第6章-金属基复合材料制备技术.ppt

6.1金属基复合材料制备要求及面临的问题,第六章金属基复合材料的制备,6.2金属基复合材料制备方法分类,6.3固态制造技术,6.4液态制造技术,6.5自生成复合制造方法,6.6双金属层状复合材料制备技术,6.7金属基纳米复合材料制备技术,6.1金属基复合材料制备要求及面临的问题,6.1.1金属基复合材料制备技术要求,为满足金属基复合材料设计要求，需要考虑以下因素：制造过程中要使增强体按要求在金属基体中均匀分布。如连续纤维的分布及方向。制造过程不造成增强物和金属基体原有性能的下降，特别避免高性能连续纤维的损伤。制造过程中应避免各种不利的反应发生，如金属基体的氧化、金属基体与增强物的界面反应。制造方法适合于批量生产，尽可能直接制成接近最终形状尺寸的金属基复合材料，尽可能减少后续加工。,6.1.2金属基复合材料制造面临的问题,1.制备金属基复合材料的主要困难,（1）金属基复合材料在高温制造时将发生严重的界面反应、氧化反应。如：4Al+3C=Al4C3；Al+2B=AlB2（2）金属基体与增强体之间润湿性差。如碳-铝、碳-镁、碳化硅-铝（3）将增强物按设计要求的含量、分布、方向均匀地分布在金属基体中。,2.制备金属基复合材料中采用的解决措施,（1）增强体的表面处理表面处理方法有化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶、凝胶、电镀、化学镀。（2）加入合适的合金元素，优化基体合金成分在金属熔体中加入合适的合金元素可以有效地改善金属熔体与增强体的润湿性和有效地防止界面反应。（3）优化工艺方法及工艺参数合理选择制备温度，尽量减少在高温下保持的时间。,6.2金属基复合材料制备方法分类,1.固态制造技术,是指金属基体处于固态情况下，制成复合材料的方法。,固态制造技术,粉末冶金法,热压固结法,热等静压法,热挤压法,轧制法,拉拔法,爆炸焊接法,2.液态制造技术,是指金属基体在熔融/液态状态下与增强体复合的方法。,液态制造技术,真空压力浸渗法,液态金属浸渗法,挤压铸造法,搅拌铸造法,3.其他制造技术,主要包括,原位自生成法,化学气相沉积法,物理气相沉积法,复合镀法,热喷涂法,共沉积法,6.3固态制造技术,6.3.1热压固结法（扩散粘结法）,1.工艺原理,首先将增强纤维按设计要求与金属基体组成复合材料预制片，并将预先制成的预制片按要求剪裁成所需形状，叠层排布。在加压加热过程中基体金属发生塑性变形，移动、氧化膜破裂。基体金属逐步填充到增强纤维之间的间隙中，使金属与增强体之间紧密粘结在一起。此时也发生基体金属与增强体之间的元素的相互扩散，最终粘结成复合材料。,热压固结法（扩散粘结法）,预制片的制备方法：等离子喷涂法、箔粘结法和液态金属浸渍法,2.应用,热压固结法是目前制造硼纤维、碳化硅纤维增强铝、钛合金等金属基复合材料的主要方法之一。,已成功地用于制造航天飞机主仓框架承力柱、发动机叶片、火箭部件等。,也可以用于制造钨丝-超合金、钨丝-铜合金等复合材料。,6.3.2粉末冶金法,1.工艺流程,2.应用,（1）采用粉末冶金法可以直接制成复合材料零件，也可以制造复合材料坯料，供挤压、轧制、锻压等二次加工。,（2）主要用于制造颗粒、晶须增强金属基复合材料。常用的增强材料有SiC、Al2O3、W、B4C颗粒常用的基体金属有Al、Cu、Ti,（3）可以制造各种零件、管材、型材和板材，具有很高的比强度、比模量和耐磨性，已用于汽车、飞机、航天器的部件。,6.3.3热轧法,热轧法可以将已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料热轧成板材。也可将由金属箔和连续纤维组成的预制片经热轧制成复合材料。,热轧法主要用来制造金属基复合材料板材，特别是将已用其他方法复合好的颗粒、晶须增强复合材料坯料通过热轧制成所需的复合材料板材。,6.3.4热拉拔法,主要应用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料的坯料进一步形变加工成各种形状的管材、型材、棒材和线材，以改善复合材料组织均匀性，减小和消除缺陷。,6.4.1真空压力浸渍法,采用高压惰性气体，将金属液体压入由增强体制成的预制件，制备出金属基复合材料的方法。,1.工艺过程,（1）首先将增强物制成预制件，放入模具，将基体金属装入坩埚。（2）将预制件模具和炉腔抽成真空，当炉腔内达到预定真空后开始通电加热预制件和基体金属。（3）控制加热过程使预制件和基体金属分别达到预定温度，保温一定时间，使模具升液管插入液体金属。（4）炉内通入惰性气体，金属液体在高压下渗入预制件填充增强物间的间隙，完成浸渍，形成复合材料。,6.4液态制造技术,2.工艺参数控制,工艺参数主要包括：预制件预热温度TP、金属熔体温度TM、浸渍压力、冷却速度,预制件预热温度TP越高，金属熔体不会因渗入预制件而迅速冷却，浸渍充分。,金属熔体温度越高，液态金属流动性越好，易填充到预制件中。,压力越高、浸渍能力越强。浸渍所需的压力与增强体尺寸和体积分数密切相关。增强体尺寸越小和体积分数越大，所需的浸渍压力越大。,3.特点及应用,（1）适用面广，可用于铝、铜、锌、镍、铁基复合材料，可适用于连续纤维、短纤维、晶须、颗粒增强复合材料。,（2）可直接制成金属基复合材料零件。,（3）浸渍在真空下进行，压力下凝固，基本上无气孔、疏松等铸造缺陷，组织致密，性能好。,（4）工艺简单，工艺参数易于控制。,（5）可制备高体积分数的金属基复合材料。,6.4.2压力浸渗法(挤压铸造法),是指金属液体在一定的压力作用下浸渗到增强体预制件孔隙中，并在压力下凝固获得复合材料的方法。,1.工艺过程,预制件制备放入模具浇入液态金属挤压浸渗复合材料,预制件制备：将短纤维、晶须、颗粒放入水中，分散搅拌均匀，加入少量的粘结剂，制成一定形状的预制件。,挤压铸造法（Squeezecasting）,2.特点和应用,（1）可以制备较复杂的复合材料零部件，也可以实现局部增强及制备块状复合材料，用于二次加工成形，适用性强。,（2）在压力下复合，增强体与金属基体结合牢固，力学性能较高。,（3）工艺简单、成本低，易于批量生产。,（4）主要用于制备短纤维、晶须、颗粒增强的铝、镁基复合材料。,6.4.3无压浸渗法(自发浸渗法),无压浸渍是指金属液体在无外力作用下自发浸渗固体颗粒多孔预制件制备金属基复合材料的方法。,2.特点和应用,（1）工艺简单、成本低，可实现近终成型。,（2）主要用于低熔点金属与高熔点金属复合。,1.无压浸渍需要满足的条件,（1）金属液体对增强体颗粒润湿。,（2）预制件应具有相互连通的浸渗通道。,（3）体系组分性质需相匹配。,6.4.4液体浸渍法,是美国宇航公司发明的一种制造碳纤维增强铝基、镁基复合材料的方法。原理：通过对碳（或石墨）纤维表面进行活化处理，经处理的碳纤维与铝液、镁液相互自发浸润。当纤维束经过铝熔池时，金属液就自发浸渍到纤维束中，形成复合丝。,1.工艺过程,纤维预处理纤维表面化学气相沉积浸入金属液体,复合材热压凝固形金属液体自发浸入到料零件成复合材料纤维束中形成复合丝,除去有机涂层,沉积Ti-B层,制成的复合丝再经热压或铸造进一步复合成复合材料零件。在热压工艺中，先将复合丝用有机粘结剂粘在一起或粘在基体金属箔上，制成预制片，再将预制片按设计要求排布放入模具中，先在370-450温度下加热，去除粘结剂，然后在较高温度下（500-550）加热加压，制成复合材料零件。,液体金属浸渍法主要用于碳、石墨、碳化硅等丝束连续纤维增强复合材料。这类纤维直径细，一般为7-11m，每束含纤维数量多，一般为500-3000根/束,金属液体渗透入纤维束相当困难，也是制造C/Al、C/Mg、SiC/Al复合材料的主要障碍，用Ti-B涂层、超声波振动有效地解决了这一关键问题。,C/Al复合丝断面,2.特点及应用,（1）工艺过程较复杂，需二次复合，成本较高。,（2）主要用于碳、石墨、碳化硅等丝束连续纤维增强复合材料。,（3）可以制备复合材料管、棒、T、L型材及形状简单的零件。,6.4.5共喷沉积法,1.基本工艺原理,液态金属通过特殊的喷嘴，在惰性气流的作用下分散成细小的液态金属雾化流，喷射向衬底，在液态金属喷射雾化过程中将增强颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起沉积在衬底上，凝固形成金属基复合材料。,主要工艺参数：熔体金属温度、金属液滴尺寸、气体压力、流速、流量颗粒加入速度、沉积衬底温度,2.工艺特点和应用,适用面广，不仅适用于铝、铜等有色金属基体的复合材料，也适用于铁、镍及金属间化合物基复合材料。生产工艺简单、效率高，喷嘴雾化金属熔体的速度是25200kg/min。可实现快速一次复合成坯料，避免了表面氧化问题。冷却速度大，液滴冷却速度可达103106K/s，基体金属组织可获得快速凝固金属所具有的细晶组织，无宏观偏析,组织均匀致密。增强物分布均匀。有少量气体存在，最低2%，最高5%。,6.4.6液态金属搅拌铸造法,1.基本工艺原理,将颗粒增强体直接加入到熔融的基体金属液中，通过一定方式的搅拌使颗粒增强体均匀地分散在金属熔体中，与金属基体形成复合熔体，浇注成锭坯、铸件。,2.工艺难点,（1）加入的增强颗粒尺寸细小、一般在1030m，与金属液体的润湿性差，不易进入金属或金属熔体中，容易团聚。,（2）强烈的液态金属搅拌容易造成金属液体氧化和大量吸气。,3.工艺方法,（1）涡旋法,是利用高速旋转的叶桨搅动金属液体。搅拌速度为500-1000r/min.,（2）复合铸造法,搅拌不是在完全液态的金属中进行，而是在半固态金属熔体中进行。,特点：工艺简单、成本低，主要用来制造含较粗颗粒（直径50-100m）的耐磨复合材料。,（3）杜拉肯（Duralan）,主搅拌器：由同轴多叶桨组成，旋转速度在10002500r/min,副搅拌器：沿坩埚缓慢旋转，旋转速度100r/min,Duralan是20世纪80年代中期有Alcon公司研究开发的一种颗粒增强铝、镁、锌基复合材料的方法。,该方法已实现工业化生产，可以制造高质量的颗粒增强复合材料。产量达1.1万吨的颗粒增强金属基复合材料的工厂已在加拿大魁北克建成。,6.5自生成复合制造方法,6.5.1反应自生成法,反应自生成法是指复合材料的增强相（颗粒）是在制备过程中通过组元之间的反应生成的。,1.固相反应自生成法,基本原理：把预期构成增强相的两种元素粉末与基体金属粉末均匀混合，然后加热达到两种元素的反应温度，两种元素发生放热反应，温度迅速升高，并在基体中生成1m以下的弥散颗粒增强体，颗粒分布均匀，颗粒与基体界面干净、结合力强。,如TiB2/Al，采用Ti、B、Al粉混合,TiB2/NiAlTi、B、Al、Ni粉混合,2.液固相反应自生成法,基本原理：,在基体金属熔液中加入能反应生成预期增强体颗粒的元素或化合物，在熔融的基体合金中，反应生成细小、弥散、稳定的颗粒增强物，形成自生增强金属基复合材料。,如在Al-Ti合金液体中加入C元素形成TiC/Al,Ti+CTiC,形成TiC增强Al基复合材料,适用于铝基、镁基、铁基复合材料,6.5.2定向凝固法,对于共晶成分附近的合金，通过合理控制工艺参数，可使两相均匀相间，定向整齐排列。,特点：,（1）由于两相是同时结晶的，固界面结合强度高，同时还避免了人工复合时的润湿、化学反应和相溶性问题。,（2）由于两相是在高温接近热力学平衡条件下缓慢生长而成，界面处于低能状态，界面稳定。,（3）纤维分布均匀，没有人工复合时那种纤维难以分布均匀或纤维易受损伤等问题。,6.6双金属层状复合材料制备技术,双金属层状复合材料是将两种金属材料利用其各自的性能优势进行分层组合而形成的一类复合材料。,双金属层状复合材料制备工艺,轧制复合法,爆炸焊接法,铸造法,铸轧法,喷射沉积法,电磁控制法,1.轧制复合制造方法,（1）基本原理,金属板在受轧制压力的作用下，在两层金属的待复合表面发生塑性变形，使表面层金属破裂；,净化而活化的金属层从破裂的金属表面露出，在强大的压力作用下，形成平面状冶金结合。,在后续的热处理过程中，结合面继续扩大，形成稳定结合。,（2）特点和应用,是一种有效的生产复层薄板的工艺方法，可以生产比较薄的板带复合材料，易于实现大规模生产。,对设备要求高，需要大型轧制设备。,2.爆炸焊接复合制造方法,（1）基本原理,借助炸药爆炸产生的高能驱动复板高速碰撞基板，碰撞点产生的瞬间高压在露出新鲜金属表面上形成一薄层具有塑性变形、熔化、扩散以及波形特征的焊接过度区，从而实现金属层间的强固结合。,（2）特点和应用,爆炸焊接复合材料具有很高的结合强度和加工性能。能承受各种冷热加工。,主要适合于单张面积较大、较厚的复合板材。,机械化程度低、劳动条件差，且具有一定的危险性。,已成功用于飞机蒙皮用Al-Ti复合板制造。,3.铸造复合制造方法,基本原理：是两种金属用铸造的方法复合在一起获得双金属坯料，然后通过轧制获得双金属板材。,包覆铸造法（复合铸造法）,铸造复合法主要包括,固-液连铸法,双结晶器连铸法,双流浇注复合法,（1）包覆铸造法（复合铸造法）,是将一种金属作为芯材，将其放入铸型中，浇注另一种金属凝固后获得双金属铸坯的方法。,例如:日本川崎制铁公司采用该方法制备不锈钢包普通碳钢的复合材料。,特点和应用：,主要适合于制备柱状体复合材料。,适合于低熔点包覆高熔点复合材料。,对工艺控制要求高，不易实现连续生产。,（2）固-液连铸法,工艺原理：一种金属熔体连续浇注到中间有另一种金属芯材的结晶器中，金属凝固将芯材包覆获得复合铸坯。,特点：,生产效率高于包覆铸造法，同时容易实现连续生产。,存在界面结合质量较差的问题，如界面处气体、杂质、夹渣较多等问题。,（3）双结晶器连铸法,工艺原理：在芯材结晶器内连铸凝固成型的芯材，在保护环的保护作用下，保持表面无氧化、无夹杂、无油污的状态，直接进入包覆层结晶器，热态连铸包覆层。,工艺特点：,具有工艺简单、节能降耗、复合界面结合良好等优点。,适合于制备心部熔点高、外层熔点低的复合材料。,（4）双流浇注复合法,工艺原理：是在传统的连续铸造基础上增加一个内浇包及其导流系统，内外浇包分别容纳不同成分的两种熔体，通过调整工艺参数，可以控制内外浇包中两种液体的凝固时间差，促进结晶器内熔体由外向内顺序凝固，实现两种金属的复合。,工艺特点：,设备简单、成本低。,劳动强度大、工作环境恶劣。,工艺过程难以控制，影响界面结合强度。,4.液-固铸轧复合法,工艺原理：将较低熔点的液态金属（如铝、或铝合金）连续浇注在高熔点金属（如钢）的板/带，使液态金属在半凝固状态与固态板/带同时进入轧机经受加工变形，实现高熔点金属与低熔点的液态金属良好的冶金结合。,工艺特点：,界面结合强度高。,工序少、成本低,但容易出现板带的表面氧化问题。,5.液-液铸轧复合法,工艺原理：双辊铸机由上下两个轧辊组成，并且分别装有一个浇口。带有浇口的上部轧辊向下拉拽金属熔体，带有浇口的下部轧辊直接水平拉拽金属熔体，在熔体拉拽辊间形成混合层，当上下两个轧辊互相咬合时，上面的薄带与下面的基带结合。,工艺特点：,工艺简单、成本低，节省了铸造后处理工序。,主要用于制造板、带复合材料。,6.电磁控制技术,工艺原理：将水平磁场（LMF）安装在结晶器的下半部分。两种不同成分的合金液同时通过长型和短型浸入式浇道进入结晶器使结晶器内形成上下两个区域。电磁场对上层流动金属产生足够的洛仑磁力，使之能与金属液本身重力相均衡，从而阻碍了上层金属与下层金属的混合。,在连铸过程中上层金属液形成外层金属，而下层金属液进入心部成为内层金属。,6.7金属基纳米复合材料制备技术,金属基纳米复合材料是指增强颗粒和基体金属晶粒细小至纳米尺度的复合材料。,金属基纳米复合材料制备技术,快速凝固与大变形结合法,循环变形法,机械合金与加压成型结合法,非晶态合金晶化法,低温球磨与烧结结合法,1.快速凝固与大变形结合法,基本原理：将一定成分的合金