金属基复合材料课件

1,金属基复合材料,2,内容,金属基复合材料的定义及特性分类，常用的基体及增强体材料金属基复合材料的组分相容性金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料的性能,3,金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性；与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。,金属基复合材料及其特性,金属基复合材料（MMC）是以金属或合金为基体，以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的非均质混合物，共同点是具有连续的金属基体。,4,构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要的依据，也是其发展的动力。,金属基复合材料的使用要求,在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求。作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。,5,高性能航空发动机、燃气轮机：要求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。,选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。,6,在汽车发动机中要求其零件耐热、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。,选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）/铝基复合材料。如碳化硅/铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维/铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。,7,1963年，NASA制备出钨丝增强Cu基复合材料，是纤维增强金属基复合材料的研究起点，SiC/Al,Al2O3/Al；1978年B/Al复合材料在哥伦比亚航天飞机上应用；1964年，Kraft通过共晶合金定向凝固制备出金属基复合材料，界面结合良好，Ni-Ni3Al，Ni-Ni3Si；20世纪80年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料，在汽车、体育用品等领域得到应用；90年代后期，电子产品和技术迅速发展，低膨胀、高强度和高导热性的金属基复合材料在电子产品得到应用；近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。,金属基复合材料的发展,8,金属基复合材料的分类,铝基复合材料镁基复合材料钛基复合材料镍基复合材料铜基复合材料,基体,颗粒增强金属基复合材料短纤维、晶须增强金属基复合材料长纤维强金属基复合材料层状复合材料,增强体,9,铝及铝合金,铝基复合材料是金属基复合材料中发展最快、应用得最广的一种。金属铝为面心立方结构，无同素异构体，密度为钢的1/3左右，具有良好的塑性和韧性，以及易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，在工程上广泛应用。工业纯铝：塑性优异，适用各种形式的冷、热加工；导电、导热性能好，代替铜制作导线；强度不高，不适合做承力大的结构材料。,10,金属基复合材料工艺研究内容,金属基体与增强材料的结合和结合方式；金属基体/增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制；增强材料在金属基体中的分布；防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤；优化工艺参数，提高复合材料的性能和稳定性，降低成本。,11,根据各种方法的基本特点，把金属基复合材料的制备工艺分为四大类：(1)固态法：扩散结合和粉末冶金；(2)液态法：铸造法、压铸法、半固态复合铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法等；(3)喷射与喷涂沉积法；(4)原位复合法：共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法、反应自生成法。,金属基复合材料的制备工艺,12,常用的金属基复合材料制备工艺,13,扩散结合,扩散结合也称扩散粘接法或扩散焊接法，是加压焊接的一种，包括热压法和热等静压法。在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或不相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。扩散结合是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的。扩散结合的过程：粘接表面之间的最初接触，由于加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜破坏；发生界面扩散和体扩散，使接触面密着粘接；热扩散界面最终消失，粘接过程完成。扩散结合成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺方法。,14,扩散结合工艺中，增强纤维与基体的结合主要分为三个关键步骤：纤维的排布；复合材料的叠合和真空封装；热压。预制片的制备：等离子喷涂法、箔粘接法及液态金属浸渍法。热压的工艺参数：温度、压力及时间。热压法的应用：B/Al、SiC/Al、SiC/TiC/Al、C/Mg等复合材料零部件、管材及板材。直径较粗的硼纤维和碳化硅纤维增强铝基、钛基及钨丝-超合金、钨丝-铜等复合材料的主要方法。,扩散结合的工艺过程,15,a)金属箔复合法b)金属无纬带重叠法c)表面镀有金属的纤维结合法,扩散结合法示意图,16,热等静压法也是热压的一种，可用于制造形状复杂的金属基复合材料零件。热等静压法用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用。在高压容器内设置加热器，将金属基体与增强材料按一定比例混合或排布后，或将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，复合成金属基复合材料。应用：钛、金属间化合物、超合金复合材料管、筒、柱状零件。优点：基体与增强物复合良好，组织致密，无缩孔、气孔等缺陷，形状、尺寸精确，性能均匀。,热等静压法,17,采用扩散结合方式制备金属基复合材料，工艺相对复杂，工艺参数控制要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。但扩散结合是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的唯一可行的工艺。在扩散结合工艺中，增强纤维与基体的湿润问题容易解决，而且在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工艺。,扩散结合的特点,18,粉末冶金是用于制备与成型非连续增强型金属基复合材料的一种传统的固态工艺法。利用粉末冶金原理，将基体金属粉末和增强材料按设计要求的比例在适当的条件下均匀混合，然后再压坯、烧结或挤压成型，或直接用混合粉料进行热压、热轧制、热挤压成型，也可将混合料压坯后加热到基体金属的固-液相温度区间内进行半固态成型，获得复合材料或制件。粉末冶金可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。,粉末冶金,19,粉末冶金成型主要包括混合、固化、压制三个过程。工艺是：采用超声波或球磨等方法将金属粉末与增强体混匀，然后冷压预成型，得到复合坯件，最后通过热压烧结致密化获得复合材料成品。,粉末冶金成型工艺,20,粉末冶金法制备颗粒增强金属基复合材料的工艺流程,21,热等静压或烧结温度低于金属熔点，由于高温引起的增强材料与金属基体的界面反应少，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的温度、压力和时间等工艺参数来控制界面反应。可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末以任何比例混合，纤维含量最高可达75%，颗粒含量可达50%以上，这是液态法无法达到的。,粉末冶金法的优点,降低增强材料与基体互相湿润及密度差的要求，使颗粒或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中。采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到明显改善，提高复合材料的性能。金属基复合材料可通过传统的金属加工方法进行二次加工，得到所需形状的复合材料构件毛坯。,22,工艺过程比较复杂；金属基体必须制成粉末，增如了工艺的复杂性和成本；在制备铝基、镁基复合材料时，还要防止粉末引起的爆炸。,粉末冶金法的缺点,23,也称熔铸法，是指金属基复合材料在制造过程中，金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合的方法。包括铸造法、压铸法、半固态复合铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法等。液态法是目前制备颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料的主要工艺方法。液态法主要特点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。与固态法相比，液态法的工艺及设备相对简便易行，与传统金属材料的成型工艺，如铸造、压铸等方法过程相似，制备成本较低，得到较快的发展。为减少高温下基体与增强材料之间的界面反应，改善液态金属基体与固态增强体的润湿性，通常采用加压浸渗、增强材料表面（涂覆）处理、基体中添加合金元素等措施。,液态法,24,在铸造生产中，用大气压力重力铸造法难以获得致密的铸件时，常采用真空铸造法和加压铸造法。为使金属液能充分浸渗到预成型体纤维间隙内，制得致密铸件的加压铸造法有高压凝固铸造法和压铸法。,铸造法,25,将纤维与粘接剂制成的预制件放在模具中加热到一定温度，再将熔融金属液注入模具中，迅速合模加压，使液态金属以一定速度浸透到预制件中，粘结剂受热分解除去，冷却后得到复合材料制品。为避免气体或杂质等的污染，整个工艺过程在真空条件下进行。纤维与金属在高温时间短，界面反应层厚度小，可用于加工复杂形状的制品，致密性好，纤维损伤少。,高压凝固铸造法,26,制造碳化硅纤维增强铝基复合材料的新工艺。在铸型内形成一定负压条件，使液态金属或颗粒增强金属基复合材料自上而下吸入型腔凝固后形成固件的工艺方法。Al-10%Si合金为基体，700-750吸铸温度可使CVD法碳化硅纤维在较短时间内完成浸润，纤维损伤少，棒材抗拉强度达1600-1700MPa。,真空吸铸法,27,搅拌铸造法是最早用于颗粒增强金属基复合材料的一种弥散混合铸造工艺。搅拌铸造法有两种方式：一种是在合金液处于液相线温度以上进行搅拌，称为“液态搅拌”；另一种是合金液处于固相线与液相线之间进行搅拌，称为“半固态搅拌铸造法”或“流变铸造”。,搅拌铸造法,28,搅拌铸造颗粒增强金属基复合材料,29,利用超声波在铝合金熔体中产生的声空化效应和声流效应所引起的力学效应中的搅拌、分散、除气等来促使颗粒混入铝合金熔体，改善颗粒与熔体间的润湿性，迫使颗粒在熔体中均匀分散。是高效的复合方法，能在极短时间内实现颗粒在基体中的润湿和分散，并能除气、除渣，是一种工艺简单、成本低廉的制备方法。,高能超声法,30,磁铁搅拌器的高速旋转在空间产生交变磁场，磁场在空间感应出交变的电场，在导电的金属熔体内部产生交变的电流，使熔体产生漩涡，将加入的增强颗粒卷入金属熔体中。电磁力对金属熔体进行搅拌具有不直接接触、对金属熔体无污染等机械搅拌所无法比拟的优点。,磁力搅拌法,31,压铸成型是指在压力作用下将液态或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增强材料预制体的孔隙中，在压力下快速凝固成型而制备金属基复合材料的工艺方法。,压铸成型法,压铸成型法的具体工艺将包含有增强材料的金属熔体倒入预热摸具中后，迅速加压，压力约为70-100MPa，使液态金属基复合材料在压力下凝固。复合材料完全固化后顶出，制得所需形状及尺寸的复合材料的坯料或压铸件。,32,压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个：熔融金属的温度、模具预热温度、使用的最大压力、加压速度。在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，一般压力不低于50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜，一般为1-3cm/s。对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为700-800，预制件和模具预热温度一般可控制在500-800，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。采用压铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。,压铸成型法的特点,33,采用铸造的方法使两种熔点不同的液态金属先后熔铸在一起或一种液态金属与一种固态金属凝铸在一起。现代液-固相复合技术以液态金属快速非平衡凝固和半固态直接塑性成型为特征，控制异种材料复杂界面反应的方向和限度，保证复合界面良好结合、复合材料的高质量和复合工艺的高效率。,熔铸复合法,34,电磁控制连铸工艺原理,35,采用搅拌法制备金属基复合材料时，常常会由于强烈搅拌将气体或表面金属氧化物卷入金属熔体中；同时当颗粒与金属基体湿润性差时，颗粒难以与金属基体复合，而且颗粒在金属基体中由于比重关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。半固态复合铸造主要是针对搅拌法的缺点而提出的改进工艺。这种方法是将颗粒加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使颗粒在金属基体中均匀分布，并取得良好的界面结合，然后浇注成型或将半固态复合材料注入模具中进行压铸成型。,半固态复合铸造,36,是将金属熔体的温度控制在液相线与固相线之间，通过搅拌使部分树枝状结晶体破碎成固相颗粒，熔体中的固相颗粒是一种非枝晶结构，可以防止半固态熔体粘度的增加。当加入预热后的增强颗粒时，因熔体中含有一定量的固相金属颗粒，在搅拌中增强颗粒受阻而滞留在半固态金属熔体中，增强颗粒不会结集和偏聚而得到一定的分散。强烈的搅拌作用促进增强颗粒与金属熔体的接触、润湿。浇注时金属基复合材料是处于半固态，直接浇注成型或压铸成型所得的铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。半固态复合铸造主要应用于颗粒增强金属基复合材料。短纤维、晶须在加入时容易结团或缠结在一起，虽经搅拌也不易分散均匀。,半固态复合铸造的特点,37,半固态复合铸造工艺中，金属基体熔体的温度应使熔体达到30%-50%固态；搅拌速度应不产生湍流以防止空气裹入，并使熔体中枝晶破碎形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒的加入。,主要控制工艺参数,38,通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金属而制成金属基复合材料的方法。工艺效率较高、成本较低，适用于制成板材、线材和棒材等。加工时，可以抽真空，利用渗透压迫使熔融金属浸透到纤维的间隙中，也可以在熔融的金属一侧用惰性气体或外载荷施加压力的方法实现渗透。,熔融金属浸渗法,39,将增强材料制成预制体，置于氧化铝容器内。将基体金属坯料置于可渗透的增强材料预制体的上部或下部。氧化铝容器、预制体和基体金属坯料均装入可通入流动氮气的加热炉中。通过加热，基体金属熔化，并自发渗透进入网络状增强材料预制体中。,浸渗法的工艺过程,40,无压渗透工艺能明显降低金属基复合材料的制造成本，复合材料的刚度显著高于基体金属，但强度较低。例如以55-60%Al2O3或SiC预制成零件的形状，放入同样形状的刚玉陶瓷槽内，将含有3%-10%Mg的铝合金（基体）坯料放置在增强材料预制体上，在流动的氮气气氛下，加热至800-1000，铝合金熔化并自发渗入预制体内。由于氮气与铝合金发生反应，在金属基复合材料的显微组织中还有AlN。控制氮气流量、温度以及渗透速度，可以控制AIN的生成量。AlN在铝基复合材料中起到提高复合材料刚度，降低热膨胀系数的作用。采用这种方法制备的Al2O3/Al的刚度是铝合金基体的两倍，而SiC/Al的刚度也达到钢的水平，但强度水平较低。,无压浸渗法,41,加压熔浸装置,42,纤维束连续熔浸装置及制品种类,43,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”；通过一个或多个喷咀向“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。,喷射沉积法,44,工艺流程短，工序简单，喷射沉积效率高，有利于工业化生产；高致密度，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的95%-98%；属快速凝固方法，冷速可达103-106K/s，金属晶粒及组织细化，消除了宏观偏析，合金成分均匀，同时增强材料与金属液滴接触时间短，很少或没有界面反应；,喷射沉积法的优点,具有通用性和产品多样性。工艺适于多种金属材料基体，如高、低合金钢、铝及铝合金、高温合金等。通过设计雾化器和收集器的形状和一定的机械运动，直接形成盘、棒、管和板带等接近零件实际形状的复合材料的坯料。,45,原位自生成法,在复合材料制造过程中，增强材料在基体中生成和生长的方法称作原位自生成法。在金属基复合材料制备过程中，经常遇到两个问题：一是增强材料与金属基体之间的相容性（即润湿性）问题，二是无论固态法还是液态法，增强材料与金属基体之间的界面都存在界面反应。增强材料与金属基体之间的相容性影响金属基复合材料在高温制备和高温应用中的性能和性能稳定性。如果增强材料（纤维、颗粒或晶须）能从金属基体中直接（即原位）生成，则上述问题就可以得到较好的解决。以原位自生成法制造的金属基复合材料中，基体与增强材料间的相容性好，界面干净，结合牢固，特别当增强材料与基体之间有共格或半共格关系时，能非常有效地传递应力；而且，界面上不生成有害的反应产物。因此这种复合材料具有较优异的力学性能。,46,原位自生成法1)共晶合金定向凝固法2)直接金属氧化法（DIMOXTM）3)反应自生成法（XDTM）,47,增强材料以共晶的形式从基体中凝固析出，通过控制冷凝方向，在基体中生长出排列整齐的类似纤维的条状或片层状共晶增强材料。要求合金成分为共晶或接近共晶成分，以及有包晶或偏晶反应的两相结合。,共晶合金定向凝固法,工艺过程：合金原料在真空或惰性气体中通过感应加热熔化，控制冷却方向，进行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方向整齐排列，连续相为基体，类似纤维的条状或片层状的分散相为增强体。,48,定向凝固共晶复合材料的原位生长须满足三个条件：有温度梯度的加热方式；满足平面凝固条件；两相的成核和生长要协调进行。,定向凝固法的条件,定向凝固共晶复合材料的组织是层片状还是棒状（纤维状）取决于共晶中含量较少的组元的体积分数Xf。在二元共晶中，当Xf32%时为层片状。,49,纤维/基体界面有最低的能量，不发生反应，适于高温结构材料。基体为镍基和钴基合金，增强材料主要是耐热性好、热强度高的金属间化合物。问题：为保证对微观组织的控制，需要非常低的共晶生长速率，可选择的材料体系有限，共晶增强材料的体积分数也无法控制。,定向凝固法的特点,定向凝固共晶复合材料的主要应用航空透平机叶片，有三元共晶合金Al-Ni-Nb，它所形成的和相为Ni3Al和Ni3Nb；共晶合金C-Co-Cr，所形成的和相分别为(Co,Cr)和(Cr,Co)7C3。,50,DIMOXTM是一种可以制备金属基复合材料和陶瓷基复合材料的原位复合工艺。DIMOXTM法根据是否有预成型体又可分为唯一基体法和预成型体法，两者原理相同。唯一基体法是制备金属基复合材料的原材料中没有填充物（增强材料预成型体）和增强相，只是通过基体金属的氧化或氮化来获取复合材料。利用唯一基体法，制备Al2O3/Al。通过铝液的氧化来获取Al2O3增强相。通常铝合金表面迅速氧化，形成一种内聚、结合紧密的氧化铝膜，这层氧化铝膜使得氧无法进一步渗透，从而阻止了膜下的铝进一步氧化。但是在DIMOXTM工艺中，熔化温度上升到900-1300，远超过铝的熔点660。通过进一步加入促进氧化反应的合金元素Si和Mg，使熔化金属通过显微通道渗透到氧化层外边，并顺序氧化，即铝被氧化，但铝液的渗透通道未被堵塞。,直接金属氧化法（DIMOXTM）,51,利用唯一基体法工艺，可以根据氧化程度来控制增强相的含量。如果工艺过程在所有金属被氧化之前停止的话，则所制备的复合材料