多孔非晶合金及其复合材料的制备技术研究进展

来源:未知 作者:干式变压器型号规 时间:2020-05-29 12:42 点击量:

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多孔非晶合金材料是结合金属泡沫和非晶合金的优点而发展起来的一种新型布局或功能材料,实现了轻质和韧性的统一。文章概述了多孔非晶合金及其复合材料的制备技术。以上作品的作者是昆明理工大学材料科学与工程学院的傅,通讯作者是副教授。

金属泡沫材料具有密度小、比表面积大、能量接收性好、加工性能好等优点,但其强度和韧性较低。非晶合金通常具有高强度、高硬度、高断裂韧性、低杨氏模量、优异的耐磨性、耐疲劳性和耐侵蚀性,但大多数非晶合金是典型的脆性材料,缺乏拉伸塑性,这严重限制了其在传统工程中的应用。因此,将金属泡沫和非晶合金的优点结合起来,不仅可以提高金属泡沫的强度,还可以弥补非晶合金在室温下几乎没有塑性变形的缺陷,使多孔非晶合金快速生长。

目前,制备多孔非晶合金及其复合材料的方法有熔体发泡法、可溶性颗粒渗滤锻造法、粉末烧结法、去合金化法和过冷液相区处理法。

熔融发泡法

熔体发泡法是在熔体中产生气泡,这可以通过直接向熔体中引入气体或产生由熔体中发泡剂的差异所反映的气体来实现。熔体发泡方法受熔体粘度的影响。

原位产气法

原位产气法是将发泡剂和非晶合金锭放入容器中,在真空条件下加热,并连接必要的压力,使发泡剂充分分化产生气泡,然后快速冷却得到泡沫预制型,然后将泡沫预制型加热到液相线以上的温度或过冷液相线区域的一定温度,使气泡充分膨胀,然后减压快速冷却得到多孔非晶合金。

图1原位气体发生法制备多孔非晶合金的工艺流程

以这种方式获得的多孔非晶合金具有不均匀的孔径和无序的孔分布。气泡是由发泡剂的差异产生的,但它们的分布是随机的。气泡的膨胀过程受加热温度的影响,气泡和气泡可能相互融合,孔径分布不均匀。

气体注入法

气体注入法是将高压气体,如和氦气体注入高温熔体,然后保持一定的温度,然后迅速冷却,得到多孔非晶合金材料。研究表明,孔隙率可以通过控制气体压力来调节。

图2气体注射法制备多孔非晶合金的工艺流程

无论多孔非晶合金是通过原位气体发生法还是气体注入法制备的,多孔非晶合金的孔隙都是由于气体在淬火的影响下无法逸出而形成的,孔隙的形状只能接近球形,无法调整。近年来,通过熔融发泡制备多孔非晶合金并不常见。

可溶性颗粒的渗流锻造方法

可溶性颗粒的渗透锻造方法是将可溶性颗粒烧结成多孔模型,然后在必要的压力下将高温熔融金属注入模型中一段时间,然后快速冷却得到泡沫预制件,然后去除可溶性颗粒得到多孔非晶合金。

图3可溶性颗粒渗滤锻造法制备多孔非晶合金的工艺流程

本发明不仅可以避免熔体发泡法中熔体粘度对孔隙的影响,而且可以通过掌握预制颗粒的大小和结构来掌握孔隙的大小和布局,可以制备孔径可调、孔隙结构相对平均的多孔非晶合金及其复合材料。

粉末烧结

粉末烧结法是将非晶合金粉末和发泡粉末按比例混合,压制成泡沫预制件,然后在一定温度下热压、挤压或烧结泡沫预制件,得到开孔非晶合金泡沫。

图4粉末烧结法制备多孔非晶合金的工艺流程

粉末烧结制备多孔非晶合金包括非晶粉末的制备和烧结。

无定形粉末的制备

雾化法的基本原理是在离心力、机械力或高速流体冲击力等外力的作用下,将连续的金属熔体破碎成极小尺寸的雾化液滴,使液滴在与流体或冷模接触时迅速冷却并凝固成粉末。

根据工艺方法的不同,可细分为气体雾化、水雾化、超声波气体雾化、真空雾化等。

机械合金化

机械合金化法是将金属合金粉末按一定比例混合,然后与磨球一起放入球磨罐中进行球磨,操纵磨球对金属粉末的摩擦、碰撞和冲击作用,制备非晶态合金的一种方法。采用机械合金化方法制备的非晶合金粉末外观洁净,活性好,易于凝固,降低了对成型工艺和设备的要求。

带材破碎方法

无定形粉末可以通过首先用抛带机制备无定形带,然后将其放入球磨机中进行低速球磨和粉碎来制备。用这种方法制备的无定形粉末是片状的,粉末极细且不均匀,并且有大量的尖角。大颗粒粉末的描述主要是矩形和三角形,而小颗粒粉末的描述主要是方形。

化学还原法

化学还原法使用强还原剂还原过渡族金属盐水溶液中的金属离子,得到非晶沉淀,然后经过反复洗涤和真空干燥,得到超细非晶合金粉末。

无定形粉末的烧结

目前,粉末烧结制备多孔非晶合金的常用方法有热压法、热等静压法、放电等离子烧结法、温挤压法和温等通道转角挤压法。

热压法

热压法对具有较宽过冷液相区的非晶合金粉末是有效的,因为非晶合金在过冷液相区具有超塑性成形能力,粉末受压后可以牢固地连接在一起。

热压法制备多孔非晶合金时,造孔剂颗粒的选择至关重要。在热压中,非晶合金粉末的粒度必须小于所选造孔剂的粒度,并且所获得的泡沫的孔径取决于造孔剂的粒度。泡沫的孔径大小对泡沫的机械功能有很大影响,从而影响其他功能。因此,有必要控制非晶合金粉末和造孔剂的粒度。

热等静压烧结

采用热等静压烧结法制备非晶多孔合金时,各个方向都处于平衡压缩状态,因此泡沫强度高、平均孔径好、性能优异。

研究表明,有效的发泡工艺是可能的,通过热等静压烧结可以制备高孔隙率的多孔非晶合金及其复合材料。这种制备多孔非晶合金的方法需要非常高的发泡剂,因为所获得的前体需要在过冷液体区域中在一定温度下膨胀以形成多孔合金。因此,在合金的过冷相区,假想的发泡剂应该在更接近玻璃变化温度的温度下化学区分并释放气体。

放电等离子烧结

火花等离子烧结是一种固化技术,其中脉冲电流直接引入加压粉末颗粒之间,火花放电瞬间产生的等离子用于加热,热效应和场效应用于低温短时间烧结。在SPS工艺中,粉末在高温下的暴露时间较短,有利于保持非晶态和抑制晶相的形成。SPS类似于热压烧结技术,因此也可以形成外观复杂、尺寸较大的样品。

研究表明,在不同烧结温度和压力下制备的多孔非晶合金及其复合材料具有不同的孔隙率和很大的功能差异。通过在一个过程中调整这两个参数,可以掌握孔隙度和综合函数。

温挤

温挤压法的原理是非晶粉末夹杂物在过冷液体区被挤压并发生塑性变形。非晶粉末在过冷液相区具有超塑性。塑性变形会释放大量热量,使无定形粉末变粘,这有利于粉末连接。

复位

温等通道角挤压法是将制备好的非晶粉末和造孔剂粉末的夹杂物在过冷液相区的一定温度下压入专门设计的模具中,实现大变形量的剪切变形,然后通过机械、化学、电化学等方法去除造孔剂。其优点是材料的横截面积和横截面形状在挤压变形过程中不会改变,因此只需要较低的工作压力。

以这种方式制备的多孔非晶合金及其复合材料可以通过调节成孔剂颗粒的尺寸和形状来控制孔的尺寸和形状,但是孔的加载目的的取向对多孔非晶合金及其复合材料的机械功能有很大影响,因此孔的取向应该根据需要进行调节。

为了用粉末烧结法制备优良的多孔非晶合金及其复合材料,有必要结合非晶基体的特性,选择合适的烧结方法。

脱合金过程

去合金化法是一种制备多孔非晶合金的方法,通过在电解质的影响下选择性地将具有更活跃的电化学性质的元素熔化到电解质中,并保留具有较少无序化学性质的元素。

图5脱合金法制备多孔非晶合金的工艺流程

去合金化相对容易进行,在金属玻璃中形成多孔网络布局,并且可以在没有大的玻璃形成能力的情况下制备纳米级多孔非晶合金。然而,去合金化方法仅适用于活性差异较大的合金元素,而对于活性差异较小的合金元素则不能达到预期效果。另一个原因是去合金化方法需要化学或电化学腐蚀,这不可避免地限制了多孔非晶合金及其复合材料的尺寸。

过冷液体区处理方法

过冷液相区加工法是通过在过冷液相区热塑性成形非晶合金来实现多孔非晶合金及其复合材料制备的一种方法。

图6过冷液相区处理法制备多孔非晶合金的工艺流程

过冷液相区处理方法适用于具有宽过冷液相区的非晶合金,并且对非晶合金的类型有限制。目前,它仅在具有良好玻璃形成能力和宽过冷液相区的非晶合金中实现,如钯基和锆基玻璃。

结论与展望

多孔非晶合金及其复合材料继承了非晶合金和金属泡沫的优良性能,使其在航空航天、武器装备、通信、能源、医药等领域具有良好的应用前景。制备功能优异的多孔非晶合金及其复合材料具有重要意义。

此外,近年来,用三维印刷法制备多孔材料引起了研究者的极大关注。三维印刷法在多孔金属材料的制备方面有一定的研究效果,但在多孔非晶合金及其复合材料的制备方面没有进展,因此可以作为未来多孔非晶材料制备研究的目标。

来源:资料指南,2018年2月,第32卷,第3期,傅,王秀昌,金庆林,《多孔非晶合金及其复合材料的制备手艺研究进展》

多孔非晶合金及其复合材料的制备技术研究进展

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