耐腐蝕金屬復合材料制備工藝研究進展

劉 超

（山東省冶金科學研究院有限公司，山東 濟南 250022）

近幾年來，隨著我國科技的快速發展，海洋工程、電子工程、航空航天以及其他金屬行業都得到了充分的創新以及發展，因此，在這樣的發展背景之下，原本單一普通的金屬材料已經不再能滿足社會綜合性能的需求，不僅如此，傳統的金屬材料內質結構也較為單一、簡單，不具有形成復雜金屬材料的潛質[1]。在實際應用上，傳統的單一高分子金屬材料還極易受到腐蝕，不同的環境對于金屬的使用壽命也會產生一定的影響。不僅如此，金屬材料的制備工藝也相對較為落后，這也不利于其實際使用范圍的擴大，還會形成相應的約束條件。面對這樣的現狀，應該進一步創新發展金屬制備工藝，將耐腐蝕金屬復合材料的研制與生產提上日程，耐腐蝕金屬復合材料的制造通常會將至少一種的單一金屬材料與合金、陶瓷、高分子以及異種金屬等進行熔煉重組，通過調整溫度以及冶煉環境來更改金屬的內質結構，以片層的融合方式來進行交替排列式的制備，在這個過程中，各個金屬的層級材料以及質子結構一般是保持原有的特征的，同時各層組元之間一旦出現異常，還會形成互補，這也使得復合材料在剛度、耐腐蝕性、強度以及抗沖擊性等方面都會得到極大地優化改善[2]。目前，人們在混合金屬材料原本的優勢上進行相關制備工藝的改變，依據不同的制造環境，設計相符合的制備工藝，采取增強相位、調節層疊等方式來更好地提升耐腐蝕金屬復合材料的質量和應用效果，制造出具有低密度、耐腐蝕性、耐摩擦磨損等特殊性能復合材質金屬，一定程度上提升我國的技術制造水平。

1 耐腐蝕金屬復合材料制備工藝設計分析

1.1 獲取熔鑄密度參數

在進行耐腐蝕金屬復合材料制備工藝設計之前，需要先利用熔鑄的形式來獲取實際的密度參數。熔鑄實質上是一種利用鑄造設備改變復合材料形態，以便于塑形的一種現代工藝。通過溫度的改變將反應材料恢復成基礎的形態，對其進行鑄型澆鑄、冷卻結晶、退火等操作，在這個過程中，可以從中獲取到較為優良的材料數據信息，同時可以通過調整材料的密度來擴大其使用范圍[3]。將單一性質的金屬材料置于高溫的熔爐之中，利用測值設備獲取熔煉前的數據信息，作出記錄。計算相對熔鑄標準時間，如下公式1所示：

公式1中：H表示相對熔鑄標準時間，β表示動態粒子運動時間，f表示綜合測算比值。通過以上計算，最終可以得出實際的相對熔鑄標準時間。在此基礎上，利用較為簡單的工藝程序，將單質的金屬材料中的運動晶粒結構作出更改，使整個材料在常溫下逐漸發生形變。調整材料的熔煉程度分別設置5vo1%，15vol% ，25vo1%三個等級，并且注意觀察材料的具體變化規律，通常情況下，基礎含量為TiC或者單一Ti-6A1-4V材質的復合材料熔煉的時間會相對較慢，相對地成形的時間也會隨著增加[4]。將材料混合，測算各項指標數據，并計算熔鑄密度參數，如下公式2所示：

公式2中：g表示熔鑄密度參數，α表示態欽基數，s表示成形時間，δ表示抗拉強度。通過以上計算，最終可以得出實際的熔鑄密度參數。依據以上密度參數，進行復合材料的制備。

1.2 基體與增強體的引入

在完成熔鑄密度參數的獲取之后，接下來，需要將耐腐蝕金屬復合材料的基體以及增強體作出引入操作。一般情況下，傳統的基體引入方式多為物理方式，表現為將單一結構的金屬材料煉化，融合在一起，這種方式雖然可以達到目的，但是一定程度上會影響制備后金屬材料的硬度和剛度，同時還會縮小實際應用的范圍[5]。耐腐蝕金屬復合材料的基體引入呈現為半物理狀態，并且結合了可控成型工藝，將引入的效果達到了最佳，對耐腐蝕金屬材料的熱固性進行對比，如下表1所示：

表1 耐腐蝕金屬材料的熱固性對比分析表

通過以上表1中數據的對比分析，可以得知在高溫的狀態下，基體與增強體更加容易成型或者引入，所以在此基礎上，計算引入比例，如下公式3所示：

公式3中：B表示引入比例，ω表示服役溫度，?表示材料單一純度值。通過以上計算，最終可以得出實際的引入比例，依據比例將材料的基體與增強體混合，與金屬材料完成晶粒的融合，調整金屬材料的純度為TA0～TA6，此時，基體與增強體有著相同的膨脹系數，為避免出現熔鑄異常，可以在熔煉成型過程中適當添加TiB顆粒或者陶瓷顆粒，以保證金屬材料的質量。

1.3 原位合成法實現耐腐蝕金屬復合材料的制備

在完成基體與增強體的引入之后，接下來，可以利用原位合成法來實現耐腐蝕金屬復合材料制備工藝的設計。首先，為了增強耐腐蝕金屬復合材料的顆粒尺寸，在材料的煉化過程中添加內部原位合成的TiB、TiC以及TiB2等增強體，利用原位合成法計算復合材料制備完成后的實測硬度、耐腐蝕系數，如下公式4所示：

公式4中：F表示耐腐蝕金屬復合材料的硬度，d表示基體標準比值，λ表示細化范圍。通過以上計算，最終可以得出實際的材料硬度。在此基礎上，材料的顆粒會有所變化，粒子結構以及形態也會有所變化，具體如下圖1所示：

圖1 耐腐蝕金屬復合材料顆粒形態變化圖

通過圖1中的結構演化，最終可以實現金屬材料顆粒的重組。計算內部的原位合成范圍，如下公式5所示：

公式5中：N表示原位合成范圍，θ表示反應百分比，m表示合成初始距離。通過以上計算，最終可以得出實際的原位合成范圍[6]。將其設置為耐腐蝕金屬復合材料制備工藝的標準，增強基體以及增強體的引入范圍，完成金屬制備工藝的設計。

2 制備工藝測試

2.1 測試準備

本次對耐腐蝕金屬復合材料制備工藝進行研究分析。首先，進行測試環境的設置，準備符合材料的熔鑄設備，并調節對應的溫度，通常為500℃左右，在測試的過程中可以依據實際的情況作出調節。設備運行頻率為30/次，激光束功率為230 W，延展密度為2.35%TiC。測試共分為兩組，一組為傳統的塑韌金屬材料制備工藝，將其設定為傳統塑韌測試組，另一組為本文設計的方法，將其設定為原位合成耐腐蝕測試組，兩組同時進行測試，核查測試的設備是否處于穩定的運行狀態，并確保無外部影響因素，開始測試。

2.2 測試過程及結果分析

通過以上設置，進行測試，具體的測試流程如下圖2所示：

圖2 金屬復合材料制備結構圖

通過圖2中的測試，最終可以得出以下兩組測試結果，對其進行對比分析，如下表2所示。

表2 制備工藝測試結果對比分析表

通過表2中所得出的測試數據，最終可以得出最終的測試結論：在相同的測試環境下，對比于傳統的塑韌測試組，原位合成耐腐蝕測試組在對耐腐蝕復合金屬材料的制備成型時間相對更短，表明其塑形、制備效果優于傳統方法，效果更佳，具有一定的實際應用價值。

3 結語

綜上所述，便是對耐腐蝕金屬復合材料制備工藝研究進展的分析研究。其實，耐腐蝕金屬復合材料對比于傳統的單一結構金屬材料具有更強的優勢。不僅成本低，質量高，同時還可以批量化、自動化地生產，一定程度上增強了我國金屬制備的效率，因此得到社會各領域的廣泛應用。另外，耐腐蝕金屬復合材料的實際應用也較為便捷，在高溫下很容易發生形變，具有高性能、多功能化的特點，有利于我國金屬以及相關行業的進一步創新與發展。