轻金属及复合材料制备

1、南京信息工程大学轻金属及复合材料的制备工艺学号:20101338036姓名：熊俊专业：材料物理镁合金压铸技术的最新发展及其应用镁合金是最轻的t程金属材料z-,具有很好的比强度、比刚度等性能， 特别适合制造耍求重量轻、强度高、减震降噪的工程结构部件和耍求一定强度 的壳类零件。镁合金低熔点、低比热及充型速度快等优点极其适合於用现代压 铸技术进行成形加工。现代科技和和关产业技术的发展，使镁合金的应用範围 迅速扩展，特别是在汽车工业和电子信息产业屮获得大量应用。国外镁合金压铸技术及其应用触变注射成形技术半固态压铸和触变注射成形是较新的金属制品生产技术。半固态金属 成形技术首先是由美国麻省理工学院fle

2、mings教授於上世纪70年代开发的 新一代金属加工技术。h前在美国、日本、瑞士、意大利等国家，半固态成 形已进入到工业化的增长期。这种工艺对铝合金的半固态成形基木成熟。但 由於镁合金的锭料在二次加热时易氧化燃烧，所以一般的半固态成形工艺不 适宜镁合金的半固态成形。因此，美国dow chemical公司研制了镁合金的半 固态触变成形工艺与设备。触变注射成形技术是一种把低熔点合金进行熔 化，以高速、髙压把原料注入金属模具内进行成形的技术，h前已经进入实 用阶段。镁合金触变注射成形机原理触变注射成形的铸造压力高，能促进金属模具和镁合金料浆间的热传 递，导致表面附近的晶粒微细化，对成形产品赋予了高耐

3、蚀性和机械强度。 这个铸造压力还能提高产品对金属模的复制性，加强筋和凸起部的成形容 易。料浆的温度与普通压铸方法相比，低50?100°c,因而能控制产品由於热 收缩而引起的尺寸变化，并提高模具的使用寿命。此外，触变注射成形的零 件可以热处理，而且不需要配备熔化炉、不使用sf6防燃气体、不产生浮渣 和淤渣等，兼顾了安全性和环保要求（sf6破坏大气臭氧层）。因此，触变 注射成形技术是今後实用的成形方法。目前，利用触变注射成形技术可以制 备手机、笔记本电脑、数码照相机、摄像相机、液晶投彩仪等可移动通讯器 材的壳体。座椅、方向盘等汽车零部件的成形应用也在研究开发中。充氧压铸充氧压铸是金属液充

4、填压铸型腔前，将氧气充入型腔取代其中的空 气，当能与氧气发生反应的金属液压入型腔时，一部分氧气通过排气槽排 出，而残留在型腔屮的氧气就与金加液发生反应，生成氧化物颗粒，呈弥散 状分布在铸件屮，从而消除了压铸件的气孔。充氧压铸件的晶粒非常细小， 从而具有良好的拉仲强度与疲劳性能。而普通压铸件的显微组织屮有相当数 量的含铁针状组织，降低了塑性。由於充氧压铸消除了压铸件中的气孔，因 此，压铸件可以热处理与焊接。充氧压铸需附加充氧控制装置，铸型充氧不 但消耗氧气，还增加了铸造循环时间。由於这些原因，充氧压铸件比普通压 铸件的价格更贵10%? 15%。但采用充氧压铸後减少了铸件废品，提高了性 能，节省了

5、机械加工费用，综合起来考虑，对质量要求较高的铸件反而可以 节约10%?30%o因此，充氧压铸特别适合於需要热处理提高力学性能、有气 密性要求、在较高温度下使用或需要焊接纽合的压铸件。h本轻金属株式会 社采用充氧压铸法批量生产镁合金磁头支架，该支架过去由多层迭合组成， 现改为整体压铸件，不但实现了轻量化，而且有很大的经济价值。该公司使 用充氧压铸法生产的镁合金摩托车轮和汽车轮已投入生产，与铝轮相比，镁 轮的重量减轻15%o真空压铸真空压铸通过在压铸过程屮抽除型腔内的气体而消除或显着减少压 铸件内的气孔和溶解气体，提高压铸件的力学性能和表血质量。目前己经成 功的在冷室压铸机生产出am60b镁合金汽

6、车轮毂，在锁模力为2940kn的热室 压铸机上生产出am60b镁合金汽车方向盘，铸件伸长率由8%提高至16%。镁基复合材料现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提岀了更高的要求，往往希望 材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。复合材料是将两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手 段组合而成的一种多相材料。复合材料可分为三类：聚合物基复合材料、金 属基复合材料、陶瓷基复合材料。金属基复合材料常用基体有铝、傑、镁、 钛及其合金。镁基复合材料是继铝基复合材料z后又一具有竞争力的轻金属基复合材料 主要特点是密度低、比强度和比刚度高，同时还具有良好的耐磨性、耐高温 性、耐冲击性、

7、优良的减震性能及良好的尺寸稳定性和铸造性能等；此外， 还具有电磁屏蔽和储氢特性等，是一类优秀的结构与功能材料，也是当今高 新技术领域中最有希望采用的复合材料之一；在航空航天、军工产品制造、 汽车以及电子封装等领域中具有巨大应用前景。根据镁基复合材料的特点， 结合原有的金属基复合材料的制备工艺，材料工作者尝试了多种新的适合制 备镁基复合材料的方法与工艺，对研制、开发镁基复合材料起到了很好的促 进作用。1 镁基复合材料的设计原理根据镁基复合材料的使用性能、基体镁合金的种类和成分来选择所需的颗 粒增强体要求增强体与基体物理、化学相容性好，应尽量避免增强体与基 体合金之间的有害界面反应，并使其与基体润

8、湿性良好，载荷承受能力强 等。取适当的t艺措施使颗粒在基体内分布均匀，减少颗粒间的团聚，以改 善材料受载时内部的应力分布，也保证复合材料具有良好性能的关键z-o2. 镁基复合材料的性能镁基复合材料组织特征为增强体分布在基体合金中，同时引入了大量的界 面以及高密度位错缠结，其晶粒度较基体合金也小，无论是高密度位错引起 的位错强化，还是细化晶粒的作用都将提高和改善复合材料的拉伸强度和刚 度等力学性能。另外，挤压变形、固溶时效以及其它一些工艺的运用和调整 都将有利于进一步提高镁基复合材料力学性能镁基复合材料具有良好的阻尼 性能，减振性能，电磁屏蔽性能和储氢特性，是良好的功能材料，还具备密度 小、贮氢

9、容量高、资源丰富等优点。镁基贮氢复合材料正被日益重视。3. 镁基复合材料的制备方法 粉末冶金法(powder metallurgy)pm工艺是较早用來制备镁基复合材料的。其特点是：对基体合金种类和增 强体类型以及体积含量没有严格限制，通过粉末混合工艺可以使陶瓷颗粒在 基体中达到分布均匀。该法在制备a1基复合材料中得到了成功应用，尽管镁 的化学活泼性高，但通过适当的气氛保护后pm法同样适用于镁基复合材料的 制备。其中，混粉、压实、烧结3个步骤对复合材料的微观组织和性能有很 大影响。利用pm工艺，结合低能机械合金化等特殊的粉末混合技术，针对 不同的镁合金体系以及各种陶瓷增强体，经过二次加工成型后，

10、获得了性能 良好的管材、板材以及棒材等。 铸造法(casting route)搅拌铸造是制备颗粒增强金属基复合材料的一种典型工艺，通常分为 3类：a全液态搅拌铸造工艺；b半固态搅拌铸造工艺；前2类工艺属搅拌铸 造法。c搅熔铸造工艺。搅熔铸造法是靠桨叶旋转产生的机械搅拌作用使半固态基体合金熔体形成 的涡流来强制引入增强颗粒，在增强颗粒与先凝固的金属晶粒混合均匀后再 升温浇铸，凝固后得到镁基复合材料的方法。搅拌铸造法是在液态下搅拌， 搅拌后产生的负压使复合材料很容易吸气而形成气孔，另外增强颗粒与基体 合金的密度不同易造成颗粒沉积和微细颗粒的团聚等现象。半固态成型可以减少宏观偏析，降低凝固收缩和成型

11、温度，且陶瓷颗粒在 基体内分布均匀。由于该工艺在很大程度上降低了镁在高温下的氧化烧损， 且该工艺设备简单、成本低，最有希望应用于大规模的工业生产。 熔体浸渗法(melt tnf il tration process)按施压方式可以分为压力浸渗、无压浸渗和负压浸渗3种：a压力浸渗是先将增强颗粒做成预制件，加入液态镁合金后加压使熔融的 镁合金浸渗到预制件屮，制成复合材料，该工艺已很成熟。b无压浸渗是指熔的镁合金在惰性气体的保护下，不施加任何压力对增强 颗粒预制件进行浸渗。该工艺设备简单、成本低，但预制件的制备费用校 高，因此不利于大规模生产。c负压浸渗是通过预制件造成真空的负压环境使熔融的镁合金渗

12、入到预制 件中，制备的sic/mg颗粒在基体中分布均匀。 喷射法(spray forming)喷射法是一种快速凝固法，包括喷射沉积法、熔融旋压法等。喷射沉积法首先使液态金属在高压惰性气体喷射下雾化，形成熔融合金喷 射流，同时将颗粒喷入熔融合金的射流屮，使液同两相颗粒混合并共沉积到 预处理的衬底上，快速凝固得到镁基复合材料。 薄膜冶金工艺薄膜冶金工艺，也称箔冶金扩散焊接工艺，冃前只在mgli基复合材料中 使用，与粉末冶金法相比，该法可减少表而污染，但工艺稍复杂。4. 镁基复合材料的应用镁基复合材料并没有大规模地应用于常规结构件屮，但它们在航宇航天和 汽车电子工业屮的众多构件方面有着广阔的应用前景

13、： 美国textron. dow化学公司用sic / mg复合材料制造螺旋桨、导弹尾 翼、内部加强的汽缸等。 dow化学公司ji alzo sic /mg复合材料已制成皮带轮、油泵盖等耐磨 件，并制备出完全由alzo / mg复合材料构成的油泵。 美国海军研究所和斯坦福大学利用b c /mgli、bp / mgli复合材料 制造卫星天线构件。 加拿人镁技术研究所成功开发了搅拌铸造及挤压铸造sic颗粒增强镁基 复合材料，试图利用其低密度、耐磨损、高比刚度等特点用于汽车的盘状叶 轮、活塞环槽、齿轮、变速箱轴承、差动轴承、拨叉、连杆、摇臂等零部 件。由于冃前制备镁基复合材料的成本较高，其应用多集屮在

14、航空航天和军事 工业。但镁合金是-种国际上承认的绿色环保和可持续发展合金材料，随着 新世纪节省能源、保护环境、可回收利用等观念深入人心，预计在汽车等交 通工具领域应用将会大大增加。汽车工业中，镁压铸件的加工、循环再生和 铸造等较铝有很大的技术优势，并可以用其來代替汽车上部分特种塑料制造 的零件。5. 镁基复合材料的发展趋势与展望由于在金属基体内原位生成的高硬度高弹性模量的陶瓷颗粒增强相具有表 面无污染与基体相容性良好，界面结合强度高等传统复合工艺无法比拟的优 点，因此，借鉴目前原位内生颗粒增强铝基复合材料较成熟的制备技术，探 索高性能、低成本、容易人规模生产的原位颗粒内生半固态镁基复合材料制

15、备技术将成为研究热点之一；颗粒增强镁基复合材料热力学及动力学的计算机模拟技术将成为研究热点 之一；控制陶瓷颗粒增强相与镁合金基体的界面行为以获得界面结合良好的镁基 复合材料;开发镁基复合材料再生与回用技术；在汽车t业屮，镁压铸件的加工、循环再生和铸造方面较铝有很大的技术 优势，而且用镁可以代替汽车上的特种塑料，因此，原位颗粒增强镁基复合 材料在汽车工业具有潜在的应用前景和广阔的市场。镁基复合材料拥有优异的力学性能和物理性能，已经显示出广阔的应用前 景。制备工艺、回收技术以及材料内部结构性能的各个领域进行更多的原理研 究及应用探索。空间应用及交通领域人类社会的老龄化问题日益突出，发展各种超轻结构

16、材料对于老年人独立 工作及口常生活十分必要铝基复合材料的制备及其应用材料是人类赖以生存的必需品，是社会发展的基础，是现代文明的重要支 柱。而先进材料对人类生活质量的提高，对社会的发展，对其他技术的发展 都起着重要的促进作用。先进材料是新材料和具有高性能的传统材料的总称，既包括具有优良性能 的新材料，乂包括具有高性能的传统材料。汽车工业是一个国家的支柱产业，汽车工业是大型的、综合性的加工产 业，它可以带动和促进系列相关工业和相关社会服务行业的发展。相关的工 业有冶金、石油化工、机械、电子电器、轻工、纺织等。相关的服务行业有 交通运输、保险、维修、商业等。这些工业和服务行业所涉及的经济效益和 社会

17、效益十分巨大。在材料方面，汽车工业需用11大类材料，分别为钢板、 特种钢、结构用塑料和复合材料、非结构用塑料和复合材料、橡胶、涂料、 有色金属合金（主要为铝合金材料）、铸件、陶瓷和玻璃、金属基复合材 料。汽车工业对材料的需求很大，仅美国每年需用6000万吨以上。随着现代 汽车向轻屋化、节能、环保、安全舒适方向发展，需用传统材料提高性能， 同时需要具有高性能的新型材料代替部分传统材料。例如，采用if钢板和抗 拉强度超过400mp&的超级钢做汽车钢板，可以减薄，减轻汽车车体质量；采 用新型的铝基复合材料代替铸铁件，用深冲铝合金板代替钢板，都显著减轻 汽车质量。自20世纪60年代以后，塑料件

18、在汽车中的应用逐渐增多，以工 程塑料和复合材料为主，h前，在单台轿车上的塑料件用量已接近120kgo 由于先进材料的发展，汽车上使用的原材料结构组成比逐年发生变化。先进复合材料的兴起，克服了均一材质材料的不具有多种性能的弱点，在 汽车上应用，既有利于减轻汽车自身质量，又有利于提高性能。铝基复合材料制备技术先进铝合金材料包括高强高韧性铝合金材料、半同态铸造成型铝合金 材料和耐腐蚀铝合金材料等。当前铝基复合材料的研究儿种在两个方面：1 采用连续纤维增强的具有 优界性能的复合材料，其应用范围几种在很特殊的领域，如航空航大领域；2. 采用不连续增强体增强的具有优良性能的复合材料，其应用范围相当广泛。相

19、对来说，后者具有制备工艺简单、增强体成本低廉等优点，实现工 业化大批量生产的潜力更大，因此成为当前铝基复合材料的研究重点。纤维增强铝基复合材料的制造方法为获得无纤维损伤、无空隙、高性能的致密复合材料，必须考虑增强纤维 与铝及铝合金间的润湿性好坏和反应性大小、增强纤维的分布状态和高温下 的损伤老化程度及界血稳定性等。纤维增强铝基复合材料的制造方法主要有 熔融浸润法、加压铸造法扩散粘接法和粉末冶金法等。1. 1熔融浸润法熔融浸润法是用液态铝及铝合金浸润纤维束，或将纤维束通过液态铝及铝 合金熔池，使每根纤维被熔融金属润湿斤除去多余的金属面得到复合丝，再 经挤压而制得复合材料。其缺点是当纤维很容易被浸

20、润时，熔融铝及铝合金 可能会对纤维性能造成损伤利用增强纤维表面涂层处理技术，可有效地改善 纤维与金属间的浸润性和控制界面反应。h前熔融浸(al-mg)等纤维增强铝 基复合材料的制造。1.2加压铸造法加压铸造法是使熔融铝及铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔，压 力一直施加到凝固结束。加压铸造法因高压改善了金属熔体的浸润性，所制 得复合材料的增强纤维与铝及铝合金间的反应最小，没有孔隙和缩孔等常规 铸造缺陷。铸造压力和增强纤维含量对铝基复合材料的性能有较大影响。加 压铸造法成功地用于制造 b/ai, sic/al, al ockalli), al oj(al mg) 等铝基复合材料。1.3 扩散

21、粘接法扩散粘接法主要是指铝箔与经表面处理后浸润铝液的纤维丝或复合丝或单 层板按规定的次序叠层，在真空或惰性气休条件下经高温加压扩散粘接成型 以得到铝基复合材料的制造方法。此外，扩散粘接法还包拾常压烧结法、热 压法、高温挤拉法。冃前采用扩散粘接法制造的纤维增强铝基复合材料有c / al, b/al, sic/al 等。1.4粉末冶金法粉末冶金法是传统的粉末冶金工艺在新的工程材料制备上的发展。随着制 粉工艺的发展和分散工艺方法的完善，人们已经利用粉末冶金法成功制备了 大量性能优异的铝基复合材料。它们不仅具有高比强、高比模、低膨胀、高 抗磨的特点，而且可以随意调整工艺路线。这种方法制备的铝基复合材料

22、中 增强相分布均匀，界面反应易于控制，在性能和稳定性上人人优于其它工艺 方法制备的材料。2、颗粒增强铝基复合材料的制备方法：2. 1液态金属浸渗1 ）挤压铸造'挤压铸造是目前制造金属基复合材料较成熟的一种方法。首次在工业上 应用的铝基复合材料制件即13本丰田公司制造的铝基a 1,0,晶须増强 汽车活塞就是用挤压铸造方法获得的。挤压铸造是在液体压力作用下将液态 金属渗入增强相预制块中。在制造过程中，为了防止熔体过早冷却，需要对 压模和预制块进行预热处理，预热温度一般低于基休合金的液相线温度。2 ）气压铸造用气体压力取代挤压铸造的液体压力。就形成了气压浸渗制造复合材料工 艺。气压浸渗工艺一

23、般都施加真空作用，所需要的浸渗压力较低，大都在 十儿m p a以下。目前，己经出现了多种气压浸渗工艺技术。3 ）无压浸渗无压浸渗t艺是1 9 8 9年lan x i d e公司：提出的专利技术，也 称为l an x i d e 5 2艺。在该工艺中，基体合金放在可控制气氛的加 热炉中加热到基体合金液相线以上温度，在不加压力的情况下合金熔体自发 浸渗到颗粒层或预制块中。利用该方法可制造出近终形态的复合材料制品。因为 没有压力作用，浸渗模具材料选择很容易，如可选用；透气性好的耐火材 料和烧结陶瓷材料。影响该工艺的主要因素为：浸渗温度、颗粒大小和环境 气体种类。无压浸渗工艺木质是实现自润湿作用。1=

24、1前该工艺只能在一定条 件下才能实现，合金含镁和氮气环境是两个前提条件，因此无压浸渗工艺 具有局限性。2. 2弥散混合工艺弥散混合工艺是用机械力作用使颗粒和熔体混合，然后浇注成铸锭或复合 材料制件。该工艺研究开始于6 0年代。由于大多数类型的颗粒和铝合金熔 体z间具有不润湿特点，因此为了使得颗粒和熔体z间完全结合，必须施 加外力作用以克服热力学表面障碍和黏滞阻力。该工艺主要包括：搅拌铸 造、流变铸造、螺旋挤压、喷射分散、团块分散等方法。2.3原位复合工艺原位复合工艺是由加入到基体金属熔体中的粉末或其它材料与基体反应生 成一定的增强相而制得复合材料的一种工艺。主要包括自蔓延合成工艺、x d 52

25、艺和气液反应工艺。这些工艺的主要优点为：陶瓷颗粒表面无污染，与 基体界面相容性好，颗粒细小，因而材料增强效果好，是研究和开发复合 材料很有效的方法” marie t t a公司开发的专利复合材料制造x d t m技术。该技术是向有溶解能力的金属（如a 1）中加入某儿种物质使其发生 化合反应放热生成需要的增强体。以t i b ,颗粒在a 1基体中的形成为 例，t i 、 b 和a 1以元素粉末的形成或以a 1 t i、a 1 b合金的形式混合并加热至 足够高的温度形成熔融的a 1介质，t i或b在其屮扩散析出t i b ,。典型的做法是先制备含高体积分数（5 0 v 0 1%以上）的母合金， 再

26、加入到金属基体中制得含所需体积分数的复合材料。该技术可产生的陶瓷 颗粒包括硼化物、碳化物、氮化物和硅化物等。2.4 粉末冶金粉末冶金是制备高熔点难成型金属材料的传统工艺。它是将快速凝固金属 粉末和增强陶瓷颗粒等经筛分、混合、冷压固结、除气、热压烧结，以及压 力加工制得复合材料的一种工艺。研究结果表明，用粉末冶金工艺生产的颗 粒增强金属基复合材料的综合强度水平比用熔融金属工艺生产的同种材料 高，伸长率也较高，材料微观组织结构有所改善。但是这种工艺及设备复 杂，金属粉末与陶瓷颗粒混合时会因颗粒分布不均，除气不完全而导致材 料内部出现气孔，温度选择不当易造成汗析。另外，制得的复合材料坏件 一般还需要

27、二次成型。这种设备不适用于生产较人型件，所以对铝基复合材 料的工业规模生产有所限制。2.5喷射沉积工艺喷射沉积工艺是由英国s in g e r教授首创并干1 9 7 0年正式公布。 这一工艺早期应用于一些金属半成品的生产和制备，后来加利福尼亚人学l averniaej等人开始利用这一技术制备颗粒增强金属基复合材料。 哈尔滨t业大学武高辉等人对石墨纤维增强铝基复合材料在空间遥感器镜筒 结构屮的应用进行了研究。为了设计和制造出性能更加优越的空间遥感器， 对一种新型航天材料石墨纤维增强铝基复合材料进行了研究。突破了石墨纤 维与铝合金的界面反应控制、纤维铺层和缠绕设计等关键技术，成功制备了 石墨纤维增

28、强铝基复合材料，材料的密度为2. 12x10 kg/mo ,弹性模量 为129 gpa,线膨胀系数为5. 0x10 k。针对这种复合材料，摸索出一套完 整的加工和后处理工艺，并首次把这种复合材料应用在空间红外遥感器镜简 结构设计中，设计的镜筒较之钛合金镜筒减重318 o最后，完成了镜筒组 件的加工装配、透镜的装校和随机振动试验。实验结果表明，镜筒组件的一 阶谐振频率为284 hz,高于100 hz的设计要求，振动试验后光机系统没有 发生变化。上述工作表明，石墨纤维增强铝基复合材料在航天遥感领域具有 较高的应用价值。2. 1材料的特点分析对于小型空间红外遥感器来说，结构部分不仅要满足髙刚度、高强

29、度和尺 寸稳泄性的要求，而且应该尽量减轻质量。本文研究的空间红外遥感器镜筒 材料采用了石墨纤维增强铝基复合材料(以下简称铝基复合材料)，这种材料 属于长纤维增强(连续强化)金属基复合材料，由哈尔滨工业大学金属基复合 材料研究所自主研制。与金属材料相比，铝基复合材料具有如下优点：耐高温、高比强、高比 模、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、对缺口不敏感且抗磨损。与聚合物基复 合材料相比铝基复合材料具有如下优点：耐高低温、防燃、尺寸稳定、抗氧 化、抗辐照、抗电磁脉冲、无气化和导热、导电、剪切强度高、热膨胀系数 低、可直接加工螺纹和圆孔。表1常用航天材料性能穆数比较txb. 1 comparison of performance parameters offrequently-used astronautic materials密度p弹性模量e比刚度e/p线膨胀系数a名称(103kg/ms)(10-pa) (10flpa/(kg/ms)> (w$k)2. 6962.023.023.61.85304164.311.2钛4.5110623,510.2镁1.7444.025.325.2钢钢8.0314518.0.54gr/ai2. 1212960.85.0表1比较了常