金属基复合材料的发展现状与应用前景.docx

金属基复合材料的发展现状与应用前景development situation and appl ication prospects of metal matrix composites上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室教授吴人洁制约金属基复合材料 ( mmcs) 扩大应用 摘要看不到有扩大应用的可能性 。本文着重叙述的是颗粒 、短纤维或晶须等非连续增强体的 mmcs ,其中 ,颗 粒增强的 mmcs 已具备批量生产条件 ,有良好的发展前景 。迄今 ,已开发出不少非连续增强体 mmcs 的制备 方法 ,见表 1 。在表 1 列出的各种制备方法中 ,搅拌混合法和挤压铸造法比较成熟 ,已具备批量生产的条件 。对搅拌 混合法工艺已完成了大量研究工作 ,其中包括对增强体进行表面处理 ,以改善其与基体金属的浸润性 ;调整 基体合金元素以减轻界面反应对 mmcs 性能的影响 ; 在设备方面则改进了搅拌桨的形式以改善增强体分布的均匀性 ,此外 ,研究了增强体的加入机构 ,为降低气 孔率还制作了施加负压的装置 ; 在工艺条件上则研究了搅拌速度和金属熔体温度对混合均匀度和产生气泡 的影响 。目前正在探索适用于细颗粒 ( 10m) 的搅拌混合工艺 ,研究 mmcs 在凝固过程中金属熔体与增强体之间的相互作用对结构及性能的影响 。 挤压铸造法已较普遍地使用在 mmcs 小型零部件制造中 。采用这种方法时 ,部件的尺寸取决于压机 的吨位和平台的面积 ,此外 ,增强体预成型件的制作及其相关的模具设计也非常重要 。在其制备方法的研究 中 ,大量工作集中在各项工艺参数方面 ,如金属熔体与预成型增强体在模具中的温度 、施加的挤压压力 ,以及 制件在模具中的冷却速度与其性能的关系等 ,此外 ,对 不同工艺条件下制成的 mmcs 界面上存在的残余应力也作了一些研究 。112 几种新工艺的发展前景比较新颖而有发展前景的工艺是原位反应复合 、 无压浸渗和真空压力浸渍法成型 。当然 ,仍需对这些方法进行更多的研究 ,以克服其中的缺点并进一步发 挥其优势 。(1) 原位反应复合法 。 原位反应复合法经过对其反应体系及其机制的研究 ,可以克服难以控制增强相的组成及其体积分数的缺点 ,保持制件性能的稳定性 。例如 ,用原位反应复合 法制作的钛基复合材料 ,由于其优异的力学性能和耐热性能 ,在航空 、航天和汽车工业中有较广泛的应用前19的主要因素是成本过高 。本文介绍了 mmcs 的各种制备技术 ,分析了其中较为简单而有效的方法 ,并叙述 了信息 、汽车等能发挥 mmcs 特色的领域的应用 。关键词 : 金属基复合材料复合材料制造工艺复合材料应用the reaso n w hich rest rict s t he ex2abstracttending applicatio n of metal mat rix co mpo sites ( mmcs)is it s higher co st s. this paper int ro duces vario us p repara2 tio n technologies of mmcs , analyzes t he simple and ef2 fective met ho ds and describes t he applicatio n in so me fields , such as info r matio n and auto mo bile w hich canrep resent t he feat ures of mmcs.key words : mmcsmanufacturingprocess ofmmcsappl icat ion of mmcs金属基复合材料 ( mmcs) 问世至今已有 30 余年 。mmcs 的耐温性较高 ,力学性能 ( 特别是刚度) 比一般 金属的好 ,此外它还具有导电性以及在高真空条件下不释放小分子的特点 ,克服了树脂基复合材料在航宇 领域中使用时存在的缺点 ,因此受到航空航天部门的青睐1 。然而 ,尽管 mmcs 在航天飞机以及其他一些 尖端技术中已经获得应用 ,但用量很小 ,不足以推动其发展 。近年来虽然努力在民用领域寻找机遇 ,但终因 成本偏高而缺乏与金属等其他传统材料竞争的优势 。 因此发展 mmcs 的出路在于寻找降低成本的措施 ,同时也要探索能充分发挥其特色的应用领域 。鉴于复合 材料的成型工艺占其成本的 60 %70 % ,所以研究发展高效 、省时 、低能耗 、设备简单 、能实现近似无余量成 型的工艺方法是当务之急 。1金属基复合材料制备技术111各种制备方法简评mmcs 通常按增强体的形式分类 ,如连续纤维增 强 、短纤维或晶须增强 、颗粒增强以及片层叠合等 。由于连续纤维增强的 mmcs 必须先制成复合丝或复合 片等先驱体 ,工艺复杂而成本高 ,因此除了极少量有特殊要求的零件 ( 如航天飞机的结构梁) 采用外 ,目前尚航空制造技术第十三届国际复合材料学术会议专辑表 1非连续增强体 mmcs 的制备方法景 。曾沿用粉末冶金 、机械合金化等传统方法来制备这种复合材料 ,但均因成本过高而难以发展 。在熔铸 过程中使基体金属与添加物产生化学反应生成增强体是一种简便快速的方法 ,而且不需特殊设备 。据报道 ,科研人员已在一般钛合金的电弧熔炼炉中利用钛与碳 化硼及碳之间的自蔓延高温合成反应 ,形成了 tib 晶须和 tic 颗粒混杂增强的钛基复合材料 ,并通过调节不同的原料配比来改变增强体的体积分数 。研究结果 表明 ,这类 mmcs 不仅增强体均匀分布 , 而且性能优于优质钛合金 im i834 ,其高温性能尤为突出 ,表 2 是 上述这几种材料的力学性能对比 。上述 mmcs 不像某些 mmcs 那样会由于在高温环境中产生脆性的界面反应层导致低应力破坏 ,其相 间界面清晰 ,无界面反应区 ,且结合良好 ,呈现优良的高温性能 ,尤其在 600 高温下经 1 000 h 仍能保持约300 m pa 的弯曲强度 ,这是目前各种钛合金不能比拟 的 。研究试验还表明 ,添加较多石墨成分可生成等轴的 tic 粒子 ,有助于改善这类 mmcs 的力学性能 。从上述例子可以看出 ,原位反应复合法是值得研 究开发的 mmcs 制备方法 。尤其是当前纳米复合材料正成为研究的热点 ,为了防止纳米相的团聚和纳米晶体的长大 ,采用原位反应生成纳米尺度的增强相是 一种有效的途径 。(2) 无压浸渗法 。无压浸渗法利用物体的表面能 ,通过毛细作用将 金属熔体吸入由增强体构成的预成型体中 。由于液态(金属熔体) 和固态相 ( 增强体) 的表面张力不同 ,所以 必须选择能相互浸润的匹配体系 ( 即界面接触角小的 体系) ,因而原材料的选择受到较大的限制 。但是从工艺角度来看 ,这种方法是成本最低的 。最近有报道称 ,利用无压浸渗法制备了 sic/ al 复合体系 ,其关键是增 强体需经合适的表面处理以改善其浸润性 。(3) 真空压力浸渍法 。采用真空压力浸渍法3 时 , 先将放入模具内的增表 2原位复合钛基复合材料与钛合金的力学性能对比3 timmcs1 和 timmcs2 均为 tib 、tic 混杂增强的试样 ,仅其 v f 值有差别 。在 timmcs1 中 , tic 的 v f 值为 2 % , tib 的 v f值为 8 % ;在 timmcs2 中 , tic 和 tib 的 v f 值均为 5 % 。202001 年第 3 期试 样 3室温600 650 700 0 . 2 / m pab/ m pa/ %e/ gpab/ m pa/ %b/ m pa/ %b / m pa/ %timmcs11 166 . 61 234 . 01 . 35130. 5780 . 913 . 2639. 120 . 9423 . 931 . 0timmcs21 243 . 71 329 . 81 . 74131. 2786 . 110 . 2657. 411 . 8564 . 321 . 0im i8349101 0306 . 0011963514 . 63方 法优点缺点粉末冶金 法基本上不存在界面反应 , 质量稳定 , 增强体体积分 数 v f 可较高 ,可选用细小颗粒增强体 ,增强体分布均匀 ,可实现近似无余量成型工艺程序多 ,制备周期长 ,成本高 ,降低成本的可能性 小搅拌混合 法工艺简单 ,设备投资少 ,生产成本低 ,可大规模生产v f 有限 (一般不超过 20 %) ,颗粒一般不可能小于 10m ,有界面反应的可能性 ,增强体分布难达到均匀化 ,有 气孔 ,只能制成铸锭 ,因此需二次加工挤压铸造 法工艺较简单 ,生产周期短 ,设备投资较少 ,有降低成 本的可能性 ,能实现近似无余量成型 , v f 可较高 ,界面反应不严重需先制成预成型体 , 预成型体对产品质量影响很大 ,模具造价较高真空压力 浸渍法v f 可调范围大 ,分布均匀 ,制品质量好工艺设备昂贵 , 制造大型零部件有困难 , 如冷却工序 安排不妥善 ,可产生明显的界面反应 ,制备周期较长共喷射法成型速度快 ,工艺周期短设备昂贵 ,由于孔隙率高而质量较差 , 仅能制成铸锭 和平板 ,原材料损失大机械合金 化法增强体分布均匀 , v f 范围较大 ,制品质量较好设备昂贵 ,工效低 ,在制备过程中易带入杂质原位反应 复合法成本较低 ,增强体分布均匀 ,基本上无界面反应 ,可 以使用传统的金属熔融铸造设备 ,工艺周期较短工艺过程要求严格 , 较难掌握 , 增强相的成分和体积 分数不易控制无压浸渗 法增强体分布均匀 ,界面反应不明显 ,设备简单 ,成本 较低工艺周期长 ,复合体系有限 ,预成型体制作较难第十三届国际复合材料学术会议专辑强预成型体抽真空 ,然后施加 5 10m pa 的压力将熔融的金属液体压入模具内复合 ,冷却后得到制件 。该 方法虽然存在设备昂贵及工件尺寸有限的缺点 ,但对小型制件而言 ,却有不少可取之处 ,因为除了有前述的增强体的 v f 范围大 、制品质量好的优点外 ,还可以实 现近似无余量成型 ,特别适合于复杂精密的制件 。铝基 mmcs 的比刚度高 、尺寸稳定性好 , 因此适合制造各种天线及抛线反射板等 ,但用量不会太大 。 汽车工业是国家标志性产业之一 ,所以在内燃机引擎中推进 mmcs 的应用一直是研究人员的努力方 向 。例如 , 日本投入很大力量研制 mmcs 的活塞 、缸套 、连杆和销钉以及其他一些零部件 ,主要是想利用铝 基 mmcs 的耐热性和耐磨性比铝合金好以及力学性能较高的特点 。如果活塞顶部及环槽的局部用氧化铝(或莫来石) 短纤维增强铝 mmcs 制造 ,就能大大改善 活塞环对活塞槽的磨损 ,活塞顶的耐热性能也有所提高 。从实际应用的角度看 ,虽然日本报道已有小批量 生产 ,但迄今仍因存在成本高的问题而未能大幅度发 展 。由于防止环境污染的问题越来越被人们重视 ,许 多国家正不断提高尾气排放的指标 ,为了使燃烧完全 , 势必要提高活塞顶的承受温度 ,这无疑给 mmcs 活塞 提供了发挥优势的机会 。其他部件仍在研究之中 ,目前尚无明显突破的迹象 。另据文献报道 ,德国已用碳化硅颗粒增强铝作为 高速列车的刹车部件 ,使用效果很好 ,且明显降低了车 厢的重量 。我国也正在将这种 mmcs 用于摩托车刹 车箍上 ,取得了缩短刹车距离和减轻重量的效果 ,受雨 淋后也不会像原用铸铁刹车箍那样会因生锈而降低刹 车效率 。此外 ,值得一提的还有镁基复合材料 。镁是能制 作成材料而密度最低的金属 ,过去因为镁在铸造时易燃 ,加工性差 ,力学性能也不理想 ,所以一直只作为合金来使用 ,应用量也不大 。但研究表明 ,如果制成镁基 复合材料 ,将能明显改善其力学性能 ,因而就不难找到合适的应用场合 。我国是镁储量很大的国家 ,所以这 项工艺颇有开发研究的价值 。总的看来 ,mmcs 目前尚未在工业应用领域中充 分显现它自身的价值 ,但可以相信 ,随着工艺技术的提 高而不断降低成本 , mmcs 将会凭借其特点进入能发 挥其优势的市场 。2金属基复合材料的应用尽管 mmcs 目前尚未获得大规模应用 ,但它具有耐温较高 、抗磨性好 、力学性能一般比基体金属高 、热膨胀系数比基体金属小 、导热率较高 ,以及所有性能均 可在一定范围内加以设计等特点 ,所以必定存在着能充分发挥其性能优势的应用领域 。21 世纪是信息时代 , 在信息技术领域中 , 集成电 路的集成度将不断提高 ,而其散热问题已成为制约集成度提高的关键因素 ,因此需要寻找具有高导热系数 的材料作为封装的基材 ,但是这种材料还要同时满足与电路硅片及其绝缘陶瓷基板的热膨胀系数 ( c e t 为3 106 7 106 ) 相匹配的要求 ,否则会因热失配形成 残余应力而损坏电路 。表 3 列出一些材料的性能数据4 ,对这些材料进 行了综合评价 。碳化硅颗粒增强铝 ( sicp / al) 导热系数较高 ,热膨胀系数符合要求范围 ,且密度较低 ,特别 是价格相对便宜 ,工艺也较简单 。其他的一些材料 ,如铜 - 钨合金密度太高 ;碳纤维增强金属虽然性能较好 , 但由于连续纤维增强工艺难度大 ,且有随纤维的取向 呈各向异性的缺点 。目前美国已用真空压力浸渍法进行 sicp / al 封装器件的小批量生产 , 国内也开始用无 压浸渗法进行该类封装材料的试验 。可以预期这种材料有可能在信息领域中获得较多的应用 。此外 ,由于表 3一些材料的导热系数和热膨胀系数金属基复合材料的再生与回收由于地球的环境问题日趋严重 ,各种材料必须考 虑它的再生与回收 。当然 ,mmcs 目前的用量不大 ,问 题还不突出 ,但从长远看 ,这个问题是不能回避的 。目 前 ,原则上说除连续纤维增强的 mmcs 外 , 其他非连 续增强的 mmcs 均可以采用重熔再铸造的方法来再 生 。然而 ,不少 mmcs 在高温重熔的过程中会发生界 面反应而生成界面产物 ,以致严重影响重熔再生的材 料性能 ,甚至自行碎裂 。例如 ,碳化硅颗粒增强纯铝复 (下转第 59 页)213航空制造技术材料导热系数/w( mk) - 1热膨胀系数/ 10 - 6 k- 1密度/gcm - 3铝22023217铜40017819可伐合金 ( kovar)17519813铜 - 钨合金1676151616铜 - 钼合金1847101010因瓦合金丝/银 mmcs ( invar)153615818碳纤维/ 铜 mmcs400615712碳纤维/ 铝 mmcs2906 . 52 . 5氧化硅颗粒/ 铝 mmcs1261606 . 513 . 52 . 52 . 6碳化硅颗粒/ 铝 mmcs1702206 . 27 . 33 . 0氧化铍颗粒/ 铍 mmcs2406 . 12 . 6软件天地4结束语本算法成功地实现了对 g 代码仿真检查的要求 。通过观察屏幕上显示的刀具轨迹 ,可以很方便地检查g 代码程序是否符合编程者的要求 。对于程序中出现 的错误 ,可以在屏幕上显示出错信息 ,并将出错信息记录在文件中 ,以便修改 。宏变量的变量名可以任取 ,方便了编程者 。本程序采用可视化的方法检查 g 代码 程序 ,特别是手工编制的 g 代码程序 , 具有较强的实用意义 。但对于 g 代码程序中的流程控制命令和孔 加工的固定循环 ,尚需作更深入的研究 ,以期使本程序图 5带补偿 g 代码程序的仿真fig. 5simulatio n of a g- co de p rogram co ntaining co mpensatio n312带有宏变量的子程序(责编 根山)的功能更为全面 。n10n12n14n16n18n20n22g90 g54 g00 z60 . 000s1200m03x0 . 000 y0 . 000 z60 . 000z50 . 000z15 . 000g01 z0 . 000 f5(上接第 21 页)合材料 ,经一次重熔后 ,由于产生的大量 al4 c3 容易水 解而使材料裂成碎块 。因此 ,从能够重熔的角度着眼 ,在材料组分设计时即应有所考虑 。据报道 ,氧化铝颗 粒增强铝合金复合材料由于彼此不会发生反应 ,经多次重熔后仍可保持性能基本恒定5 。另外 ,选择适当 的合金元素可能会获得很好的效果 ,例如同样的碳化 硅颗粒增强含一定比例硅的铝合金 ,由于硅元素扩散到界面上起了阻挡反应生成 al4 c3 的作用 , 因此经重 熔 4 次尚可保持其力学性能 ,且材料可长期存放 。通过原位反应得到的 mmcs ,由于增强体本身是反应的 产物 ,更有利于重熔再生 。对于其他不能重熔再生的 mmcs ,只能回收金属 。 比较成熟的回收方法是用熔盐炉处理 ,由于熔盐与金 属不相容 ,而无机增强体与盐能润湿相容 ,因此增强体进入熔盐后便与金属分离 ,即可倾出金属熔体 。当然 ,有关再生回收的研究还刚刚起步 ,今后需要开展深入 的研究 。l 110000p2arc - x = 0 . 000arc - y = 50 .arc - r = 25 . 000z50 . 000 f20g00 z60 . 000m05m30n30n32n34n36l 110n10g02f10l 120m17x = arc - xy = arc - yr