金属基复合材料制备工艺ppt课件

、金属基复合材料的制造工艺、金属基复合材料的制造和成型工艺、金属基复合材料的特性、应用、成本等在很大程度上取决于制造技术；有效制备技术的研究和开发一直是金属基复合材料研究中最重要的问题之一。2，复合材料概念和定义，一般材料的优缺点：定义：两种或更多材料为相状态，例如连续相：矩阵；离散体：为了提高强化相)材料的特定性能、弥补其缺点或获得新性能(或功能)，性能以相互独立的形式共存。金属材料的优点：良好的延展性和可加工性。缺点：强度相对低、耐热性强、耐磨性、铝等耐腐蚀性；陶瓷材料的优点：高强度、耐热性、耐磨性、耐腐蚀性、缺点：脆性、可加工性低。复合后，利用这两个优点互补提高性能。3，4，金属基复合材料制备困难，制备温度选择困难；界面反应很难控制。金属基体和加强材料之间的润湿性下降，或者在制造温度下完全不湿；根据设计要求，将加强材料均匀分布在基体上更加困难。5，按矩阵分类，6，按强化体分类，7，按分散状态分类，8，连续强化相金属基复合材料的制造工艺，9，2.1.4不连续强化相金属基复合材料的制造工艺，10，11，2.1.3连续强化相金属基复合材料的制造工艺，铝合金3354固态，液态12，2.1金属基复合材料制造过程的分类：1)固体方法：粉末冶金法、真空热压扩散连接、热等压、超塑性成型/扩散连接、成型。 2)液体方式：液体渗透、真空压铸、逆压力铸造、半固态铸造。3)喷雾成型方法：等离子喷涂成型，喷雾成型。4)原位生长法。13，I .固体状态方法，工艺以金属粉末或金属箔和加强材料(纤维、晶须、颗粒)为设计要求，具有一定的含量、分布、排列；加热、加压扩散连接：将金属与加强材料相结合以形成MMC。特点：整个工艺温度低，金属和加强材料是固体。界面反应不严重。类型：粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、拉拔法。14，粉末冶金复合工艺，1.1工艺，15，原料：基体金属和强化颗粒都是粉末，越精细越好，但必须大于1微米。否则很容易分散；混合：球磨机混合方法；压力粉末(压缩):对应于成型过程。脱气：为了去除粉末、颗粒表面水分和吸附气体，防止烧结后材料的内部气孔(相当于干燥)。钢坯致密化：冷等压、挤压法；烧结(硬化):大气压、热压、真空热压、热等静压、热塑性变形烧结；塑料加工：赋予材料固定的形状(在热加工温度下变形)。适合分散强化复合材料(颗粒或纤维强化)，16，该方法在固体状态下合成，基体不易与强化反应，因此可以自由选择基质金属材料；您可以自由选择增强粒子类型、大小和添加增强粒子的范围。强化粒子的均匀分布比铸件方法容易得多(细颗粒除外)。准备温度比液相法低，界面反应受控制。您可以根据需要设计复合材料的性质。该组织致密、精制、均匀，内部缺陷大大改善。对净成型或几乎净成型有好处，二次加工性能好。1.2优点：17，流程更复杂，成本更高；固化方法采用烧结、热压、挤压等方法；除了使用基本复合方法外，微细粒子的均匀分布更加困难。强化粒子表面污染不能轻易消除，因此矩阵和粒子界面不如铸造法。，1.3缺点，18，热压工艺中，通常需要将纤维和金属基制成复合预制材料，然后根据设计要求将预制片材切成所需形状，将叠层布(纤维方向)放入模具中，施加加热压力，最终制作复合材料或零件。热压是目前制造直径较厚的硼纤维和碳化硅纤维增强铝基、钛基复合材料的主要方法。2 .真空热压扩散耦合，可以说是扩散粘接方法或扩散焊接方法。19，热压工艺，强化材料上镶嵌金属箔，成型，去除产品的冷却和整理，真空抽运，加热到所需温度，加压和压缩，20，影响扩散耦合过程的主要参数是在温度、压力和一定温度和压力下保持的时间。另外，气氛对质量也有很大影响。21，扩散耦合过程分为3个阶段：1。结合表面的初始接触是由于加热、加压，表面的变形、移动、表面膜(氧化膜)的破坏；2 .随着时间的推移，界面扩散和主体扩散发生，使接触面紧密；3 .由于热扩散耦合界面最终消失，耦合过程完成。22，工艺：将金属基体(粉末或箔)和加强材料(纤维、晶须、颗粒)按一定比例混合或放置，或用预制片材层压后放入金属外壳(或玻璃外壳)，进气密封后放入热等压装置，加热加压，金属基体复合。3 .热等静压法、工艺的优缺点：材料密实、尺寸精度高；但是设备投资大，公平周期长，成本高。23、使用惰性气体压力，工件受到所有方向的均匀压力的影响。24，整形也是扩散结合的手段。将纤维/矩阵自由形式放置在一定形式的模具上，实现扩散耦合，最终成为一定形式的最终产品。用这种工艺制造各种型材。4 .成型，25，塑胶成型热加工方法。热轧方法主要用于将已合成的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合坯料进一步加工为板材。热挤压和热张力主要用于颗粒、晶须、短纤维增强复合坯的进一步加工，制造各种形状的管道、型材、棒材等。挤压、拉拔后复合材料的组织均匀，缺陷少，性能明显提高，短纤维及晶须随着一定的最佳取向，轴向拉伸强度明显增加。5 .热连轧法，热连轧法和热连轧法，26，5.1。粉末轧制法，27，5.2块(带)材料轧制复合法，28，5.3热轧复合生产线，29。使用炸药的强脉冲应力冲击的材料的塑性变形，连接金属的局部扰动，以及通过热过程的材料焊接。6 .爆炸焊接法，30，叠层复合法首先用扩散耦合法复合不同的金属板，然后使用离子溅射法或分子束外延法将不同的金属或金属与陶瓷薄层交替叠加，形成金属基复合材料。这种复合材料性能好，但工艺复杂，难以实用化。现在这种材料没有广泛使用，过去在航空、宇宙及其他军用设备上少量应用或试验，现在正努力向民用方向移动。特别是在汽车工业中，发展前景很好。7 .叠层复合方法，31，2。液态金属法，方法：金属矩阵在熔化状态下与固体强化材料合成的方法。工艺：液态金属浸渍挤压铸造成型。特征：制备温度高，容易发生严重的界面反应，有效控制界面反应是液体方法的核心。工艺类型：挤压铸造法、真空铸造法、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法、混合合成法。32、液体法主要面临问题的缺点1。颗粒和金属熔体的润湿性差，容易进入或均匀分散在金属熔体中，产生团聚，2。强烈的搅拌容易导致金属熔体的氧化和大量的吸入空气。，33、缺点改进方法、颗粒表面处理；强化颗粒表面在使用前经常被各种有机物污染或吸附水分，并且制造危害复合过程的混合、浸润气体，因此，复合前必须处理颗粒，去除有害吸附物，改善与金属液的渗透。比较简单有效的方法是加热处理粒子，在高温下挥发去除有害物质的同时，在表面形成非常薄的氧化层。SiC粒子高温氧化，在表面形成SiO2层，在复合过程中与铝液体发生反应，改善SiO2粒子和铝熔体的渗透。为了改善渗透性，在粒子表面涂上了Ni，Cu等金属涂层，但也不经济。在金属熔体中添加合金元素以提高渗透率。为了减少铝熔体的表面张力，提高与陶瓷颗粒的渗透性，在铝熔体中添加钙、镁、锂等元素，有效减少熔体表面张力，增加与陶瓷颗粒的渗透性，有助于粒子和铝熔体的复合。34、有效的机械搅拌。在液态金属混合铸造法中，有效混合是粒子和金属液体均匀混合和复合的关键措施之一。强烈的搅拌和液体金属以高剪切速度流过粒子表面时，可以有效地改善金属和粒子之间的渗透。在复合过程中，通过高速旋转机械搅拌或超声波混合，可以完成有效的混合复合。大气控制复合过程；为了防止液体金属的氧化和吸入，调节复合过程的气氛很重要。液态金属氧化产生的氧化膜阻止金属和粒子的混合和渗透，吸入大量气体还会产生大量气孔，复合材料的质量大大降低。一般采用真空、惰性气体保护等有效措施，防止复合过程中气体的吸入和金属熔体的氧化。35，1。挤压铸造法(squeezecasting)，(1)预制坯制造(湿模具)，(2)挤压铸造，36，用湿方法准备预制块图，37，预制块准备工艺流程图，如挤压铸造法-真空压力浸渍法、底部挤压法顶部注入法、43、预制体的制造及工艺参数的控制是获得高性能复合材料的关键。预制决定了复合材料中纤维、颗粒等增强材料的含量、分布和排列方向。干燥法和湿法制造两种。44，真空压力浸渍工艺，安装高炉，装载备件，45，真空压力浸渍工艺，坩埚改进，真空萃取，熔化，46，真空压力浸渍工艺，进入模具，高压气体(底板挤压法)，47，真空压力浸渍法预制的预热温度越高，金属熔体渗透到预烧中，不会迅速冷却，因此浸渍很合适。金属熔体温度越高，流动性越好，填充预制就越容易。但是两者的温度越高，接口反应就越严重，所以必须严格控制两个温度。工艺参数主要包括预制预热温度、金属熔体温度、浸渍压力、冷却速度等。浸渍压力是制造过程的直接驱动力，压力越高，浸渍能力越强。50，特征：1。适用于各种金属基体和连续纤维、短纤维、晶须和颗粒等增强材料的复合材料的广泛应用范围。2 .可直接用复合材料制造的零件，特别是复杂形状的零件，基本上不需要后续加工。3 .浸渍在真空中进行，在压力下凝固，无气孔，收缩，松散的其他铸造缺陷，致密的组织，高材料特性。4 .工艺简单，参数易于控制，防止了严重的界面反应。，5 .这种方法比较复杂，工艺周期长，制造大型零件需要大型设备。51，液体金属矩阵通过特殊喷嘴在惰性气体气流下喷射成小液体金属流，喷射到基板的同时，将粒子添加到原子化金属流中，与金属液滴混合，沉积在基板上，凝固形成复合材料。3 .共喷射沉积方法，凝固过程更复杂的金属雾化情况，沉积凝固条件或与强化体送纸角度有关，过早凝固不能合成，过晚凝固由强化体浮动下沉，分布不均。52，缺点：由于原材料被气流转移，在效应器壁上沉积的现象，损失更大。材料的孔隙率大，容易发生。水滴容易氧化。优点：复盖范围广：通用矩阵，可使用加强材料；生产工艺简单，效率高。冷却速度快，成分均匀，防止分离，颗粒小；有效防止复合材料的界面反应，均匀提高颗粒分布。53，强化颗粒，54，共喷射沉积图，55，圆形铸锭管，56，用液态金属连续浸渍长纤维，获得复合材料预制品(带、线等)的方法。核心工艺：通过熔体涂层的连续长纤维，通过复合导线或皮带获得。碳纤维增强铝基复合材料。表面涂层：通常使用化学气相沉积(CVD)。缺点：过程更复杂。费用高，应用有限。4 .液体金属浸渍法，57，液体金属浸渍法以激活处理碳(或石墨)纤维表面处理的碳纤维和铝液、镁液相互自发渗透为原则。纤维束通过铝池后，金属液自动浸渍成纤维束，形成复合长丝，然后形成二次复合部件。58，Ti-B或(液体)金属钠表面涂层处理对石墨纤维可以增加纤维和铝液体的润湿性，防止过度脆性相Al4C3的生成。59，5。无压力渗透法，这是美国Lanxide开发的新技术。将增强材料制成预制材料，放置在氧化铝制成的容器中。然后，将基体金属空位放在加强板预制件的顶部。然后一起装入能通过氮气的加热炉。通过加热，基质金属熔化，自发浸入网络型强化材料预制中。60，通过无压力渗透制备Al2O3(f)/Al复合工艺原理图61，1.3.4原位(Insitu)增长(复合)方法，直接从基板加强生成相，生成相热力学稳定性好，不存在基体和强化相之间的润湿和界面反应等问题，矩阵和强化相结合，更好地解决了界面兼容性问题。62，(1)共晶合金定向凝固：共晶合金定向凝固应由合金组成为共晶或几乎共融成分，以二元合金开始，发展为三元单共晶和包晶或部分结晶反应的两相耦合。当方向凝固后，液体中产生的时间与参与共晶反应的时间相同，其中一个相作为棒状(纤维状)或分层薄片规则排列生成(上图)。63，定向凝固共晶合金复合材料的现场生长必须满足以下三个条件：(1)具有温度梯度(GL)的加热方法；(2)满足平面凝固条件。GL/VI=ml(ce-c0)/dl样式：GL:液体温度梯度；VI:凝固速度；ML:液相线梯度；CE:共晶成分：C0:合金成分；DL:液体中溶质的扩散系数。(3)两相核形成和增长需要调整。64