复合材料-2-金属基复合材料优秀课件

1、金属基复合材料的使用要求2、金属基复合材料的界面3、金属基复合材料的制备,1、金属基复合材料的使用要求,航天、航空领域的结构件高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求。,密度小的轻金属合金镁合金和铝合金作为基体,高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝,1、金属基复合材料的使用要求,1、金属基复合材料的使用要求,哈勃太空望远镜天线波导桅杆,P100碳纤维/6061铝合金,航天飞机主货舱支柱,50vol.%硼纤维/6061,1、金属基复合材料的使用要求,航天、航空领域的发动机构件要求复合材料不仅有高比强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。,钛合金、镍合金以及金属间化合物,碳化硅、钨丝,1、金属基复合材料的使用要求,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，导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。,燃气轮机涡轮零件,高温合金汽车增压器喷嘴环叶片,1、金属基复合材料的使用要求,汽车发动机、刹车片：要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产。铝合金+陶瓷颗粒、短纤维、如碳化硅,大众汽车公司Lupo汽车后制动鼓,20vol.%SiC/A359铝合金,1、金属基复合材料的使用要求,汽车结构件,轻量化与油耗、性能的关系(逸动实际试验结果)：1.实际油耗：减重100kg，油耗降低约0.4L/100km；2.加速性能：减重100kg，0-100km/h加速性提升8-10%；3.制动性能：减重100kg，制动距离缩短27m。,因对汽车安全性、功能性要求的增加，整车重量逐渐增加。但进入21世纪后，越来越严格的环保和排放法规要求，目前整车重量呈明显现下降的趋势。,奥迪A6七代车型重量的变化历程,安全性提高、舒适性和功能的增加导致重量增加。,油耗与排放的要求使汽车轻量化成为必然趋势,1160Kg,1230Kg,1545Kg,1790Kg,1990Kg,2050Kg,1980Kg,2012,1、金属基复合材料的使用要求,电子工业：集成电路基板和元件需要高导热、低膨胀、具有一定耐热性的金属基复合材料。基体：高导热率的银、铜、铝等金属为基体增强体：高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维,2、金属基复合材料的界面,金属基复合材料中金属基体和增强体之间的界面对复合材料的性能起着决定性的作用。,主要考察：界面类型与界面结合界面稳定性界面浸润界面反应控制,第类界面,基体与增强材料界面既不相互反应，也不互溶。微观上界面是平整或光滑，而且只有分子层厚度。界面两侧分别为基体和增强材料，不含其它物质。如SiCw/Al的界面。,界面类型,增强材料和基体之间相互扩散渗透，相互溶解而形成的界面。这类界面往往在增强材料（如纤维）周围，形成环状，界面呈犬牙交错的溶解扩散层。,第II类界面,Cf/Ni复合材料界面,Bf/Ti-6Al-4V中TiB2反应层（850，100h）,第III类界面,基体与增强材料的界面发生界面反应，界面存在有微米和亚微米级的界面反应产物。最典型是Bf/Ti，Cf/Al复合材料。在高温下Bf/Ti在界面形成TiB2界面反应物层。,第III类界面,碳纤维与铝基体发生严重反应后纤维的损伤,(a)原始纤维形貌(b)损伤后纤维形貌,Cf/Al复合材料中Cf与Al基体发生界面反应，生成Al4C3。,Cf/Al的界面反应及反应产物Al4C3,准I类界面,出现准类界面有两种情况：属类界面中的增强材料与基体，从热力学分析会可能发生界面反应，但当采用固态法制备时，形成类界面；而当采用液态法制备时就可能形成第类界面；增强材料的表面未处理，存在有吸附的氧，在制备时也会与基体产生界面反应。如SiCf/Al，Bf/Al属于此类。为此把这类界面称之为准类界面。,界面的稳定性,长时间在使用高温度下使用,影响界面稳定性的因素主要有物理因素和化学因素，即：界面溶解与析出界面反应,界面溶解与析出,界面溶解与析出是影响MMC第类界面稳定性的主要物理因素。典型例子是Cf/Ni和Wf/Ni复合材料。界面产生互溶后，受温度和时间的影响，界面会出现不稳定。例如：Wf/Ni中，采用扩散结合制备时，界面互溶并不严重，但随着使用温度的提高和使用时间的增长，如在1100下经过50h，Wf的直径仅为原来50，这样就严重影响了Wf/Ni复合材料的使用性能和可靠性。,界面反应,界面反应是影响具有第类界面的复合材料界面稳定性的化学因素。增强材料与基体发生界面反应时，当形成大量脆性化合物，削弱界面的作用，界面在应力作用下发生，引起增强材料的断裂，从而影响复合材料性能的稳定性。界面反应的发生与增强材料和基体的性质有关，与反应的温度、时间有关。,金属复合材料界面反应分为：连续界面反应；交换式界面反应；暂稳态界面变化。,连续界面反应,MMC在制备过程中，或在热处理过程，也可在高温使用过程，增强材料与基体的界面反应连续进行。连续界面反应可以发生在基体或增强材料一侧，也可以在基体和增强材料界面上同时进行。影响MMC连续界面反应的因素主要有温度、时间。反应的量会随温度的变化和时间的长短发生变化。这类界面反应的典型如Cf/Ni、Bf/Ti、Cf/Al以及SiCf/Ti等。,Bf/Ti-6Al-4V，经850100h后界面反应,Bf/Ti-6Al-4V的连续界面反应，一般是发生在Bf一侧。Bf表面B原子通过界面层向Ti基体扩散（在Bf内部留下空洞），并与Ti反应生成TiB2界面反应产物。在一定温度和时间条件下，界面反应是连续进行的。,例1：Bf/Ti-6Al-4V连续界面反应,不同Cf/Al界面反应a)反应产物Al4C3量随热处理温度的变化以及b)对复合材料强度的影响,Cf/Al的连续界面反应，根据微观观察界面反应产物出现的位置，以及Cf表面变化情况，说明界面反应是发生在Al基体一侧。而且与温度有明显的关系。,例2：Cf/Al连续界面反应,例3：SiCf/Ti连续界面反应,SiCf/Ti连续界面反应发生在增强材料与基体界面两侧。并且界面反应产物也与Si、C和Ti的原子扩散速度有关。SiCf/Ti连续界面反应产物在界面上靠Ti基体一侧为SimTin化物，中间是TiSiC化合物，而靠SiCf一侧是TiC。,Bf/Ti-6Al-4V界面交换反应示意图,交换式界面反应,当增强材料含有两种以上元素的金属基体之间发生化学反应，形成反应产物后，反应产物还会与其他基体元素发生交换反应，产生界面的不稳定。例如硼纤维增强含铝较高的钛合金（Ti-8Al-1Mo-1V),在硼纤维和基体界面上会发生交换反应。Ti(Al)B(Ti,Al)B2(Ti,Al)B2TiTiB2Ti(Al),即界面先反应生成(Ti,Al)B2界面反应产物，该产物可能与Ti继续进行交换反应生成TiB2和Ti(Al)。这样，界面反应物中的铝又会重新聚集与基体合金一侧。,SiCf/Al、B4Cp/Mg的暂稳态界面,暂稳态界面的变化,一般由于增强材料表面局部氧化造成。比如硼纤维增强铝，由于硼纤维上吸附有氧，并生成BO2。由于铝的活性强，可以还原BO2，生成Al2O3，这种界面结合称为氧化结合；在长期热效应作用下，BO2的氧化膜会发生球化，这种局部球化也会影响材料性能。,这种暂稳态界面属于准类界面。在B4Cp/Mg、SiCf或SiCw/Al中也同样会出现这种暂稳态界面的变化，往往要注意这种界面不稳定性对MMC性能的影响。,界面浸润与界面反应控制,随着人们对MMC界面显著影响复合材料性能认识的提高，改善增强材料和基体的润湿性以及控制界面反应的速率与反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或者界面层的产生，已成为MMC界面研究的重要内容。,目前主要有两种方法：增强材料的表面处理，如表面涂覆基体合金化（或基体改性）,根据润湿方程，,要提高增强材料与基体熔体的润湿性，主要是提高sg，或降低lg。通过增强材料的表面处理可以增加增强材料的表面能，是可行的。,金属基体与增强物之间润湿性差，甚至不润湿（如何保证增强体在基体中的均匀分布是又一难点）,(a)液态铸造法(b)固态粉末冶金法,润湿性差造成颗粒在晶粒边界上的聚集,增强材料的表面处理，是针对不同基体应用合适的材料来进行表面涂覆，表面涂层可以在增强材料与基体间起到以下作用：,改善湿润性和粘着性；防止相互扩散、渗透和反应（阻挡层）；提高增强材料的抗氧化性减轻增强材料与基体之间的热应力集中防止增强材料的表面损伤。,例：采用CVD法在碳纤维涂覆Ti-B，用于Cf/Al基复合材料,Cf/Al是一种适宜空间技术的结构和功能复合材料。但是碳纤维和石墨纤维的表面能很低，一般在正常制备温度下无法被Al液所润湿，只有在1000高温下才能改善其与Al的润湿性。右图为不同温度下Al液与C（石墨）接触角与温度的关系曲线。,铝液与碳接触角与温度的关系,二元铝合金与涂Ti-B后与石墨的接触角和时间的关系,为提高碳和铝的润湿性并控制界面反应，一般采用CVD法在碳纤维上涂覆TiB涂层或镀Na层，取得了满意的效果。,二元铝合金与涂Ti-B后石墨的接触角和时间的关系，可以看出不同铝基体上与石墨有良好的润湿性。,表面处理后对在空气中加热后Bf强度的影响,表面涂覆后，能显著降低Bf与基体Ti的界面反应产物，起到了控制Bf/Ti复合材料的作用。同时Bf表面涂层还提高了复合材料的高温抗氧化性。,例：在Bf表面涂覆SiC、B4C，主要用于Bf/Ti复合材料,Bf表面处理后对硼纤维/钛的界面反应层厚度的影响,金属基体改性（基体合金化）,在某些金属基复合材料体系中，采用基体合金中添加某些合金元素以改善增强材料和基体材料之间的浸润条件或有效控制界面反应的方法为金属基改性。一般基体改性合金化元素应考虑为与增强材料组成元素化学位相近的元素，这样亲和力大，容易发生润湿，此外化学位是推动反应的位能，差别小，发生反应的可能性小。,硼纤维/钛界面层开裂示意图,基体改性控制界面反应,硼纤维增强钛基复合材料硼纤维和钛的界面反应强烈，界面反应产物TiB2是脆性物质，在达到一定厚度后，在远低于硼纤维断裂应变条件下，硼化物界面层断裂，引起硼纤维的断裂。,界面反应产物的厚度对Bf/Ti应力应变曲线的影响,基体改性方法就是在Ti合金中添加某些合金元素，以减少界面反应的量，从而防止TiB2层过厚。在钛中添加的合金元素有：Si、Sn、Cu、Ge、Al、Mo、V和Zr等。,不同基体与Bf反应速度常数,计算这些合金与B的反应速度常数K，得下表。,（1）没有影响。如硅和锡，仍旧保留钛的单一活性；（2）使反应速度稍有下降，下降量和添加量正比，有稀释作用，如铜和锗，实际上在界面起一定的阻挡作用；（3）反应速度降低明显，如铝、钼、钒和锆。其中Al与Mo基本不与B反应，而V，Zr可能先与B反应，从而阻挡了Ti与B的反应。,这些合金元素按界面反应速度常数K作用的大小分为三类：,从Ti基体合金化与Bf界面反应控制，可以得出，要控制或减少液态基体与固态增强材料界面反应，应加入具有以下特性的合金元素：不与固态材料表面反应，但对液态金属基体合金起到稀释作用；能降低液态金属基体与增强材料的界面反应速度常数K，或者说与增强材料表面进行界面反应的反应活化能（E）低的合金元素，以优先与固态材料表面发生界面反应从而抑止基体金属与增强材料的界面反应。,例：Mg对Al2O3/Al界面湿润性影响,基体中的Mg可以与Al2O3纤维或颗粒反应，在界面上形成类似尖晶石结构的nMgO.mAl2O3。反应如下：MgAl2O3MgOAlnMgOmAl2O3nMgOmAl2O3而nMgOmAl2O3可与Al和Al2O3纤维或颗粒类增强材料都形成结合性较强的界面。经过试验，当Al-Mg-Si(一种Al合金系)与Al2O3纤维或颗粒复合，如添加35Mg到Al中，使液态铝合金的表面能下降，如从0.95Nm-1，降至0.76Nm-1。因此，在铝中加入一定量的镁可以起到增加浸润性和提高界面结合的效果。,例：Li对Al2O3/Al界面湿润性影响,在Al基体加入Li可以提高Al液与FP（Al2O3）纤维在真空下湿润性，从而使FP纤维束在Al液中真空下浸渍获得FP/Al2O3复合丝工艺成为可能。Al液中的Li与Al2O3形成LiAlO2。同样这类化合物可与Al及Al2O3类增强材料形成结合性较强的界面。当Al中添加23的Li，在与Al2O3纤维或颗粒复合时，Li优先与Al2O3纤维或颗粒的表面发生界面反应：6Li+Al2O32Li2O2AlLi2OAl2O32LiAlO22LiAlO2与Al及Al2O3均有较好的结合。但Al中的Li量不应超过3，否则易造成Al2O3纤维的退化，影响复合材料的性能。,由以上Al2O3/Al的用Mg、Li进行基体改性改善界面湿润性的事例，可以看出，在Al合金中进行合金化，所添加的合金元素至少需要满足两个条件：,添加的合金元素的表面能应低于Al液的表面能，即：,添加的合金元素与氧反应生成自由能应小于Al与氧的反应生成自由能，即：,制备过程中需要考虑到的问题：增强物分布要均匀防止基体和增强物的性能降低？避免发生各种不利的反应？成本问题（批量生产、加工余料）,3、金属基复合材料的制备,制备过程中需要考虑到的问题：增强物分布要均匀防止基体和增强物的性能降低避免发生各种不利的反应成本问题（批量生产、加工余料）,动辄可以耐1000多度高温的各种纤维，为什么突然这么脆弱？,3、金属基复合材料的制备,渗碳体的熔点为1227度,两种高熔点的材料混合，会出现低熔点的液相。就算不出现液相，渗碳体中的C元素也可能扩散到基体中，对基体和自身都是致命性的打击。对基体而言，低碳钢成了“中碳钢”对渗碳体而言，不再是渗碳体。,制备过程中的主要困难控制各种反应提高浸润性,解决办法：增强物的表面处理基体中加入合金元素阻碍扩散、阻碍界面反应改善浸润性优化界面结构,3、金属基复合材料的制备,根据制备方法的特点，可以把金属基复合材料制备工艺的主要方法分为四大类：固态法（温度较低）液态法自生成法,固态法,粉末冶金,优点：基体金属（合金）的成份可以自由选择。难溶体系强化颗粒的种类、尺寸可以较自由地选择强化颗粒添加量的范围广较容易实现强化颗粒的均匀分散。,固态法,粉末冶金,缺点：(1)工艺较复杂,成本高；(2)固化方法主要采用烧结、热压、挤压等方法,制品的尺寸与形状受限制（太大了压不动）,固态法,热压固结法,纤维的排布复合材料的叠合与真空封装热压扩散结合,热压扩散结合工艺的最关键步骤：,热压时，基体金属箔或薄板在压力作用下，发生塑性形变，经一定时间和温度的作用扩散而焊合在一起。形成金属基复合材料，热压应有压力下限，如压力不足，金属的塑性变形无法达到与纤维的界面，会形成“鱼眼”形空洞。,因压力不足而造成扩散结合不完全所形成的缺陷,扩散结合工艺优缺点,优点：在连续纤维增强MMC中，是唯一能按复合材料铺层要求排布的方法；增强纤维与基体的润湿问题容易解决；可以通过控制热压工艺参数的方法来控制界面反应。还可以采用热轧和热挤压、拉拔的二次工艺进行再加工，还可以采用超塑性加工方式进行成型加工。缺点：工艺复杂，手工操作多；工艺参数控制要求严格；成本高。,固态法,热压等静压法,热等静压：将制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温,在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。,BodycoteIMTInc.公司的一台大型QUINTUS热等静压机,炉体热区直径1.68米,固态法,轧制法,有一定的变形量，很容易开裂。,固态法,1）由于挤压时金属流动不均匀，容易造成挤压管材沿长度方向内外层壁厚不均匀。2）当内外层坯料的变形抗力相差较大时，容易产生外形波浪、界面呈竹节状甚至较硬层产生破断的现象，因而金属的组合受到很大限制。,液态法-真空压力浸渍,在真空和高压惰性气体共同作用下，将液态金属压入增强材料中制成预制件，再制备金属基复合材料制品。,真空压力浸渗技术的特点:,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。也可用来制造混杂复合材料。2）可直接制成复合零件，特别是形状复杂的零件，基本上无需进行后继加工。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，避免严重界面反应。5）真空压力浸渗法的设备比较复杂，工艺周期长、投资大，制造大尺寸的零件要求大型设备。,液态法-共喷沉积法,将基体金属在坩埚中熔化后，在压力作用下通过喷咀送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成所谓“雾化锥”；通过一个或多个喷嘴向“雾化锥”喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在基板（收集器）上沉积，并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。,液态法-共喷沉积法,冷速可达103-106K/s，金属晶粒及组织细化，消除了宏观偏析增强材料与金属液滴接触时间短，很少或没有界面反应,已采用喷射成形工艺成功制备：（1）铝合金、铜合金、合金钢、不锈钢、高温合金和复合材料；（2）圆锭、管材、板材、带材、环形件等；（3）大尺寸、高性能的产品,喷射成形技术制备圆锭,Al-Si合金二元相图,过共晶Al-Si合金,喷射成形,普通铸造：先析出大片的Si,液态法-挤压铸造法,压力作用下，将液态或者半液态金属基复合材料或金属以一定速度充填压铸模型腔或者增强材料预制体的孔隙中。,金属融体倒入迅速加压（70-100MPa）凝固顶出,带增强材料预制体的压铸法,模铸（diecasting）,与典型工艺的差别在于：在预热模具中有预先制备好的增强材料（长、短纤维，颗粒或者晶须）预制件。将熔融金属注入模具并在压力下使之渗入预制件的间隙，在高压下迅速凝固。,“挤压铸造”也称“液态模锻”，是一种介于铸造与锻造之间的优质、高效、节能的工艺方法。它既能达到同种合金锻件的内部组织和力学性能，又能实现高效率的大批量生产。与普通压铸件相比，可较大程度地提高力学及使用性能；与普通锻件相比，又可节约能源,液态法-搅拌铸造法,工艺简单，制造成本低廉。基本原理是将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中，然后浇铸成锭坯、铸件等。,液态法-搅拌铸造法,关键技术：为了提高增强效果要求加入尺寸细小的颗粒，不易进入和均匀分散在金属