第四章第二节---金属基复合材料(MMC)制备工艺.ppt

第二节金属基复合材料（MMC）制备工艺,2.1概述2.1.1金属基复合材料的研究重点1）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能；2）增强相/基体的界面优化、界面设计；3）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本；4）新型增强剂的研究开发；5）复合材料的扩大应用。,2.1.2金属基复合材料制备工艺的分类：1）固态法：真空热压扩散结合、热等静压、超塑性成型/扩散结合、模压、粉末冶金法。2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。4）原位生长法。,2.1.3连续增强相金属基复合材料的制备工艺,铝合金固态、液态法碳纤维镁合金固态、液态法硼纤维钛合金固态法SiC纤维高温合金固态法氧化铝纤维金属间化合物固态法,2.1.4不连续增强相金属基复合材料的制备工艺,2.2先驱（预制）丝（带、板）的制备,2.2.1粉末法纤维/基体复合丝首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体粉末/聚合物粘接剂胶体，然后将纤维通过带有一定孔径毛细管的胶槽，在纤维表面均匀地涂敷上一层基体粉末胶体，干燥后形成一定直径的纤维/基体粉末复合丝。,2.2.2PVD法纤维/基体复合丝,采用磁控溅射等物理气相沉积（PVD）手段将基体金属均匀沉积到纤维表面上，形成纤维/基体复合丝。,PVD法纤维/基体复合丝原理图,2.2.3等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：,2.2.5熔池法纤维/基体复合丝这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。,对石墨纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性，防止过量的脆性相Al4C3生成。,2.3金属基复合材料（MMC）制备方法,2.3.1粉末冶金法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料常采用的工艺。其优点如下：1）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控；2）可根据要求设计复合材料的性能；3）利于增强相与金属基体的均匀混合。4）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；5）利于净成型或近净成型，二次加工性能好。但工艺流程较长，成本较高是这种工艺的缺点。,8.3.2固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺）,（1）真空热压扩散结合,（2）热等静压（HIP）热等静压制备金属基复合材料管材示意图,（3）模压成型模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各种型材。,8.3.3液态法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）（1）压铸法在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型。,（2）半固态复合铸造将颗粒加入半固态的金属熔体中，通过搅拌使颗粒在基体中分布均匀，并取得良好的界面结合，然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。,（3）喷射成型法喷射沉积工艺是一种80年代逐渐成熟的将粉末冶金工艺中混合与凝固两个过程相结合的新工艺。该工艺过程是将基体金属在坩埚中熔炼后，在压力作用下通过喷嘴送入雾化器，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“雾化锥”；同时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一基板（收集器）上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。,喷射成型法示意图,（4）无压浸渗法美国Lanxide公司开发的一种新工艺。将增强材料制成预制体，放置于由氧化铝制成的容器中。再将基体金属坯料置于增强材料预制体上部。然后一齐均装入可通入流氮气的加热炉中。通过加热，基体金属熔化，并自发浸渗入网络状增强材料预制体中。,无压浸渗法制备Al2O3（f）/Al复合材料工艺原理示意图,1.3.4原位（Insitu）生长（复合）法增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强相之间的认识润湿和界面反应等问题，基体与增强相结合良好，较好的解决了界面相容性问题。,（1）共晶合金定向凝固：共晶合金定向凝固要求合金成分为共晶或接近共晶成分，开始为二元合金，后发展为三元单变共晶，以及有包晶或偏晶反应的两相结合。定向凝固时，参与共晶反应的和相同时从液相中生成，其中一相以棒状（纤维状）或层片状规则排列生成（上图）。,定向凝固共晶合金复合材料的原位生长必须满足三个条件：（1）有温度梯度（GL）的加热方式；（2）满足平面凝固条件；GL/VI=mL（CEC0）/DL式中：GL：液相温度梯度；VI：凝固速度；mL：液相线斜率；CE：共晶成分：C0：合金成分；DL：溶质在液相中的扩散系数。（3）两相的成核和生长要协调进行。,（2）反应生长法（XDTM）该工艺可生成颗粒、晶须或共同增强的金属和金属间化合物基复合材料。根据所选择的原位生长的增强相的类别或形态，选择基体和增强相生成所需的原材料，如一定粒度的金属粉末、硼或碳粉，按一定比例混合制成预制体，并加热到熔化或自蔓延燃烧（SHS）反应发生的温度时，预制体的组成元素进行放热反应，以生成在基体中弥散的微观增强颗粒、晶须和片晶等,例如：Al+Ti+BTiB2+AlTiB2/AlAl+Ti+CTiC+AlTiC/AlFe2O3+AlAl2O3+Fe+850KJAl2O3/Fe,反应生长法（XDTM）工艺原理示意图,2.4金属基复合材料的界面和界面设计,2.4.1金属基复合材料的界面,2.4.2金属基复合材料的界面优化以及界面设计,改善增强剂与基体的润湿性以及控制界面反应的速度和反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或界面层的产生，进一步进行复合材料的界面设计，是金属基复合材料界面研究的重要内容。从界面优化的观点来看，增强剂与基体的在润湿后又能发生适当的界面反应，达到化学结合，有利于增强界面结合，提高复合材料的性能。金属基复合材料的界面优化以及界面设计一般有以下几种途径：,2.4.2.1增强剂的表面改性处理增强材料的表面改性（涂层）处理可起到以下作用：（1）改善增强剂的力学性能，保护增强剂的外来物理和化学损伤（保护层）；（2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿层）；（3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应(阻挡层)（4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性差的现象（过渡层、匹配层）；（5）促进增强剂与基体的（化学）结合（牺牲层）。,常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有：PVD、CVD、电化学、溶胶-凝胶法等。常用纤维涂层种类：SiC纤维富碳涂层、SCS涂层等；硼纤维SiC涂层、B4C等；碳纤维TiB2涂层、C/SiC复合涂层等。,2.4.2.2金属基体改性（添加微量合金元素）在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增强剂与基体的润湿性或有效控制界面反应。（1）控制界面反应。（2）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备温度和时间。（3）改善增强剂与基体的润湿性。,2.4.3金属基复合材料的性能,YourTexthereLoremipsumdolorsitamet,consectetueradipiscingelit,seddiamnonummynibheuismodtinciduntutlaoreetdoloremagnaaliquameratvolutpat.Utwisienimadminimveniam,quisnostrudexercitationullamcorpersuscipitlobortisnislutaliquipexeacommodoconsequat.Duisautemveleumiriuredolorinhendreritinvulputatevelitesse