金属基复合材料

金属基复合材料6.1金属基复合材料的种类和基本性能6.1.1金属基复合材料的种类1.按基体分类(1)铝基复合材料通常不是用纯铝而使用各种铝合金为基体，是金属基复合材料中应用得最广的一种,具有良好的塑性、韧性、易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点。（2）镍基复合材料以镍及镍合金为基体制造的，在高温下具有抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变和耐疲劳等优异性能，主要用于制造高温下工作的零部件。（3）钛基复合材料比任何其他的结构材料具有更高的比强度，且耐热性好，抗蚀性能优异。第2页,共21页，2024年2月25日，星期天2.按增强体分类（1）颗粒增强复合材料（2）层状复合材料（3）纤维增强复合材料6.1.2金属基复合材料中增强体的性质连续纤维增强对金属基体的增强效果最好，对于纤维状增强体，对其性能具有以下基本要求：a.高强度。b.高模量。c.容易制造和价格低廉。d.化学稳定性好。e.纤维的尺寸和形状的要求。f.性能的再现性和一致性。g.抗损伤和抗磨损性能。第3页,共21页，2024年2月25日，星期天如表6-2，一些重要的增强纤维及其性能第4页,共21页，2024年2月25日，星期天钢丝、钼丝和钨丝强度高，具有优良的高温蠕变性能，但比模量没有其他纤维高，铍丝具有很高的比模量，但价格较高。

E玻璃纤维和S玻璃纤维具有优良的比强度和低成本，但模量低且化学性质活波，很少用来增强金属。氧化铝纤维具有很高的强度，但氧化铝纤维对磨损很敏感，而且很贵。用硼纤维增强铝合金和镁合金时具有很好的综合性能。用钨作底丝再现性好、强度高、价格低且化学纯度高，有时也用碳单丝及其它金属丝作底丝。硼纤维具有一系列很突出的优点，它的比模量和比强度高、与固态铝和液态镁的化学相容性好、直径大，再现性好且价格适宜。碳化硅纤维和碳化硼纤维已有实验室规模的生产，它们比硼纤维具有更好的抗蠕变性能，因此这些纤维主要作为高温增强材料。石墨纤维或丝束有优良的比模量和比强度，但由于这种纤维和熔融全属有反应，使复合材料加工因难，从而使其作为全属基体的增强体的应用受到限制。

第5页,共21页，2024年2月25日，星期天6.2铝基复合材料6.2.1硼—铝复合材料硼—铝复合材料综合了硼纤维优越的强度、刚度和低密度及铝合金基体的易加工性和工程可靠性，具有比其他金属基复合材料更高的比模量，这种优点同样表现在多向增强的复合材料上。高模量的铝基可以防止复合材料承受压力时纤维发生微观曲折，在纤维受压时这种微观曲折问题由于纤维直径小而更为严重，这便是细石墨纤维增强复合材料抗压强度低的一个主要原因。除此之外，硼—铝复合材料的其它重要物理性能与机械性能有：高的导电性和导热性、塑性和韧性、耐磨性、可涂覆性、连接性、成型性和可热处理性及不可燃性。第6页,共21页，2024年2月25日，星期天1.硼铝复合材料的增强纤维与基体（1）增强纤维对增强纤维的主要要求是比模量高、比强度高、性能重复性好、价格低以及易于制造成复合材料。目前大量供应的硼纤维有100m和140m两种直径的纤维，对表面磨损和腐蚀不敏感，具有良好的高温性能，但在500℃以上暴露于氧气中，短时间纤维强度就会受损，可对纤维表面进行涂层，如涂覆碳化硅层。（2）基体基体应具有良好的综合性能：较高的断裂韧性，较强的阻止纤维断裂处或劈裂处的裂纹扩展能力；较强的抗腐蚀性，较高的强度等。对于高温下使用的复合材料，还要求基体具有较好的抗蠕变性和抗氧化性。此外，基体应能熔焊或钎焊。应用最普遍的是采用变形铝为基体用固态热压法制得的复合材料。第7页,共21页，2024年2月25日，星期天硼铝复合材料的制造可采用等离子热喷涂技术。如图6－5，将硼纤维绕在圆筒上，使纤维间保持0.1mm间隙，然后用等离子喷涂铝或其合金，厚度约0.3mm，切开已喷好铝的B纤维，成片状进行铺层，根据需要在每层间加铝箔，其最里与最外层加纯铝，加温、加压进行复合。这种工艺的优点：纤维在缠绕桶上就被基体固定住，因而纤维间距好控制，喷涂条带的耐久性和强度好，以及易于复合、粘结。在制造硼铝复合材料时，在硼和铝合金中还可加入第三组元以改进一些性能，如高温横向性能、抗腐蚀性和韧性等。除了上述制造工艺外，还有电沉积、金属粉末成型、铸造和纤维缠绕配合等工艺。常用纤维缠绕加等离子喷涂基体这样的工艺来制造平板和大直径圆环，具有极好的高温强度和耐疲劳性能。第8页,共21页，2024年2月25日，星期天第9页,共21页，2024年2月25日，星期天6.3镍基复合材料以纯镍或简单镍铬合金为基体，增强物以单晶氧化铝（－Al2O3蓝宝石）为主，它的突出优点是高弹性模量、低密度、纤维形态的高强度、高熔点、良好的高温强度和抗氧化性。6.3.1蓝宝石晶须和蓝宝石杆蓝宝石晶须：蓝宝石晶须是迄今所发现的强度最高的固体形态，小直径的晶须强度较高且比粗的容易生长，所以在制造复合材料时被优先选用，为了改善与金属的浸润性和便于制造需用金属涂层，厚度应小于0.5m，但这样薄的涂层，在液态镍或镍铬合金中几秒钟就熔解了，从而使晶须表面不润湿，还造成纤维强度下降，所以不能用液态渗透法来制造镍基复合材料，此外，晶须的制造成本太高，且难以将生长得好的晶须与有缺陷的晶须进行分离。第10页,共21页，2024年2月25日，星期天蓝宝石杆：用火焰抛光法可制出几乎无表面缺陷的直径1mm，长度5～10cm的蓝宝石杆，具有同蓝宝石晶须相当的强度，由于每根短杆都是单个制备的，而且晶体生长、机械加工和抛光都是很昂贵的，因此实用性不强，但与晶须相比，有利于对蓝宝石和镍合金相互作用的研究。6.3.2镍－蓝宝石反应的性质和影响在高温下，蓝宝石和镍或镍合金发生反应，使纤维强度降低，因此必须在纤维上涂涂覆防护层，可采用钨或者一些难熔的陶瓷涂层如碳化物、硼化物和氧化物。6.3.3镍基复合材料的制造和性能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。第11页,共21页，2024年2月25日，星期天热压法成功制造了Al2O3－NiCr复合材料，先在杆上涂一层Y2O3(约1m厚），随后再涂一层钨（约0.5m厚），涂钨的目的除了可以进一步加强防护外，还赋予表面以导电性，这样可以电镀相当厚的镍镀层。这层镍可以防止在复合材料迭层和加压过程中纤维与纤维的接触和最大限度减少涂层可能造成的损伤。经过这种电镀的杆放在放在镍铬合金薄板之间，板上或者有沟槽，或者有焊上的镍铬合金丝或者条带，以便使杆能更好地排列并保持一定的间距。加压在真空中进行，典型条件是温度1200℃，压力41.4MPa。第12页,共21页，2024年2月25日，星期天6.4钛基复合材料1.硼钛复合材料1）硼钛复合材料的界面组织结构硼钛之间存在严重的界面反应，生成TiB2等，为了获得理想的界面组织结构，提出了以下解决方法：（1）高速工艺可以采用轧制法，就是使箔片和纤维在轧辊之间通过，经电加热制得带状复合材料。典型的温度为1000℃，此温度下停留的时间为1s～2s，测定的反应层厚度小于50nm。（2）低温工艺与高速工艺不同，因使用热压，时间不能太短，合理的热压时间为15min，温度为830℃，便于减小高温下界面反应的程度。（3）研制低活性基体对钛进行合理的合金化，可以减少界面反应。（4）研制减小反应的涂层纤维表面涂覆碳化硅涂层，可以延缓硼纤维与钛之间的界面反应，界面结构明显改善。但碳化硅涂层的成本较高而可靠性较低。第13页,共21页，2024年2月25日，星期天2）硼钛复合材料的制备图6－20为轧制法制备硼钛复合材料，将30根硼纤维按0.15mm的中心距分两层夹在带轧槽的纯钛箔中间，这样可以使纤维排列精确。将三层箔片和30根纤维的叠排层喂入带耐热合金热滚轮的连续扩散焊合机，焊合速度为15cm/min，使复合材料的加热条件相当于在1000℃的静态加热时间略多于1s，带材的尺寸被修整到0.25cm×0.03cm,大约有25％（体积比）的硼。这种工艺制得的硼钛复合材料的界面硼化物的厚度为25nm～50nm。但由于高速工艺的缺点是制成后存在残余应力，因此需进行退火，退火后的强度和断裂应变量都有所提高。其纵向强度为1000MPa，横向强度为400MPa，横向模量为130～140MPa。第14页,共21页，2024年2月25日，星期天第15页,共21页，2024年2月25日，星期天2.碳化硅增强钛基复合材料其中以Ti-6Ai-4V为基体（体积含量22％）的复合材料，典型抗拉强度为900MPa，弹性模量为200GPa。采用0.1mm的Ti-6Al-4V箔片与碳化硅席片，在850℃、40MPa条件下进行1小时的扩散而制成的。在多数情况下，为帮助控制间隔，使用了粉末附加剂。纤维席片先用胶粘剂固定，然后在加热过程中将胶粘剂挥发掉。第16页,共21页，2024年2月25日，星期天6.5石墨纤维增强金属基复合材料石墨纤维与许多金属缺乏化学相容性,就目前情况看,铝、镁、镍和钴同石墨的相容性较好,而钛与石墨易形成碳化物。6.5.1石墨纤维聚丙烯腈基碳纤维在1500℃以下强度随温度的升高而增加，超过此温度，强度随温度的升高而下降，直到1900℃后趋于稳定，而模量在整个石墨化过程中随温度的增加而不断增加。石墨纤维具有极耐高温而不损失强度与模量的能力，但由于石墨与许多金属接触时有很高的反应活性以及纤维的直径很小，因此对制造会造成一定的困难。第17页,共21页，2024年2月25日，星期天第18页,共21页，2024年2月25日，星期天6.5.2石墨-铝复合材料制备方法：

1.60年代初，用直径为0.5m的切碎石墨短纤维，将其和合金粉末在球磨机中混合然后进行热挤压，挤压温度为360—600℃，当石墨纤维的百分比达到20%—40%时，制得的复合材料强度大大超过了单纯由粉末挤压所制得的合金。

2.如图6-22，先把模子预热到750℃，然后在石墨压头上加压，使铝渗透到纤维层中，为改善石墨与铝之间的润湿性，应对石墨纤维进行涂层包覆，可制得强度达到160MPa的复合材料，其纤维的体积百分比为8%。

3.真空蒸发工艺能成功地把大量铝沉积到纤维上，但由于纤维与基体之间的剥离，用这种方法制得的复合材料强度相当低。

4.连续铸造法：首先将涂镍的1m碳纤维束引过一个模子，这个模子是安置在盛有铝熔液的坩埚底部，纤维束被液态金属浸润渗透，并在模中固结形成连续丝。第19页,共21页，2024年