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热等静压技术制备金属陶瓷复合材料有哪些优势?
2022年07月29日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:85
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热等静压(Hot Isostatic Pressing,简称HIP)工艺是将制品放置到密闭的容器中,向制品施加各向同等压力的同时施以高温,在高温高压的作用下,使制品得以烧结或致密化。热等静压技术在最初期因为设备整体成本较高,其发展一直较为缓慢,应用也仅集中在军工、核反应等几个领域。近年来,随着科技的不断进步,各领域对材料使用要求也越来越苛刻,热等静压技术在制备具有高密度、高纯度、高均匀性、高韧性等优良综合性能的材料方面占据优势,此技术已成为当今许多高性能材料生产中的一项实用技术,也是新材料开发不可缺少的一种新技术。

江丰电子超大规格热等静压设备

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热等静压工艺制备金属陶瓷复合材料

金属陶瓷复合材料(Metal Matrix Composites,简称MMC)是由一种或多种陶瓷相和金属相或合金组成的多相复合材料,金属陶瓷既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性,又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性,在国防及民用领域有着非常广阔的应用前景。

金属陶瓷复合材料

金属陶瓷复合材料

常用的烧结方式在烧结过程中其烧结活性低、所需烧结温度高、烧结致密化程度低、残留孔隙度大、脆性大、综合性能不佳。随着热等静压技术发展,采用热等。

静压技术制备金属陶瓷复合材料,改善了成型和烧结条件,使材料的孔隙度明显降低,获得了高致密度的材料,综合性能大大提高。

热等静压技术在金属陶瓷复合材料制备中有两种不同工艺路线,一种为直接热等静压烧结工艺;另一种是热等静压后续致密化工艺

1.直接热等静压烧结工艺

直接热等静压烧结工艺可大大降低烧结温度,同时,在制备过程中熔融或半熔化状态的金属相均匀分布于陶瓷颗粒之间,抑制陶瓷晶粒长大。在烧结体中金属相呈连续分布,陶瓷颗粒均匀分布其中,而且可改善金属相与陶瓷相界面状态,提高界面的结合强度,很好地发挥了金属的塑性和韧性,改善材料在承受载荷时的应力状态,从而提高了材料的强度与断裂韧性。

直接热等静压烧结制备金属陶瓷复合材料的工艺路线

直接热等静压烧结制备金属陶瓷复合材料的工艺路线

直接热等静压烧结工艺制备金属陶瓷复合材料的技术关键如下:

(1)包套材质选择,要确保在制备过程中不与原材料粉末发生反应,同时也要考虑到去除的难易程度;

(2)包套内粉末的振实密度大小直接影响烧结制品质量,振实密度低将导致包套收缩量大,尺寸控制困难,且包套易发生破裂;

(3)粉体均匀性以及金属相、陶瓷相配比也是影响烧结制品性能的主要因素。 由于陶瓷相与金属相的自身不同特性决定了其在热等静压过程中的变形不同,因此,要想保证得到足够致密的制品,必须首先保证陶瓷相与金属相分布均匀,从而使金属相的变形能够完全填充陶瓷颗粒间的间隙

(4)由于陶瓷相与金属相物理化学性质的差异,从而使它们的性能随着温度和压力的变化也不相同。因此,选择合适温度、压力和升温、升压速率是保证产品性能的关键工艺参数。

2.热等静压后续致密化工艺

热等静压后续致密化工艺是经过常规成型烧结后的后处理工序,可以减少乃至消除烧结体中的剩余气孔和缺陷,愈合内部微裂纹,从而提高金属陶瓷复合材料的密度、强度。

热等静压后续致密化制备金属陶瓷复合材料的工艺路线

热等静压后续致密化制备金属陶瓷复合材料的工艺路线

热等静压后续致密化工艺的技术关键如下:

(1)待处理的烧结体基本不含开口气孔,烧结密度须达到理论密度的92%~98%。否则仍需选择合适的包套材料对烧结体进行包封;

(2)温度的选择原则上为金属基体熔点或合金基体固溶线绝对温度值的0.6~0.9;

(3)压力选择既能使材料产生塑性流动,又能保证颗粒不被压碎;

(4)保温保压时间选择应使坯体内的蠕变充分进行,又不至于造成晶粒长大等不利现象出现,一般选择 1~2 h。

热等静压技术在金属陶瓷复合材料的当前应用现状

采用热等静压技术能获得高密度的金属陶瓷复合材料,大大改善了金属陶瓷复合材料的韧性、强度和硬度,从而广泛应用于耐高温、耐磨损领域承受较高应力的场合,如国防军工(陶瓷装甲)、航空航天(发动机外壳)、医疗(骨架)、汽车发动机(高性能活塞)、电子元件(电子封装材料)、机械材料(切削刀具)等领域,在国民经济中占有重要地位,受到了世界各国的高度重视,已成为材料科学领域中最为活跃的研究领域之一。

1.直接热等静压烧结工艺应用

目前涉及到的相关研究有以下各领域应用,涵盖高强度高韧性材料、增强材料、电子封装材料等。

(1)通过热等静压反应烧结制备B4C-TiB2-W2B5复合材料,所得制品的相对密度大于99%,硬度为38 GPa,抗弯强度、断裂韧性比热压烧结的制品都提高了约20%;

(2)采用直接热等静压烧结工艺制备的超细纳米颗粒增强金属基复合材料,具有弥散相细小并分布均匀、强化作用显著等特点,并具有更优异的高温蠕变性能;

(3)采用热等静压烧结工艺制备SiCp/Cu电子封装复合材料,最终制得了致密

度高的高导热系数、低热膨胀系数的复合材料;

SiCp/Cu复合材料

SiCp/Cu复合材料

2.热等静压后续致密化工艺应用

热等静压致密化制备工艺研究一直以来非常活跃,它可有效地提升传统工艺制备的金属陶瓷材料,大大提升其综合性能,拓宽了传统工艺制备的金属陶瓷材料的应用领域。

例如采用热等静压技术对Ti(C,N)基金属陶瓷进行致密化处理,金属陶瓷晶粒间产生了滑移和重排,使金属陶瓷材料致密,获得较理想的表面硬化层,表现出良好的综合力学性能;采用热等静压后续致密化工艺制备Al2O3/WC-10Co/ZrO2/Ni纳米复合材料,经热等静压处理后,可以有效地消除微波烧结造成Al2O3/WC-10Co/ZrO2/Ni金属陶瓷中的孔隙,提高复合材料的密实度和力学性能,而且金属陶瓷的晶粒基本没有异常长大,平均晶粒度较小,整体性能表现好。

总结

对热等静压工艺而言,由于其先进的技术特点,可以降低烧结温度和缩短保持时间,能够在减少甚至无烧结添加剂的条件下制备出微观结构均匀且几乎不含气孔的、形状复杂和大尺寸的金属陶瓷复合材料制品且性能优良。但目前热等静压技术在制备金属陶瓷复合材料中的应用仍处于早期阶段,需做大量的研究工作,金属和陶瓷两种不同的相烧结致密化原理,以及适应金属陶瓷热等静压制备的高温包套制备等,通过技术的积累和改进采用热等静压技术制备的金属陶瓷复合材料新产品将会日益增加,高性能的金属陶瓷复合材料将会在未来有更为广阔的应用前景。


参考来源:

1. 热等静压技术在金属陶瓷复合材料制备中的应用,顾嘉文、刘慧渊、范帮勇、王勇兵、徐伟、吴宗吉(佛山陶瓷);

2. 热等静压技术的发展与应用,刘慧渊、何如松、周武平、王铁军(新材料产业);

3. 等静压技术在材料加工领域的应用现状,姜卓钰、张朋、包建文、王克俭(宇航材料工艺)。


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