2-金属基复合材料

1、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

2、、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

3、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。,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,铝合金： 合金化元素有铜、镁、锌、锰及硅等； 按成分及加工方法分为变形铝合金和铸造铝合金，用铸造法或粉末冶金法获得锭或工件。,铝及铝合金,变

4、形铝合金分为不可热处理强化合金和可热处理强化合金，通过塑性变形获得型、板、线、棒、箔材，有利于扩散结合工艺。 变形铝合金根据性能分为防锈铝（LF）、硬铝（LY）、超硬铝（LC）及锻铝（LD）。,11,铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、热处理性好、制备工艺灵活等特点。 铝或合金与许多增强相都有较好的接触性能，如硼、氧化铝、碳化硅和石墨纤维及其各种颗粒、短纤维和晶须等。 在制造铝基复合材料时，通常并不是使用纯铝而是用各种铝合金。 这主要是由于与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。至于选择何种铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来决定。,铝及铝合金,12,镁的密度约为铝的2/3，

5、是常用金属及合金中密度最低的工程材料。 比强度、比刚度高，减震性能好，能承受较大的冲击振动负荷，在航空航天、光学仪器、电子工业、机械及汽车工业得到应用。 密排六方结构，室温和低温塑性好，可进行各类形式的热变形加工。 金属镁的弹性模量仅为44.6GPa，是常用金属材料中最低的，比模量和铝、钛接近。,镁及镁合金,13,纯镁的强度低，尤其是屈服强度很低，不适合作结构材料。 合金化后，利用固溶强化和时效强化提高合金的常温和高温性能。 镁合金的合金化元素有铝、锌、锆、锰和稀土等，铝和锌是主要合金化元素。 根据生产工艺及性能特点，分为变形镁合金和铸造镁合金。 镁合金主要有Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr

6、及稀土镁合金，热处理方式和铝合金基本相同。,镁及镁合金,14,钛及钛合金具有重量轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及良好的低温韧性等特点。 钛的密度为4.4g/cm3，熔点高达1678，线膨胀系数低。 钛的导电和导热性性能差，导热系数只有铜的1/17，比电阻为铜的25倍。 钛及其合金具有优异的耐蚀性，在硫酸、盐酸、硝酸和氢氧化钠等介质中都很稳定。 钛在固态时有密排六方和体心六方两种同素异构体，可利用同素异构转变进行强化。,钛及钛合金,15,纯钛的塑性好、易加工，含杂质的工业纯钛拉伸强度达700MPa，保持较好的塑性和韧性。 通过冷作硬化、合金化及热处理进行强化，抗拉强度可达1200-1400MPa

7、，比强度高于其它常用金属材料，是钛合金作为金属基复合材料基体的重要原因。 纯钛高温强度低、合金化后耐热性显著提高，作为高温结构材料使用，如航空航天的压气转子叶片等，长期使用温度已达540。 合金元素提高钛同素异构体的转变温度。铝、碳、氮、氧及硼是稳定化元素；钼、铬、钒和铌等是稳定化元素。 钛合金需要进行适当的热处理。退火、淬火和时效。,钛及钛合金,16,金属基复合材料中使用的铁，主要是铁基高温合金，可在600-900使用，分为变形和铸造高温合金。 铁基变形高温合金是奥氏体可塑性变形高温合金，强化方式有： 碳化物、氮化物和碳氮化物强化合金，Ni含量较低，添加钨、钼、铌、钒等，用于早期航空发动机热

8、端部件；金属间化合物强化合金，加入钛、铝，形成强化相，用于燃气轮机叶片及涡轮盘；固溶强化合金，加入铬（20%）、钨、钼、铝、钛、铌等。 铁基铸造合金是面心立方结构的奥氏体，通过铸造工艺成型的高温合金。与钨、钼、钛、铝等形成固溶强化和沉淀强化，与硼元素形成晶界强化。,铁及铁合金,17,镍基变形高温合金是以镍为主，可塑性变形的合金，在600-1000下有良好的高温性能。 固溶强化的元素有钨、钼、钴等，用于制造工作温度较高的燃气轮机燃烧室；沉淀强化的元素有铝、钛、铌等，具有较高的高温蠕变强度、良好的抗氧化、抗腐蚀性能，用于制造发动机叶片、涡轮盘等。 镍基铸造高温合金是使用铸造工艺成型的高温合金，可使

9、用在600-1100，制作涡轮转子叶片和导向叶片。 固溶强化型主要添加铬、钴、钨、钼、铌、钽等；沉淀强化型主要添加铝、钛、铌、钽、铪等；晶界强化添加有硼、锆和稀土元素等，通过填补晶界的原子空位，提高晶界合金化程度，减缓晶界扩散。,镍基高温合金,18,用于金属基复合材料的金属间化合物通常是一些高温合金（铝化物、硅化物、铍化物等）使用温度达1600。 是晶体结构中组成元素的原子以长程有序的方式排列，兼有金属较好的塑性和陶瓷良好的高温强度。 原子间结合力强，除金属键外，还有一部分共价键，具有高强度、高模量、较低的蠕变速率、较高的形变硬化率、较低的自扩散系数、稳定的组织结构、良好的抗氧化腐蚀性能，使用

10、温度仅次于高温结构陶瓷材料。 金属间化合物的缺点是韧性较低，原因在于组织中低的对称性导致滑移系不足和晶体界面结合较弱。 冶金过程中采用快速凝固法及向Ni3Al一类金属间化合物添加硼元素，可提高金属间化合物的韧性。,金属间化合物,19,用于颗粒增强复合材料是指弥散的硬质增强相的体积超过20的复合材料，而不包括那种弥散质点体积比很低的弥散强化金属。 颗粒增强复合材料的颗粒直径和颗粒间距很大，一般大于1m。增强相是主要的承载相，而基体的作用则在于传递载荷和便于加工。 颗粒复合材料的强度通常取决于颗粒的直径、间距和体积比，但是基体性能也很重要。 颗粒复合材料的性能对界面性能及颗粒排列的几何形状十分敏感

11、。,颗粒增强复合材料,20,层状复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基体材料中，含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。 层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。 增强薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。 由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。 然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强效果，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。,层状复合材料,21,金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶

12、须，它们均属于一维增强体。 由纤维增强的复合材料均表现出明显的各向异性特征。 当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。,纤维增强复合材料,22,高强度。高强度不仅满足复合材料强度的需要，还可使整个加工制造过程简单。 高模量。使纤维承载时，基体不发生大的塑性流动。 容易制造和价格低廉。在重要结构上应用，这个条件对工业生产的要求是十分必要的。 化学稳定性好。对所有纤维来说，在空气中和对基体材料的稳定性是很重要的。 性能的再现性与一致性。对于脆性材料或高强度材料，这种要求是非常重要的。 抗损伤或抗磨损性能。脆

13、性纤维对湿暴露或表而磨损特别敏感，对复合工艺有不利影响。,纤维增强体的性能要求,23,典型纤维增强体及其性能,24,常用纤维增强体,“火箭丝”(钢丝)和钨丝等高强度金属丝，由于具有高强度才成为特别有用的增强材料。 玻璃纤维具有优良的比强度和低成本，是树脂基的最重要的增强纤维。但玻璃纤维模量低、化学性质活泼，很少用来增强金属。 氧化铝纤维是用从熔体中提拉子晶的方法生产的，具有很高的强度。但氧化铝纤维对磨损很敏感，而且很贵。 硼纤维增强铝合金和镁合金，具有很好的综合性能。硼纤维用三氯化硼气体通过化学气相沉积法将硼沉积在1200的钨底丝上获得。钨丝的再现性好、强度高、价格低且化学纯度高，有时也用碳单

14、丝及其它金属丝作底丝。硼纤维具有比模量和比强度高，与固态铝和液态镁的化学相容性好，直径大，再现性好，价格适宜等优点。,25,常用纤维增强体,B4C纤维和SiC纤维已有实验室规模的生产。生产方法与硼纤维相似，在钨或碳的底丝上用化学气相沉积法生产。沉积物都是结晶体，对表面磨损十分敏感。B4C和SiC纤维比硼纤维具有更好的抗蠕变性能，主要作为高温增强材料。 石墨纤维或丝束有优良的比模量和比强度。弹性模量与高温石墨化程度有关，可达240-250GPa。但石墨纤维和熔融金属有反应，使复合材料加工困难，使其作为金属基体的增强体的应用受到限制。,26,复合材料组分的相容性,复合材料包含有两种或两种以上的相，

15、要使组分间具有良好的配合，则这两相间必须具备物理相容性和化学相容性。 对于金属基复合材料，用薄片或纤维增强金属基复合材料的物理相容性问题一般都和压力或热变化时反映材料伸缩性能的材料常数有关。 化学相容性问题主要与复合材料加工过程中的界面结合、界面化学反应以及环境的化学反应等因素有关。,27,物理相容性,物理相容性问题，是指基体应有足够的韧性和强度，从而能够将外部结构载荷均匀地传递到增强物上，没有有明显的不连续现象。 基体和增强体之间的一个非常重要的物理关系是热膨胀系数，基体通常是韧性较好的材料，因此最好是基体有较高的热膨胀系数。原因是膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却时将受到张应力。 对于脆

16、性材料的增强物，一般都是抗压强度大于抗拉强度、处于压缩状态比较有利。 对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差太大。,28,化学相容性,自生复合材料，在制造过程中是热力学平衡的。 例如，在平衡状态下凝固的共晶复合材料，对于这类晶体，其两相化学势相等，而比表面能效应也最小。 非平衡态复合材料，化学相容性问题要严重得多。 如采用石墨增强纤维时，纤维的浸润和结合都非常困难，在使两相结合方面就会产生问题。 纤维和环境的化学反应也是加工过程中遇到的一个严重问题。高强度脆性纤维的有害反应包括应力腐蚀和氧化，热冲击也会使纤维损伤。 纤维和基体间的直接反应是更重要的相

17、容性问题。 硼/铝等低温金属基复合材料，尽量降低制造温度来避免两相间的化学反应。对于蠕变强度低的基体，采用高压低温工艺获得良好的固结和粘合。硼/镁或钨/铜等复合体系，两相间不反应，不互溶，可以采用熔液渗透法制造。,29,高温复合材料的化学相容性,对于高温复合材料，与化学相容性有关的问题十分重要。 两相反应的自由能变化 两相反应的自由能变化代表该反应的驱动力，在高温下变得更加重要。不仅影响制造过程，对高温应用过程也很重要。应确定所选系统可能发生的反应的自由能变化。 化学势 如果各组分相间的化学势不等，常常会导致界面不稳定而使纤维性能下降。例如，用氧化铝和镍合金组成复合材料，为防止铝扩散，铝(和氧

18、等)在两相中的化学势必须相等。 表面能 两相混合物的表面能可能非常高，使界面不稳定。这个问题对晶须增强复合材料是很重要的。 晶界扩散系数 晶界或表面扩散系数控制的二次扩散效应常使复合系中两组分相的关系发生很大变化。例如，钨丝增强镍合金中镍向钨晶界扩散导致钨丝再结晶温度下降。,30,金属基复合材料的制备工艺,31,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。,32,根据各种方法的基本特点，把金属基

19、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,33,常用的金属基复合材料制备工艺,34,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

20、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。,35,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

21、合材料的主要方法。,扩散结合的工艺过程,36,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,37,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,38,采用

22、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,39,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

23、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,40,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,41,粉末冶金法制备颗粒增强 金属基复合材料的工艺流程,42, 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

24、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。,43,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

25、。,粉末冶金法的缺点,44,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。,

26、液态法,45,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,46,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,47,制造碳化硅纤维增强铝基复合材料的新工艺。在铸

27、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,48,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,49,搅拌铸造颗粒增强金属基复合材料,50,利用超声波在铝合金熔体中产生的声空化效应

28、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,51,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,52,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

29、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。,53,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70

30、0-800，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,54,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。,

31、熔铸复合法,55,电磁控制连铸工艺原理,56,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,57,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

32、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,58, 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

33、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,59,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,60,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

34、中。,浸渗法的工艺过程,61,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

35、SiC/Al的刚度也达到钢的水平，但强度水平较低。,无压浸渗法,62,加压熔浸装置,63,纤维束连续熔浸装置及制品种类,64,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,65, 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 -106 K/s，金属晶粒及

36、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。,66,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

37、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。,67,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）,68,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

38、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。,69,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。,70,纤维/基体界面有最

39、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。,71,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

40、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）,72,

41、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就是致密互连的Al2O3陶瓷基复合材料，其中含有5%-30%的Al。 除了可以直接氧化外，还可以直接氮化。通过DIMOXTM工艺还可以获得AlN/Al，ZrN/Al和TiN/Ti等金属基或陶瓷基复合材料。 当DIMOXTM工艺采用增强材料预成型体时，由于增强材料预成型体是透气的，金属基体可以通过渗透的氧或氮顺序氧（氮）化形成基体。,直接金属氧化法（DIMOXTM）,73,是新近发展起来的技术，主要用于制造金属间化合物复合材料。 在反应自生成法中，增强材料是由加入基体中的相应元素

42、之间的反应，或者合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间反应生成的。 XDTM材料包括Al、Ti、Fe、Cu、Pb和Ni基复合材料，还可以是TiAl、Ti3Al和NiAl等金属化合物基复合材料。 增强相包括硼化物、氮化物和碳化物等，其形态可以是颗粒、片晶和杆状，还可以原位生成晶须。,反应自生成法（XDTM）,74,在XDTM工艺中，根据所选择的原位生成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（反应要求）混合。 混合物制成预制体，加热到金属熔点以上或者自蔓延的反应发生的温度时，混合物的组成元素进行放热反应，用以生成在基体中弥漫的微观增

43、强颗粒、晶须和片晶等增强相。 XDTM工艺的关键技术是生成一种韧相，它属于专利技术。,反应自生成法的工艺,75,例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉以一定比例混合成型，加热后反应生成TiB2，进而形成TiB2增强的铝基复合材料。 Al + Ti + B TiB2 + Al XDTM法不仅可以用粉末反应生成复合材料，也可以在熔融的合金中导入参加反应的粉末或气体而生成复合材料。如在熔融的Al-Ti合金中导入载碳气体，反应生成TiC，进而形成TiC增强铝基复合材料。,反应自生成法的工艺,Al + Ti + C TiC + Al,76, 增强相是原位形成，具有高热稳定性； 增强相的类型、形态可以选择和设计

44、； 各种金属或金属间化合物均可作为基体； 复合材料可以采用传统金属的加工方法进行二次加工。,反应自生成法的特点,77,金属基复合材料的性能,78,铝合金复合材料是综合性能比较优异的材料； 具有很高的强度、重量轻，广泛应用在飞机上； 铝基复合材料主要有颗粒（晶须）增强铝基复合材料和纤维增强铝基复合材料,铝基复合材料,79,晶须和颗粒增强铝基复合材料具有优异的性能，生产制造方法简单，应用规模越来越大。主要的晶须和颗粒是碳化硅和氧化铝。制备方法有固态法及液态法。 固态法制备的颗粒增强铝基复合材料有：粉末冶金法及热等静压法制备SiC颗粒和晶须增强铝基复合材料、挤压法制备SiC和Al2O3颗粒增强铝基复

45、合材料。 液态法的有：挤压铸造法制SiC、Al2O3、SiO2颗粒增强铝基复合材料；真空压力浸渗法和搅拌法制SiC、Al2O3、BC4颗粒增强铝基复合材料；共喷沉积法制SiC、Al2O3、BC4、TiC颗粒增强铝基复合材料。,颗粒（晶须）增强铝基复合材料,80,颗粒增强铝基复合材料的性能优异，可用常规方法制造和加工。 增强用的颗粒价格低廉，某些晶须由于有便宜的原料和较为简单的生产方法，成本大幅下降。 复合材料的抗拉强度和弹性模量比基体高，且随着SiC颗粒含量的增加，有较大升高。,颗粒增强铝基复合材料,81,氧化铝颗粒增强的铝基复合材料同样具有密度低、比强度高，韧性满足要求。 20%氧化铝颗粒增

46、强6061铝合金复合材料制造汽车驱动轴，因为有高刚度和低密度，轴杆的最高转速提高约14%。 SiC晶须增强铝基复合材料，具有高比强度、高阻尼、高比模量、耐磨损、耐高温、耐疲劳、尺寸稳定性好以及热膨胀系数小等优点。,颗粒增强铝基复合材料,随着SiC颗粒含量增加，铝基复合材料的硬度提高，磨损量降低，尤其是在高载荷作用下效果更明显，耐磨性接近甚至超过高镍奥氏体铸铁。,82,纤维增强铝基复合材料包括长纤维增强铝基复合材料和短纤维增强铝基复合材料。 一般情况下，短纤维增强铝基复合材料的力学性能不如连续纤维增强铝基复合材料，但其价格便宜。 制备纤维增强铝基复合材料的固态法主要用热压法和热等静压法；液态法可

47、用挤压铸造、真空铸造、液态金属浸渍法、真空压力浸渍等方法。 长纤维对铝基体的增强方式可以以单向纤维、二维织物和三维织物存在。长纤维增强铝基复合材料主要有：Bf/Al、Cf/Al、SiCf/Al、Al2O3f/Al和不锈钢丝/Al等。 与长纤维相比，短纤维增强铝基复合材料具有增强体来源广、价格低、成形性好等优点，可采用传统的金属成形工艺如铸、锻、挤、轧等，材料的性能是各向同性的。 可用作铝基复合材料增强物的短纤维有氧化铝、硅酸铝和碳化硅等。,纤维增强铝基复合材料,83,氧化铝和硅酸铝短纤维增强铝基复合材料的室温强度并不比基体铝合金高，但在较高温度的范围内，强度明显优于基体铝合金的强度。 短纤维增

48、强铝基复合材料优点主要表现为：复合材料在室温和高温下的弹性模量有较大的提高，热膨胀系数减小、耐磨性改善，有良好的导热性。,短纤维增强铝基复合材料,84,硼/铝复合材料具有很高的抗拉强度，原因是增强纤维的抗拉强度高、其他影响因素（成分、残余应力等）相对较小。 在制备过程中，为防止纤维与基体的界面反应，一般对纤维进行表面处理。常用SiC、B4C和BN作为表面涂层。 随着纤维体积分数增加，铝基复合材料的抗拉强度和弹性模量都有较大提高。如果纤维强度的重复性好，复合材料的轴向抗拉强度随纤维含量的变化呈线性。,硼/铝复合材料,85,硼/铝复合材料，硼纤维的体积分数影响复合材料的抗拉强度和弹性模量；合金基体

49、的种类不同，复合材料的性能及热处理效果有差异。,硼/铝复合材料,硼纤维增强铝基复合材料具有良好的高温性能和特殊的抗蠕变性能。,86,硼/铝复合材料，硼纤维直径越大，断裂韧性越高。,硼/铝复合材料,基体合金对复合材料的韧性有显著影响，纯铝（1100）的韧性最高，2024铝合金的韧性最低。,87,碳化硅纤维具有优异的力学性能，在高温具有良好的抗氧化性能；与硼纤维和碳纤维相比，高温下与铝的相容性好。 碳化硅纤维分有芯和无芯两种。 有芯碳化硅纤维以钨丝或碳丝作芯经化学气相沉积制得，是直径较粗的单丝，纤维上残留的游离碳少、含氧量低，与铝不易反应；无芯碳化硅纤维由聚碳硅烷有机物热处理而得，一束多丝，单丝直

50、径细，纤维中残留有较多的游离碳和氧，较易与铝反应，生成有害的反应产物。,碳化硅/铝复合材料,碳化硅纤维/铝复合材料具有高的抗拉强度、抗弯强度和优异的耐磨性。 通常采用熔融浸润法、加压铸造法和热压扩散粘接法制造。,88,氧化铝长纤维增强铝基复合材料具有高强度和高刚度，并有高蠕变抗力和高疲劳抗力。 不同结构的氧化铝纤维增强的复合材料的性能有差别。 氧化铝纤维增强铝基复合材料在室温到450范围内保持很高的稳定性。体积分数为50%的复合材料450时抗拉强度保持860MPa，拉伸弹性模量从150GPa降低到140GPa。,氧化铝/铝复合材料,89,碳纤维密度小，具有非常优异的力学性能，是目前可作金属基复

51、合材料增强物的高性能纤维中价格最便宜的一种。 碳（石墨）纤维与液态铝的浸润性差，高温下易发生化学反应，生成影响复合材料性能的化合物。碳纤维经石墨化处理后与铝基体界面反应温度提高，产生的Al4C3较少。 碳纤维需要对表面进行处理，如表面镀铬、铜或镍等，CVD法涂SiC、TiN等。 碳纤维增强铝合金的制造方法主要有扩散结合、挤压铸造及液态金属浸渍法等。,碳纤维/铝复合材料,90,导热性是金属材料的一大特点，铝基复合材料中，单向排列的碳纤维沿纤维方向具有很好的导热性。 在-20-140的温度范围内，复合材料沿纤维方向的导热性优于铜，以单位质量计的导热性，约为纯铝的4倍、6061铝合金的2.6倍。 减

52、轻零件质量方面，代替铜作为导热材料，如卫星、高速航空、航天器等。,铝基复合材料的导热性,91,镁合金复合材料选择增强体要求物理、化学相容性好，尽量避免增强体与基体合金间的界面反应。 常用的增强体主要有C纤维、SiC纤维，Al2O3短纤维，SiC晶须，B4C颗粒、SiC颗粒和Al2O3颗粒等。 Al2O3与Mg发生反应，降低其与基体的结合强度；常用的Al2O3含有少量的SiO2，与Mg反应生成危害界面结合强度的沉淀相。镁基复合材料中较少采用Al2O3增强体。 C与纯镁不反应，但与镁合金中的Al、Li等反应，损伤碳纤维。制造超轻质的Cf/复合材料需在碳纤维表面进行涂层处理。 SiC和B4C纤维、晶

53、须或颗粒是镁基复合材料合适的增强体。,镁基复合材料,92,镁基复合材料的制备方法主要有挤压铸造法、粉末冶金法、搅拌铸造法、喷射沉积法、真空浸渍法以及目前仅限于Mg-Li基复合材料的薄膜冶金法等。 颗粒增强镁基复合材料的抗拉强度与基体差不多；增强体为晶须时，抗拉强度有所提高，但比不上纤维增强体，尤其是长纤维。,镁基复合材料,93,石墨纤维增强镁基复合材料,石墨纤维增强的镁基复合材料具有很高的比强度和比模量，极好的抗热变形阻力，用于卫星的10m直径抛物面天线和支架。热膨胀系数小，可使天线在高频带工作。 用高强度镁合金作为基体材料改变石墨增强镁基复合材料的性能。将研制出强度超过700MPa的石墨/镁

54、基复合材料，在600下将有很好的力学性能。,94,主要轻合金基基复合材料,95,钛基复合材料具有比钛合金更高的比强度和比模量、极佳的耐疲劳和抗蠕变性能以及优异的高温性能和耐腐蚀性能，克服了钛合金耐磨性和弹性模量低等缺点。 可成型形状复杂的零部件，减少了废料和机加工损耗。 钛基复合材料主要分为颗粒增强钛基复合材料和连续纤维增强钛基复合材料两大类。 纤维增强钛基复合材料，要预先对增强纤维涂层以避免在材料的制备过程对纤维造成损伤。 获得具有清洁表面无污染的颗粒增强剂对改善颗粒增强钛基复合材料性能十分关键。 一般在重熔铸造和粉末冶金过程中采用原位反应技术在钛基体中原位生成具有清洁界面、均匀分布及化学成

55、分和尺寸得到控制的颗粒增强剂。采用等离子旋转电极制粉、机械合金化及自蔓延工艺预先制成均匀、细小的复合粉末也是制取高性能钛基复合材料的重要途径。,钛基复合材料,96,颗粒增强钛基复合材料的加工制造工艺比较经济、简便。真空电弧炉熔炼、精密铸造、粉末冶金、锻造、挤压、轧制等都可用来制造加工颗粒增强钛基复合材料。 常用的增强颗粒有TiB2、TiB及TiC等。用精密铸造或粉末冶金工艺并应用原位反应技术在高温凝固和固结时在基体中原位生成弥散、热稳定的强化粒子。 加入颗粒增强剂后，复合材料的硬度、耐磨性及刚度得到明显改善，塑性、断裂韧性和耐疲劳性能有所降低，室温抗拉强度与基体相近，甚至不如基体，但高温强度比

56、基体好。,颗粒增强钛基复合材料,97,要求增强纤维与基体的热膨胀系数差别小，以减少由于热膨胀系数不匹配造成的应力，而且相对于基体要稳定。 由于高温的复合材料要求增强纤维的高温性能好，在1000以上仍具有高的弹性模量和抗拉强度。主要有SiC、TiC或SiC包覆硼纤维及耐高温金属纤维等。 连续纤维增强钛基复合材料的复合难度较大，只能用固相法合成，然后用热等静压、真空热压锻造等方法压实成形。,连续纤维增强钛基复合材料,98,钛的化学活性很强，制备过程中容易与基体发生界面反应，使材料性能下降，控制界面反应是改善力学性能的关键。 连续纤维增强钛基复合材料各向异性很强，横向拉伸强度仅为纵向的30%-45%

57、，纵向拉伸性能比基体高得多。 SiC纤维增强钛基复合材料的使用温度达600-800，高温承载能力主要取决于SiC纤维。纵向的弹性模量、拉伸及蠕变强度明显改善，但横向性能大大低于其基体材料。,连续纤维增强钛基复合材料,99,镍合金作为一种耐高温材料，具有很强的抗氧化、抗腐蚀、抗蠕变等高温特性。 用于镍基复合材料的基体主要有纯镍、镍铬合金、镍铝合金等。Ni3Al合金的屈服强度具有反常的温度关系，在600左右达到峰值，用B微合金化后大大地改善了塑性，密度低于传统的镍基高温合金；NiAl合金具有高熔点（1640）、低密度（5.869g/cm3）及极佳的抗氧化性能。 增强体主要有：Al2O3和SiC颗粒、晶须、纤维，TiC和TiB2颗粒及W丝等。 增强材料除具