，使其在與其他材料的復(fù)合過(guò)程中易形成團(tuán)聚，導(dǎo)致復(fù)合材料性能不甚理想，最終起不到納米增強(qiáng)相的效果，同時(shí)碳納米管屬輕質(zhì)納米纖維，與各類金屬的比重相差太大，不易復(fù)合。目前有關(guān)碳納米管增強(qiáng)鎂基合金復(fù)合材料的研究還處于初期階段，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新工藝和新方法不斷出現(xiàn)，CNTs的分散及與基體的界面結(jié)合等問(wèn)題將逐漸被解決，開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的CNTs / Mg基復(fù)合材料將有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3]Goh C S， Wei J， et al.Ductility improvement and fatigue studies in Mg-CNT nano-composites[J].Compos Sci.Techn，2008，

68：1432.

[4]李四年，宋守志，余天慶等.鑄造法制備納米碳管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料[J].特種鑄造及有色合金，2005，25（5）：313-315.

[5]周國(guó)華，曾效舒，袁秋紅等.消失模鑄造法制備CNTS/ZM5鎂合金復(fù)合材料的研究[J].熱加工工藝，2008，37（9）：11-14.

[6]沈金龍，李四年，余天慶等.粉末冶金法制備鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能和增強(qiáng)機(jī)理研究[J].鑄造技術(shù)，2005，26（4）：309-312.

[7]Carreno-Morelli E， Yang J， et al.Carbon nanotube/magnesium composites[J].Phys Status Solidi A， 2004，201（8）：53.

[8]楊益.碳納米管增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備與性能研究[D].北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文，2006.

收稿日期：2013年12月12日。

基金項(xiàng)目：鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目（20130839），黃河科技學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2013XSCX025）。

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關(guān)鍵詞：激光焊接技術(shù) 種類 特點(diǎn) 方法應(yīng)用

激光是20世紀(jì)以來(lái)，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。激光指在能量相應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)能量差的光子作用下，誘導(dǎo)在高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷，并同時(shí)發(fā)射出相同能量的光子。其產(chǎn)生的基本條件包括泵浦源、激活介質(zhì)和諧振腔等。激光具有方向性好、單色性好、相干性好和光脈沖可以極窄的特點(diǎn)。

激光焊接是激光加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。激光焊接技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)了固體受激物質(zhì)氣體受激物質(zhì)固體受激物質(zhì)、脈沖激光焊接連續(xù)激光焊接、低功率高功率、薄板厚件、低速高速、低頻高頻及低效高效的歷史。激光焊接技術(shù)以其獨(dú)具的深寬比高，焊縫寬度小，熱影響區(qū)小、變形小，焊接速度快，焊縫質(zhì)量高，無(wú)氣孔，可精確控制，聚焦光點(diǎn)小，定位精度高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在各種加工制造業(yè)中得到了高度重視。

1 激光焊接技術(shù)

激光焊接是以高功率聚焦的激光束為熱源，熔化材料形成焊接接頭的高精度高效率焊接方法。激光技術(shù)采用偏光鏡反射激光產(chǎn)生的光束使其集中在聚焦裝置中產(chǎn)生巨大能量的光束，當(dāng)高強(qiáng)度激光束照射在材料表面上時(shí)，部分光能將被材料吸收而轉(zhuǎn)變成熱能，使材料熔化，從而達(dá)到焊接的目的。一般要根據(jù)金屬材料的光學(xué)性質(zhì)（如反射和吸收）和熱學(xué)性質(zhì)（如熔點(diǎn)、熱傳導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、熔化潛熱等）來(lái)決定所使用的激光的功率密度和脈寬等，對(duì)普通金屬來(lái)說(shuō)，光強(qiáng)吸收系數(shù)大約在105～109cm-1數(shù)量級(jí)。如果激光的功率密度為105～109瓦/cm2，則在金屬表面的穿透深度為微米數(shù)量級(jí)。為避免焊接時(shí)產(chǎn)生金屬飛濺或陷坑，要控制激光功率密度，使金屬表面溫度維持在沸點(diǎn)附近。對(duì)一般金屬，激光功率密度常取105～106瓦/cm2左右。

1.1激光焊接技術(shù)的種類

激光焊接分為脈沖激光焊接和連續(xù)激光焊接兩大類。脈沖激光焊特別適用于對(duì)電子工業(yè)和儀表工業(yè)微形件的焊接，可以實(shí)現(xiàn)薄片（012mm以上）、薄膜（幾微米到幾十微米）、絲與絲（直徑0102）012mm）、密封縫焊和異種金屬、異種材料的焊接，如集成電路外引線和內(nèi)引線（硅片上蒸鍍有118Lm的鋁膜和50Lm厚鋁箔間）的焊接，微波器件中速調(diào)管的鉭片和鉬片的焊接，零點(diǎn)幾毫米不銹鋼、銅、鎳、鉭等金屬絲的對(duì)接、重迭、十字接、T字接，密封性微型繼電器、石英晶體器件外殼和航空儀表零件的焊接等。

連續(xù)激光焊接主要使用大功率CO2氣體激光器，適合于從薄板精密焊到50mm厚板深穿入焊的各種焊接。

1.2激光焊接技術(shù)的特點(diǎn)

激光焊接技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì)主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）能量密度大且放出極其迅速，在高速加工中能避免熱損傷和焊接變形，可進(jìn)行精密零件、熱敏感性材料加工。

（2）被焊材料不易氧化，可以在大氣中焊接，不需要?dú)怏w保護(hù)或真空環(huán)境。

（3）激光可對(duì)絕緣材料直接焊接，對(duì)異種金屬材料焊接比較容易，甚至能把金屬與非金屬焊接在一起。

（4）激光焊接裝置不需要與被焊接工件接觸。激光束可用反射鏡或偏轉(zhuǎn)棱鏡將其在任何方向上彎曲或聚焦，還可用光導(dǎo)纖維將其引到難以接近的部位進(jìn)行焊接。激光還可以穿過(guò)透明材料進(jìn)行聚焦，因此可以焊接一般方法難以接近的接頭或無(wú)法安置的接焊點(diǎn)，如真空管中電極的焊接。

（5）激光束不會(huì)帶來(lái)任何磨損，且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

1.3激光焊接技術(shù)不足之處

激光焊接也存在不足，包括激光器及用于激光束傳導(dǎo)和聚集的附屬系統(tǒng)成本過(guò)高，操作成本也很高，特別是需要大量昂貴保護(hù)氣體（如氦等）的應(yīng)用場(chǎng)合。激光束的緊密聚集、熱量向工件的有效傳遞以及狹小的熱影響區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，也帶來(lái)了接頭裝配的難題，很小的組裝偏差就會(huì)導(dǎo)致焊接條件較大的變化，甚至很窄的間隙（≤0.1mm）也能引起激光輻射耦合的缺陷和熱效率的降低。高反射率材料（如鋁、銅等）的激光焊接，如要減少反射，則需要仔細(xì)優(yōu)化激光輻射的條件，必要時(shí)還需采用涂層材料。同時(shí)，這些金屬的熱導(dǎo)率較大，在焊接啟動(dòng)時(shí)應(yīng)使用較高的激光能量密度，這有時(shí)會(huì)導(dǎo)致激光反射回激光器，從而引起光學(xué)元件的損壞。構(gòu)件在焊接過(guò)程中的裝配偏差也可能引起激光束具有危險(xiǎn)性的反射。

2 技工焊接技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

2.1制造業(yè)應(yīng)用

激光拼焊（Tailored Bland Laser Welding）技術(shù)在國(guó)外轎車制造中得到廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年全球范圍內(nèi)剪裁坯板激光拼焊生產(chǎn)線超過(guò)100條，年產(chǎn)轎車構(gòu)件拼焊坯板7000萬(wàn)件，并繼續(xù)以較高速度增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的引進(jìn)車型Passat，Buick，Audi等也采用了一些剪裁坯板結(jié)構(gòu)。日本以CO2激光焊代替了閃光對(duì)焊進(jìn)行制鋼業(yè)軋鋼卷材的連接，在超薄板焊接的研究，如板厚100微米以下的箔片，無(wú)法熔焊，但通過(guò)有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功，顯示了激光焊的廣闊前途。日本還在世界上首次成功開(kāi)發(fā)了將YAG激光焊用于核反應(yīng)堆中蒸氣發(fā)生器細(xì)管的維修等，在國(guó)內(nèi)蘇寶蓉等還進(jìn)行了齒輪的激光焊接技術(shù)。

2.2粉末冶金領(lǐng)域

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多工業(yè)技術(shù)上對(duì)材料特殊要求，應(yīng)用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點(diǎn)，在某些領(lǐng)域如汽車、飛機(jī)、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展，它與其它零件的連接問(wèn)題顯得日益突出，使粉末冶金材料的應(yīng)用受到限制。在八十年代初期，激光焊以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入粉末冶金材料加工領(lǐng)域，為粉末冶金材料的應(yīng)用開(kāi)辟了新的前景，如采用粉末冶金材料連接中常用的釬焊的方法焊接金剛石，由于結(jié)合強(qiáng)度低，熱影響區(qū)寬特別是不能適應(yīng)高溫及強(qiáng)度要求高而引起釬料熔化脫落，采用激光焊接可以提高焊接強(qiáng)度以及耐高溫性能。

2.3汽車工業(yè)

20世紀(jì)80年代后期，千瓦級(jí)激光成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，而今激光焊接生產(chǎn)線已大規(guī)模出現(xiàn)在汽車制造業(yè)，成為汽車制造業(yè)突出的成就之一。德國(guó)奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20世紀(jì)80年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側(cè)框等鈑金焊接，90年代美國(guó)通用、福特和克萊斯勒公司竟相將激光焊接引入汽車制造，盡管起步較晚，但發(fā)展很快。意大利菲亞特在大多數(shù)鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接，日本的日產(chǎn)、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝，高強(qiáng)鋼激光焊接裝配件因其性能優(yōu)良在汽車車身制造中使用得越來(lái)越多，根據(jù)美國(guó)金屬市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，至2002年底，激光焊接鋼結(jié)構(gòu)的消耗將達(dá)到70000t比1998年增加3倍。根據(jù)汽車工業(yè)批量大、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，激光焊接設(shè)備向大功率、多路式方向發(fā)展。在工藝方面美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與PrattWitney聯(lián)合進(jìn)行在激光焊接過(guò)程中添加粉末金屬和金屬絲的研究，德國(guó)不萊梅應(yīng)用光束技術(shù)研究所在使用激光焊接鋁合金車身骨架方面進(jìn)行了大量的研究，認(rèn)為在焊縫中添加填充余屬有助于消除熱裂紋，提高焊接速度，解決公差問(wèn)題，開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)線已在奔馳公司的工廠投入生產(chǎn)。

2.4電子工業(yè)

激光焊接在電子工業(yè)中，特別是微電子工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于激光焊接熱影響區(qū)小加熱集中迅速、熱應(yīng)力低，因而正在集成電路和半導(dǎo)體器件殼體的封裝中，顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性，在真空器件研制中，激光焊接也得到了應(yīng)用，如鉬聚焦極與不銹鋼支持環(huán)、快熱陰極燈絲組件等。傳感器或溫控器中的彈性薄壁波紋片其厚度在0.05-0.1mm，采用傳統(tǒng)焊接方法難以解決，TIG焊容易焊穿，等離子穩(wěn)定性差，影響因素多而采用激光焊接效果很好，得到廣泛的應(yīng)用。

篇5

關(guān)鍵詞：鐵基，粉末冶金，激光，表面強(qiáng)化

 

1.激光表面強(qiáng)化工藝參數(shù)的確定

激光熱處理工藝參數(shù)主要是指激光器輸出功率P，光斑直徑d（兩者決定了功率密度）和掃描速度V（決定了激光與工件的作用時(shí)間），它們直接影響硬化層的寬度、深度、硬度、組織以及機(jī)械性能。

1.1激光功率

當(dāng)光斑直徑和掃描速度一定時(shí)，工件表面的最大加熱時(shí)間是恒定的。隨著激光器輸出功率的增加，硬化層寬度和深度增加。這是因?yàn)楫?dāng)激光器輸出功率增大時(shí)，光斑的平均功率密度增加，金屬表面吸收的能量增加，使得表面溫度進(jìn)一步提高，經(jīng)過(guò)金屬基體的快速熱傳遞，金屬表面下處于相變溫度Ac1 以上的區(qū)域亦增大，從而導(dǎo)致硬化層深度和寬度增加。

1.2掃描速度

掃描速度是工件與激光束相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，它反映了金屬表面被加熱的時(shí)間。當(dāng)其它條件一定時(shí)，隨著掃描速度的增大，硬化層深度和寬度減小。這是因?yàn)閽呙杷俣雀?，加熱時(shí)間減小，金屬表面層吸收的能量降低，導(dǎo)致硬化層深度和寬度減小。

降低掃描速度，以延長(zhǎng)加熱時(shí)間可使硬化層深度和硬度提高。試驗(yàn)結(jié)果表明：如果激光器輸出功率不足，即使延長(zhǎng)加熱時(shí)間，金屬硬化效果也并不好，反而加寬了熱影響區(qū)。

若掃描速度太慢，使得熱量向光束移動(dòng)方向的反向傳導(dǎo)，致使冷卻速度太慢，使表面出現(xiàn)熔融和回火現(xiàn)象，使硬度降低；若掃描速度太快，由于照射時(shí)間太短，輸入的能量不足，使得照射區(qū)內(nèi)溫度達(dá)不到完全淬火溫度，從而使得表面硬度降低。

激光輸出功率和掃描速度對(duì)硬化層深度的影響幾乎為線性關(guān)系。隨著激光輸出功率的增大和掃描速度的降低，硬化層深度增加。激光功率增加意味著單位時(shí)間內(nèi)的能量增加，則試件吸收的總能量增加，在試件內(nèi)溫度場(chǎng)中超過(guò)臨界轉(zhuǎn)變溫度的范圍擴(kuò)大，即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的區(qū)域增加，故硬化層的深度增加。掃描速度的降低，意味著熱作用時(shí)間的延長(zhǎng)。在其它條件不變時(shí)，總能量也是增加的，因此降低激光掃描速度和增加激光輸出功率效果是一致的。綜上所述，激光相變硬化層的深度取決于激光加熱時(shí)的溫度場(chǎng)。而材料達(dá)到給定溫度的深度主要依賴于能量密度。激光相變硬化層層深與激光能量密度之間存在良好的線性關(guān)系。

還可知激光功率和掃描速度不同，顯微硬度的分布也不同。激光功率為3200W，掃描速度為8mm/s 時(shí)的表面硬度最高，約828HV。隨著激光功率增加和掃描速度降低，材料的表面加熱溫度提高，在激光的快速加熱和隨后的快速冷卻過(guò)程中，奧氏體晶粒得到了進(jìn)一步的細(xì)化，馬氏體中的固溶含碳量和合金元素含量增加，碳和合金元素的大量溶入也造成了靜畸變強(qiáng)化，從而增大了表面顯微硬度。激光輸出功率過(guò)高或掃描速度過(guò)低時(shí)，樣品中的蓄熱量增大，造成冷卻速度緩慢，無(wú)法達(dá)到自激淬火的臨界冷卻速度，淬不成馬氏體，使硬度值降低。

試驗(yàn)研究表明，如果不對(duì)激光淬火提出過(guò)高的要求，利用連續(xù)輸出功率在千瓦級(jí)的二氧化碳激光設(shè)備，對(duì)鐵基材料表面進(jìn)行熱處理并不困難。然而不同激光設(shè)備之間的工藝移植并非易事。工業(yè)生產(chǎn)中，維護(hù)激光處理工藝的可重復(fù)性是保證產(chǎn)品質(zhì)量的需要。但是，激光淬火同其他傳統(tǒng)的熱處理相比，它具有可以精確控制熱處理區(qū)域及工件變形小等一系列優(yōu)點(diǎn)。只要能夠較好的控制激光淬火工藝過(guò)程，原則上可以使用價(jià)格便宜、易于加工的材料制造工件的基體，在工件的關(guān)鍵部位用激光進(jìn)行處理，便能顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量，簡(jiǎn)化工件的生產(chǎn)工藝，降低工件的生產(chǎn)成本，增強(qiáng)激光淬火對(duì)其它傳統(tǒng)熱處理工藝的競(jìng)爭(zhēng)能力。

2.激光表面淬火鐵基粉末冶金材料的硬度分布

各種成分的鐵基粉末冶金材料經(jīng)過(guò)寬帶激光表面淬火后顯微硬度有了顯著的提高。鐵基粉末冶金材料的顯微硬度從淬火前到淬火后提高近3倍，合金元素Cr含量的增加使得硬化層深度略有增加，因?yàn)镃r 能提高鋼的淬透性。從表層到心部，隨著與表面距離的增加，顯微硬度也呈現(xiàn)出層狀分布并呈逐漸降低趨勢(shì)直至基體。在此我們還可大概將其分為三層：第一層為完全淬硬層，顯微硬度約為HV0.3623-669，厚度約為1.0-1.2mm。在這一層中顯微硬度變化幅度不大，基本上曲線比較平坦，這同其他淬火方式相同，所不同的是激光淬火最高顯微硬度一般在次表層；第二層為過(guò)渡區(qū)，厚度約為0.3mm，顯微硬度約為HV0.3400-650；第三層為基體，顯微硬度約為HV0.3250-320。

3.激光淬火表面強(qiáng)化的機(jī)理

激光表面處理具有加熱速度快、熱效率高，加熱范圍及熱變形小的特點(diǎn)，不致引起開(kāi)裂缺陷。寬帶激光束與聚集光束比較，具有一次掃描處理區(qū)域大、硬化層更為均勻的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。。

激光硬化時(shí)，激光與材料的相互作用可根據(jù)激光輻照作用的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間分為幾個(gè)階段：把激光輻照引向材料；吸收激光能量并把光能傳給材料；光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱材料達(dá)到快速加熱、快速冷卻、熔化材料的目的，并且不引起材料表面的破壞；材料在激光輻照后的相變或融化凝固或沖擊產(chǎn)生晶格畸變及位錯(cuò)，最終達(dá)到硬化效果。。

從物理冶金角度，激光相變硬化與常規(guī)熱處理并無(wú)兩樣，只不過(guò)是前者為局部的急熱急冷過(guò)程。由于加熱時(shí)間短，加熱溫度高，當(dāng)激光束被切斷或移開(kāi)后，材料表面冷速很快，熱影響區(qū)域小，硬化層較淺，一般只有0.3-2.0mm。這對(duì)于要求變形小，形狀復(fù)雜和要求局部處理的零件來(lái)說(shuō)較為合適。由于加熱速度快，加熱時(shí)間短，因此其相變硬化也具有自己的特點(diǎn)：激光熱處理加熱速度比其他淬火方法更快，使材料表面迅速達(dá)到奧氏體化溫度，使得擴(kuò)散均勻化來(lái)不及進(jìn)行，原有材料中珠光體組織通過(guò)無(wú)擴(kuò)散轉(zhuǎn)化為奧氏體組織。在隨后通過(guò)自身熱傳遞而快速冷卻，奧氏體組織通過(guò)無(wú)擴(kuò)散過(guò)程轉(zhuǎn)化為馬氏體。由于是快速冷卻，使Ms 線升高，使得我們?cè)囼?yàn)中得到的馬氏體組織含量較常規(guī)熱處理的多，不同的微觀區(qū)域內(nèi)馬氏體形成溫度有很大的差異，這也導(dǎo)致了細(xì)小馬氏體組織的形成，同時(shí)組織細(xì)化，這是由于激光超快速加熱條件下，過(guò)熱度大，造成相變驅(qū)動(dòng)力大，奧氏體形核數(shù)目劇增，它既可以在原晶界和亞晶界上形核，也可以在相界面和其它晶體缺陷處成核。而在快速加熱的瞬間奧氏體化使晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大。在馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，必然轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的馬氏體組織。。研究表明，激光相變硬化處理后可獲得直徑為2μm 的超細(xì)晶粒。激光處理加熱速度快，易使金屬表面過(guò)熱，隨后冷速亦快，殘留奧氏體量增加，碳來(lái)不及擴(kuò)散，使得奧氏體中碳量增加，隨著奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，得到高碳馬氏體，提高了硬度。而激光處理后的馬氏體組織為板條馬氏體和孿晶馬氏體組織，其中位錯(cuò)密度極高，可達(dá)1011-1012條/cm2，比常規(guī)淬火提高至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并且殘余奧氏體中存在大量的位錯(cuò)塞積群。馬氏體在高度受扼的狀態(tài)下形成，因此形成了本質(zhì)上是變形馬氏體的淬硬組織。因此，我們認(rèn)為，晶粒超細(xì)化，高的馬氏體含量，馬氏體高位錯(cuò)密度和高的固溶含碳量是材料經(jīng)激光熱處理后獲得超高表面硬度的主要原因。

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篇6

一、金屬間化合物材料的概述和應(yīng)用

金屬間化合物是指以金屬元素或類金屬元素為主組成的二元或多元系合金中出現(xiàn)的中間相。金屬間化合物主要指金屬與金屬間，金屬與類金屬之間按一定劑量比所形成的化合物，金屬間化合物有的已是或?qū)⑹侵匾男滦凸δ懿牧虾徒Y(jié)構(gòu)材料。金屬間化合物的歷史由來(lái)已久，金屬間化合物的研究已經(jīng)成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。人們發(fā)現(xiàn)許多金屬間化合物的強(qiáng)度并不是隨溫度的升高而單調(diào)地下降，相反是先升高后降低。因?yàn)檫@一特性，掀起了新一輪金屬間化合物的研究熱潮，使金屬間化合物具備了成為新型高溫結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在已研究出許多方法和措施，用來(lái)改善和提高金屬間化合物的塑性，為將金屬間化合物材料開(kāi)發(fā)成為有實(shí)用價(jià)值的結(jié)構(gòu)材料打下基礎(chǔ)。金屬間化合物是航空材料和高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域內(nèi)具有重要應(yīng)用價(jià)值的新材料。金屬間化合物強(qiáng)度高，抗氧化性能好和抗硫化腐蝕性能優(yōu)良，優(yōu)于不銹鋼和鈷基，鎳基合金等傳統(tǒng)的高溫合金，而且具有較高的韌性，因此金屬間化合物被公認(rèn)為是航空材料和高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域內(nèi)具有重要應(yīng)用價(jià)值的新材料。金屬間化合物材料作為近20年內(nèi)才發(fā)展起來(lái)的新材料，相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料具有特殊的優(yōu)點(diǎn)和規(guī)律，廣泛用于制備金屬間化合物基復(fù)合材料。金屬間化合物相對(duì)于金屬材料為脆性材料，相對(duì)于其他材料則具有一定的韌性，并且具有相當(dāng)高的塑性。某些金屬間化合物還具有反常的強(qiáng)度-溫度關(guān)系，在一定的溫度范圍內(nèi)，強(qiáng)度隨著溫度的升高而升高，這對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用給予很大的希望。此外許多金屬間化合物材料具有良好的抗氧化性能，耐腐蝕性能和耐磨損性能，如Ni-Al金屬間化合物和Fe-Al金屬間化合物材料。因此采用金屬間化合物和其他材料相復(fù)合制備復(fù)合材料可以提高金屬間化合物材料的力學(xué)性能。

金屬間化合物具有一系列的優(yōu)異性能是最具有吸引力的新一代高溫結(jié)構(gòu)材料和表面涂層材料。金屬間化合物的種類非常多，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外主要研究集中于Ni-Al金屬間化合物，Ti-Al金屬間化合物，F(xiàn)e-Al金屬間化合物等含Al金屬間化合物的研究。目前金屬間化合物材料已經(jīng)研究和開(kāi)發(fā)的較為廣泛。許多金屬間化合物材料已經(jīng)用于鑄造，鍛壓和高溫熔煉等。金屬間化合物材料具有高溫強(qiáng)度好，高溫抗蠕變性能強(qiáng)，抗腐蝕性能好，抗氧化性能好等優(yōu)點(diǎn)，且在一定的溫度范圍內(nèi)金屬間化合物的屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高而升高。但是金屬間化合物材料作為使用的結(jié)構(gòu)材料，還存在硬度低，斷裂韌性差以及高溫強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。將金屬間化合物與其他材料進(jìn)行復(fù)合制備金屬間化合物基復(fù)合材料，以制備出兼具有二者優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料是當(dāng)前的重要研究和發(fā)展方向。金屬間化合物材料具有較高的加工硬化率和較特殊的高溫性能，因而被認(rèn)為是下一代高溫結(jié)構(gòu)材料和高溫耐磨損材料之一，特別是在改善金屬間化合物材料的塑性后，更是受到了廣泛的重視和研究。為了進(jìn)一步提高金屬間化合物材料的綜合性能，很多研究工作者在金屬間化合物材料中加入強(qiáng)化相制備金屬間化合物復(fù)合材料，即形成金屬間化合物基復(fù)合材料。可以向金屬間化合物中加入碳化物硬質(zhì)相制備耐磨損的金屬間化合物基復(fù)合材料。金屬間化合物材料具有許多優(yōu)秀的性能而被廣泛的應(yīng)用到工程領(lǐng)域中。

二、金屬間化合物在材料科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中的研究和應(yīng)用

金屬間化合物材料由于具有許多優(yōu)異的性能而被廣泛的應(yīng)用在工程領(lǐng)域中，所以應(yīng)該在材料科學(xué)與工程專業(yè)的課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中增加一些金屬間化合物的知識(shí)和內(nèi)容。金屬間化合物材料主要包括Al系金屬間化合物材料，主要有Fe-Al金屬間化合物，Ni-Al金屬間化合物，Ti-Al金屬間化合物等，還有其他的如Cu-Al合金，Cu-Zn合金以及Ni-Ti合金體系等金屬間化合物材料。由于一般常用的金屬間化合物是由兩種金屬元素形成的化合物并具有典型的二元相圖，所以可以通過(guò)認(rèn)識(shí)和了解金屬間化合物學(xué)習(xí)和掌握二元相圖的知識(shí)內(nèi)容。此外金屬間化合物材料的制備工藝方法也有很多，主要有金屬熔煉法，高溫自蔓延反應(yīng)合成法，機(jī)械合金化法，反應(yīng)燒結(jié)法，粉末冶金工藝等多種方法。其中反應(yīng)熔煉法是將不同種金屬元素放到熔煉爐中進(jìn)行熔化形成金屬合金熔體使其均勻混合并冷卻形成金屬間化合物材料。高溫自蔓延反應(yīng)合成方法是通過(guò)反應(yīng)放出大量的熱量維持反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行最終形成所需要的金屬合金材料。機(jī)械合金化工藝過(guò)程是利用高能球磨機(jī)把兩種純金屬粉末放入球磨罐中并加入適量的添加劑進(jìn)行球磨，粉末的制備由機(jī)械合金化過(guò)程完成，塊體的制備則由燒結(jié)過(guò)程實(shí)現(xiàn)，機(jī)械合金化工藝是一種固態(tài)反應(yīng)的過(guò)程。機(jī)械合金化技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種材料制備方法，機(jī)械合金化工藝通過(guò)對(duì)粉末反復(fù)的破碎，焊合來(lái)達(dá)到合金化的目的，由于合金化過(guò)程中引入大量的應(yīng)變，缺陷以及納米級(jí)的微結(jié)構(gòu)，機(jī)械合金化制備的材料具有一些與傳統(tǒng)方法制備材料不同的特性。通過(guò)機(jī)械合金化工藝就可以制備出金屬間化合物粉末。粉末冶金技術(shù)是制備金屬間化合物材料比較常用的一種方法。以單質(zhì)或合金粉末為原料，一般是先用塑性加工的方法把粉末制備成所需要的復(fù)合材料制件，然后在燒結(jié)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了制件的成型。反應(yīng)燒結(jié)法是將不同種金屬元素粉末通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝或者常壓燒結(jié)工藝形成金屬間化合物塊體材料。金屬間化合物材料的制備通常采用粉末冶金工藝進(jìn)行制備。

由于金屬間化合物材料原料成本較低，制備工藝不復(fù)雜，所以對(duì)于金屬間化合物材料的制備和性能的研究工作可以引入到材料科學(xué)與工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中?？梢栽趯?shí)驗(yàn)教學(xué)的課程中增加金屬間化合物材料的制備和性能的研究?jī)?nèi)容，例如通過(guò)反應(yīng)熔煉法，機(jī)械合金化方法和粉末冶金法等制備金屬間化合物材料，并對(duì)金屬間化合物材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程可以鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力和分析能力，還可以加深學(xué)生對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)知識(shí)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和了解。在上述實(shí)驗(yàn)方法中，其中機(jī)械合金化工藝是比較實(shí)用并且能夠在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的。機(jī)械合金化工藝是將兩種不同的金屬粉末混合并經(jīng)過(guò)高能球磨過(guò)程制成金屬間化合物粉末，并通過(guò)燒結(jié)過(guò)程制備金屬間化合物塊材。機(jī)械合金化工藝可以在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，可以安排學(xué)生通過(guò)機(jī)械合金化工藝制備金屬間化合物材料。此外在本科學(xué)生的專業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)期間也可以安排學(xué)生進(jìn)行金屬間化合物材料的制備和性能的研究工作。通過(guò)對(duì)金屬間化合物材料的制備和性能的研究工作，使得學(xué)生充分的認(rèn)識(shí)和了解金屬間化合物材料的性能特點(diǎn)，并加深學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)的材料科學(xué)與工程專業(yè)課程知識(shí)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)和了解，使得學(xué)生對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)的課程內(nèi)容有一定的掌握和熟悉，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)面。所以本文作者認(rèn)為應(yīng)該在材料科學(xué)與工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中增加一些關(guān)于金屬間化合物材料的實(shí)驗(yàn)課程，并以金屬間化合物材料的制備和性能的研究?jī)?nèi)容作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程，這將有助于提高學(xué)生的實(shí)踐能力并擴(kuò)展了學(xué)生的知識(shí)面，這為本科學(xué)生以后學(xué)習(xí)材料科學(xué)與工程專業(yè)的知識(shí)內(nèi)容打下堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

三、金屬間化合物材料未來(lái)的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)

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關(guān)鍵詞：碳滑板；地鐵備件；消耗規(guī)律

中圖分類號(hào)：TF341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）09-0097-02

1 受電弓滑板背景知識(shí)介紹

1.1 受電弓滑板的概念

受電弓滑板是直接連接受電弓與接觸網(wǎng)導(dǎo)線的繼電器，在靜止或者滑動(dòng)的狀態(tài)下，為電力機(jī)車從接觸導(dǎo)線上獲取電力。在使用過(guò)程中，滑板直接在自然環(huán)境中，并且不停地與接觸網(wǎng)導(dǎo)線發(fā)生摩擦與沖擊，其中有兩種磨損形式，分別是機(jī)械磨損和電氣磨損。因此在選用過(guò)程中，要考慮以下性能與參數(shù)：導(dǎo)電性、抗電弧燒傷性、建模耐磨性、強(qiáng)度、適應(yīng)性、電阻率和接觸電阻。

1.2 受電弓滑板發(fā)展概況

在受電弓滑板的發(fā)展過(guò)程中，共采用過(guò)以下幾種繼電材料，分別是純金屬滑板、粉末冶金滑板、碳滑板、浸金屬碳滑板以及復(fù)合材料滑板，其中純金屬滑板雖然壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度高，但由于對(duì)接觸導(dǎo)線磨耗大，現(xiàn)已禁止生產(chǎn)。粉末冶金滑板也由于其含油率低對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線嚴(yán)重磨耗而適用范圍受限。碳滑板雖然磨耗較小，但機(jī)械強(qiáng)度低、耐沖擊韌性差，在運(yùn)用中不斷改進(jìn)，形成了浸金屬碳滑板，包括整體式和組裝式兩種，具有較好的電學(xué)性能，并且由于碳基中大量存在的氣孔被填滿金屬，形成實(shí)用的凝體，結(jié)合了碳材料和金屬材料的優(yōu)點(diǎn)，目前運(yùn)用最為廣泛。

2 南京地鐵受電弓滑板使用狀況

南京地鐵一號(hào)線、二號(hào)線及南延線電客車受電弓滑板采用的是德國(guó)Schunk品牌，并配套使用的是Schunk自主研發(fā)制造的碳滑板。屬于整體式碳滑板，一條完整的碳滑板由金屬和在金屬槽內(nèi)的碳條組成，金屬槽能夠?qū)С鲭娏饕约耙粋€(gè)防止振動(dòng)和扭動(dòng)的起穩(wěn)定的面。

該碳滑板擁有良好的摩擦系數(shù)、最小的受電網(wǎng)磨損、很輕的重量以及很小的環(huán)境污染。碳石墨不會(huì)融化，有很好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，有很好的抗火花性能。另外Schunk 公司的碳滑板結(jié)合了夾緊控制、焊接以及粘結(jié)技術(shù)。所有的碳滑板以較強(qiáng)的操作可靠性為特征。在使用壽命里，能很好地阻止外部溫度以及穩(wěn)定的性能。有很好的恢復(fù)性以及突然事故后的自行恢復(fù)能力，可靠的受流器需要在特殊環(huán)境條件下工作，因?yàn)樘蓟瑮l可能在異常電流負(fù)荷和長(zhǎng)時(shí)間的超負(fù)荷情況下工作。

3 南京地鐵受電弓滑板消耗現(xiàn)狀

目前南京地鐵一號(hào)線運(yùn)行時(shí)間已有7年多，共有電客車20列，總里程為21.72km，二號(hào)線運(yùn)行時(shí)間有3年，總里程為37.95km，一號(hào)線南延線運(yùn)行時(shí)間有3年，總里程為25.08km，另外與一號(hào)線并線運(yùn)行里程為14.32km，總計(jì)39.4公里。三條線全部采用同一型號(hào)的碳滑板和接觸網(wǎng)導(dǎo)線，當(dāng)碳滑板本身沒(méi)有貫穿裂紋時(shí)，按照磨耗厚度進(jìn)行更換，當(dāng)碳刷條最薄處小于4.5mm時(shí)，必須成對(duì)更換，每季度歷年消耗狀況如表1所示。

由于一號(hào)線開(kāi)通時(shí)間較長(zhǎng)，下面主要對(duì)一號(hào)線進(jìn)行分析，雖然每季度用量波動(dòng)較大，但從年用量來(lái)看，從2008～2011年，一號(hào)線每年更換數(shù)量為80、74、80、81，剛好保持在線路安裝量80左右，也就是說(shuō)每年更換一批碳滑板，消耗率較為穩(wěn)定。平均每年更換一次，碳滑板的初始厚度為22mm，按照一號(hào)線電客車平均每年運(yùn)營(yíng)10萬(wàn)km來(lái)算，平均每萬(wàn)km消耗1.75mm，低于業(yè)內(nèi)同類碳滑板消耗率。

但在2012年消耗數(shù)量迅速增加，經(jīng)分析主要有以下三個(gè)原因：

（1）一號(hào)線和南延線車輛在一起維修，按照領(lǐng)用數(shù)量統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確，合起來(lái)一號(hào)線和南延線2012年的更換率為26%，而一號(hào)線從2008～2011年的更換率為25%，基本

持平。

（2）從2010～2012年第三季度一號(hào)線電客車全部進(jìn)行大修，大修時(shí)更換了一批國(guó)產(chǎn)碳滑板，使用壽命較短，導(dǎo)致從2011年下半年到2012年消耗量猛增。

（3）南延線開(kāi)通以來(lái)，客流量一直較大，幾次更改運(yùn)營(yíng)圖后列車上線比例加大，年運(yùn)營(yíng)公里達(dá)到18萬(wàn)km，對(duì)碳滑板的消耗量也有很大的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

作為地鐵車輛動(dòng)力來(lái)源的一個(gè)重要媒介，碳滑板承擔(dān)著從受電弓接收電流的作用，如果質(zhì)量不穩(wěn)定，將大大影響電客車運(yùn)營(yíng)，目前南京地鐵采用的Schunk公司碳滑板，消耗率低于業(yè)內(nèi)水平，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。由于南京地鐵開(kāi)通時(shí)間較多，樣本量不大，目前難以對(duì)季度消耗中突發(fā)性大需求進(jìn)行分析，同時(shí)由于缺乏每列車具體的用量數(shù)據(jù)，將在以后的研究中進(jìn)一步深入。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣靈君.剛性接觸網(wǎng)線路車輛碳滑板異常磨耗分析[J].

現(xiàn)代城市軌道交通，2011，（3）.

篇8

關(guān)鍵詞:梯度功能材料，復(fù)合材料，研究進(jìn)展

Abstract :This paper introduces the concept ，types，capability，preparation methods of functionally graded materials. Based upon analysis of the present application situations and prospect of this kind of materials some problems existed are presented. The current status of the research of FGM are discussed and an anticipation of its future development is also present.

Key words :FGM；composite；the Advance

0 引言

信息、能源、材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的三大支柱?，F(xiàn)代高科技的競(jìng)爭(zhēng)在很大程度上依賴于材料科學(xué)的發(fā)展。對(duì)材料，特別是對(duì)高性能材料的認(rèn)識(shí)水平、掌握和應(yīng)用能力，直接體現(xiàn)國(guó)家的科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，也是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和社會(huì)文明進(jìn)步速度的標(biāo)志。因此，新材料的開(kāi)發(fā)與研究是材料科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo)，是21世紀(jì)高科技領(lǐng)域的基石。

近年來(lái)，材料科學(xué)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]。究其原因，一方面是各個(gè)學(xué)科的交叉滲透引入了新理論、新方法及新的實(shí)驗(yàn)技術(shù);另一方面是實(shí)際應(yīng)用的迫切需要對(duì)材料提出了新的要求。而FGM即是為解決實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用問(wèn)題而產(chǎn)生的一種新型復(fù)合材料，這種材料對(duì)新一代航天飛行器突破“小型化”，“輕質(zhì)化”，“高性能化”和“多功能化”具有舉足輕重的作用[2]，并且它也可廣泛用于其它領(lǐng)域，所以它是近年來(lái)在材料科學(xué)中涌現(xiàn)出的研究熱點(diǎn)之一。

1 FGM概念的提出

當(dāng)代航天飛機(jī)等高新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來(lái)越苛刻。例如：當(dāng)航天飛機(jī)往返大氣層，飛行速度超過(guò)25個(gè)馬赫數(shù)，其表面溫度高達(dá)2000℃。而其燃燒室內(nèi)燃燒氣體溫度可超過(guò)2000℃，燃燒室的熱流量大于5MW/m2， 其空氣入口的前端熱通量達(dá)5MW/m2.對(duì)于如此大的熱量必須采取冷卻措施，一般將用作燃料的液氫作為強(qiáng)制冷卻的冷卻劑，此時(shí)燃燒室內(nèi)外要承受高達(dá)1000K以上的溫差，傳統(tǒng)的單相均勻材料已無(wú)能為力[1]。若采用多相復(fù)合材料，如金屬基陶瓷涂層材料，由于各相的熱脹系數(shù)和熱應(yīng)力的差別較大，很容易在相界處出現(xiàn)涂層剝落[3]或龜裂[1]現(xiàn)象，其關(guān)鍵在于基底和涂層間存在有一個(gè)物理性能突變的界面。為解決此類極端條件下常規(guī)耐熱材料的不足，日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三人于1987年首次提出了梯度功能材料的概念[1]，即以連續(xù)變化的組分梯度來(lái)代替突變界面，消除物理性能的突變，使熱應(yīng)力降至最小[3]。

隨著研究的不斷深入，梯度功能材料的概念也得到了發(fā)展。目前梯度功能材料(FGM)是指以計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，采用先進(jìn)復(fù)合技術(shù)，使構(gòu)成材料的要素（組成、結(jié)構(gòu)）沿厚度方向有一側(cè)向另一側(cè)成連續(xù)變化，從而使材料的性質(zhì)和功能呈梯度變化的新型材料[4]。

2 FGM的特性和分類

2.1 FGM的特殊性能

由于FGM的材料組分是在一定的空間方向上連續(xù)變化的特點(diǎn)如圖2，因此它能有效地克服傳統(tǒng)復(fù)合材料的不足[5]。正如Erdogan在其論文[6]中指出的與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比FGM有如下優(yōu)勢(shì):

1)將FGM用作界面層來(lái)連接不相容的兩種材料，可以大大地提高粘結(jié)強(qiáng)度;

2)將FGM用作涂層和界面層可以減小殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力;

3)將FGM用作涂層和界面層可以消除連接材料中界面交叉點(diǎn)以及應(yīng)力自由端點(diǎn)的應(yīng)力奇異性;

4)用FGM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻材料涂層，既可以增強(qiáng)連接強(qiáng)度也可以減小裂紋驅(qū)動(dòng)力。

2.2 FGM的分類

根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)FGM有多種分類方式。根據(jù)材料的組合方式，F(xiàn)GM分為金屬/陶瓷，陶瓷/陶瓷，陶瓷/塑料等多種組合方式的材料[1]；根據(jù)其組成變化FGM分為梯度功能整體型（組成從一側(cè)到另一側(cè)呈梯度漸變的結(jié)構(gòu)材料），梯度功能涂敷型（在基體材料上形成組成漸變的涂層），梯度功能連接型（連接兩個(gè)基體間的界面層呈梯度變化）[1]；根據(jù)不同的梯度性質(zhì)變化分為密度FGM，成分FGM，光學(xué)FGM，精細(xì)FGM等[4]；根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域有可分為耐熱FGM，生物、化學(xué)工程FGM，電子工程FGM等[7]。

3 FGM的應(yīng)用

FGM最初是從航天領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的。隨著FGM 研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)利用組分、結(jié)構(gòu)、性能梯度的變化，可制備出具有聲、光、電、磁等特性的FGM，并可望應(yīng)用于許多領(lǐng)域。

功　能

應(yīng)　用　領(lǐng)　域 材　料　組　合

緩和熱應(yīng)

力功能及

結(jié)合功能

航天飛機(jī)的超耐熱材料

陶瓷引擎

耐磨耗損性機(jī)械部件

耐熱性機(jī)械部件

耐蝕性機(jī)械部件

加工工具

運(yùn)動(dòng)用具:建材 陶瓷　金屬

陶瓷　金屬

塑料　金屬

異種金屬

異種陶瓷

金剛石　金屬

碳纖維　金屬　塑料

核功能

原子爐構(gòu)造材料

核融合爐內(nèi)壁材料

放射性遮避材料 輕元素　高強(qiáng)度材料

耐熱材料　遮避材料

耐熱材料　遮避材料

生物相溶性

及醫(yī)學(xué)功能

人工牙齒牙根

人工骨

人工關(guān)節(jié)

人工內(nèi)臟器官:人工血管

補(bǔ)助感覺(jué)器官

生命科學(xué) 磷灰石　氧化鋁

磷灰石　金屬

磷灰石　塑料

異種塑料

硅芯片　塑料

電磁功能

電磁功能 陶瓷過(guò)濾器

超聲波振動(dòng)子

IC

磁盤(pán)

磁頭

電磁鐵

長(zhǎng)壽命加熱器

超導(dǎo)材料

電磁屏避材料

高密度封裝基板 壓電陶瓷　塑料

壓電陶瓷　塑料

硅　化合物半導(dǎo)體

多層磁性薄膜

金屬　鐵磁體

金屬　鐵磁體

金屬　陶瓷

金屬　超導(dǎo)陶瓷

塑料　導(dǎo)電性材料

陶瓷　陶瓷

光學(xué)功能 防反射膜

光纖;透鏡;波選擇器

多色發(fā)光元件

玻璃激光 透明材料　玻璃

折射率不同的材料

不同的化合物半導(dǎo)體

稀土類元素　玻璃

能源轉(zhuǎn)化功能

MHD 發(fā)電

電極;池內(nèi)壁

熱電變換發(fā)電

燃料電池

地?zé)岚l(fā)電

太陽(yáng)電池 陶瓷　高熔點(diǎn)金屬

金屬　陶瓷

金屬　硅化物

陶瓷　固體電解質(zhì)

金屬　陶瓷

電池硅、鍺及其化合物

4 FGM的研究

FGM研究?jī)?nèi)容包括材料設(shè)計(jì)、材料制備和材料性能評(píng)價(jià)。

轉(zhuǎn)貼于 4. 1 　FGM設(shè)計(jì)

FGM設(shè)計(jì)是一個(gè)逆向設(shè)計(jì)過(guò)程[7]。

首先確定材料的最終結(jié)構(gòu)和應(yīng)用條件，然后從FGM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇滿足使用條件的材料組合、過(guò)渡組份的性能及微觀結(jié)構(gòu)，以及制備和評(píng)價(jià)方法，最后基于上述結(jié)構(gòu)和材料組合選擇，根據(jù)假定的組成成份分布函數(shù)，計(jì)算出體系的溫度分布和熱應(yīng)力分布。如果調(diào)整假定的組成成份分布函數(shù)，就有可能計(jì)算出FGM體系中最佳的溫度分布和熱應(yīng)力分布，此時(shí)的組成分布函數(shù)即最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

FGM設(shè)計(jì)主要構(gòu)成要素有三:

1)確定結(jié)構(gòu)形狀，熱—力學(xué)邊界條件和成分分布函數(shù);

2)確定各種物性數(shù)據(jù)和復(fù)合材料熱物性參數(shù)模型;

3)采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)—力學(xué)計(jì)算方法，包括有限元方法計(jì)算FGM的應(yīng)力分布，采用通用的和自行開(kāi)發(fā)的軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

FGM設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是與材料的制備工藝緊密結(jié)合，借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

4. 2　FGM的制備

FGM制備研究的主要目標(biāo)是通過(guò)合適的手段，實(shí)現(xiàn)FGM組成成份、微觀結(jié)構(gòu)能夠按設(shè)計(jì)分布，從而實(shí)現(xiàn)FGM的設(shè)計(jì)性能?？煞譃榉勰┲旅芊?如粉末冶金法(PM) ，自蔓延高溫合成法(SHS) ;涂層法:如等離子噴涂法，激光熔覆法，電沉積法，氣相沉積包含物理氣相沉積(PVD) 和化學(xué)相沉積(CVD) ;形變與馬氏體相變[10、14]。

4. 2. 1 　粉末冶金法(PM)

PM法是先將原料粉末按設(shè)計(jì)的梯度成分成形，然后燒結(jié)。通過(guò)控制和調(diào)節(jié)原料粉末的粒度分布和燒結(jié)收縮的均勻性，可獲得熱應(yīng)力緩和的FGM。粉末冶金法可靠性高，適用于制造形狀比較簡(jiǎn)單的FGM部件，但工藝比較復(fù)雜，制備的FGM有一定的孔隙率，尺寸受模具限制[7]。常用的燒結(jié)法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)及反應(yīng)燒結(jié)等。這種工藝比較適合制備大體積的材料。PM法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作和成本低等優(yōu)點(diǎn)，但要對(duì)保溫溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。國(guó)內(nèi)外利用粉末冶金方法已制備出的FGM有:MgC/ Ni 、ZrO2/ W、Al2O3/ ZrO2 [8]、Al2O3-W-Ni-Cr、WC-Co、WC-Ni等[7] 。

4. 2. 2 自蔓延燃燒高溫合成法(Self-propagating High-temperature Synthesis 簡(jiǎn)稱SHS或Combustion Synthesis)

SHS 法是前蘇聯(lián)科學(xué)家Merzhanov 等在1967 年研究Ti和B的燃燒反應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)的一種合成材料的新技術(shù)。其原理是利用外部能量加熱局部粉體引燃化學(xué)反應(yīng)，此后化學(xué)反應(yīng)在自身放熱的支持下，自動(dòng)持續(xù)地蔓延下去， 利用反應(yīng)熱將粉末燒結(jié)成材，最后合成新的化合物。其反應(yīng)示意圖如圖6所示[16]：

SHS 法具有產(chǎn)物純度高、效率高、成本低、工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。并且適合制造大尺寸和形狀復(fù)雜的FGM。但SHS法僅適合存在高放熱反應(yīng)的材料體系，金屬與陶瓷的發(fā)熱量差異大，燒結(jié)程度不同，較難控制，因而影響材料的致密度，孔隙率較大，機(jī)械強(qiáng)度較低。目前利用SHS 法己制備出Al/ TiB2 ， Cu/ TiB2 、Ni/ TiC[8] 、Nb-N、Ti-Al等系功能梯度材料[7、11]。

4. 2. 3 噴涂法

噴涂法主要是指等離子體噴涂工藝，適用于形狀復(fù)雜的材料和部件的制備。通常，將金屬和陶瓷的原料粉末分別通過(guò)不同的管道輸送到等離子噴槍內(nèi)，并在熔化的狀態(tài)下將它噴鍍?cè)诨w的表面上形成梯度功能材料涂層?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算機(jī)程序控制粉料的輸送速度和流量來(lái)得到設(shè)計(jì)所要求的梯度分布函數(shù)。這種工藝已經(jīng)被廣泛地用來(lái)制備耐熱合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的熱障涂層上，其成分是部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)陶瓷和NiCrAlY合金[9]。

4. 2. 3. 1 等離子噴涂法(PS)

PS 法的原理是等離子氣體被電子加熱離解成電子和離子的平衡混合物，形成等離子體，其溫度高達(dá)1 500 K，同時(shí)處于高度壓縮狀態(tài)，所具有的能量極大。等離子體通過(guò)噴嘴時(shí)急劇膨脹形成亞音速或超音速的等離子流，速度可高達(dá)1. 5 km/ s。原料粉末送至等離子射流中，粉末顆粒被加熱熔化，有時(shí)還會(huì)與等離子體發(fā)生復(fù)雜的冶金化學(xué)反應(yīng)，隨后被霧化成細(xì)小的熔滴，噴射在基底上，快速冷卻固結(jié)，形成沉積層。噴涂過(guò)程中改變陶瓷與金屬的送粉比例，調(diào)節(jié)等離子射流的溫度及流速，即可調(diào)整成分與組織，獲得梯度涂層[8、11]。該法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便的控制粉末成分的組成，沉積效率高，無(wú)需燒結(jié)，不受基體面積大小的限制，比較容易得到大面積的塊材[10]，但梯度涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度不高，并存在涂層組織不均勻，空洞疏松，表面粗糙等缺陷。采用此法己制備出TiB2-Ni、TiC-Ni、TiB2-Cu、Ti-Al[7] 、NiCrAl/MgO -ZrO2、NiCrAl/Al2O3/ZrO2、NiCrAlY/ZrO2[10]系功能梯度材料

4.2.3.2　激光熔覆法

激光熔覆法是將預(yù)先設(shè)計(jì)好組分配比的混合粉末A放置在基底B上，然后以高功率的激光入射至A并使之熔化，便會(huì)產(chǎn)生用B合金化的A薄涂層，并焊接到B基底表面上，形成第一包覆層。改變注入粉末的組成配比，在上述覆層熔覆的同時(shí)注入，在垂直覆層方向上形成組分的變化。重復(fù)以上過(guò)程，就可以獲得任意多層的FGM。用Ti-A1合金熔覆Ti用顆粒陶瓷增強(qiáng)劑熔覆金屬獲得了梯度多層結(jié)構(gòu)。梯度的變化可以通過(guò)控制初始涂層A的數(shù)量和厚度，以及熔區(qū)的深度來(lái)獲得，熔區(qū)的深度本身由激光的功率和移動(dòng)速度來(lái)控制。該工藝可以顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱及電氣特性和生物活性等性能，但由于激光溫度過(guò)高，涂層表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋或孔洞，并且陶瓷顆粒與金屬往往發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[10]。采用此法可制備Ti - Al 、WC -Ni 、Al - SiC 系梯度功能材料[7 ] 。

4.2.3.3 熱噴射沉積[10]

與等離子噴涂有些相關(guān)的一種工藝是熱噴涂。用這種工藝把先前熔化的金屬射流霧化，并噴涂到基底上凝固，因此，建立起一層快速凝固的材料。通過(guò)將增強(qiáng)粒子注射到金屬流束中，這種工藝已被推廣到制造復(fù)合材料中。陶瓷增強(qiáng)顆粒，典型的如SiC或Al2O3，一般保持固態(tài)，混入金屬液滴而被涂覆在基底，形成近致密的復(fù)合材料。在噴涂沉積過(guò)程中，通過(guò)連續(xù)地改變?cè)鰪?qiáng)顆粒的饋送速率，熱噴涂沉積已被推廣產(chǎn)生梯度6061鋁合金/SiC復(fù)合材料?？梢允褂脽岬褥o壓工序以消除梯度復(fù)合材料中的孔隙。

4.2.3.4 電沉積法

電沉積法是一種低溫下制備FGM的化學(xué)方法。該法利用電鍍的原理，將所選材料的懸浮液置于兩電極間的外場(chǎng)中，通過(guò)注入另一相的懸浮液使之混合，并通過(guò)控制鍍液流速、電流密度或粒子濃度，在電場(chǎng)作用下電荷的懸浮顆粒在電極上沉積下來(lái)，最后得到FGM膜或材料[8]。所用的基體材料可以是金屬、塑料、陶瓷或玻璃，涂層的主要材料為T(mén)iO2-Ni， Cu-Ni ，SiC-Cu，Cu-Al2O3等。此法可以在固體基體材料的表面獲得金屬、合金或陶瓷的沉積層，以改變固體材料的表面特性，提高材料表面的耐磨損性、耐腐蝕性或使材料表面具有特殊的電磁功能、光學(xué)功能、熱物理性能，該工藝由于對(duì)鍍層材料的物理力學(xué)性能破壞小、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成型壓力和溫度低，精度易控制，生產(chǎn)成本低廉等顯著優(yōu)點(diǎn)而備受材料研究者的關(guān)注。但該法只適合于制造薄箔型功能梯度材料。[8、10]

4.2.3.5 氣相沉積法

氣相沉積是利用具有活性的氣態(tài)物質(zhì)在基體表面成膜的技術(shù)。通過(guò)控制彌散相濃度，在厚度方向上實(shí)現(xiàn)組分的梯度化，適合于制備薄膜型及平板型FGM[8]。該法可以制備大尺寸的功能梯度材料，但合成速度低，一般不能制備出大厚度的梯度膜，與基體結(jié)合強(qiáng)度低、設(shè)備比較復(fù)雜。采用此法己制備出Si-C、Ti-C、Cr-CrN、Si-C-TiC、Ti-TiN、Ti-TiC、Cr-CrN系功能梯度材料。氣相沉積按機(jī)理的不同分為物理氣相沉積(PVD) 和化學(xué)氣相沉積(CVD) 兩類。

化學(xué)氣相沉積法(CVD)是將兩相氣相均質(zhì)源輸送到反應(yīng)器中進(jìn)行均勻混合，在熱基板上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并使反映產(chǎn)物沉積在基板上。通過(guò)控制反應(yīng)氣體的壓力、組成及反應(yīng)溫度，精確地控制材料的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)，并能使其組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)從一種組分到另一種組分連續(xù)變化，可得到按設(shè)計(jì)要求的FGM。另外，該法無(wú)須燒結(jié)即可制備出致密而性能優(yōu)異的FGM，因而受到人們的重視。主要使用的材料是C-C、C-SiC、Ti-C等系[8、10]。CVD的制備過(guò)程包括：氣相反應(yīng)物的形成；氣相反應(yīng)物傳輸?shù)匠练e區(qū)域；固體產(chǎn)物從氣相中沉積與襯底[12]。

物理氣相沉積法(PVD)是通過(guò)加熱固相源物質(zhì)，使其蒸發(fā)為氣相，然后沉積于基材上，形成約100μm 厚度的致密薄膜。加熱金屬的方法有電阻加熱、電子束轟擊、離子濺射等。PVD 法的特點(diǎn)是沉積溫度低，對(duì)基體熱影響小，但沉積速度慢。日本科技廳金屬材料研究所用該法制備出Ti/ TiN、Ti/ TiC、Cr/ CrN 系的FGM [7~8、10~11]

4. 2. 4 形變與馬氏體相變[8]

通過(guò)伴隨的應(yīng)變變化，馬氏體相變能在所選擇的材料中提供一個(gè)附加的被稱作“相變塑性”的變形機(jī)制。借助這種機(jī)制在恒溫下形成的馬氏體量隨材料中的應(yīng)力和變形量的增加而增加。因此，在合適的溫度范圍內(nèi)，可以通過(guò)施加應(yīng)變(或等價(jià)應(yīng)力) 梯度，在這種材料中產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體體積分?jǐn)?shù)梯度。這一方法在順磁奧氏體18 -8 不銹鋼(Fe -18% ，Cr -8 %Ni) 試樣內(nèi)部獲得了鐵磁馬氏體α體積分?jǐn)?shù)的連續(xù)變化。這種工藝雖然明顯局限于一定的材料范圍，但能提供一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，可以一步生產(chǎn)含有飽和磁化強(qiáng)度連續(xù)變化的材料，這種材料對(duì)于位置測(cè)量裝置的制造有潛在的應(yīng)用前景。

4. 3 FGM的特性評(píng)價(jià)

功能梯度材料的特征評(píng)價(jià)是為了進(jìn)一步優(yōu)化成分設(shè)計(jì)，為成分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前已開(kāi)發(fā)出局部熱應(yīng)力試驗(yàn)評(píng)價(jià)、熱屏蔽性能評(píng)價(jià)和熱性能測(cè)定、機(jī)械強(qiáng)度測(cè)定等四個(gè)方面。這些評(píng)價(jià)技術(shù)還停留在功能梯度材料物性值試驗(yàn)測(cè)定等基礎(chǔ)性的工作上[7]。目前，對(duì)熱壓力緩和型的FGM主要就其隔熱性能、熱疲勞功能、耐熱沖擊特性、熱壓力緩和性能以及機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[8]。目前，日本、美國(guó)正致力于建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)特征評(píng)價(jià)體系[7~8]。

5 FGM的研究發(fā)展方向

5.1 存在的問(wèn)題

作為一種新型功能材料，梯度功能材料范圍廣泛，性能特殊，用途各異。尚存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究和解決，主要表現(xiàn)在以下一些方面[5、13]:

1）梯度材料設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)（包括材料體系、物性參數(shù)、材料制備和性能評(píng)價(jià)等）還需要補(bǔ)充、收集、歸納、整理和完善；

2）尚需要進(jìn)一步研究和探索統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的材料物理性質(zhì)模型，揭示出梯度材料物理性能與成分分布，微觀結(jié)構(gòu)以及制備條件的定量關(guān)系，為準(zhǔn)確、可靠地預(yù)測(cè)梯度材料物理性能奠定基礎(chǔ)；

3）隨著梯度材料除熱應(yīng)力緩和以外用途的日益增加，必須研究更多的物性模型和設(shè)計(jì)體系，為梯度材料在多方面研究和應(yīng)用開(kāi)辟道路；

4）尚需完善連續(xù)介質(zhì)理論、量子（離散）理論、滲流理論及微觀結(jié)構(gòu)模型，并借助計(jì)算機(jī)模擬對(duì)材料性能進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，尤其需要研究材料的晶面（或界面）。

5)已制備的梯度功能材料樣品的體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還不具有較多的實(shí)用價(jià)值;

6)成本高。

5.2 FGM制備技術(shù)總的研究趨勢(shì)[13、15、19-20]

1）開(kāi)發(fā)的低成本、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便的制備技術(shù)；

2）開(kāi)發(fā)大尺寸和復(fù)雜形狀的FGM制備技術(shù)；

3）開(kāi)發(fā)更精確控制梯度組成的制備技術(shù)（高性能材料復(fù)合技術(shù)）；

4）深入研究各種先進(jìn)的制備工藝機(jī)理，特別是其中的光、電、磁特性。

5.3 對(duì)FGM的性能評(píng)價(jià)進(jìn)行研究[2、13]

有必要從以下5個(gè)方面進(jìn)行研究：

1）熱穩(wěn)定性，即在溫度梯度下成分分布隨 時(shí)間變化關(guān)系問(wèn)題；

2）熱絕緣性能；

3）熱疲勞、熱沖擊和抗震性；

4）抗極端環(huán)境變化能力；

5）其他性能評(píng)價(jià)，如熱電性能、壓電性能、光學(xué)性能和磁學(xué)性能等

6 結(jié)束語(yǔ)

篇9

目前，QPQ表面改性技術(shù)在國(guó)內(nèi)也得到大量推廣應(yīng)用，尤其在汽車、摩托車、紡機(jī)、機(jī)床、電器開(kāi)關(guān)、工模具上使用效果非常突出。其具體的特點(diǎn)如下：

良好的耐磨性、耐疲勞性能

該工藝能極大地提高各種黑色金屬零件表面的硬度和耐磨性，降低摩擦系數(shù)。產(chǎn)品經(jīng)過(guò)QPQ處理后，耐磨性比常規(guī)淬火、高頻淬火高16倍以上，比20＃鋼滲碳淬火高9倍以上，比鍍硬鉻和離子氮化高2倍以上。

良好的抗腐蝕性能

對(duì)幾種不同材料、不同工藝處理的樣品按同樣的試驗(yàn)條件，按ASTMBll7標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了連續(xù)噴霧試驗(yàn)，鹽霧試驗(yàn)溫度35±2℃，相對(duì)濕度＞95％，5％NaCL水溶液噴霧。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)QPQ處理后的零件抗蝕性是1Crl8Ni9Ti不銹鋼的5倍，是鍍硬鉻的70倍，是發(fā)黑的280倍。

產(chǎn)品處理以后變形小

工件經(jīng)QPQ處理處理之后幾乎沒(méi)有變形產(chǎn)生，可以有效的解決常規(guī)熱處理方法難以解決的硬化變形難題。目前，QPQ技術(shù)在眾多得軸類零件、細(xì)長(zhǎng)桿件上應(yīng)用得非常成功，有效的解決了一直以來(lái)存在的熱處理硬化和產(chǎn)品變形的矛盾。

時(shí)間周期短

工件經(jīng)QPQ處理后，在提高其硬度和耐磨性的基礎(chǔ)上同時(shí)提高其抗腐蝕能力，并且形成黑色、漂亮的外觀，可以代替常規(guī)的淬火一回火一發(fā)黑（鍍鉻）等多道工序，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，QPQ處理與滲碳淬火相比可以節(jié)能50％，比鍍硬鉻節(jié)約成本30％，性價(jià)比高。

無(wú)公害水平高、無(wú)環(huán)境污染

QPQ處理工藝過(guò)程經(jīng)有關(guān)環(huán)保部門(mén)檢測(cè)鑒定，并經(jīng)全國(guó)各地用戶的實(shí)際使用證明，各種有害物質(zhì)排放量均低于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)允許值。由于技術(shù)先進(jìn)，質(zhì)量穩(wěn)定，QPQ技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)品有數(shù)百種之多，已在全國(guó)各地建立了多條生產(chǎn)線。

適用范圍廣泛

篇10

關(guān)鍵詞：SiCP/AlSi復(fù)合材料；噴射沉積；熱擠壓；干滑動(dòng)磨損；磨損機(jī)制

中圖分類號(hào)：TB331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Dry Sliding Wear Properties of Spray Formed and Hot

Extruded SiCp /AlSi Composites

TENG Jie，LAI Shizhen， ZOU Jinwei，WU Haojie，HUANG Ruiming

（College of Materials Science and Engineering，Hunan Univ.Changsha，Hunan 410082，China）

Abstract：Aluminiumbased composites containing 7%， 13% ，20%Si contents and 15vol% of SiCp were fabricated by spray deposition technique and followed by hot extrusion. The dry sliding wear performance of SiCP/AlSi composites was investigated. Dry sliding wear tests have been performed using a blockonring type apparatus under different normal loads of 10， 50， 100，120，150，200 and 220 N and at a constant sliding speed of 1 m/s. The microstructures， morphologies and phases of worn Surfaces were analyzed by optical microscope （OM）， scanning electron microscope （SEM） and energydispersive Xray microanalysis （EDX）， respectively.The results have shown that Al20%Si/SiCp composite has better wear properties in the applied load range and the transition load increases with silicon content increasing. At low test load （50 N）， the main wear mechanism is oxidation wear and abrasive wear for three composites. Adhesive wear becomes the main wear mechanism for SiCp/Al7Si at 120 N and SiCp/Al13Si at 200 N. But for SiCp/Al20Si at 220 N， the main wear mechanism is still oxidation wear， and has a minor adhesive wear.

Key words： SiCP/AlSi composite； spray deposition； hot extruded；dry sliding wear； wear mechanism

節(jié)能、減排、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)大大促進(jìn)了輕質(zhì)高強(qiáng)度材料在汽車中的發(fā)展和應(yīng)用[1].SiCP/AlSi復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比剛度、優(yōu)良的耐磨性、低的熱膨脹系數(shù)和低密度的優(yōu)點(diǎn)，在汽車的一些耐磨部件上已得到成功應(yīng)用（如剎車盤(pán)、剎車片、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和氣缸套、連桿等），并受到世界各國(guó)研究者越來(lái)越多的關(guān)注[2].研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的制備技術(shù)是影響材料自身耐磨損性能的一個(gè)重要因素[3].SiCP/AlSi復(fù)合材料的制備方法通常有攪拌鑄造法、粉末冶金法和噴射沉積法等.傳統(tǒng)的攪拌鑄造法制備SiCP/AlSi復(fù)合材料時(shí)，難以避免初晶硅粗大以及增強(qiáng)顆粒易團(tuán)聚等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了復(fù)合材料的性能.粉末冶金法存在生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜、成本高，難以在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用等不足.噴射沉積法作為一種非平衡制備技術(shù)，具有快速凝固和近凈成形的特點(diǎn)，制備出的SiCP/AlSi復(fù)合材料初晶硅顆粒細(xì)小、增強(qiáng)顆粒均勻分布.但是通過(guò)噴射沉積法制備的復(fù)合材料常常存在一些孔隙[4]，需通過(guò)熱擠壓或熱扎制等塑性變形的方法來(lái)減少或消除孔隙，從而進(jìn)一步提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐磨損性能.增強(qiáng)顆粒的尺寸大小是影響復(fù)合材料耐磨損性能的另一個(gè)重要因素[5]，過(guò)大的增強(qiáng)顆粒在基體內(nèi)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，且在外加載荷的作用下，容易開(kāi)裂破碎，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的耐磨性能.已有的對(duì)于復(fù)合材料干滑動(dòng)摩擦磨損性能的研究，多側(cè)重于常規(guī)制備方式以及低Si含量條件下復(fù)合材料的摩擦磨損性能及其磨損機(jī)制[6-9].

（a） SiCP/Al7Si at 50 N； （b） SiCP/Al7Si at 120 N

（c） SiCP/Al13Si at 50 N； （d） SiCP/Al13Si at 200 N

（e） SiCP/Al20Si at 50 N； （f） SiCP/Al20Si at 220 N

2.4 磨損機(jī)制

研究表明[13-14]鋁基復(fù)合材料與鋼質(zhì)對(duì)偶摩擦過(guò)程中，粘著磨損至復(fù)合材料嚴(yán)重粘附在鋼質(zhì)摩擦對(duì)偶表面是導(dǎo)致復(fù)合材料摩擦磨損失效的一個(gè)主要機(jī)制.基體中的硬質(zhì)顆粒如初晶硅、碳化硅顆粒主要起承接摩擦載荷和保護(hù)基體的作用，同時(shí)在一定程度上阻止基體的變形.從圖4和圖5可知3種復(fù)合材料在輕微磨損階段，磨粒磨損是其主要的磨損機(jī)制.同時(shí)在低載荷時(shí)，從圖6（a），（c），（e）可以很清楚地觀測(cè)到存在一定的氧含量，外露的磨損表面發(fā)生了氧化磨損，所以輕微磨損階段氧化磨損是另一種主要磨損機(jī)制.隨著摩擦載荷的增加，3種復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的磨損特征.SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si復(fù)合材料由于硅含量相對(duì)較低，其組織中初晶硅數(shù)量較少，對(duì)基體的保護(hù)作用較弱，復(fù)合材料摩擦表面易發(fā)生較嚴(yán)重的塑性變形，如圖4（b），（d）和圖5（b），（d）所示.另外，摩擦表面的氧含量明顯減少（圖6（b），（d））也意味著摩擦層穩(wěn)定性較差，此時(shí)SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si復(fù)合材料以粘著磨損為主，并出現(xiàn)復(fù)合材料向?qū)ε疾牧系霓D(zhuǎn)移，如圖7（a），（b）所示.SiCP/Al20Si復(fù)合材料基體中初晶硅含量高，對(duì)基體的保護(hù)和延緩基體變形的能力較強(qiáng)，即使在嚴(yán)重磨損階段，其摩擦表面仍未出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性變形，向摩擦對(duì)偶轉(zhuǎn)移的程度大大降低，如圖7（c）所示.此時(shí)SiCP/Al20Si復(fù)合材料存在輕微的粘著磨損，磨損表面的氧含量高（圖6（f）），圖4（f）中存在的孔洞也說(shuō)明存在著氧化磨屑[15].因此SiCP/Al20Si復(fù)合材料在嚴(yán)重磨損階段仍以氧化磨損為主，并伴有輕微的粘著磨損.

（a） SiCP/Al7Si at 50 N； （b） SiCP/Al7Si at 120 N

（c） SiCP/Al13Si at 50 N； （d） iCP/Al13Si at 200 N

（e） SiCP/Al20Si at 50 N； （f） SiCP/Al20Si at 220 N

3 結(jié) 論

由噴射沉積法制備出SiCP/AlSi復(fù)合材料，并經(jīng)熱擠壓加工，經(jīng)T6熱處理后，對(duì)復(fù)合材料的干滑動(dòng)磨損性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

1） 由于噴射沉積法冷卻速度快，制備出的SiCP/AlSi復(fù)合材料中的初晶硅晶粒細(xì)小，2 μm左右，增強(qiáng)顆粒分布均勻.

2） 隨著基體中Si含量的增加，SiCP/AlSi復(fù)合材料的磨損率隨著減小，并且磨損由輕微磨損階段向嚴(yán)重磨損階段的臨界載荷值增大.SiCP/Al20Si復(fù)合材料在所有相同試驗(yàn)載荷下磨損率都最低.

3） 在輕微磨損階段，SiCP/AlSi復(fù)合材料磨損機(jī)制以磨粒磨損和氧化磨損為主；在嚴(yán)重磨損階段，SiCP/Al7Si和SiCP/Al13Si復(fù)合材料存在嚴(yán)重的塑性形變，磨損機(jī)制以粘著磨損為主，而對(duì)于SiCP/Al20Si復(fù)合材料磨損機(jī)制則以氧化磨損為主并伴有輕微的粘著磨損.

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