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      熱壓燒結法中多層金屬復合材料的制備工藝

      責任編輯:艾科迅機械 發布日期:2021-02-08 22:13:27

             根據多層復合材料在制備過程中組員材料的不同物理狀態,可以將多層復合材料的制備方法大體分為三類:固相-固相復合、液相-固相復合、液相-液相復合。固相-固相復合的方法主要有爆炸焊接法,軋制法、擴散法,以及不同的方法組合,我司研制的真空熱壓燒結設備以及sps燒結設備也可應用在該領域。液相-固相復合主要包括鑄軋法、反向凝固法、堆焊法、噴射沉積法等。液相-液相復合主要包括電磁連鑄法等。本期著重介紹固相-固相復合的方法。

             爆炸焊接法:爆炸焊接法是以炸藥作為能源,利用爆炸產生的高速沖擊作用于不同的連接組元之間,在極短的時間內發生劇烈的碰撞、變形、甚至熔化,從而實現界面的牢固連接。由于界面之間的作用時間極短,不會出現明顯的擴散層,也不會生成脆性的金屬間化合物,該工藝對設備要求不高,工藝相對簡單,成本較低,特別適用于強度、熔點等差異較大的合金和金屬復合材料的制備。但是由于爆炸高能快速的特點,在界面多呈現波浪形、結合強度較低、可控性差,且不合適制備厚度較薄的板帶材的制備。另外,爆炸產生的噪聲污染與環保問題往往是限制其應用的重要因素。

             軋制法:軋制法分為熱軋復合和冷軋復合。其基本原理是,在軋機極大壓力的作用下(或者耦合高溫的熱效應),使得不同材料組元表面的氧化膜破碎,裸露出新鮮的金屬表面。在連續且較大的塑性變形作用下,使得裸露處新鮮接觸表面形成機械咬合及原子間的鍵合,從而形成牢固的結合界面。在熱軋復合的過程中,界面氧化問題是影響界面結合的一大問題。為了防止熱軋過程中界面的氧化,目前多采用預先焊接的方法,即先將組元按照一定的順序裝配在一起,再通過焊接將四周密封來最大限度地降低氧化現象。而對于冷軋復合來說,往往存在一個臨界下壓量值,當變形量超過該臨界值后才能獲得良好的界面結合。傳統認為首道次的下壓量大于50%時就能獲得良好的界面,但對于某些材料而言,單道次下壓量并不是充要條件,同時對總下壓量也有相應的要求。目前多采用三步法工藝,即“表面處理+乳制+退火”,來獲得界面結合良好、尺寸精度高的復合材料板坯。整體而言,軋制法對組元材料成分、表面質量、工藝參數要求比較嚴格,工藝相對比較復雜,且對材料尺寸有所限制。

             擴散法:擴散法是把經過表面清理的金屬板材按照一定的順序堆疊在一起,在高溫下保持一定的時間,通過原子間的互擴散將不同材料結合在一起,形成牢固的結合。在擴散的過程中,往往會附加一定的壓力,使得不同組元之間保持一種壓緊的狀態,但該壓力并未使不同組元發生明顯的宏觀塑性變形,在界面附近的殘余應力較少。在異質金屬固態擴散的過程中,界面的結合先后經歷點接觸、面接觸及體接觸三個階段。在擴散的初期,主要是多點的物理接觸階段。在界面附近的原子依靠變形,使得異質原子之間的距離逐漸變小,達到形成微弱的化學鍵的條件。第二階段為化學交互作用階段。隨著擴散進行,接觸位置直接由點接觸變為面接觸,并形成激活中心,在界面兩側產生物理和化學的交互作用,最終形成穩定的化學鍵。在形成面接觸之后,通過結合面向界面周圍三維立體空間擴散,最終形成冶金結合,該階段為“體”擴散階段。

             累積疊軋法(ARB):累積疊軋法是一種基于劇烈塑性變形來制備超細晶結構材料的方法。主要的工藝流程為:母材預處理+堆疊+軋制+對半切割+堆疊+軋制…,每完成一個工藝循環就稱為一個道次。通過這種方法獲得的樣品厚度與初始樣品的厚度相同,但是層數卻逐漸增加,且每一層均產生巨大的變形。若初始層數為2層,經過n道次后,最后的層數為2n。通過ARB方法,一方面可以實現異質材質的結合,另一方面也可以實現多層復合材料的劇烈塑性變形,獲得多層復合材料的超細晶組織。


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             熱壓燒結法:

             具體過程是把松散粉末或粉末壓坯同時施加高溫和外壓,在石墨模具中的松散粉末在高壓下被加熱燒結,從而形成固定形狀的產品。加熱方式有電阻式、感應式等方法;加壓主要用機械加壓或液壓加壓等。熱壓燒結的特點:熱壓燒結由于加熱加壓同時進行,粉料處于熱塑性狀態,有助于顆粒的接觸擴散、流動傳質過程的進行,因而成型壓力僅為冷壓的1/10;還能降低燒結溫度,縮短燒結時間,從而抵制晶粒長大,得到晶粒細小、致密度高和機械、電學性能良好的產品。無需添加燒結助劑或成型助劑,可生產超高純度的陶瓷產品。熱壓燒結的缺點是過程及設備復雜,生產控制要求嚴,模具材料要求高,能源消耗大,生產效率較低,生產成本高。

             放電等離子(SPS)燒結法:放電等離子燒結(SPS)是一種低溫、短時的快速燒結法,可用來制備金屬、陶瓷、納米材料、非晶材料、復合材料、梯度材料等。它是一種利用通-斷直流脈沖電流直接通電燒結的加壓燒結法。通-斷式直流脈沖電流的主要作用是產生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱和電場擴散作用。燒結過程中,電極通入直流脈沖電流時瞬間產生的放電等離子體,使燒結體內部各個顆粒均勻的自身產生焦耳熱并使顆粒表面活化。SPS燒結過程可以看作是顆粒放電、導電加熱和加壓綜合作用的結果。除加熱和加壓這兩個促進燒結的因素外,在SPS技術中,顆粒間的有效放電可產生局部高溫,可以使表面局部熔化、表面物質剝落;高溫等離子的濺射和放電沖擊清除了粉末顆粒表面雜質(如去處表面氧化物等)和吸附的氣體。


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