《金属基复合材料》PPT课件.ppt

Continuous carbon, silicon carbide, or ceramic fibers are embedded in a metallic matrix material.,金属基复合材料是随着现代技术对材料的要求越来越高而发展起来的。用高强度、高模量和耐高温的第二成分增强金属，可制成比金属性能更好的金属基复合材料。 金属材料的韧性要比热固性聚合物材料和陶瓷材料好。同时，金属材料还有不吸湿、不老化、导电、导热等一些特性。 金属基复合材料（MMC）的大规模研制和开发工作起步于20世纪80年代，主要是对低熔点金属如铝、镁等的复合增韧。以这些材料制成的结构件代替原来的金属材料构件，构件质量（重量）得到了显著减轻，这一成果在航空、航天领域具有十分重大的意义,特点,1、比金属的比强度高，比刚度大 纤维增强金属基复合材料多数足由Vf20%-70%的高强度和高模量的纤维来增强金属，与金属相比，在纤维方向具有很高的比强度和比模量。特别是纤维增强镁、铝等，具有很显著的效果。 2、良好的高温性能 在复合材料中，作为承载主体的纤维，在高温下能保持很高的强度和模量。当金属基体接近熔点温度时，由于纤维的作用，沿纤维方向的力学性能主要由纤维控制，因此，还具有很高的强度和刚度；在横向拉伸和剪切性能方面。由于受基体性能控制，高温性能不能改善，但铺设成多向叠层复合材料后，在面内各方向的高温性能都比基体金属有改善。 3、良好的导热导电性和电磁感应屏蔽性 由于金属基复合材料的基体为金属，而金属均有良好的导热和导电性，特别是铝和铜等。对于某些构件，这一特点是十分重要的。当构件尺寸需要高度稳定时，因金属基复合材料具有良好的导热性，可以减少构件上由于运行条件所引起的温度梯度，由于温度分布比较均匀，因而可减少温度应力。而良好的导电性可以防止构件出现静电聚集，并对电磁感应产生屏蔽。,4、在纤维方向上线膨胀系数小 金属基复合材料所用的碳纤维、碳化硅纤维和硼纤维均有很高的模量和很低的线膨胀系数，且石墨纤维的纵向线膨胀系数为负值。因此纤维增强金属基复合材料的线膨胀系数要比金属小。控制纤维的含量和方向就能设计制造出在纤维方向上线膨胀系数很低的金属基复合材料。 5、良好的抗疲劳性能 金属基复合材料的抗疲劳性能与纤维类型、金属基体的性能、生产工艺和界面状况等密切相关。当纤维与基体在界面上结合得合适时，界面能有效地阻止裂纹扩展。纤维增强金属基复合材料的抗拉、抗疲劳性能，明显高于金属基休材料。 6、不吸湿和不放气 金属基复合材料不吸湿，没有分解和污染系统的物质产生。这对卫星仪表的稳定和可靠运行是十分重要的。 7、其他性能 金属基纤维增强复合材料与基体材料相比，可提高抗蠕变性能、硬度和阻尼等。,特点,1、金属基复合材料在基体屈服以前的一个较小范围内，应力应变关系才是线性的。除非采用很硬的基体，否则在拐点以上，金属基复合材料的有效弹性模量就不再明显大于树脂基复合材料。 一般来说，树脂基复合材料在纤维方向具有很好的线性弹性，具有很高的比强度和比刚度。这是金属基复合材料所不及的。 2、剪切强度和层间拉伸强度较低 与金属基体材料相比，金属基复合材料的面内剪切强度、层间剪切强度、横向拉仲强度和层间拉仲强度都比较低。与纤维方向金属基复合材料的拉、压强度比就更低。但与树脂基复合材料的这些性能比，又强得多。提高界面的结合强度，可提高这些性能，但冲击强度下降。 3、在抵抗某些环境腐蚀方面，金属基复合材料不如树脂基复合材料。 4、在金属基复合材料制造过程中，涉及到高温、增强材料的表面处理、复合成型等复杂工艺。因此，金属基复合材料很难制造、成本很高。 5、金属基复合材料密度较大。 6、由于金属基复合材料的研究起步较晚，再加上实际应用范围和制造成本等因素的影响，目前金属基复合材料的技术水平落后于聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。,缺点,1、航空航天工业 B/AL复合材料是最早工业化生产的金属基复合材料，在美国哥伦比亚号航天飞机构件中，该种复合材料用于制造主骨架、肋条、桁架支柱、制动器支撑架等构件共89种243件，总质量150kg。使用B/A1复合材料比原来铝合金构件质量减轻了44%。B/AL复合材料还用来制造喷气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮和结构支撑件、飞机垂直尾翼和起落架部件。 SiC/AL复合材料被用来制造飞机、发动机和卫星的结构件，如飞机上长3m的Z形加强板、战斗机尾翼平衡器、卫星支架以及超轻高性能太空望远镜的管、棒、桁架等。 用于航空航天工业的金属基复合材料，一般需要考虑的主要因素是： （1）轻质高强。在保持强度的情况下，材料自重要轻，这样可以减少燃料消耗，所以通常选用低密度陶瓷纤维作为增强材料。 （2）材料的抗疲劳性能好。对复合材料成型工艺要求较高，复合材料的制造成本也相应提高。 （3）材料具有一定的耐高温性能。,应用,2、机械制造工业 金属基复合材料用于机械制造业的前提是其制品具有其他材料不可替代的优点，或者其产品的制造成本接近用金属制造的成本。 金属基复合材料在机械工业中最早被用于制造汽车发动机零件。日本本田公司用含5%的A12O3短纤维的铝基复合材料代替含镍铸铁用于制造汽车发动机活塞环附近的衬套，质量减轻5%-10%，磨损量为铝合金的1/5，导热系数为含镍铸铁的四倍，热疲劳寿命明显提高。 此外，已经开发成功的有SiC颗粒增强铝基复合材料的整体活塞。A12O3 颗粒增强铝基复合材料制造的汽车发动机的驱动轴，转速可以提高约14%。用短切氧化铝和碳纤维增强的铝-硅合金复合材料的耐磨性和抗疲劳性好、高温稳定、密度低、减振性强。丰田公司用它制造发动机缸体，使功率/质量比明显提高。,应用,3、电子材料工业 电子材料工业，特别是近年来蓬勃发展的微电子工业，对材料有较高的使用要求。SiC颗粒增强铝基复合材料，可通过调节SiC颗粒的含量使其热膨胀系数于与基材匹配，并且具有导热性好、尺寸稳定性优良、低密度、适合钎焊等性能。用它代替钢/钼基座，可以改善微电子器件的性能。 硼/铝复合材料用作多层半导体芯片的支座，是一种很好的散热冷却材料，由于这种材料导热性好、热膨胀系数与半导体芯片非常接近，故能大大减少接头处的热疲劳。 石墨纤维增强铜基复合材料的强度和模量比铜高，又保持了铜的优异的导电和导热性能。通过调节复合材料中石墨纤维的含量及排布方向，可使其热膨胀系数非常接近任何一种半导体材料，因此被用来制造大规模集成电路的底板和半导体装置的支持电板，防止了底板的翘曲和半导体基片上裂纹的产生，提高器件稳定性。 在大型蓄电池中的铅电极自重大、刚性差，容易翘曲引起短路，影响电解过程的正常进行。用碳纤维增强铅的复合材料，既保持原来优良的电化学性能，又使强度和模量提高，不易翘曲，同时减小蓄电池的体积。,应用,4、国防军工工业 金属基复合材料性能优异，但制造工艺复杂、成本高、价格贵，所以应用的主要领域是航空航天和国防军工工业。在国防军工工业中，硼纤维和碳化硅纤维、碳化硅晶须和颗粒增强铝基复合材料用来制造导弹的零件和构件，如导弹弹体、垂直尾翼、平衡翼、制导元件等。 碳化硅晶须和颗粒增强铝基复合材料被用于制造战术坦克的反射镜部件、轻型坦克的履带、空间激光镜等等。,应用,1、大力研究发展颗粒增强的铝基、镁基复合材料。 国际ALCON公司已建成年产1.1万吨颗粒增强铝基复合材料型材、棒材、锻材、铸锭以及零件的专业工厂。生产的SiCp/Al（Mg）锭块单重达596公斤。 2、高温金属基复合材料的研究 主要针对高性能发动机发展的需要。研究发动机滑轮盘、转轴等关键部件的高性能耐高温结构材料。 3、金属基复合材料制备新工艺和新设备的研究 目前研究的重点是：真空液态金属浸渍、液态金属挤压铸造、液态金属和颗粒共喷沉积、粉末热等静压工艺等。可望解决批量制造性能稳定的金属基复合材料制件，并降低成本。同时研究工艺因素对复合材料结构和性能的影响。,发展方向,4、碳纤维增强金属基复合材料的研究 碳（石墨）纤维是目前强度、模量最高，热膨胀系数最小，产量最大的连续纤维。用其制作的碳纤维/镁、碳纤维/铝复合材料除具有很高的比强度、比模量外，其热膨胀系数接近零，并且有很好的尺寸稳定性。虽然在界面反应的控制和制造方法上有很大的突破，并已研制出人造卫星的零件，取得了很大的效益，但制造技术仍然复杂。批量、廉价制造碳纤维增强金属基复合材料零件的制造方法和工艺还没有根本解决。 其研究重点是：从实验室基础研究转向研究部门和工业部门的工程应用研究。以应用构件为目标，研究制造工艺方法，研究制造过程工艺参数与复合材料结构、性能的关系，复合材料零件的质量控制和基本性能评价。 5、金属基复合材料界面优化，界面反应控制、破坏过程等基础研究。,发展方向,主要基体,（一）金属基体的选择原则 1、根据复合材料的使用要求 如在航空、航天领域，高比强度、高比模量、尺寸稳定性是最重要的性能要求。作为航天飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属，铝、镁或二者的合金作为基体，高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成连续纤维复合材料。 2、根据复合材料的组成特点 选用不同类型的增强材料如连续纤维、短纤维或晶须，对基体材料的选择有较大影响。 例如在连续纤维增强的复合材料中，考虑到要充分发挥纤维的作用，希望选用塑性较好的基体。实验证明，此时如果采用较高强度的合金材料，复合材料的性能将有所降低。 相反，对不是连续纤维增强的复合材料，由于基体是主要承力部分，因此，要选用较高强度的合金基体。 3、根据基体和增强材料的界面状态 选用基体时，首先要避免基体与增强材料在复合材料中发生化学反应。其次，基体应该和增强材料有较好的浸润性。,主要基体,根据金属的使用温度不同，大致可分为两种类型，即在450以下使用的金属基体和在450以上使用的金属基体。下表列出了一些基体金属和合金的主要特性。,1、在450以下使用的金属基体 在这个温度范围内使用的金属基体主要是铝、镁和它们的合金，而且主要是以合金的形式被广泛的应用。 （1）铝和铝合金 铝是一种低密度、较高强度和具有耐腐蚀性能的金属。在实际使用中，纯铝中常加入锌、铜、镁、锰等元素形成合金，由于加入的这些元素在铝中的溶解度极为有限，因此，这类合金通常称为沉淀硬化合金，如Al-Cu-Mg和A1-Zn-IVlgCu等沉淀硬化合金。近年来，为航空和航天工业开发出的A1-Li系列合金，进一步提高了铝的弹性模量，降低了材料的密度。 （2）镁和镁合金 镁是一种比铝更轻的金属，但镁的机械性能较差，因此，通常是在镁中加入铝、锌、锰、锆及稀土元素而形成镁合金。目前常用的镁合金主要包括Mg-Mn，Mg-A1-Zn，Mg-Zn-Cr等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合材料的墓体。,主要基体,2、在450以上使用的金属基体 目前主要是钛、铁、镍及其合金和金属间化合物。 （1）钛和钛合金 钛是过渡元素，有两种晶形。-钛具有六角形密排结构，低于885时稳定；-钛是体心立方结构，高于885时稳定。金属铝能提高钛由向相转变的温度。所以铝是相钛的稳定剂。而大多数其他合金元素（Fe、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ta）能降低钛由向相转变的温度，所以是相钛的稳定剂。钛在较高的温度中能保持强度，抗氧化和抗腐蚀性能优良。它具有较高的强度顺量比和模量顺量比，是一种理想的航空、宇航应用材料。 （2）铁和铁合金 在金属基复合材料中使用的铁，主要是铁合金，可在600-900范围内使用，按加工工艺分为变形高温合金和铸造高温合金。铁基变形高温合金是奥氏体可塑性变形高温合金，主要组成为15%-60%铁，25%-55%镍和11%-23%铬，此外根据不同的使用温度，分别加入钨、钼、铌、钒、钛等合金元素进行强化。铁基铸造高温合金是以铁为基体，用铸造工艺成型的高温合金，基体为面心立方体结构的奥氏体。上述两种类型的高温合金分别用于制造燃气涡轮发动机的燃烧室和涡轮轮盘、涡轮导向叶片等。,主要基体,2、在450以上使用的金属基体 （3）镍和镍合金 在金属基复合材料中使用的镍与铁相同，主要是按照加工工艺不同形成的变形高温合金和铸造高温合金。镍基变形高温合金以镍为基（含量一般大于50%），添加了钨、钼、钴、铬、铌等合金元素。使用温度在6501000，具有较高的强度、良好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力，用于制造燃气涡轮发动机的燃烧室等。镍基铸造高温合金是以镍为基，用铸造工艺成型的高温合金，能在600-1100的氧化和燃气腐蚀气氛中承受复杂应力，并能长期可靠地工作，主要用于制造涡轮转子叶片 和导向叶片及其他在高温条件下工作的零件。 （4）金属间化合物 金属间化合物种类繁多，有成千上万种，而用于金属基复合材料的金属间化合物通常是一些高温合金，如铝化镍，铝化铁，铝化钛等，使用温度可达1600。这些高温合金的晶体结构中原子以长程有序方式排列。由于这种有序在金属间化合物中发生位错要比在无序合金中受到更大的约束，因此能使化合物在高温下保持强度。金属间化合物的缺点是它们的韧性非常低，主要原因是组织中低的对称性导致滑移系不足和晶体界面结合较弱。目前在改进该类化合物韧性方面的例子有：在冶金过程中采用快速凝固法以及向Ni3Al一类金属间化合物中添加硼。硼迁移到晶面，使其增强，研究表明，只要添加极少量的硼（0.06%，质量分数）便可使韧性从20%增加到50%左右。 （5）铜 铜是优良的导体，其导电率为银的94%。铜的塑性好，强度和弹性模量不高，热膨胀系数大，容易铸造和加工。铜在复合材料中的主要用途之一是作为铌基超导体的基体材料。,主要基体,复合材料中金属和第二成分的类型和性能、第二成分的体积分数及其分布情况、复合材料的制造方法和界面情况等，决定了金属基复合材料的性能。合理地和适当地控制这些因素，可以制成性能范围很广，能满足各种特殊要求的金属基复合材料。,增强材料,1、对增强纤维的要求 目前，增强纤维主要用于增强低温合金（如铝合金）、中温合金(如钛)、高温合金（如镍基高温合金或铌合金）这三类金属。虽然对增强物的要求随不同基体合金而改变，但下述性能是共同的要求。 （1）高强度。 纤维的高强度首先是为了满足复合材料强度的需要。其次还能使整个加工制造过程简单。 （2）高模量。 对于金属基复合材料，这种性能非常重要。这是为了使纤维承载时基体不致发生大的塑性流动。玻璃纤维的模量比较低，因此，很少用作金属基体的增强纤维。 （3）化学稳定性好。 包括在空气中的稳定性和对基体材料的稳定性。 （4）纤维的尺寸和形状。 对于采用固相制造法的金属基复合材料，大直径的圆纤维更加合适。借助金属基体的塑性流动，这些纤维很容易和基体结合。如用液态金属制造法，由于大直径圆纤维表面积小，化学反应也比较小。 （5）纤维性能的一致性。 很多情况下，复合材料的强度取决于纤维的束强度和纤维强度的分布函数。 （6）抗损伤与抗磨损性能。 （7）耐高温。 金属基复合材料成型加工温度较高，大部分加工工艺需要基体为熔融状态，在此状态下，要避免基体与增强材料的反应和使基体很好地浸渍纤维，首先必须选择耐高温的增强材料。 （8）要对增强材料进行表面处理。 以提高浸润性和防止基体与增强材料发生各类化学反应。,增强材料,2、颗粒（particle）。 直径为0.5-100m。以颗粒增强的金属基复合材料中基体的含量可在25%-90%范围内（SiC，碳化硼，碳化钛）。目前，颗粒增强金属基复合材料已成为金属基复合材料的发展方向之一。 3、晶须（Whisker）。 直径约0.1-0.5m，长径比可达200。以短纤维、晶须增强的金属基复合材料中基体含量在70%以上，一般为80%-90%。 4、纤维。 在连续纤维增强的金属基复合材料中，基体约占50%-70%。 金属基复合材料用的增强纤维中，有代表性的纤维是氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维和碳化硅纤维等。 硼纤维和碳（石墨）纤维使最早用于金属基复合材料中的增强纤维。例如：硼纤维/铝，碳纤维/镁复合材料制成的航天飞机舱框架和人造卫星抛物面天线等。 硼纤维的主要缺点：制造成本高，化学稳定性不如气相沉积的碳化硅纤维。 碳（石墨）纤维发展迅速，其特点为：强度高、模量高。有的碳纤维（例如：美国联合碳公司的P100，P120，P130）热膨胀系数为负，用其制作的碳纤维/镁复合材料的热膨胀系数为零。此外，价格低。,增强材料,（一）注意的问题 1、温度对增强材料的影响 在金属基复合材料的制造过程中，为了保证金属基体有足够的流动性，需要较高的制造温度（高于或接近基体的熔点），在此温度下，增强材料易发生氧化和与基体界面反应，如碳纤维作为增强材料与铝复合，在400以上发生氧化反应，与Al发生界面反应生成碳化铝。这些反应造成增强材料的损伤，同时界面反应造成过强的界面结合，会使材料发生早期的低应力破坏，在应力作用下首先断裂，成为裂纹源，引起复合材料的整体破坏。因此在优化工艺方法中，要尽量缩短基体与增强材料在高温下的接触时间，将界面反应减少到最低程度。提高加工压力，用真空-压力铸造是优化工艺的典型例子。 2、表面处理对增强材料的影响 大部分金属基体与增强材料之间浸润性差，如碳-铝、碳-镁、碳化硅-铝、氧化铝-镁等。通过在增强材料表面覆以薄的涂层防止和抑制界面反应，获得合适的界面结构和结合强度，可以有效地改善增强材料的浸润性。涂层有金属、非金属以及复合涂层三种。 金属涂层与基体金属液间的浸润性好，但易被溶解引起增强材料和基体金属的化学反应。金属涂层密度较大，降低了复合材料的比强度、比模量。 非金属涂层一般为氧化物、碳化物或氮化物，与金属基体之间不易发生各类反应，可有效抑制界面反应，但与基体的浸润性差。 复合涂层为几种不同性质涂层的组合，它们各自完成不同的功能，满足工艺和性能的多种需要，包括叠合和梯度等涂层。 表面涂覆的方法有化学气相沉淀、物理气相沉淀、溶胶凝胶、电镀和化学镀等。,制造方法,（一）固态法 1、扩散黏结法 2、形变法 3、粉末冶金法 （二）液态法 1、挤压铸造法 2、真空压力浸渍法 3、液态金属搅拌铸造法 4、井喷沉积法 （三）其他方法 （1）定向凝固法 （2）反应自生成法,制造方法,固态法是指基体处于固态下制造金属基复合材料的方法。在整个制造过程中，温度控制在基体合金的液相线和固相线之间。使整个反应控制在较低温度，尽量避免金属基体和增强材料之间的界面反应。 固态法包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压法和拉拔法、爆炸焊接法等,制造方法固态法,1、扩散黏结法 在加压状态下，通过固态焊接工艺，使同类或不同类金属在高温下互扩散而黏结在一起。 （1）通常先将纤维与金属基体(主要是金属箔)制成复合材料预制片，然后将预制片按设计要求切割成型，叠层排布（纤维方向）后放入模具内。 （2）加热、加压使其扩散黏结并成型。扩散黏结过程分为三个阶段。 第一阶段：黏结表面之间的最初接触。由于加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜（通常是氧化膜）破坏。 第二阶段：随着时间的进行发生界面扩散、渗透，使接触面形成黏结状态。 第三阶段：扩散结合界面最终消失，黏结过程完成。 （3）冷却脱模后即制得所需产品。 影响扩散黏结过程的主要因素是：温度、压力和加工时间。为保证热压产品的质量，加热加压过程可在真空或惰性气氛中进行，也可在大气中进行。 优点： 可以焊接品种广泛的金属；易控制纤维取向和体积分数。 缺点主要是： 焊接需若干小时，较高的焊接温度和压力需要较高的生产成本，只能制造有限尺寸的零件。扩散黏结法在实际工艺中主要分热压法和热等静压法，后者也是热压的一种方法，主要使用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用。,制造方法固态法,制造方法固态法,2、形变法 形变法是利用金属具有塑性成型的工艺特点，通过热轧、热拉、热挤压等加工手段，使已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料进一步加工成板材。 对金属/金属复合材料，用挤、拉和轧的方法，使复合材料的两相都发生形变，其中作为增强材料的金属被拉长成为纤维状增强相。右图是用热拉法制备金属基复合材料棒材的示意图。,制造方法固态法,3、粉末冶金法 粉末冶金法就是： 将金属基体粉末和增强体粉末均匀混合， 混合后进行冷压得到半成品，其致密度约为80%， 冷压的半成品装入密封模具，升温至基体合金固相线附近，热压或热等静压得到完全致密的复合材料。 粉末冶金法也可以用来制造晶须增强的金属基复合材料。将晶须或短纤维与金属粉末混合后进行热压，制得纤维随机取向的复合材料，以这种方法制得的铝基复合材料，具有很高的比强度、比模量和耐磨性，已用于飞机、航天器等部件。,制造方法固态法,液态法是指基体处于熔融状态下制造金属基复合材料的方法。 为了减少高温下基体和增强材料之间的界面反应，提高基体对增强材料的浸润性，通常采用加压渗透、增强材料表面处理、基体中添加合金元素等方法。 液态法包括真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、井喷沉淀法、热喷涂法等。,制造方法液态法,1、挤压铸造法 挤压铸造是通过压机将液态金属压入增强材料预制件中制造复合材料的方法。其工艺过程是： 先将增强材料按照设计要求制成一定形状的预制件， 经干燥预热后放入同样预热的模具中，浇铸入熔融金属， 用压头加压，使液态金属浸渗入预制件，并在压力下凝固。 加压压力根据预制件的形状、尺寸一般在70-100MPa。 在这么高的压力下，如何保护预制件的形状、尺寸不发生变化，熔融金属不溅出等都对工艺、模具提出较高要求。因此在制造一些高性能、高精密度复合材料时，此法不能胜任。目前挤压铸造法主要用于批量制造低成本陶瓷短纤维、颗粒、晶须增强铝、镁基复合材料的零部件，如用陶瓷纤维增强铝基复合材料制造汽车活塞的工艺已得到使用。,制造方法液态法,2、真空压力浸渍法 真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体的共同作用下，使熔融金属浸渗入预制件中制造金属基复合材料的方法。它综合了真空吸铸和压力铸造的优 点，经过不断改进，现在已经发展成为能够控制熔体温度、预制件温度、冷却速率、压力等工艺参数的工业制造方法。 真空压力浸渍法主要在真空压力浸渍炉中进行，根据金属熔体进入预制件的方式，主要分为底部压入式、顶部注入式和顶部压人式。 右图为典型的底部压入式真空压力浸渍炉的结构简图。浸渍炉由耐高压的壳体、熔化金属的加热炉、预制件预热炉、坩埚升降装置、真空系统、控温系统、气体加压系统和冷却系统组成。金属熔化过程和预制件预热过程可在真空或保护气氛下进行，以防止金属氧化和增强材料损伤。,制造方法液态法,真空压力浸渍法制备工艺是： （1）先将增强材料预制件放人模具，基体金属装入坩埚， （2）然后将装有预制件的模具和装入基体金属的坩埚分别放人浸渍炉的预热炉和熔化炉内， （3）密封和紧固炉体， （4）将预制件模具和炉腔抽真空， （5）当炉腔内达到预定真空度后开始通电加热预制件和熔化金属基体。控制加热过程使预制件和熔融基体达到预定温度，保温一定时间， （6）提升坩埚，使模具升液管插入金属熔体，通入高压惰性气体，在真空和惰性气体高压的共同作用下，液态金属浸入预制件中形成复合材料。 （7）降下坩埚，接通冷却系统，待完全凝固后，即可从模具中取出复合材料零件或坯料。,制造方法液态法,真空压力浸渍的主要优点如下： （1）适用面广。可用于多种金属基体和连续纤维、短纤维、晶须和颗粒等增强材料的复合，增强材料的形状、尺寸、含量基本上不受限制。 （2）可直接制成形状复杂的复合材料零件，基本上无需进行后续加工。 （3）浸渍在真空中进行，压力下凝固，无气孔、疏松、缩孔等铸造缺陷，组织致密，材料性能好。 （4）工艺简单、参数易于控制。可根据增强材料和基体金属的物理化学特性，严格控制温度、压力等参数，避免严重的界面反应。 但是，真空压力浸渍法的设备比较复杂，工艺周期长，成本较高，制备大尺寸的零件投资更大。,制造方法液态法,3、液态金属搅拌铸造法 液态金属搅拌铸造法是将增强相颗粒直接加入金属熔体中，通过搅拌使颗粒均匀分散，然后浇铸成型制成复合材料制品的方法。它是一种适合于工业规模生产颗粒增强金属基复合材料的主要方法。 目前用此法生产高性能颗粒增强金属基复合材料还需解决两个主要困难： 一是颗粒如何与金属熔体均匀混合，并防止团聚； 二是强烈搅拌容易吸入大量空气造成金属熔体的氧化。 与其他制造颗粒增强金属基复合材料的方法相比，液态金属搅拌铸造法工艺简单、生产效率高、制造成本低，适用于多种基体和多种颗粒，具有竞争力。目前这种铸造方法在不断地进行改进，如在搅拌方式上就开发了旋涡法、Duralcon法、复合铸造法、底部真空反旋涡搅拌法等。,制造方法液态法,4、井喷沉积法 井喷沉积法就是运用特殊的喷嘴，将液态金属基体通过惰性气体气流的作用后雾化成细小的液态金属流，将增强相颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上，凝固形成金属基复合材料的方法。 井喷沉积法主要用于制造颗粒增强金属基复合材料。它的工艺过程中有： 基体金属熔化，液态金属雾化，颗粒加入及与金属雾化流的混合，沉积和凝固等工艺过程。 其中液态金属雾化是关键工艺。 液态金属雾化液滴的大小和尺寸分布、液滴的冷却速率影响复合材料的最后性能。一般金属液滴的尺寸在10-30m，到达沉积表面时保持半固态和液态，在沉积表面形成厚度适当的液态金属薄层，能够充分填充颗粒间的孔隙，获得均匀致密的复合材料。 此外，一些工艺参数如熔融金属温度、惰性气体压力、流量和速度、颗粒加入速率、沉积底板温度等都会影响复合材料的质量。需要根据不同的金属基体和增强相进行调整组合，从而获得最佳工艺。,制造方法液态法,井喷沉积法的工艺特点如下： （1）适用面广。可用于铝、铜、镍、钴、铁、金属问化合物基体，可加入SiC、Al2O3、TiC、Cr2O3、石墨等多种颗粒，产品可以是圆棒、圆锭、板带、管材等。 （2）生产工艺简单、效率高。与粉末冶金法相比不必先制成金属粉末，然后再依次经过与颗粒混合、压制成型、烧结等工序，而是快速一次复合成坯料，雾化速率可达25-200kg/min，沉淀凝固迅速。 （3）冷却速率快。金属液滴的冷却速率可高达103-106K/s，所得复合材料基体金属的组织与快速凝固相近，晶粒细，无宏观偏折，组织均匀。 （4）在严格控制工艺参数的条件下颗粒在基体中的分布均匀。 （5）复合材料中的气孔率较大。气孔率在2%-5%之间，经挤压处理后可消除气孔，获得致密材料。,制造方法液态法,主要是除固态法和液态法之外的一些制造金属基复合材料的方法。通过运用化学、物理等基本原理而发展的一些金属基复合材料制造方法，如原位自生成法、物理气相沉积法和化学气相沉积法等。 原位自生成法是指增强材料在复合材料制造过程中在基体中生成和生长的方法。根据增强材料的生长方式，可分为定向凝固法和反应自生成法。,制造方法其他法,（1）定向凝固法 增强材料以共晶的形式从基体中凝固析出，通过控制冷凝方向，在墓体中生长出排列整齐的类似纤维的条状或片层状共晶增强材料。以这种方式生产的镍基、钴基定向凝固共晶复合材料已得到应用。 （2）反应自生成法 增强材料是由加入基体中的相应元素之间的反应、合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间反应生成的。此方法是在近20年中发展起来的，主要用于制造金属间化合物复合材料。如有Lanxide公司开发的Lanxide法等。 以原位自生成法制造的金属基复合材料中基体与增强材料间的相容性好，界面干净，结合牢固。特别当增强材料与基体之间有共格或半共格关系时，能非常有效地传递应力，界面上不生成有害的反应产物，因此这种复合材料有较优异的力学性能。,制造方法其他法,不同复合固化工艺的总结,金属基复合材料通过各种金属和合金与耐高温、低密度、高强度的纤维或颗粒增强材料结合，具有导电性、导热性、导磁性，具有良好的切削加工性能，也保持了金属材料原有的压力加工、焊接和热处理等加工性能。同时，由于陶瓷增强材料的加入，使复合材料的耐热性、耐磨性得到加强，同时材料的相对密度有所减少。在金属基复合材料中，有时也采用金属类增强材料，这些材料的加入对复合材料的韧性有较大的提高，使一些低密度金属基（铝、锂）复合材料担当起结构材料的作用，用于制造一些航空、航天器的骨架材料。,性能,（一）界面结合对性能的影响 在金属基复合材料中，存在着大量的增强材料和基体之间的界面。增强材料的比例越高，增强材料的尺寸越小，则这种界面就越多。界面结合的状况对复合材料的宏观性能起着重要的作用。金属基复合材料的界面结合主要是物理和化学两种结合。 物理结合方式就是利用增强材料的粗糙表面，使熔融金属渗入表面孔隙，从而使复合材料在受到纵向拉伸时，由于界面增强相和基体相的啮合效应，使复合材料的拉伸强度提高。Hill等通过腐蚀钨丝表面，然后将钨丝用真空液态金属浸渍法与铝复合，用纵向拉伸试验评价了三种界面条件。 （1）一是当表面光滑时铝基与钨丝之间的化学反应导致高的强度； （2）二是表面光滑但有石墨涂层，则此石墨层将阻挡界面化学反应发生，即无化学反应，并且因为界面光滑只有很小的机械结合，使最终强度很低； （3）三是使用有石墨涂层，但表面粗糙的钨丝，虽然界面上没有化学反应，但因为粗糙表面存在的机械啮合效应，这种结合使强度达到了界面上有化学反应的水平。 由上述实验还可以知道，利用增强材料粗糙表面产生的物理结合主要用来 有效提高复合材料沿纤维方向的拉伸强度，对横向拉伸作用很小。,性能,（一）界面结合对性能的影响 2、化学结合方式就如Hill等所做实验中铝和钨丝的反应。 （1）当增强相和基体之间发生扩散和化学反应，反应产生的化学键合可以使增强相和基体间产生强结合。 （2）太厚的反应层将对复合材料的宏观性能产生有害的影响。 （3）所以通常用控制反应时间和温度等方法来控制反应层的厚度。 由于金属基复合材料的加工成型温度较高，对一些陶瓷类增强材料，由于热膨胀系数通常小于大多数金属基体，因此在复合材料中产生了热应力。Poritsky等用二组元模型进行了热弹性分析，Brooksbank等对颗粒增强提出了无限弹性连续介质中弹性球模型，通过该模型研究热失配引起颗粒与界面上产生的压力。 研究表明：在纤维或颗粒复合材料中产生的热应力在温度变化很小时已超过金属基体的屈服应力，因此将引起基体的塑性变形，产生高密度位错。Arsenault等用透射电镜证实了在纤维和颗粒增强金属基复合材料中增强相附近存在高密度位错。这种位错造成局部区域硬度增加。,性能,事实上，由于受到加工温度、时间、压力的影响，受到金属基体对增强材料的浸润性以及上述的界面结合的影响，金属基复合材料界面的结合及其控制成为人们研究的热点。目前已经通过透射电子显微镜（TEM）开展形貌观察、晶体缺陷分析和微区晶体结构测定，通过电子探针（EPMA）研究在界面的微米范围区域内除氢、氮、锂以外的所有元素。如果能够通过研究找到各种金属基复合材料界面很好结合的途径，则将使金属基复合材料的宏观性能得到进一步的提高。,性能,由于金属基体本身具有较高的强度和韧性，因此加入纤维、晶须和颗粒等增强材料后，复合材料中的缺陷等因素造成了强度和韧性并不同步增加的现象，下面分别讨论。,性能,1、拉伸强度 （1）有关测试表明，连续纤维增强的金属基复合材料与纤维平行方向的纵向拉伸强度有较大提高，但横向拉伸强度增加很少。 （2）在高温条件下，金属基复合材料中使用了一些耐高温陶瓷增强材料，从而使它的拉伸强度的提高更为显著。 以20%多晶氧化铝短纤维增强铝合金为例，在350时复合材料的拉伸强度是铝合金的一倍，相当于铝合金在250时的拉伸强度，由此也说明复合材料的耐热温度比基体提高了100。,性能,2、弹性模量 连续纤维单向增强金属基复合材料的弹性模量随纤维体积分数线性提高，其中纵向弹性模量提高较多，横向弹性模量提高较少。右图列出了不同类型增强 体(连续纤维、晶须、颗粒)体积分数的变化与复合材料弹性模量提高的情况，由图 中可见，从连续纤维到颗粒，增强效果依次降低。,性能,3、韧性 连续纤维增强金属基复合材料的韧性，与强度和模量相同，呈现各向异性。研究硼纤维增强铝合金复合材料，铝合金本身的断裂韧性KIC为37MPam1/2，当硼纤维以与受力方向成0、90和0/90取向排列时得到的复合材料的KIC值分别为100、34和61-63MPam1/2。由此反映出纤维纵向排列时韧性最大，而横向韧性不但没有提高，而且还低于铝合金本身的韧性。因此对于均匀受力的金属基复合材料，可使用多向编织增强材料来提高横向韧性。 对颗粒和晶须增强6061铝基材料的断裂韧性数据见下表。由表中可见，所得复合材料的韧性低于铝基材料，这也说明颗粒和晶须增强金属材料，由 于增强相和基体界面结合等一系列因素造成应力集中、体内缺陷，使复合后韧性有下降。,性能,性能,4、耐疲劳性 在循环载荷作用下，力学性能下降导致材料破坏的现象可定义为疲劳。正在使用的材料都有一个疲劳问题。金属基复合材料要被设计和运用，同样必须测定其耐疲劳性能。 理论上讲，当在金属基体中用短纤维（或晶须）和连续纤维增强，且纤维与应力方向平行时，疲劳性能可得到很大改善。但在实际运用疲劳断裂扩展试验测定复合材料的疲劳性能时，由于复合材料有很多缺陷，如基体开裂、纤维断裂、脱层、脱黏、空洞生长、多向开裂等，且这些缺陷在实验测定的早期就出现，因此出现了复合材料的疲劳性能低于未增强合金的结果。 Shiang等研究了SiCp/Al复合材料中SiC颗粒的尺寸对疲劳裂纹扩展速率随循环应力强度变化的影响后发现，细颗粒复合材料的门槛应力强度Kch低于未增强的合金，即复合材料对疲劳裂纹生长的最初抗力小于末增强的合金。,性能,5、金属基复合材料的摩擦磨损性能 高强度、高模量、高硬度的陶瓷增强材料的加入明显提高了金属基复合材料的耐磨性，而某些具有自润滑作用的增强材料（如石墨）又可使复合材料的摩擦系数大为改善。通过控制调整增强材料的种类、形态、尺寸、取向等可以获得最小的磨耗和与对磨材料的最佳匹配，这是普通金属