【摘 要】
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高强质轻、多功能复合一直是金属基复合材料研究的重点方向。表层致密、中间多孔的具有三明治结构的金属基复合材料是近年来发展起来的一种新型复合材料,表层致密的结构保留了传统金属材料的优异力学性能,而心部的多孔结构可以有效降低材料的密度,同时保留多孔材料的一些特性。具有该种复合结构的金属基复合材料在机械工程、航空航天、汽车、高速列车等领域均有很好的应用价值。本论文在Fe-Ni-P合金和多孔Fe-N合金研究
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高强质轻、多功能复合一直是金属基复合材料研究的重点方向。表层致密、中间多孔的具有三明治结构的金属基复合材料是近年来发展起来的一种新型复合材料,表层致密的结构保留了传统金属材料的优异力学性能,而心部的多孔结构可以有效降低材料的密度,同时保留多孔材料的一些特性。具有该种复合结构的金属基复合材料在机械工程、航空航天、汽车、高速列车等领域均有很好的应用价值。本论文在Fe-Ni-P合金和多孔Fe-N合金研究的基础上,综合Fe-Ni-P合金和多孔Fe-N合金的优缺点,提出了以Fe-Ni-P复合粉末和Fe-N粉末为原材料,采用烧结技术制备具有三明治结构的Fe-Ni-P/Fe-N/Fe-Ni-P复合材料的方法,以改善单一多孔Fe-N合金的力学性能。首先,分别系统探讨了Fe-Ni-P复合粉末的瞬时液相烧结和Fe-N粉末固相烧结过程。然后根据Fe-Ni-P合金和多孔Fe-N合金的烧结成型过程的研究结果,提出高温短时的共烧方法,并分别采用普通烧结和放电等离子体烧结（SPS）技术制备了具有三明治结构的Fe-Ni-P/Fe-N/Fe-Ni-P复合材料。结果表明:通过优化后的烧结工艺,外层的Fe-Ni-P合金获得了较高的相对密度（0.97～0.99）,而心部的Fe-N合金则维持一定孔隙率（25.6～31.2%）。通过对层间界面处元素浓度分布的分析,结合互扩散理论发现,P元素通过共晶反应在烧结过程中引入适量液相,不仅有效提高了Fe-Ni-P层的致密度,且促进了层间的元素迁移和冶金结合。相较于单一的Fe-N合金,复合试样不仅获得了更高的表面硬度(～386.6 HV0.1),由于对压缩变形的层间限制作用,整体压缩屈服强度也显著提升（～535.2 MPa）。最后,根据工艺与性能测试试验结果,结合有限元方法,探讨了该复合材料体系组分力学性能差异对压缩过程中变形行为的影响,结果表明:随着该复合材料组分力学性能差异的增加,层间形变不协调加剧,局部应变集中显著,进而导致试样的失效应变降低。总之,通过高温短时的工艺可以制备得到性能优异的Fe-Ni-P/Fe-N/Fe-Ni-P复合材料,该材料在小尺寸精密仪器仪表用轴承、齿轮等零部件上具有很好应用前景。
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