金属基体材料和高性能金属基复合材料

6金属基体和高性能金属基复合材料,6金属基体与高性能金属基复合材料,6.1复合材料的金属基体6.2高性能金属基复合材料,6.1复合材料的金属基体(MetalMatrixinHighPerformanceComposite）,6.1.1金属基体概述6.1.2用纤维增强金属的原因6.1.3选择金属基体的原则6.1.4常用金属基体材料6.1.5金属的晶体结构与晶体缺陷6.1.6金属的强化方法,6.1.1金属基体概述,6.1.1.1金属基体在复合材料中的作用6.1.1.2金属基体在复合材料中的体积比6.1.1.3与陶瓷、聚合物基体相比，金属基体的优势6.1.1.4利用金属基体制成MMCs的综合性能,6.1.1金属基体概述,以金属或金属间化合物作为基体的复合材料称为金属基复合材料(MetalMatrixComposites;简记为MMCs)。例如：硼纤维增强铝、镁、钛及其合金(B/Al、B/Mg、B/Ti）；碳纤维增强铝、镁及其合金（C/Al、C/Mg)；碳化硅纤维增强铝、镁、钛及其合金（SiC/Al、SiC/Mg、SiC/Ti)；氧化铝纤维增强铝及其合金(Al2O3/Al、Al2O3/Al-Li)钨丝增强铜(W/Cu);铬丝增强镍铝金属间化合物(Cr/Ni-Al);,6.1.1.1金属基体在复合材料中的作用,基体在复合材料中所起的作用主要有：（1）固结增强体，使之成为一整体，保护纤维使之不受环境侵蚀；（2）传递和承受载荷，在颗粒增强金属基复合材料中基体是主要承载相，在纤维增强金属基复合材料中，基体对力学性能的贡献也远大于在聚合物基和陶瓷基复合材料中的贡献；（3）赋予复合材料一定形状，保证复合材料具有一定的可加工性;（4）复合材料的比强度、比刚度、耐高温、耐介质、导电、导热等性能均与基体密切相关。,6.1.1.2金属基体在复合材料中的体积比,基体在复合材料中占有很大的体积比：连续纤维增强金属基复合材料中基体约占50%70%；颗粒增强金属基复合材料中，根据不同性能要求，基体体积比可在90%25%范围内变化，多数为80%90%；短纤维、晶须增强金属基复合材料中，基体体积比在70%以上，一般为80%90%。,6.1.1.3与陶瓷、聚合物基体相比，金属基体的优势,（1）金属是最古老、最通用的工程材料之一，它们有许多可以借鉴的、成熟的成型、加工、连接方法。在使用寿命等方面有丰富的技术资料；（2）金属材料的模量和耐热性比聚合物高；（3）金属基体强度高，如下页图所示。金属材料还可以通过各种工程途径来进行强化；（4）金属的塑性、韧性好，因此，金属是强而韧（strongandtough)的材料;（5）金属的电、磁、光、热、弹等性能好，有优势向多功能复合材料方向发展。,图6-1工程材料的断裂能之比较,金属,无机玻璃,未改性的环氧、聚酯和聚酰亚胺,有机玻璃(PMMA),聚砜热塑性(PSF),合成橡胶改性环氧,6.1.1.4利用金属基体制成MMCs的综合性能,（1）高比强度；（2）高比模量；（3）高的韧性及抗冲击性能；（4）良好的耐热性；（5）良好的耐磨与阻尼性；（6）与增强纤维复合后可以制造低热膨胀系数的、尺寸稳定性好的复合材料；（7）表面耐久性好，对表面裂纹敏感性低；（8）导电导热性强；（9）对温度变化或热冲击的敏感性低；（10）抗腐蚀性好；（11）无放气污染；（12）不吸湿、不老化、防燃、抗辐射；（13）性能再现性好；（14）便于制造、成型、加工、连接和精整。,6.1.2用纤维增强金属的原因,6.1.2.1为什么要用纤维增强金属？6.1.2.2用高模量纤维增强金属的意义,6.1.2.1为什么要用纤维增强金属？,虽然沉淀强化或弥散强化可以提高金属材料的屈服强度和加工硬化率，但对改善材料的弹性模量作用不大。这是由于第二相粒子主要是通过阻碍金属中的位错运动来提高其强度。而金属颗粒本征的高模量没有发挥出来。因此，通过加入强化相(例如高模、高强纤维）来获得材料模量的提高，便成为强化金属材料的最新途径。同时，大多数高模量增强纤维的密度远低于金属（除钨以外）。因此，可以通过在金属基体中掺杂高模量纤维来提高材料的比模量。,表6-1一些商用金属及其合金的密度(g/cm3)MetalDensityMetalDensityAluminum2.7Lead11.5Beryllium1.8Nickel8.9Copper8.9Silver10.5Gold19.3Titanium4.5Iron7.9Tungsten19.3,表6-2一些增强纤维的密度(g/cm3),FiberDensityFiberDensityB(W芯)2.6B(C芯)2.23粘胶基HTC1.6沥青基HMC2.2PAN基HTC(T300)1.75PAN基HMC(M40)1.81SiC(W芯)3.16SiC(C芯)3.07Nicalon2.55Tyranno2.35Hi-Nicalon2.20-SiC晶须3.2FP-Al2O33.9住友-Al2O33.3ICI-Al2O33.253M-Al2O32.59单晶Al2O34.0,6.1.2.2用高模量纤维增强金属的意义,对于结构应用来说，常常涉及到弯曲和压缩载荷(flexuralandcompressionloading)。例如飞机(plane)、火箭(rocket)或汽车(truck)中的梁(beams),要求它们的E/2的值尽可能大，则其质量M才能减小。考虑一个简单正方截面的悬臂梁，其长度为l；厚度为t；施加力p。忽略自重，则这个梁的弹性挠度(thedlasticdeflection)可由下页公式给出。,弹性挠度=(pl3/3EI)式中，t厚度；I惯性矩，在此情况下，I=t4/12；p载荷。已知梁的质量M=lt2t4=M2/(l22)M=(4l5p/)(2/E)1/2因此，对于一个给定刚性率（p/）的结构，当参数E/2最大时，可以获得最小的质量,即E1/2/M。E1/2/为材料的弯曲比模量。,用高模量纤维增强金属的意义,用高模量纤维增强金属的意义,同理，我们采用其他简化的模型，可以推导得出不同承载形式下的材料性能指标。所谓材料指标，指的是给出传递长度和载荷时，决定其结构件重量的指标。若材料指标大，就意味着可以轻量化。下页表给出各种结构件受到各种载荷以及用各种适用的极限条件来决定设计时的结构材料指标。,表6-3结构件的材料指标,构件载荷极限条件材料指标备注棒拉伸破坏B/强度指标棒拉伸延伸E/变形指标棒弯曲破坏B/强度指标棒弯曲挠曲3E/变形指标棒压缩屈曲E/屈曲指标平板压缩屈曲3E/屈曲指标圆筒压缩屈曲E/屈曲指标圆筒弯曲屈曲ER/屈曲指标,国防科技大学航天与材料工程学院,由上面的简单分析可知使用B、E、的纤维增强金属在结构应用中的意义。从理论上解释了用模量高且密度低的纤维增强金属的原因。用纤维增强金属将使复合材料结构具有更高的比强度与比模量。,用高模量纤维增强金属的意义,6.1.3选择金属基体的原则,6.1.3.1金属基复合材料的使用要求6.1.3.2金属基复合材料的组成特点6.1.3.3基体与增强材料的相容性,选择金属基体的原则,基体种类及成分的正确选择，对能否充分组合和发挥基体金属和增强材料的性能特点、获得预期的优异的综合性能以满足使用要求十分重要。在选择基体金属时应考虑金属基复合材料的使用要求、组成特点和基体与增强体的相容性。,国防科技大学航天与材料工程学院,6.1.3.1金属基复合材料的使用要求,（1）在航天、航空领域性能要求：比强度高、比模量高、尺寸稳定性高。作为航天飞行器和卫星的构件时，基体应选用密度小的轻金属合金：镁合金、铝合金；增强体应选用高强度、高模量的连续石墨纤维、硼纤维等。,金属基复合材料的使用要求,（2）高性能发动机性能要求：高比强度、比模量、优良的耐高温持久性能、能在高温氧化性气氛中长期工作。基体选用钛基合金、镍基合金及金属间化合物；增强体选用碳化硅纤维（增强钛合金）、钨丝（增强镍基超合金）等。制作喷气发动机叶片、传动轴等零件。,金属基复合材料的使用要求,（3）汽车发动机性能要求：耐热、耐磨、热膨胀系数小、一定的高温强度、成本低廉和适合于批量生产。基体选用铝合金；增强体选用碳化硅颗粒、氧化铝短纤维和碳短纤维等。制作发动机活塞、缸套、连杆等零件。,金属基复合材料的使用要求,（4）电子工业集成电路性能要求：高导电、高导热、低热膨胀系数。基体选用导电、导热性能优异的银、铜、铝等；增强体选用高模量石墨纤维等。制作散热元件和基板等。,6.1.3.2金属基复合材料的组成特点,（1）连续纤维增强金属基复合材料基体的作用是保证纤维性能的充分发挥，因为纤维是主要承载相，它们本身的强度已经非常高（如高强度碳纤维的最高强度已高于7GPa)。基体应有好的塑性和与纤维良好的相容性。不需要基体有高强度和高模量，也不需要基体金属具有热处理强化等性质。在研究碳/铝复合材料中已得到证明。,图6-2不同铝合金性能与复合材料性能的比较,金属基复合材料的组成特点,（2）非连续增强（颗粒、晶须、短纤维）金属基复合材料基体是主要承载相，基体的强度对复合材料的性能具有决定性的影响。欲获得高性能的复合材料，必须选用高强度的、能热处理强化的合金为基体。,6.1.3.3基体与增强材料的相容性,在制造金属基复合材料过程中，如果基体不润湿增强体、或与增强体发生化学反应，则它们之间的相容性不好。所以，需选用既有利于基体与增强体良好润湿，又有利于形成合适的、稳定的界面的合金元素。如在碳/纯铝复合材料的基体中加少量钛；不宜选用易破坏碳纤维结构的铁、镍基合金作为碳纤维复合材料的基体。,6.1.4常用金属基体材料,6.1.4.1铝、镁、钛、铜、金属间化合物和高温合金6.1.4.2结构复合材料的金属基体6.1.4.3功能复合材料的金属基体,6.1.4.1铝、镁、钛、铜、金属间化合物和高温合金,铁及铁合金称为黑色金属除钢铁以外所有的其他金属统称为有色金属，如铝、铜、镁、钛、钨等。金属与非金属、金属与金属之间形成的化合物称为金属间化合物，如钛铝、镍铝、铁铝等。高温合金主要是镍基、铁基合金。,铝、镁、钛、铜和金属间化合物,MMCs常用金属基体有：铝（Aluminum）及其合金镁（Magnesium）及其合金钛（Titanium）及其合金铜（Copper）及其合金镍（Nickel）及其合金不锈钢（stainlesssteel）金属间化合物(Intermetalliccompounds),（1）铝及铝合金,1）概述纯铝：元素周期表中第三周主族元素，面心立方点阵，无同素异构转变。比重为2.7g/cm3,熔点661，拉伸强度80MPa,延伸率（30-50）%，断面收缩率80%。铝具有优良的导电、导热性（仅次于Ag、Cu、Au)。化学性质活泼，生成的氧化膜连续、致密，在大气中抗蚀（但不耐NaCl和NaOH）。铝在地壳中蕴藏量丰富（占地壳元素组成的7.45%,仅次于氧和硅，比铁的还多）。,铝及其合金,铝的历史：1827年，德国沃勒发现铝元素1854年，法国德维尔用钠置换法制取铝，成本高。1886年，霍尔（美）-埃鲁（法）发明电解法制铝，使成本大大下降。1919年，研制出第一架铝制飞机。自二战以来，铝的用途产泛。因为铝的比强度高，在飞机上占结构材料的70%，每架飞机上有50万个硬铝铆钉。,铝及铝合金,2）纯铝及铝合金的分类、牌号a.纯铝L1-L7用于实验，高纯度铝L0用于配制铝合金或制作导线、电缆及用于化学工业。b.铸造铝合金ZL101-ZL104铸造铝合金具有良好的铸造性能，还具备铸件足够的机械性能。c.变形铝合金：铸造铝合金经冷、热压力加工形成的各种型材。要求组织中没有过多的脆性第二相。用下页相图来说明：,图6-3,铝及铝合金,变形铝合金的分类、牌号防锈铝Al-Mg系、Al-Mn系：如LF2(5052)、LF21(3003)硬铝Al-Cu-Mg系：如LY12（2024）锻铝Al-Mg-Si-Cu系：如LD2（6061）、LD10（2014）超硬铝Al-Mg-Zn-Cu系：如LC4（7075）,铝及铝合金,铸造铝合金的强化途径：变质处理不同程度的时效变形铝合金的强化途径：加工硬化固溶强化固溶处理+自然时效（或人工时效）细晶强化（加入微量钛、锆、铍及稀土元素）,（2）铜及铜合金,1）概述纯铜：玫瑰红色，面心立方结构，无同素异构转变。熔点1083，密度8.94g/cm3,抗拉强度225MPa,硬度HB40-50,延伸率50%。铜具有良好的导电性和导热性，良好的耐腐蚀性，在室温下轻微氧化，形成薄的氧化膜。可承受冷、热加工。,铜的历史：人类在新石器时代有两大发明：制陶和冶铜。火的使用高温条件陶制坩埚治铜（铁）我国历史上的铜器时代，距今六千年距今二千五百年。铜的冶炼开始于夏朝末年。郭沫若考证，在殷商时代有青铜器铭文和甲骨文，称为“金石并用”时代。,铜及铜合金,铜及铜合金,2）纯铜分类及牌号工业纯铜:如T1-T4。用于导电、导热器件、化工、磁学仪器、石油工业。无氧铜（含氧量不大于0.003%)：Tu1、Tu2、TuP（磷脱氧铜）、MnTu（锰脱氧铜）。主要用于电真空器件和焊接铜材。,铜及铜合金,3）铜合金的分类及牌号A)黄铜（brass)：铜-锌(Cu-Zn40%)合金。性能：工艺性能好、力学性能好、抗腐蚀性能好、导电、导热性能好、价格低、密度比纯铜小、色泽美观。应用于航空航天和船舶工业。黄铜又分为简单黄铜（如H70、H68）和复杂黄铜（如铅黄铜HPb59-1）。,铜及铜合金,B)青铜(bronzes)青铜原指铜-锡合金，近数十年来，工业上习惯于把除黄铜、白铜以外的铜合金统称为青铜，如：锡青铜（Cu-Sn6%）：优异的耐蚀性能、抗磁性好、减摩性和低温韧性好。铝青铜Cu-Al（5%-12%）：铸造性能好、耐腐蚀性能好、力学性能好、耐磨性好。铍青铜Cu-Be（1.6%)-2.5%:弹性极限、疲劳强度、耐磨性和抗蚀性高，良好的导电、导热性。硅青铜Cu-Si（1%-4%）：弹性好、耐蚀性极强、强度高，良好的铸造性能和冷、热加工性能。,铜及铜合金,C)白铜(cupronickel)铜-镍(Cu-Ni50%)合金。分为普通白铜和特殊白铜（在普通白铜中加入锌、锰、铁、铝等）白铜的性能：综合力学性能高，优良的耐蚀性、较高的电阻率。应用于船舶仪器、仪表、化工机械、医疗器械零件。,（3）镁及镁合金,镁为密排六方(hcp)晶体结构，熔点651，比重1.74g/cm3，弹性模量40GPa。镁合金分为两类：铸造镁合金牌号如ZM3(含Mg、Al、Zn、稀土、Zr）形变镁合金牌号如MB2、MB25(含Mg、Al、Zn、Mn),（4）钛及钛合金,1）概述纯钛熔点1660，密度4.5g/cm3，耐腐蚀、抗氧化（550长期使用）。具有同素异构转变：882以上，为-Ti(bcc)；882以下，为-Ti(hcp)。,钛及钛合金,2）纯钛及钛合金的分类及牌号高纯钛工业纯钛：TA1、TA2、TA3钛合金：型：TA4、TA5、TA6、TA7(Ti-5Al-2.5Sn)型：TB1、TB2（Ti-3Al-Mo-11Cr)（+）型：TC4(Ti-6Al-4V),（5）金属间化合物,1)概述在纯金属中加入合金元素后，可以形成固溶体或化合物。当溶质含量超过固溶体的溶解能力时，由于组元间相互作用，将形成金属-金属或金属-非金属的化合物，称为金属间化合物。金属间化合物是具有不同于母体金属结构的新相。它具有金属性能，如有金属光泽、金属键结合（但其电子云具有方向性）、导电、导热、熔点高、硬度高。同时，它还具有共价键特征。,2）金属间化合物的应用及分类A)应用作为合金的强化相；作为定向凝固共晶复合材料中的强化相；制作耐高温、多功能复合材料。B)金属间化合物为基的复合材料的分类结构类复合材料：如Al-NiAl、Al-AlCu2、Ni-Ni4W等；功能类复合材料：如铁磁性MnBi/Bi、磁/阻材料InSb-NiSb、半导体效应SnSe/SnSe2。,金属间化合物,（6）镍基、铁基高温合金,耐热合金也称高温合金。是指在高温下具有抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变和疲劳性能的金属材料。镍基高温合金以镍铬为主要成分；铁基高温合金以铁铬镍为主要成分。按加工工艺分为变形高温合金和铸造高温合金两类。,表6-4高温金属基复合材料用基体合金的成分及性能,基体合金及成分密度/gcm-3持久强度/MPa高温比强度/103m(1100，100h)(1100，100h)Zh36Ni-12.5Cr-7W-4.8Mo-5Al-2.5Ti12.5138112.5EPD-16Ni-11W-6Al/6Cr-2Mo-1.5Nb8.35163.5Nimocast713CNi-12.5Cr-2.5Fe/2Nb-4Mo-6Al-1Ti8.04861.3Mar-M322ECo-21.5Cr-25W-10Ni-3.5Ta-0.8Ti-48-Ni-25W-15Cr-2Al-2Ti9.152325.4,(7)金属的性能,表6-5某些金属和合金的力学性能ErmaxK1c(GPa)(MPa)(MPa)(MPam1/2)Aluminum7040200100Copper12060400toNickel21070400350Ti-6Al-4V1109001000120Aluminumalloys70100-380250-48023-40PlainCarbonsteel210250420140Stainlesssteel195240365200,金属典型的工程应力应变曲线,25%,力应,应变,r屈服点,低碳钢,铝,图6-4两种传统金属的应力应变曲线（表明它们具有很宽的塑性变形范围）,6.1.4.2结构复合材料的金属基体,对用于各种航空、航天、汽车、先进武器等结构复合材料金属基体的要求：高比强度和比刚度高的结构效率不同基体金属基复合材料的使用温度范围：4506501200铝及铝合金、钛合金金属间化合物、镁及镁合金镍基、铁基耐热合金,6.1.4.3功能复合材料的金属基体,对用于电子、信息、能源、汽车等工业的功能复合材料金属基体的要求：较高的力学性能、高导热、低热膨胀、高导电、高抗电弧烧蚀、优良的摩擦性能。例如用于电子领域的集成电路，由于集成度提高，单位体积中的元件数增多使功率增大，发热严重，需要用导电好、热膨胀系数小、导热率高，又有较高强度和刚度的材料做基板，支持电极和封装零件。单一金属材料难以满足这些综合要求。,功能复合材料的金属基体,用于电子工业的金属基复合材料有：碳化硅/铝、碳化硅/铜、石墨/铝、石墨/铜、金刚石颗粒/铝、金刚石/铜、金刚石纤维/铝、金刚石纤维/铜、硼纤维/铝；用于耐磨零件的金属基复合材料有：碳化硅、氧化铝颗粒、晶须、纤维和石墨颗粒增强铝、镁、锌、铅等金属和合金。,功能复合材料的金属基体,用于集电和电触头的金属基复合材料有：碳（石墨）纤维、金属丝、石墨颗粒增强铝、铜、银等金属和合金。用于耐腐蚀的电池极板的金属基复合材料主要是：碳（石墨）纤维增强铅（合金）。,6.1.5金属的晶体结构和晶体缺陷（TheCrystalStructureandtheCrystalDefectsofMetal）,6.1.5.1金属的晶体结构已通过XRD证实，除非晶态合金（也称金属玻璃，metallicglasses)外，所有的固态金属都是晶体。所谓晶体就是由许多质点（质子、离子、分子）在三维空间呈周期性、有规则排列所构成的固体。晶体纯物质与非晶体纯物质的区别有以下两点：晶体有固定熔点；晶体具有各向异性（影响材料的塑性变形、导电、导热等性能）,空间点阵：为了研究晶体结构的方便，把构成晶体的实际质点（原子、离子或分子）抽象成纯粹的几何点，这些点在空间呈周期性规则排列并具有相同的周围环境，该模型称空间点阵。晶胞：空间点阵可看成是由一系列称作晶胞的平行六面体组成。晶胞是组成晶体的最小单元。点阵参数：晶胞具有6个几何参数：即平行六面体中交于一点的三个棱边（a、b、c）及棱间夹角（、）。,（1）晶体结构知识的回顾,国防科技大学航天与材料工程学院,晶系：按照6个点阵参数的不同，可把全部空间点阵归属于7种类型，称7种晶系：,三斜晶系abc,90单斜晶系abc,=90正交晶系abc,=90六方晶系a1=a2=a3c,=90,=120菱方晶系a=b=c,=90四方晶系a=bc,=90立方晶系a=b=c,=90,简单三斜简单单斜底心单斜简单正交底心正交体心正交面心正交简单六方菱形（三角）简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方,布拉菲点阵：按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，用数学方法确定，只能有14种空间点阵，称为布拉菲点阵。,晶胞分类,1）简单晶胞绝大部分常用金属都具有简单晶胞结构，如体心立方、面心立方和密排六方（属于简单六方点阵）。2）复合晶胞建议同学们查阅：胡庚祥，钱苗根.金属学.上海科学技术出版社，1980.进一步了解14种布拉菲点阵的名称及表征晶格的几何参数。,阵点坐标从原点到空间点阵的某一阵点沿晶轴所作的矢量分量。晶面指数晶面在各坐标轴上截距倒数，用(hkl)表示。晶向指数该晶向上的一点，在各坐标轴上的矢量分量用uvw表示。建议同学们课下进一步熟悉下述概念：晶面族、晶向族、晶带、晶面间距、致密度、配位数和原子半径。,描述晶胞的参数,（2）常用金属材料的晶体结构,绝大多数金属具有如下三种简单晶体结构：面心立方（facecenteredcubic，简记为fcc）包括Al、Cu、Ni、Au、Ag、-Fe体心立方（bodycenteredcubic，简记为bcc）包括-Fe、W、Mo、V、-Ti密排六方（Hexagonalclosepacked，简记为hcp）包括Mg、Zn、Ti,图6-5面心立方、体心立方和密排六方的晶胞,面心立方晶胞,体心立方晶胞,密排六方晶胞,需要指出的是：当外界条件（T，P）改变时，许多金属发生晶型转变同素异构转变（如铁）：1250)Beryllium(T427)Cobalt(T427)AluminumTungstenCerium(-150T300）下工作；B4C涂层5m，涂层微观组织结构为非晶态。与Al、Ti合金复合后，高温力学性能好于基体。,纤维表面处理的目的及技术,例2：Cf/Al体系的纤维表面处理Cf表面沉积Ti-B是通过还原TiCl4和BCl3，用CVD法将产物Ti-B（主要为TiB2）共沉积在C纤维上，还原剂为Zn蒸气。涂层厚度与热处理工艺参数有关：650/6min时涂层厚度为20nm。沉积Ti-B的Cf束丝（也可称为预制丝）通过熔融Al液浸渍，制成Cf/Al预制丝（或带）,铺排后固态热压得到C/Al复合材料构件。,纤维表面处理的目的及技术,纤维表面处理的技术:可以进行梯度涂层（即覆以双征或多重涂层）化学气相沉积物理气相沉积溶胶凝胶处理电镀化学镀,MMCs制造方法分类,固态法是指基体处于固态制造金属基复合材料的方法。在某些方法中（如热压）允许有少量液相存在。由于制造温度低（相对于金属基复合材料的其他制造方法），所以金属基体与增强体之间的界面反应不严重。固态法包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、热挤压法、热拉拔法和爆炸焊接法等。,MMCs制造方法分类,液态法是指金属基体处于熔融状态下与固态的增强材料复合在一起的制造方法。可以采用加压浸渗、增强体表面（涂覆）处理、基体中添加适当合金元素等辅助措施。液态法的制造温度较高，在制造过程中，需严格控制浸渗温度、液态基体与固态增强体的接触时间等工艺参数。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、共喷沉积法、热喷涂法等。,国防科技大学航天与材料工程学院,MMCs制造方法分类,其他方法包括原位自生成、物理气相沉积、化学镀、电镀、复合镀、自蔓延等制造金属基复合材料的方法。,6.2.2.3固态制造技术（SolidStateFabricationTechniques）,（1）粉末合金法（2）热压法（3）热等静压法（4）热轧法、热挤压法和热拉拔法,固态制造技术(1)粉末合金法,(1)粉末合金法1961年，Kopenaal等人用粉末冶金法制备了（20%40%）的碳/铝复合材料。该法可用于制造颗粒、短切纤维和晶须增强金属基复合材料。还可以制造复合材料坯件，供挤压、轧制、锻压、旋压等二次加工用。美国DWA公司已用此法制造出各种铝基复合材料的管材、型材、板材和用于汽车、飞机和航天器的各种零件。它们具有很高的比强度、比模量和耐磨性，,固态制造技术(1)粉末合金法,粉末冶金法工艺：采用超声波或球磨等方法将金属粉末与增强体混匀，冷压预成型，最后通过热压烧结达到致密化，接近基体的理论密度。见示意图。,固态制造技术(1)粉末合金法,关键：温度、压力,减少气孔也可抽真空,图6-9,固态制造技术(1)粉末合金法,优点：与搅拌铸造法相比，在粉末冶金法中增强体（颗粒、晶须）的体积含量不受限制；尺寸可以在较大范围内变化。缺点：制造材料成本高；制造过大尺寸的零件和坯件有困难（受压机尺寸限制）。,固态制造技术（2）热压法,（2）热压法热压法：在较长时间的高温及不大的塑性变形作用下，依靠接触部位原子间的相互扩散进行复合的方法。热压法亦称扩散粘接法或扩散焊接法。扩散粘结过程可分为三个阶段：粘接表面接触界面扩散和体扩散界面消失。影响扩散粘结的工艺因素：温度、压力和一定温度及压力下保持的时间、气氛等。,固态制造技术（2）热压法,1）预制件的制作热压工艺通常要求先将纤维与金属基体制成复合材料预制件（丝、片、带）。复合材料预片的制作方法有：等离子喷涂法、液态金属浸渍法和离子涂覆法等。离子涂覆法是将纤维用易挥发粘接剂贴在金属箔上，得到的预制片称为无纬布。无纬布中的纤维与金属基体并未复合，因此，这种预制片也称“生(green)片”。,固态制造技术（2）热压法,不同纤维制成预制丝的方法有：SiC/Al超声浸渗法（日本、国防科大）C/Al超声浸渗法（中科院金属所、国防科大）C(Ti-B)/AlCVD法（中科院金属所、上海交通大学）,固态制造技术（2）热压法,图6-10碳/铝预制丝的横截面,固态制造技术（2）热压法,无纬布的制法：将纤维或纤维束在一定的衬底（铝箔或钛箔）上用缠绕机平行缠绕，一般要用易挥发粘接剂将纤维固定。固结后，沿着与纤维垂直的方向切割开来，展开即得到无纬布。将无纬布按照所需大小和方向进行裁剪，与基体箔片交替叠层，并封装在不锈钢模具中，待压。,固态制造技术（2）热压法,2）固态热压法工艺以Bf/Al复合材料为例，介绍固态热压法工艺：按照设计的纤维体积分数与纤维取向，把裁剪的Bf无纬布与一定厚度的Al箔交替铺层、堆垛至一定高度，封装在不锈钢模具中，抽真空状态下加热以排除有机粘接剂，最后在高温固态下进行热压。Al基体塑性变形填充纤维缝隙，并形成层间结合。基体把纤维固结在其中，形成Bf/Al复合材料。,图6-11MMCs扩散粘接（热压法）过程简图,固态制造技术（2）热压法,3）热压工艺参数热压法的温度较高，一般在稍低于基体合金的固相线或在固相线与液相线之间（在热压时有少许液相存在可增进结合）。温度过高，会导致纤维与基体之间发生反应。热压法的压力可在较大范围内变化，一般控制在100MPa以下。保压时间在1020min。热压气氛可在空气中进行。,固态制造技术（2）热压法,热压法目前适用于较粗直径的纤维（如CVD法制造的B、SiC纤维）和束丝纤维预制丝增强铝基、钛基复合材料的制造。应用于航天飞机主舱框架承力柱、发动机叶片、火箭部件。应用于钨丝/超合金、钨丝/铜等复合材料叶片的制造。见下页图。,图6-12MMCs热压固结工艺制造叶片流程,图6-13SiCf/Al热压截锥壳体（1/4）和截锥壳体中纤维正交排列,固态制造技术（2）热压法,固态制造技术（2）热压法,图6-14SiCf/Al热压截锥壳体（1/2）及其纤维正交排列,图6-15SiCf/Al复合材料口盖试验件纤维预制丝固态热压,固态制造技术（3）热等静压法,（3）热等静压法热等静压法也是热压法的一种。热等静压法是用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力作用而成型金属基复合材料的方法。热等静压工艺有三种：先升压后升温；先升温后升压；同时升温升压。,固态制造技术（3）热等静压法,热等静压工艺：在高压容器内装置加热器；将金属基体（粉末或箔）与增强材料（纤维、晶须、颗粒）按一定比例混合或排布后，或用预制片叠层后放入金属包套中；抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压，得到金属基复合材料。,固态制造技术（3）热等静压法,图6-16,固态制造技术（3）热等静压法,热等静压工艺参数：温度、压力、保温保压时间是热等静压MMCs的主要工艺参数。温度一般低于热压温度，可在数百度至2000范围选择；压力根据金属基体材料的变形难易来选择，一般高于扩散粘结压力（约在100200MPa）；保温时间根据工件尺寸大小来确定，一般为30min至数小时。,固态制造技术（3）热等静压法,热等静压适用于多种复合材料的管、筒、柱及形状复杂零件的制造；特别适用于钛基、金属间化合物基和超合金基复合材料的制造；优点是产品组织均匀致密，无缩孔、气孔等缺陷，形状、尺寸精确，性能均匀。缺点是设备投资大、工艺周期长、成本高。,固态制造技术（3）热等静压法,图6-17,固态制造技术（3）热等静压法,图6-18SiCf/Al热等静压包套和管子试件,图6-19SiCf/Al复合材料管状试验件纤维编织布热等静压,固态制造技术（4）热轧法、热挤压法和热拉拔法,（4）热轧法、热挤压法和热拉拔法热轧法用途：将已用粉末冶金或热压工艺复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材，如SiCp/Al、SiCw/Cu、Al2O3w/Al、Al2O3w/Cu等；将由金属箔和连续纤维组成的预制片（如铝箔与硼纤维、铝箔与钢纤维）轧制成板材。,固态制造技术（4）热轧法、热挤压法和热拉拔法,热挤压和热拉拔法主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管材、型材、棒材等；热挤压和热拉拔法最适合制造金属纤维增强金属基复合材料。具体做法是将金属基体钻孔，将金属丝（或颗粒、晶须）插入其中然后封闭，再挤压或拉拔成复合材料。,固态制造技术（4）热轧法、热挤压法和热拉拔法,挤压、拉拔的目的是使复合材料组织更均匀、缺陷减少或消除、性能明显提高；短纤维和晶须还会在一定程度沿着材料流动方向择优取向，从而，大幅度提高该方向上的拉伸强度。,固态制造技术（4）热轧法、热挤压法和热拉拔法,图6-20,固态制造技术（5）爆炸焊接法,（5）爆炸焊接法爆炸焊接法是利用炸药产生的强大瞬间压力，使材料发生塑性变形、粘接处金属的局部扰动和热过程来焊接复合材料的方法。爆炸焊接前应将金属丝等固定或编织好。基体与金属丝在焊前必须除去表面的氧化膜和污物。,固态制造技术（5）爆炸焊接法,爆炸焊接用的底座材料的密度和隔音性能应尽可能与复合材料的接近。一般是将金属平板放在碎石层或铁屑层上作为焊接底座。爆炸焊接法适合于制造金属层合板和金属丝增强金属基复合材料，例如钢丝/铝、钼丝/钛、钨丝/钛、钨丝/镍等。,固态制造技术（5）爆炸焊接法,爆炸焊接法的优点：因爆炸产生的瞬间压力高且作用时间短，所以组分材料之间界面反应的可能性小；用爆炸焊接可以制造形状复杂的零件和大尺寸的板材，还可以一次作业制得多块复合材料板。,图6-21,6.2.2.4液态制造技术,（1）真空压力浸渍法（2）挤压铸造（3）液态金属搅拌铸造法（4）液态金属浸渍法（5）共喷沉积法（6）热喷涂法,6.2.2.4液态制造技术,（1）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共同作用下，将液态金属压入增强材料的预制件缝隙中制备金属基复合材料零件的一种方法。它兼备真空吸铸和压力铸造的优点，由美国Alcon公司于1960年发明。,液态制造技术（1）真空压力浸渍法,金属熔体进入预制件有三种方式，即：底部压入式（见下页图）顶部注入式顶部压入式,真空压力浸渍炉的结构由耐高压壳体、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。,图6-22,液态制造技术（1）真空压力浸渍法,图6-23真空压力浸渍法的工艺流程增强体预制件放入模具基体金属放入坩埚装入浸渍炉抽真空、预热至预定温度、均热提升坩埚，液体金属在真空和惰性气体高压的共同作用下渗透预制件冷却、凝固复合材料,液态制造技术（1）真空压力浸渍法,预制件的质量：各种类型（纤维、颗粒）增强体应具有一定的抗压缩变形能力，以防止在浸渍过程中发生位移而造成增强材料密集区或基体密集区，使复合材料性能下降。预制件的制作方法有干法和湿法两种。,真空压力浸渍预制件制备过程示意图（1）压制成型：搅拌制模挤压干燥；（2）抽吸成型：吸取脱模干燥。,图6-24,液态制造技术（1）真空压力浸渍法,图6-25非连续增强体的预制件,液态制造技术（1）真空压力浸渍法,真空压力浸渍的工艺参数：*预制件的预热温度Tp金属熔体温度Tm*浸渍压力：与增强材料的尺寸和体积分数有关，与金属对增强材料的润湿性及粘度有关。一般在短时（3060s）内逐步升至最高压力。冷却速度,液态制造技术（1）真空压力浸渍法,图6-26,图6-27,液态制造技术（1）真空压力浸渍法,真空压力浸渍法的特点：浸渍在真空中进行和压力下凝固，因此制品无气孔无疏松和缩孔等铸造缺陷，组织致密，复合材料性能好；工艺简单，参数易于控制，因此，复合材料的界面也易于控制。适用于各种增强材料，如连续纤维、短纤维、晶须和颗粒增强金属基复合材料的制造。适合于形状复杂零件的制造，且接近净成型。,液态制造技术（1）真空压力浸渍法,真空压力浸渍法的缺点：设备比较复杂工艺周期长制造大尺寸的零件要求大型设备。,图6-28制备SiCf/Al的真空液相压渗工艺,液态制造技术（2）挤压铸造法,（2）挤压铸造法(squeezecasting)通过压机施加外压使液态金属渗入增强材料的预制件缝隙中制造金属基复合材料的方法称为挤压铸造法。挤压铸造是液态法中最重要的一种方法。它的成本低，增强材料及其预制件不需进行表面预处理，可以避免界面反应。,图6-29挤压铸造工艺流程增强体预制件基体金属熔融干燥浇铸压机加压压力下凝固去掉模具复合材料零件或坯件,图6-30,液态制造技术（2）挤压铸造法,挤压铸造工艺参数：*预制件质量、模具的设计、预制件预热温度、熔体温度、*压力大小是挤压铸造的主要工艺参数。挤压铸造的压力要比真空压力浸渍的压力高得多（70100MPa)，因此要求预制件具有足够高的强度，在制备纤维预制件时加入少量颗粒可以提高预制件强度和防止纤维在挤压过程中发生偏聚。使短纤维和晶须在预制件中定向，可以提高复合材料的单向性能。,液态制造技术（2）挤压铸造法,图6-31,图6-32,液态制造技术（2）挤压铸造法,挤压铸造模具的设计：在模具尺寸方面要求接近零件最终尺寸和形状，不容许金属熔体在挤压中溅出；在模具结构中应考虑排气通道，但也应以金属熔体不溅出为前提。,液态制造技术（2）挤压铸造法,挤压铸造的温度：首先要考虑到在挤压铸造工艺中，预制件、模具和金属是分别加热的，再考虑浸渍过程有大量的热量损失和高压下凝固有温度升高（约1025）。因此，预制件预热温度和熔体加热温度应有较大的过热。具体的过热温度视所选用的预制件和基体金属而定。以纯铝浸渍碳化硅纤维为例，其最佳制造温度范围见下页图。,最佳温度范围是图中打斜线的区域,图6-33,液态制造技术（2）挤压铸造法,上页图中，Q为热量总和，可用下式计算：Q=VRRCPR+(1-VR)MCPMTm式中，V、CP、T分别为体积含量、密度、等压比热和温度，下标R和M代表增强材料和熔融基体。es为凝固表面间隔；es1为预制件与熔融基体混合后的温度低于基体熔点温度Tm,即挤压铸造不能进行的情况。同样，es2也是不能进行挤压铸造的情况，它表示只有接触预制件表面的熔体凝固。,液态制造技术（2）挤压铸造法,挤压铸造的压力：它既影响熔体在预制件中的渗入，也影响预制件的变形。渗透压力与纤维直径和体积分数有关。一般来说，纤维直径粗则渗透压力小，晶须则需要相当大的压力。参看复合材料大全368页,液态制造技术（2）挤压铸造法,挤压铸造的应用：通常用于陶瓷短纤维、颗粒、晶须增强非铸造型铝合金（如不含硅的铝合金）和镁合金的零部件制造。如制造柴油发动机活塞的嵌衬件，比耐蚀高镍铸铁（Ni-Resist）的性能更好，具有高的抗磨损与抗热冲击性能。,柴油发动机活塞的制造工艺路线：,工艺路线：浇注加压凝固挤出。具体步骤：将非连续的Al2O3纤维（蓝宝石晶须）制成预制件，放入模具中，预热；注入金属铝熔体；加压（70100）MPa，使熔融金属浸渗到预制件的缝隙中。基体的凝固在压力下进行，最后用液压机的活塞顶出。,图6-34挤压铸造工艺示意图,挤压铸造的效益：,用Al3O2/Al的嵌衬件比耐蚀高镍铸铁的轻，可以减重5%10%。轻，在惯性力为主要载荷的高速柴油发动机中是关键。带有Al3O2/Al嵌衬件的活塞的耐磨性强、耐热冲击性强、耐腐蚀性强，使用寿命长。挤压铸造的MMC活塞的制造成本低，如日本向美国的售价比美国市场价低15%。挤压铸造MMC还用于热冲击严重的燃烧室(combustionbowl)内表面的制造。,液态制造技术（2）挤压铸造法,图6-35带有复合材料嵌衬件的活塞,液态制造技术（2）挤压铸造法,图6-36挤压铸造活塞剖面,液态制造技术（3）液态金属搅拌铸造法,（3）液态金属搅拌铸造法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在其中均匀的分散并与之复合，然后浇铸成锭坯或铸件的方法称为液态金属搅拌铸造法。根据工艺特点和所选用的设备可将液态金属搅拌铸造法分为旋涡法、Duralcon法和复合铸造法。,液态制造技术（3）液态金属搅拌铸造法,1）旋涡法利用高速旋转的搅拌器的桨叶搅动金属熔体，使其强烈流动，并形成以搅拌旋转轴为对称中心的旋涡。将颗粒增强体加到旋涡中，依靠旋涡的负压抽吸作用，颗粒进入熔体并在其中均匀分散（呈复合态），浇铸后获得颗粒增强金属基复合材料。旋涡法的主要工序有：基体金属熔化、除气和精炼；颗粒预处理；搅拌复合；浇铸等。,液态制造技术（3）液态金属搅拌铸造法,旋涡法的主要工艺参数：搅拌复合工序的搅拌速度（一般控制在5001000r/min)；搅拌时基体金属熔体的温度（选基体金属液相线以上100）；颗粒加入速度。,图6-37,液态制造技术（3）液态金属搅拌铸造法,旋涡法工艺简单、成本低。主要用来制造颗粒直径较大（50100m）的耐磨复合材料，例如Al2O3/Al-MgZrO2/Al-MgAl2O3/Al-SiSiC/Al-SiSiC/Al-MgC(石墨)/Al,液态制造技术（3）液态金属搅拌铸造法,2）Duralcon法将熔炼好的基体金属熔体注入可抽真空或通惰性气体保护、并能保温的搅拌炉中，加入颗粒增强体，搅拌器在真空或充氩气条件下进行高速搅拌，呈复合态后浇铸获得颗粒增强金属基复合材料。此法也称无旋涡搅拌法。是80年代中期由Alcon公司开发的可工业规模生产SiC颗粒/Al,Al2O3颗粒/Al等复合材料的方法。,搅拌器由主、副两搅拌器组成，主搅拌器具有同轴多桨叶，旋转速度高（10002500r/min）；副搅拌器沿坩埚壁缓慢旋转，转速小于100r/min。搅拌过程中金属熔体的温度控制在高于金属液相线50为宜。搅拌时间通常为20min左右。,图6-38,液态制造技术（3）液态金属搅拌铸造法,Duralcon法的特点：由于是在真空或氩气中搅拌，故能有效防止金属的氧化和吸气，铸锭中的气孔率小于1%；主搅拌器对颗粒的剪切、细化和分散作用以及副搅拌器对坩埚壁上颗粒的刮带作用，导致最终颗粒在基体中分布均匀，组织致密，性能好。搅拌后的复合熔体可以采用连续铸造、金属型铸造、低压铸造等方法制成各种零件和锭坯，锭坯还可以供进一步轧制、挤压用。目前已能生产重量达600kg的锭坯。,液态制造技术（3）液态金属搅拌铸造法,3）复合铸造法将颗粒增强体加入正在搅拌中的半固态的基体金属熔体中，通过半固态金属熔体中大约40%60%的结晶粒子将颗粒带入熔体中，因与结晶粒子相互碰撞、摩擦，导致颗粒与液态金属润湿、在金属熔体中均匀分散和复合，然后再升至浇铸温度进行浇铸，获得金属基复合材料零件或坯件。,液态制造技术（3）液态金属搅拌铸造法,复合铸造法的特点：复合铸造法可以用来制造颗粒直径细小、颗粒体积分数高的金属基复合材料。复合铸造法还可用来制造晶须、短纤维增强金属基复合材料。复合铸造法的主要问题是基体合金体系的选择受到很大限制，即必须选择在这样的温度下能析出大量初晶相的基体材料。,图6-39,液态制造技术（4）液态金属浸渍法,（4）液态金属浸渍法液态金属浸渍法是指用液态金属连续浸渍长纤维得到预复合带、丝的方法。也称为连铸法。为了改善熔融金属对纤维的润湿性，纤维要经过预先表面涂覆处理。如用化学气相沉积法在碳（石墨）纤维表面涂覆Ti-B，或金属钠（或钾）。碳纤维表面的金属和化合物涂层还可用电镀、化学镀等方法得到。或者用超声振动方法、溶胶凝胶法处理。,液态制造技术（4）液态金属浸渍法,图6-40,液态制造技术（5）共喷沉积法,（5）共喷沉积法共喷沉积法基本原理：液态金属基体通过特殊的喷嘴在惰性气体气流的作用下雾化成细小的液态金属流，喷向增强体的衬底上，凝固形成金属基复合材料。共喷沉积法于1969年由A.R.E.Siager发明，随后由Ospray金属有限公司工业化生产。用来制造各种颗粒增强铝、铜、镍、铁、金属间化合物基复合材料。,液态制造技术（5）共喷沉积法,图6-41共喷沉积法工艺原理图,共喷沉积法装置主要由熔炼室、雾化沉积室、颗粒加入器、气源、控制台等组成。最核心部分是雾化室中雾化用喷嘴和沉积用衬底。共喷沉积的产品有圆锭、板带和管子三种。,液态制造技术（5）共喷沉积法,共喷沉积法制造圆锭的衬底,共喷沉积法制造板带的衬底,共喷沉积法制造管子的衬底,图6-42共喷沉积法制备各种类型构件的衬底示意图,液态制造技术（5）共喷沉积法,共喷沉积法的特点：适用面广（各种基体金属及化合物、颗粒和产品形状）；生产工艺简单、效率高。能快速一次成型，雾化速率可达25200kg/min，沉积凝固迅速；冷却速度大（金属液滴冷速达103106K/s）。所得复合材料基体金属的晶粒细而均匀，无宏观偏析。复合材料中的气孔