熱等靜壓技術在金屬陶瓷復合材料制備中的應用

顧嘉文

摘 要：本文闡述了熱等靜壓技術制備金屬陶瓷復合材料的兩種不同工藝路線及各自的技術特點。同時，綜述了熱等靜壓技術在制備金屬陶瓷復合材料中的應用及研究。

關鍵詞：金屬陶瓷；復合材料；熱等靜壓（HIP）；應用

1 前言

金屬陶瓷復合材料（Metal Matrix Composites，簡稱MMC）是由一種或多種陶瓷相和金屬相或合金組成的多相復合材料，金屬陶瓷既具有金屬的韌性、高導熱性和良好的熱穩定性，又具有陶瓷的耐高溫 、耐腐蝕和耐磨損等特性。在國防及民用領域有著非常廣闊的應用前景。常用的制備方法有混合燒結法、粘合液浸漬法、直接氧化法、自蔓延高溫合成法等。在燒結過程中其燒結活性低、所需燒結溫度高、燒結致密化程度低、殘留孔隙度大、脆性大、綜合性能不佳。隨著熱等靜壓技術發展，采用熱等靜壓技術制備金屬陶瓷復合材料，改善了成型和燒結條件，使材料的孔隙度明顯降低，獲得了高致密度的材料，綜合性能大大提高。

2 熱等靜壓技術

熱等靜壓設備主要由高壓容器、加熱爐、壓縮機、真空泵、冷卻系統和計算機控制系統組成，其中，高壓容器為整個設備的關鍵裝置，圖1是熱等靜壓機的典型示意圖。熱等靜壓工藝（簡稱HIP）是將制品放置到密閉的容器中，向制品施加各向同等的壓力，同時施以高溫，在高溫高壓的作用下，制品得以燒結和致密化，圖2為熱等靜壓技術原理圖。

3 制備金屬陶瓷復合材料的熱等靜壓工藝

熱等靜壓技術在金屬陶瓷復合材料制備中有兩種不同工藝路線，一種為直接熱等靜壓燒結工藝；另一種是熱等靜壓后續致密化工藝。

3.1 直接熱等靜壓燒結工藝及特點

直接熱等靜壓燒結制備金屬陶瓷復合材料的工藝路線如圖3所示。

直接熱等靜壓燒結工藝制備金屬陶瓷復合材料的技術關鍵如下：

（1） 包套材質選擇，要確保在制備過程中不與原材料粉末發生反應，同時也要考慮到去除的難易程度。

（2） 包套內粉末的振實密度大小直接影響燒結制品質量，振實密度低將導致包套收縮量大，尺寸控制困難，且包套易發生破裂。

（3） 粉體均勻性以及金屬相、陶瓷相配比也是影響燒結制品性能的主要因素。由于陶瓷相與金屬相的自身不同特性決定了其在熱等靜壓過程中的變形不同，因此，要想保證得到足夠致密的制品，必須首先保證陶瓷相與金屬相分布均勻，從而使金屬相的變形能夠完全填充陶瓷顆粒間的間隙。

（4） 由于陶瓷相與金屬相物理化學性質的差異，從而使它們的性能隨著溫度和壓力的變化也不相同。因此，選擇合適溫度、壓力和升溫、升壓速率是保證產品性能的關鍵工藝參數。

直接熱等靜壓燒結工藝可大大降低燒結溫度。同時，在制備過程中熔融或半熔化狀態的金屬相均勻分布于陶瓷顆粒之間，抑制陶瓷晶粒長大。在燒結體中金屬相呈連續分布，陶瓷顆粒均勻分布其中，而且可改善金屬相與陶瓷相界面狀態，提高界面的結合強度，很好地發揮了金屬的塑性和韌性，改善材料在承受載荷時的應力狀態，從而提高了材料的強度與斷裂韌性。

3.2 熱等靜壓后續致密化工藝及特點

熱等靜壓后續致密化制備金屬陶瓷復合材料的工藝路線如圖4所示。

熱等靜壓后續致密化工藝的技術關鍵如下：

（1） 待處理的燒結體基本不含開口氣孔，燒結密度須達到理論密度的92%～98%。否則仍需選擇合適的包套材料對燒結體進行包封。

（2） 溫度的選擇原則上為金屬基體熔點或合金基體固溶線絕對溫度值的0.6～0.9。

（3） 壓力選擇既能使材料產生塑性流動，又能保證顆粒不被壓碎。

（4） 保溫保壓時間選擇應使坯體內的蠕變充分進行，又不至于造成晶粒長大等不利現象出現，一般選擇 1～2 h。

熱等靜壓后續致密化工藝可以減少乃至消除燒結體中的剩余氣孔和缺陷，愈合內部微裂紋，從而提高金屬陶瓷復合材料的密度、強度。

4 熱等靜壓技術在金屬陶瓷復合材料制備中的研究及應用

采用熱等靜壓技術能獲得高密度的金屬陶瓷復合材料，大大改善了金屬陶瓷復合材料的韌性、強度和硬度，從而廣泛應用于耐高溫、耐磨損領域和承受較高應力的場合，如：國防軍工（陶瓷裝甲）、航空航天（發動機外殼）、醫療（骨架）、汽車發動機（高性能活塞）、電子元件（電子封裝材料）、機械材料（切削刀具）等領域，在國民經濟中占有重要地位，受到了世界各國的高度重視，已成為材料科學領域中最為活躍的研究領域之一[1]。

4.1 采用直接熱等靜壓燒結工藝制備金屬陶瓷復合材料的研究

此類研究在國內外一直是新型金屬陶瓷材料領域的研究熱點，涉及到的材料也是多種多樣。如：北京航空航天大學唐國宏等人研究了通過熱等靜壓反應燒結制備B4C-TiB2-W2B5復合材料；采用溫度為1700 ℃，氬氣壓力為150 MPa，保持30 min的熱等靜壓工藝，所得制品的相對密度大于99%，硬度為38 GPa，抗彎強度達到了1030 MPa，斷裂韌性達到了5.6 MPa·m1/2，抗彎強度、斷裂韌性比熱壓燒結的制品都提高了約20%[2]。北京科技大學章琳等人研究了一種氧化物（Y2O3）彌散強化鈷基超合金的直接熱等靜壓燒結工藝制備方法，燒結溫度為900～1300 ℃，保持時間為1～3 h，制備的超細納米顆粒增強金屬基復合材料，具有彌散相細小并分布均勻、強化作用顯著等特點，并具有更優異的高溫蠕變性能[3]。北京工業大學材料科學與工程學院鐘濤興等人采用熱等靜壓燒結工藝制備SiCp/Cu電子封裝復合材料；燒結溫度為1000 ℃，氬氣壓力為200 MPa，保持時間為3 h，升溫速率8 ℃/min，熱等靜壓燒結工藝制備SiCp/Cu電子封裝復合材料的致密度高，制得了高導熱系數、低熱膨脹系數的復合材料[4]。上海交通大學張文龍等人研究了氮化鋁顆粒增強鋁基復合材料的直接熱等靜壓燒結工藝制備方法，溫度為500 ℃，保溫時間為4 h，制備的氮化鋁顆粒增強鋁基復合材料界面結合良好，在同等體積分數和相同工藝條件下，較普通燒結制備的氮化鋁顆粒增強鋁基復合材料強度提高9%以上，韌性提高12%以上[5]。中國科學院金屬研究所鄭卓等人采用熱等靜壓燒結工藝制備Al2O3 增強Ti2AlN金屬陶瓷；溫度為1000 ℃，氬氣壓力為100 MPa，保持時間為2 h，在熱等靜壓條件下制備出Ti2AlN基體和Al2O3增強相，增強相提高了基體的硬度，維氏硬度最高可達12.73 GPa[6]。H.V.A tkinson利用直接熱等靜壓工藝成功制備出15 Vol% SiC 增強A357鋁合金復合材料，通過熱等靜壓可以顯著減少該類制品的氣孔率，同時其彎曲強度也得到提高[7]。E.PAGOUNIS在溫度為1180 ℃，氬氣壓力為100 MPa，保持時間為3 h的熱等靜壓工藝條件下制備出99%理論密度的TiC和鐵合金的復合材料[8]。Sean E.Landwehr，Gregory E.Hilmas等人研究熱等靜壓成型，含20、30和40體積分數Mo的ZrC—Mo金屬陶瓷復合材料的顯微結構和機械性能；溫度為1800 ℃，氬氣壓力為200 MPa，保持時間為1 h的條件下，復合材料的相對密度可以到達98%以上，致密后ZrC的粒度在l～2 μm間?？箯潖姸冗_到了480 MPa，斷裂韌性達到了6.6 MPa·m1/2[9]。