金属基复合材料制备技术及其在航天领域的应用2

严红革制作2008,金属基复合材料制备技术及其在航天领域的应用,严红革湖南大学材料科学与工程学院E-mail:yanhg68Tel:138731989890731-8664005(O),严红革制作2008,目录,一、金属基复合材料的组织、性能特点二、金属基复合材料的制备技术三、金属基复合材料在航天领域的应用,严红革制作2008,一、金属基复合材料组织、性能特点,1.分类增强相颗粒纤维晶须和短纤维基体材料铝合金镁合金钛及钛合金,颗粒:SiC、Si3N4、Al2O3、石墨、B4C；金属间化合物Ti-Al、Ni-Al等。晶须:SiC、Al2O3、硼酸铝、钛酸钾等纤维:C、B、W、Al2O3、SiC等,严红革制作2008,2.组织特点,Al-7Si/SiCp的锭坯组织(冷速不同),增强相的分布特点(锭坯和塑性加工材料),挤压过程中陶瓷颗粒流线的形成,严红革制作2008,2.组织特点,热应力导致位错密度增加大颗粒增强相间的位错密度与颗粒尺寸有密切关系，小颗粒间的位错密度变化不大。塑性变形导致复杂的位错结构增强相影响沉淀相的析出行为促进沉淀相的析出；抑制GP区的形成；界面析出。,严红革制作2008,Al-4wtCu/SiCp复合材料中相的分布照片,铝基复合材料中的位错结构,严红革制作2008,Al-4wtCu/SiCp的DSC曲线,严红革制作2008,2.组织特点,特殊的晶粒结构增强颗粒附近的位错密度非常高，容易导致细小亚晶粒的产生，特别是对应层错能高的金属。增强颗粒抑制晶粒转动，因而减轻形变织构，效果与体积分数有关。,严红革制作2008,P/MAl/10volSiCp挤压后的扫描电镜照片。细小的氧化物条带显示了变形期间基体流变场的特征。SiC颗粒群内的基体没有变形。实际上，这三个颗粒的行为相当于一个大尺寸颗粒的行为(在这个颗粒群周围存在与大颗粒外围相同的变形情况),严红革制作2008,影响再结晶过程小尺寸颗粒会钉扎大角度晶界，如果颗粒尺寸较大，则会促进再结晶形核。再结晶过程对增强相的体积分数非常敏感。,2.组织特点,严红革制作2008,3.界面问题,特点在界面处会出现材料的物理性质(弹性模量、膨胀系数、热导率、热力学参数)和化学性质等的不连续性。结构复杂性：接触连接面、反应产物、析出相、元素的扩散与偏聚、近界面的高密度位错区等。,严红革制作2008,界面结合类型化学结合如Al/Cf、Ti/SiCf等物理结合无反应无扩散。如：Al/SiCf、Al/Bf扩散结合机械结合,严红革制作2008,界面优化及界面反应控制,采用惰性扩散层来抑制界面反应增强相表面改性，以提高界面结合强度问题提高熔体温度在熔体中添加合金化元素增强相表面处理，如煅烧、氧化、粗糙化涂层，如电镀、化学镀、气相沉积、sol-gel等,严红革制作2008,4.MMCS的性能特点,优点组织结构和性能的可设计性和可控制性强高弹性模量、高强、高刚性膨胀系数可控高温性能较好(与基体合金相比)阻尼性能优异耐磨损性质好抗蠕变性能优异抗疲劳性能好吸收水气(与树脂基复合材料比较),严红革制作2008,MMC弹性模量,铝基复合材料的单周和循环应力应变曲线,严红革制作2008,金属和MMCs膨胀系数对比,MMCs的耐热性能,严红革制作2008,严红革制作2008,MMCs中几种可能的阻尼机制,严红革制作2008,缺点塑性和韧性较低疲劳性能不够理想复合材料表面增强颗粒脱粘带来的危害腐蚀问题复杂焊接工艺难度大价格较高技术较成熟,4.MMCS的性能特点,严红革制作2008,增强体开裂大尺寸颗粒容易断裂。对于Al/SiCp,当SiC颗粒尺寸大于20m时，颗粒断裂是重要的失效机制。,5.MMCp的失效机制,严红革制作2008,基体内形成空洞和界面脱粘。机制：增强相内存在缺陷承受大的塑性变形增强相位于晶界上颗粒团聚界面粘着力低界面存在脆性相,5.MMCp的失效机制,严红革制作2008,严红革制作2008,5.MMCp的失效机制,微观结构变化的影响已有的裂纹源增强体的形状增强体的尺寸粘结强度增强体的分布基体时效,严红革制作2008,在平行于应力方向的长形颗粒以及在垂直于应力方向的平面上促发裂纹形核。对于球形颗粒，空洞萌生和生长的速率较低。在带棱角的颗粒处应力集中明显，容易产生裂纹。裂纹易在颗粒团聚区形成。通过合金化、增强相表面处理可以提高界面结合强度,严红革制作2008,严红革制作2008,应力状态的影响压应力有利于阻碍空洞和裂纹的萌生与扩展；应变速率的影响增加高应变速率会导致模量、拉伸强度和断裂韧性的增加。温度的影响,5.MMCp的失效机制,严红革制作2008,6.改善MMCp塑性和韧性的途径及机制,影响因素颗粒断裂颗粒尺寸(20m时基本上不断裂)增强相的分布特征增强相的形状增强相与基体间的界面结合强度合金基体的特性应力状态和变形时的应变速率等,严红革制作2008,改善韧性的途径结合界面的设计及选择塑性加工，实现全致密化、消除缺陷、改善组织均匀性等。改善增强相的分布均匀性、颗粒形貌、尺寸等特性。采用混合增强相(如颗粒+晶须)，也有研究采用金属间化合物颗粒。,严红革制作2008,二、金属基复合材料的制备技术,严红革制作2008,1.固相法,粉末冶金法制备铝基复合材料的工艺流程,粉末冶金工艺,严红革制作2008,优点基体合金组织微细，适合于制备具有特殊性能的产品；陶瓷颗粒的加入量高，可以达到50%以上；陶瓷颗粒的分散均匀性高；陶瓷颗粒的尺寸基本不受限制(可以在5m以下)；一般不会发生有害的界面反应。缺点在制备大尺寸零部件时存在一定的困难；产品成本较高；需要大型的成形设备、模具加工费用较高,工艺特点,严红革制作2008,扩散固结法,严红革制作2008,严红革制作2008,扩散粘结Ti-6Al-4V/SiCf,HIP法Ti-5Al-5V/TiCf,严红革制作2008,搅拌铸造法,2.液态成型工艺,传统方法,改进后的方法,严红革制作2008,工艺特点,优点：生产工艺简单，产量大成本较低缺点：基体合金的性能偏低；陶瓷颗粒的分散均匀性差，特别是微细颗粒；容易产生有害的界面反应；陶瓷颗粒的加入量受到限制。,严红革制作2008,熔体浸渗法,2.液态成型工艺,无压浸渗法压力浸渗法挤压浸渗法真空浸渗法超声辅助浸渗法电磁辅助浸渗法离心浸渗法,严红革制作2008,3.喷射共沉积技术,喷射共沉积技术原理示意图,严红革制作2008,(a)锭坯机,(b)锭坯机,(c)管坯机,(d)板坯机,传统喷射沉积技术原理示意图,严红革制作2008,严红革制作2008,新型的大尺寸复合材料坯件制备技术,严红革制作2008,喷射沉积Al-Si合金锭坯,喷射沉积7075Al合金锭坯,喷射沉积耐热铝合金锭坯,新型喷射沉积技术在大尺寸坯件制备中的应用,严红革制作2008,喷射沉积7075Al/SiCp锭坯,7075Al/SiCp挤压板,7075Al/SiCp锭坯的特征组织,铝基复合材料环件,新型喷射沉积技术在大尺寸坯件制备中的应用,严红革制作2008,喷射沉积技术的特点,材料沉积速率高，可以达到每秒公斤级，因此在较短时间内即可制得重达吨级的复合材料坯沉积坯冷速高,材料组织微细,力学性能优异不会发生有害界面反应含氧量低陶瓷颗粒加入量大，分散均匀性好,严红革制作2008,严红革制作2008,严红革制作2008,严红革制作2008,严红革制作2008,三、金属基复合材料在航天等领域的应用,金属基复合材料的主要应用领域卫星和空间结构材料：各种框架结构，可展开天线，公用机匣，紧固件等；导弹材料：舱段壳体、弹翼连接法兰盘、发动机部件、翼面、舵面电子及光学仪表：微波波导管、散热器、封装材料、雷达天线、惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等；飞机：翼梁、起落架、压气机、风扇叶片、刹车片等；直升机的传动机匣、螺旋浆、旋翼桨毂等；,严红革制作2008,轻武器：榴弹发射器枪管、轻型炮管、炮架；水中兵器：鱼雷壳体、潜望镜镜杆、鱼雷发动机缸套及缸盖、活