镍基复合材料
新型镍基复合材料在曳引机应用
科 技 创 新
新型镍基 复合材料在 曳引机应用
张 国洪
（ 广 东省特 种设备检 测院 东莞分院 ， 广 东 东莞 ５ ２ ３ ０ ０ ０ ）
摘 要： 我 国作 为 世界 最 大 的 电梯 制 造 国 ， 在 新增 加 数 量 方 面都 居 于 世界 第 一 的 大 国 ， 中 国理 应 对 新 型 材料 更 广 泛应 用 于 电梯 设备 技 术 创 新和 研 发 。现 就 新 型镍 基 复 合材 料 在 曳 引机 中的应 用 展 开论 述 。 关键 词 ： 镍 基 复合 材 料 ； 性 能 分析 ； 应用
图 １ 。
薹
专 ＝ Ｊ 毒
三 萎
曼
三种元素粉末高能球磨制备出纯度较高的钛硅碳混合物。 利用相关 的温压工艺 和 自制 的钛硅碳混合粉末温压制备镍基粉末冶金复合 材料（ 四种不 同的钛硅碳粉末含量的镍基材料 ） 并分析其相关性能 参 数规 律 。 所制备 出的钛硅碳混合物的配粉方案是 ： Ｔ ｉ 、 Ｓ ｉ 、 Ｃ三 种 粉 末 按 照质量 比为 ０ ． ４ ２ ： ０ ． ２ ３ ： Ｏ ． ３ ５配制。它们采用高能球磨 的方法制备钛 硅 碳 混合 物 ， 并 进 行 混粉 ， 且 对 有 需 要 的 混 和粉 末 添 加 黏 结剂 ， 然 后 经过研磨得出所需 。最后 我们把制备 出的钛硅碳混合 物与纯镍 混 和， 经过压制与烧结 ， 得出我们实验所需 的镍基粉末合金 复合材料。 实验后对镍基粉末冶金材料 的的探索表明 ： 温压 制备 的镍基粉 末 冶 金 材 料 的生 坯 密 度 、 烧结后密度 、 抗 拉强度 、 延伸率 、 布 氏 硬 度 和电阻率都 与其增强体含量密切相关。 镍基粉末合金复合材料 的生 坯密度和烧结密度和抗拉强度随着增强体含量的增加而不断降低。 相反 ， 镍基粉末冶金合金的布氏硬度和电阻率由于增强体的加入而 都大大地提高了。 同样我们还得出没有添加黏结剂的镍基粉末冶金 复合材料 试件 的密 度、 抗拉强度 、 延伸率和 电阻率都 比同种 同样含 量的镍基粉末冶金复合材料低 ， 而硬度却 比添加 黏结剂镍基粉末 冶 金复合材料试件的高 。 我们在镍基合金发现由于它对合金元素 的较多溶解 ， 并且能对 组织稳定性的较好保持 ； 同时能使合金得到有效的强化 ， 获得 比铁 基高温合金和钻基高温合金更高 的高温强度 ； 而且镍基合金具有比 铁基高温合金更好 的抗氧化和抗燃气腐蚀能力 。 根据 世界各 国在几 十年 问对镍基合金不断地研究 和探 索下使 得它在各个领域 内得到充分的应 用并且在镍基铸造 高温合 金 中发 展 出了定 向结 晶涡轮 叶片和单晶涡轮叶片 ， 而在相关方面表 明这种 定 向结晶叶片能有效消除一定的空洞和裂纹敏感 的横 向晶界 ， 使得 内部全部的晶界能够平行于应力轴 的方 向， 从而大大地改善 了合金 使用性能。而这种单 晶叶片能消除全部 晶界 ， 而且对于晶界强化元 素我们 以后可 以不必再加入了 ， 另一方面又能升高合金的初熔相对 温度 ， 从而提高 了合金的高温强度 ， 并且合金的综合性能进一步改 善了。 ３结 束语 镍基 复合材料 ， 具 有 良好 的导电性 、 高温抗氧化性 以及较 高的 机械强度 ， 具有广阔的应用前景 。主要应用镍合金具有耐热性和热 强性能 ， 它具有组织均匀 ， 无宏观偏析等优点 ， 用其制造 电梯涡轮等 关键部件可 以满足先进高推比发动机的要求。 它将为高速电梯事业 的发 展作 出贡 献 。
《镍基复合材料的制备及其摩擦学性能研究》
《镍基复合材料的制备及其摩擦学性能研究》一、引言随着现代工业技术的快速发展，材料科学在工程应用中的地位日益凸显。
其中，镍基复合材料因其优异的物理、化学及机械性能，被广泛应用于航空、航天、能源、汽车等关键领域。
其制备工艺的优化和摩擦学性能的研究，对于提升材料的使用性能及延长使用寿命具有极其重要的意义。
本文将就镍基复合材料的制备方法及摩擦学性能进行研究探讨。
二、镍基复合材料的制备（一）原料与设备制备镍基复合材料的主要原料包括镍基合金粉末、增强相材料（如碳化硅、氧化铝等）、添加剂等。
制备设备主要包括混合设备、烧结设备、热处理设备等。
（二）制备工艺镍基复合材料的制备主要采用粉末冶金法，其基本步骤包括配料、混合、压制、烧结及热处理等。
具体过程如下：1. 配料：根据所需材料的成分比例，将原料按比例混合。
2. 混合：采用机械混合或化学混合的方式，使各组分充分混合均匀。
3. 压制：将混合后的粉末放入模具中，通过压力机进行压制，形成预成形坯。
4. 烧结：将预成形坯放入烧结炉中，在一定的温度和压力下进行烧结，使材料致密化。
5. 热处理：烧结后的材料进行热处理，以提高材料的性能。
（三）制备过程中的影响因素在制备过程中，影响镍基复合材料性能的因素主要包括粉末粒度、压制压力、烧结温度和时间等。
这些因素对材料的致密度、成分分布及机械性能等有着重要的影响。
三、镍基复合材料的摩擦学性能研究（一）摩擦学性能的基本概念及测试方法摩擦学性能是衡量材料在摩擦过程中所表现出的性能，主要包括摩擦系数、磨损率等。
测试摩擦学性能的方法主要有摩擦试验机测试、磨损试验等。
（二）镍基复合材料的摩擦学性能特点镍基复合材料具有优异的摩擦学性能，其摩擦系数低，磨损率小。
这主要得益于其良好的硬度、耐磨性及抗高温氧化性能。
此外，增强相的加入也提高了材料的硬度和耐磨性，进一步优化了材料的摩擦学性能。
（三）影响镍基复合材料摩擦学性能的因素影响镍基复合材料摩擦学性能的因素主要包括材料成分、组织结构、表面处理等。
金属基复合材料应用举例
金属基复合材料应用举例金属基复合材料是指以金属为基体，添加一种或多种增强相（如纤维、颗粒、片材等）来改善金属材料的性能和功能的一类材料。
金属基复合材料具有高强度、高韧性、高温稳定性等优点，因此在航空航天、汽车、船舶、电子等领域得到广泛应用。
以下是十个金属基复合材料的应用举例：1. 铝基复合材料：铝基复合材料由铝基体和增强相（如陶瓷颗粒、碳纤维等）构成，具有低密度、高强度、耐磨损等特点。
在航空航天领域，铝基复合材料被用于制造飞机机身、航天器传动系统等部件。
2. 镁基复合材料：镁基复合材料具有低密度、高比强度和良好的导热性能，广泛应用于航空航天、汽车、电子等领域。
例如，在汽车行业中，镁基复合材料被用于制造车身结构和发动机零部件，可以减轻车重，提高燃油效率。
3. 钛基复合材料：钛基复合材料由钛基体和增强相（如陶瓷颗粒、纤维等）构成，具有高强度、低密度和良好的耐腐蚀性能。
在航空航天领域，钛基复合材料被用于制造飞机发动机叶片、航天器外壳等高温部件。
4. 镍基复合材料：镍基复合材料由镍基体和增强相（如陶瓷颗粒、纤维等）构成，具有高温强度和良好的耐腐蚀性能。
在航空航天领域，镍基复合材料被用于制造航空发动机涡轮叶片、燃烧室等高温部件。
5. 铜基复合材料：铜基复合材料由铜基体和增强相（如碳纤维、陶瓷颗粒等）构成，具有高导电性和高热导率。
在电子领域，铜基复合材料被用于制造高性能散热器、电子封装材料等。
6. 钨基复合材料：钨基复合材料由钨基体和增强相（如碳纤维、陶瓷颗粒等）构成，具有高密度、高熔点和高强度。
在核工业领域，钨基复合材料被用于制造核反应堆材料、高温组件等。
7. 铁基复合材料：铁基复合材料由铁基体和增强相（如碳纤维、陶瓷颗粒等）构成，具有高强度和良好的耐磨性。
在机械制造领域，铁基复合材料被用于制造高性能齿轮、轴承等零部件。
8. 锆基复合材料：锆基复合材料由锆基体和增强相（如陶瓷颗粒、纤维等）构成，具有高温稳定性和良好的耐腐蚀性能。
金属基体复合材料
金属基体复合材料特点
高比强度、比模量 导热、导电性好 热膨胀系数小、尺寸稳定性好 良好的高温性能 良好的耐磨性
良好的断裂韧性和抗疲劳性能
不吸潮、不老化、气密性能好 容易在高温下发生界面反应
常见的金属基体性能
金属 密度
(g/cm3)
熔点
/℃
比热容
/(J/g/℃)
热导率
（4）颗粒增强复合材料
这里的颗粒增强复合材料
是指弥散的硬质增强相的体积 超过20％的复合材料，而不包 括那种弥散质点体积比很低的 弥散强化金属。此外，颗粒增 强复合材料的颗粒直径和颗粒 间距很大，一般大于1um。 在这种复合材料中，增强 相是主要的承载相，而基体的 作用则在于传递载荷和便于加 工。
/[W/(m∙℃ )]
热膨胀系 抗拉强度 弹性模量 数/(10-6/℃) /(N/mm2) /(kN/mm2)
Mg1.74ຫໍສະໝຸດ 5701.076
25.2
280
40
Al Ti
Ni Cu
2.72 4.4
8.9 8.9
580 1650
1440 1080
0.96 0.59
0.46 0.38
171 7
62 391
23.4 9.5
常用的金属基复合材料制备工艺
根据各种方法的基本特点，把金属基复合材 料的制备工艺分为四大类： (1) 固态法； (2) 液态法； (3) 喷射与喷涂沉积法； (4) 原位复合法。
金属基复合材料的制造工艺
1.液相工艺
部分或全部金属熔化。
液相法有利于密切的界面接触，粘结较强，但界 面反应会产生脆化界面层。
复合材料的应用
金属基体复合材料的制备工艺
镍基WC复合材料熔覆
对镍基WC复合材料熔覆的研究自从20世纪80年代开始，随着激光器技术的发展，新型高功率激光器的不断出现，激光熔覆技术在工业应用上不断深入，激光熔覆技术得到了迅猛的发展，目前已成为国内外激光表面改性研究的热点。
其应用领域不断拓宽，它可以用于机械制造与维修、汽车制造、纺织机械、航海与航天和石油化工等领域。
在刀具、模具、阀体等机械部件已获得了广泛的应用。
激光熔覆技术是随着激光器技术的发展而不断壮大，因此对于激光熔覆设备中所使用的激光器就是其关键部件。
目前国内多数的生产企业主要使用的有CO2气体激光器，灯泵YAG 固体激光器。
其中CO2气体激光器，功率大，一般数千瓦甚至更高，但体积庞大，维护成本高；且CO2激光器由于结构庞大，其波长为10.6um 的激光不能通过光纤传导，灵活性受到极大限制，不容易实现三维零件复杂曲面的熔覆加工。
国内传统灯泵YAG 固体激光器，功率较小，都是百瓦级别，价格便宜，体积也相对较小，维护相对简单，但每隔段工作时间需要更换泵浦灯。
由于功率不大，其加工的效率和应用范围都受限。
目前国外流行大功率光纤耦合输出半导体激光和整形聚焦直接输出的半导体激光器来做激光熔覆工艺，其具有电光转换效率高、体积小等优势。
但存在技术门槛高，激光器成本价位昂贵等局限。
而高功率的全固态激光器是采用半导体激光阵列作为泵浦源，以YAG晶体为工作物质，综合半导体激光的高效率与YAG激光成熟技术优势，具有输出功率大（1~5kW）、光束质量好（BP值8~40mm*mrad）、输出稳定性好，电光转换效率好（~20%），柔性好，光纤传输可灵活匹配机器人与数控加工机床实现三维加工等诸多优点（如图1所示）。
3kW全固态激光器机器人熔覆加工系统图1、3kW全固态激光器机器人加工系统装备激光熔覆由于其极高的能量密度，几乎能够熔化所有的合金和陶瓷。
为进一步提高零件表面的耐磨耐蚀性能，目前国内外广泛开展了在铁、镍、钴基合金溶剂熔镶WC、TiC、SiC及B4C等陶瓷硬质相的复合涂层研究。
镍基复合材料
缺点及克服方法 （1）疲劳性能稍差、塑性较低、使用 中组织稳定性有所下降； （2）存在疏松，性能波动较大。
应用：镍基铸造高温合金用于飞机、
船舶、工业和车辆用燃气轮机的最 关键的高温部件，如涡轮机叶片、 导向叶片和整体涡轮等。
镍基复合材料在水环境中的摩擦学 性能及磨损机理研究
复合材料在水环境中的摩擦系数比干摩擦 降低了一半左右，磨损率仅为干摩擦下的 1／15，水环境中，负荷和速度的变化对 摩擦系数的影响不大，摩擦系数基本保持 在0．28～0．32之间，磨损率随负荷和滑 动速度的增加而不断增加。
镍-蓝宝石反应性质的影响
在高温下，蓝宝石和镍或 镍合金将发生反应，这种 反应与弥散强化型合金所用的 Al2O3质点的稳定性观测结果相 一致。除非这种反应能均匀地消耗材 料或在纤维表面形成一层均匀的反应产物， 否则就会因局部表面降粗糙而降低纤维的 强度。
镍基复合材料的制造和性能
制造镍基复合单晶蓝宝石纤维复合材料的主 要方法是将纤维夹在金属板之间进行加热。 这种方法通常称为扩散结合。 热压法成功的制造了Al2O3-NiCr复合材料， 其最成功的工艺是先在杆上涂一层 Y2O3（约1μm），随后再涂一层为基 体制造的。由于镍的高温性能优良， 因此这种复合材料主要是用于制造 高温下工作的零部件。
金属基复合材料最有前途的应用之一是做燃 气涡轮发动机的叶片。这类零件在高温和 接近现有合金所能承受的最高应力下工作， 因此成了复合材料研究的一个主攻方向。
镍基变形高温合金
8.3
51
63.5
8.0
48
61.3
48 23 25.4
用途：镍基变形高温合金广泛地用来 制造航空喷气发动机、各种工业燃气 轮机的热端部件，如工作叶片，导向
高温合金基复合材料
• 主要强化纤维有金属纤维，SiC纤维、碳纤维、Al2O3纤维 等
金属丝/Ni合金基复合材料
• 常用金属：钨，钍钨丝 a. 优点：可提高工作温度100度以上。 大幅度提高其高温持久性能和高温蠕变性能，一 般可以提高100h 持久强度 1 到3倍，主要用于高 性能航空发动机叶片等重要部件 b. 缺点：比重高，含70%体积比的钨丝镍基复合材料的比 重是强度最好的铸造高温合金的1.9倍
• TiC 陶瓷与 Fe 熔液之间的润湿性较好，两者之间无界面 反应，在铁中溶解度低，制备简单，不用特殊处理。 • 常用制备方法：原位反应法，SHS • Fe 基合金大多数选用 FeAl 合金
• 研究方向：改善制备工艺及调整合金元素或添加合金元素 进一步改善润湿性 ，以提高界面结合能力。比如指出加 入Mo和Al可改善TiC与Fe熔液的润湿性，添加微量的稀土 元素（0.6-0.8at%）可提高复合材料的延展性
• 常用制备方法：原位生长法，粉末冶金法，自蔓延高温合 成法，浸渍法等。
• SiC陶瓷：与 Fe 熔液在高温下产生剧烈的化学反应生成 脆性相铁硅化合物和片状石墨组织存在于界面之间，恶化 陶瓷−金属界面。 • 制备方法：粉末冶金法和浸渍法 • 研究方向：提高润湿性和控制界面反应程度 方法： 1) 添加合金元素。如在铁合金中添加 Ti、Zr 、Hf 等活性金 属元素，这些活性元素与 SiC 反应生成可被 Fe 熔液润 湿的 Si 或半金属的碳化物层。 2) 在铁合金中添加 Si 元素，Si 的加入可以大大降低铁合金 与 SiC 润湿角。
• ZrO2 陶瓷：较高的熔点、高温耐磨性及抗高温氧化性，可 应用于高温环境 • 缺点：与Fe熔液浸润性差 本身存在可逆相变，t与m相转变过程中，晶体体 积膨胀或收缩约5%
颗粒增强镍基复合材料的研究进展_丁义超
DING Yichao, ZHANG Shiping, LIU Jiehui
(Chengdu Technological University, Key Laboratory of Electrical Processing, Chengdu 611730, China)
Abstract： Several kinds of nickel-based composite material and their preparation method s were introduced, and the development of the nickel-based composites was summarized. And the main problems in fabricating the composites and the research direction in future were also pointed. Key words： particle reinforcement; nickel-based composite; preparation techniques
这比按照起始相或反应物的分类方法更加具体。 作者 认为，如果按照增强颗粒的来源来分，可将镍基复合材 料的制备工艺分为非原位合成技术 (Ex-situ Synthesis) 和原位合成技术(In-situ Synthesis)两类。 2.1 非原位合成技术
所谓非原位合成技术是指把增强体从外界加入 到基体中形成复合材料的方法。主要有粉末冶金法、 喷涂法、电沉积法。 其中，粉末冶金主要是整体制备 颗粒增强镍基复合材料， 喷涂法和电沉积法主要是 制备表面颗粒增强的镍基复合材料。 2.1.1 粉末冶金法
电沉积法主要包括电镀、电刷镀、电铸以及化学 涂层等表面处理方法。和粉末冶金法相比，电沉积法 具有制备温 度低(一般小 于 80 ℃)、工 艺 简 单 、节 省 材料等优点， 因此开发和使用复合电镀工艺已经引 起国内外的广泛关注。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
缺点及克服方法 （1）疲劳性能稍差、塑性较低、 使用中组织稳定性有所下降； （2）存在疏松，性能波动较大。
镍基复合材料的现状和前景
是由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高 温下工作的零部件。 人们研制镍基复合材料的一个重要目的，即 是希望用它来制造燃汽轮机的叶片，从而进一步提高燃汽轮机的 工作温度。 但目前由于制造工艺及可靠性等问题尚未解决，所以还未能取得 满意的结果。
其他民用工业的应用 其他方面 ,金属基复合材料还用于制造 高尔夫 球杆头 ,自行车链轮以及医疗上的假肢等等。近年 来 , 电力行业也使用了金属基复合材料 ,如法国的 EDF公司和美国 的 3M 公司联合研制的一种新型纤 维增强铝基复合材料导线 , 因其导电性好 ,环境适应 性好 ,耐腐蚀等特点 ,在电力传输方面 应用前景良好。
碳纤维增强镍基材料弹力假肢
• 镍基复合材料应用 的成功例子。强度 高，耐用，不对人 体造成不良影响。
镍基复合材料的主要应用
应用：镍基材料用于飞机、船舶、工业和车 辆用燃气轮机的最关键的高温部件，如涡轮 机叶片、导向叶片和整体涡轮等。这些领域 的材料主要是：镍基铸造高温合金
镍基铸造高温合金
以镍为主要成分的铸造高温合金，以“K”加序 号表示，如K1、 K2等。随着使用温度和强度 的提高，高温合金的合金化程度越来越高，热加 工成形越来越困难，必须采用铸造工艺进行生产。 另外，采用冷却技术的空心叶片的内部复杂型腔， 只能采用精密铸造工艺才能生产。这样，镍基变 形高温合金就转化为镍基铸造高温合金。
碳纤维增强镍基材料制备简述
• 材料：碳纤维 , 铜，镍 。工艺步骤为 碳纤维预 处理 , 电沉 积铜 、清洗 、中和 , 电沉积镍 , 成型 电沉积镍 , 坯料清洗 、烘干 , 裁剪坯料放入模具 , 真空热 压 , 随炉冷却 。本发明利用三步电沉积方 法制备 的 复合材料 , 不仅能够满足燃气涡轮发动 机 的叶片使用要求 , 而且具有 良好的高温强度 、 高 弹性模量 、低密度 、高熔点 等优点
镍基复合材料
• 镍基复合材料是以镍及镍合金为基体制造 的。由于镍的高温性能优良，因此这种复 合材料主要是用于制造高温下工作的零部 件。
• 镍基复合材料最有前途的应用之一是做燃 气涡轮发动机的叶片。用于镍基复合材料 的基体主要有：纯镍、镍铬合金、镍铝合 金等。
燃气轮机涡轮零件
西门子超的， 需耐较高的温度。 但由于制作和使 用环境的温度高。 其制作难度，增 强体与基体之间 化学反应的可能 性也变高了。
镍基复合材料的制备
• 在镍基复合材料中，一个合适的增强材料 必须具备良好的高温强度，热膨胀系数相 匹配，同时必须与基体润湿及化学相容。 金属基体与增强材料的化学相容指：不发 生化学反应，增强体不溶于基体。下面以 “碳纤维增强镍基材料”为例。
镍基复合材料
金属基复合材料发展
。在各种复合材料的发展过程中 , 金属基复合材料(Metal Matrix Composites —MMCs) 的 研究、生产及发展起步较晚 , 但是由于其具有低热胀 系数、高耐热性、在动力结构方面的高 比强度、高比 模量、耐磨损和抗老化等特点 ,所以倍受人们青 睐 , 尤其是在汽车、航空、航天领域得到了广泛的应用。 国内 外的一些科研院所竟相在这一领域展开深入广 泛的研究 ,并取 得了丰硕的成果。对金属基复合材料的应用和研究目前处于世 界领先的国家主要是美国和日本。美国把复合材料作 为国防部 的关键技术核心来实施 ,投入了大量的资 金和人力 ,并在复合材 料领域取得了重大的进展 ,处 于世界领先地位。
添加元素及作用
镍基铸造高温合金以γ(Ni3Nb)相为基体，添加铝、钛、 铌、钽等形成γ´(Ni3Al)相（增强体）进行强化， γ´(Ni3Al)相数量较多，有的合金高达60%；加入钴能提 高γ´相的溶解温度，提高合金的使用温度；钼、钨、铬 具有强化固溶体的作用，铬、钼、钽还能形成一系列对 晶界产生强化作用的碳化物；铝和铬有助于抗氧化能力， 但铬降低γ´相的溶解度和高温强度，因此铬含量应低些； 铪：改善合金中温塑性和强度；为了强化晶界，添加适 量硼、锆等元素
谢谢观赏