第7章 金属基复合材料的凝固

1、2022-6-251/95第七章第七章 金属基复合材金属基复合材料的凝固料的凝固2022-6-252/952022-6-253/952022-6-254/95牛粪牛粪+黄泥黄泥复合材料：粮囤内层，防复合材料：粮囤内层，防漏，防虫，强化漏，防虫，强化2022-6-255/952022-6-256/952022-6-257/952022-6-258/952022-6-259/952022-6-2510/952022-6-2511/952022-6-2512/95第二节第二节 金属基人工复合材料的凝固金属基人工复合材料的凝固2022-6-2513/95n采用挤压浸渗法制备。采用挤压浸渗法制备。n复合

2、材料的加压浸渗可分四复合材料的加压浸渗可分四个步骤：个步骤： 金属液所受压力逐渐升高并金属液所受压力逐渐升高并开始浸渗预制块；开始浸渗预制块； 金属液在预制块中流动；金属液在预制块中流动； 金属液在高压下进一步填充金属液在高压下进一步填充预制块微小孔隙；预制块微小孔隙； 渗入预制块中的金属液在压渗入预制块中的金属液在压力下凝固形成复合材料。力下凝固形成复合材料。2022-6-2514/952022-6-2515/952022-6-2516/952022-6-2517/952022-6-2518/952022-6-2519/95n（3）纤维间微小缝隙的进一步填充）纤维间微小缝隙的进一步填充n浸渗

3、过程中浸渗过程中, 金属液总是优先填充预制块内较大的金属液总是优先填充预制块内较大的孔隙。孔隙。n而纤维接触或接近处的微小缝隙而纤维接触或接近处的微小缝隙, 因曲率半径小因曲率半径小, 填充难度大填充难度大, 需待整个预制块的大孔隙都充满需待整个预制块的大孔隙都充满, 浸浸渗压进一步提高渗压进一步提高, 方可实现进一步填充。方可实现进一步填充。两纤维平行接触，所需压力：两纤维平行接触，所需压力：2022-6-2520/95金属液渗入该夹角所金属液渗入该夹角所需压力为需压力为:2022-6-2521/952022-6-2522/95ZA22合金常压铸态组合金常压铸态组织织ZA22合金高压铸态组合

4、金高压铸态组织织ZA22/Al2O3复合材料组织复合材料组织2022-6-2523/952022-6-2524/952、颗粒增强金属基复合材料的凝固、颗粒增强金属基复合材料的凝固n搅拌铸造法搅拌铸造法2022-6-2525/95陶瓷颗粒在基体中是陶瓷颗粒在基体中是否均匀分布取决于颗否均匀分布取决于颗粒与凝固界面的相互粒与凝固界面的相互作用作用大多数复合材料中大多数复合材料中颗粒分布不均匀颗粒分布不均匀2022-6-2526/95金属基复合材料中金属基复合材料中陶瓷颗粒与凝固界陶瓷颗粒与凝固界面的相互作用面的相互作用2022-6-2527/95陶瓷颗粒陶瓷颗粒被凝固界被凝固界面排斥面排斥2022

5、-6-2528/95陶瓷颗粒仍然被凝固陶瓷颗粒仍然被凝固界面所排斥界面所排斥2022-6-2529/95陶瓷颗粒被凝固界面捕捉陶瓷颗粒被凝固界面捕捉2022-6-2530/952022-6-2531/952022-6-2532/95金属液浸渗颗粒层动力学分析金属液浸渗颗粒层动力学分析n1、颗粒层等效毛细半径、颗粒层等效毛细半径n颗粒层可看成多孔体，其孔隙错综复杂，四通八颗粒层可看成多孔体，其孔隙错综复杂，四通八达。要研究金属液浸渗颗粒层的过程达。要研究金属液浸渗颗粒层的过程,必须对颗粒必须对颗粒层进行简化。设颗粒层内有若干垂直于铸型底面层进行简化。设颗粒层内有若干垂直于铸型底面的毛细管道，其等

6、效半径为的毛细管道，其等效半径为R，颗粒占颗粒层的，颗粒占颗粒层的体积分数为体积分数为Vf。则：。则：可见可见, 颗粒层等效毛细半径与颗粒体积分数有关。颗粒层等效毛细半径与颗粒体积分数有关。体积分数越大，等效毛细半径越小。体积分数越大，等效毛细半径越小。2022-6-2533/95n2、浸渗过程动力学、浸渗过程动力学式中，式中， 为金属液密度，为金属液密度， g 为重力加速度，为重力加速度，H为初始液面为初始液面高，高， la为金属液表面张力，为金属液表面张力， 为金属液润湿角，为金属液润湿角， R为等效为等效半径，半径， 为动力粘度。为动力粘度。2022-6-2534/95n假设金属为中锰钢

7、。中锰钢存在一结晶温度区间假设金属为中锰钢。中锰钢存在一结晶温度区间, 这样上式中金属液的流动时间这样上式中金属液的流动时间t 可分为两个阶段可分为两个阶段, 即金属液从浇注温度即金属液从浇注温度T浇浇冷却到液相线温度冷却到液相线温度TL的时的时间间t1和金属液从和金属液从TL冷却到固相连成网络、金属液冷却到固相连成网络、金属液停止流动温度停止流动温度T停停的时间的时间t2。将上式中的对数项按级数展开，并略去高次项，将上式中的对数项按级数展开，并略去高次项，可得金属液浸渗时间为：可得金属液浸渗时间为：2022-6-2535/95金属液浸渗深度为：金属液浸渗深度为：n可见，影响浸渗深度可见，影响

8、浸渗深度h 的因素很多，主要有两方的因素很多，主要有两方面面: n（1）颗粒粒径及传热特性。随着颗粒粒径增大，）颗粒粒径及传热特性。随着颗粒粒径增大，h值相应增大；颗粒的换热系数值相应增大；颗粒的换热系数 越大，越不利于越大，越不利于金属液的浸渗；颗粒温度越高，金属液的浸渗；颗粒温度越高， 越有利金属液的越有利金属液的浸渗。浸渗。2022-6-2536/95n（2）金属液特性。金属液的压头高度）金属液特性。金属液的压头高度H 值值越高，越高， h 越大；金属液如能润湿颗粒越大；金属液如能润湿颗粒, 则毛则毛细力为浸渗的动力细力为浸渗的动力, 利于利于h 值增大；金属液值增大；金属液粘度越大，粘

9、度越大， 越不利于浸渗；越不利于浸渗； 金属液的浇注金属液的浇注温度温度T 浇浇越高，其粘度越低，利于浸渗，但越高，其粘度越低，利于浸渗，但T 浇浇过高，过高， 则温差则温差( T浇浇- T粒粒) 增大增大, 易使碳化易使碳化钨颗粒溶解，从而降低材料性能；金属液钨颗粒溶解，从而降低材料性能；金属液密度密度 、比热容比热容c及结晶潜热及结晶潜热L 值越高，浸值越高，浸渗深度渗深度h 越深。越深。2022-6-2537/952022-6-2538/952022-6-2539/952022-6-2540/952022-6-2541/952022-6-2542/952022-6-2543/95 越王勾

10、践剑深埋地下越王勾践剑深埋地下24002400多年，多年，19651965年冬出年冬出土时依旧寒光逼人，锋利无比。土时依旧寒光逼人，锋利无比。 19771977年年1212月，复旦大学与中科院等对剑进行了月，复旦大学与中科院等对剑进行了无损检测。无损检测。 主要成分是铜、锡及少量的铝、铁、镍、硫。主要成分是铜、锡及少量的铝、铁、镍、硫。 剑的各个部位铜和锡的比例不一。剑脊含铜较剑的各个部位铜和锡的比例不一。剑脊含铜较多，韧性好，不易折断；刃部含锡高，硬度大，多，韧性好，不易折断；刃部含锡高，硬度大，使剑非常锋利；花纹处含硫高，硫化铜可防锈使剑非常锋利；花纹处含硫高，硫化铜可防锈蚀。形成了良好的

11、成分梯度。蚀。形成了良好的成分梯度。2022-6-2544/95烧冲压式发动机烧冲压式发动机, 其燃烧室壁一侧接触高达其燃烧室壁一侧接触高达2000的的燃烧气体，承受超高温，而另一侧则接触燃烧气体，承受超高温，而另一侧则接触-200的的液氢燃料，承受超低温。从而产生极大热应力。液氢燃料，承受超低温。从而产生极大热应力。一一般材料显然满足不了这一要求。般材料显然满足不了这一要求。2022-6-2545/95耐热性耐热性热传导率热传导率热膨胀系数热膨胀系数均匀材料均匀材料有界面的复合材料有界面的复合材料FGM陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷金属金属2022-6-2546/95耐耐 超超 热热 性性 能能力力 学学

12、 性性 能能 热应力缓和作用热应力缓和作用陶瓷陶瓷金属金属2022-6-2547/95金属金属/陶瓷功能梯陶瓷功能梯度材料度材料Sn Al2O3 扫描电镜观察扫描电镜观察维氏硬度压痕维氏硬度压痕2022-6-2548/95钼钼-铜铜FGM电子探针分析电子探针分析MoCuMo/Cu FGM材料材料MoCu2022-6-2549/952022-6-2550/952022-6-2551/95灰铸铁与球墨铸铁的梯度复合材料灰铸铁与球墨铸铁的梯度复合材料2022-6-2552/952022-6-2553/95离心加速条件下金属液中粒子的相离心加速条件下金属液中粒子的相互作用互作用n（1）离心加速条件下粒

13、子运动模型的建立及求解）离心加速条件下粒子运动模型的建立及求解n以立式离心装置为研究对象，在该离心力场中，以立式离心装置为研究对象，在该离心力场中，假设粒子密度大于液体密度假设粒子密度大于液体密度(即即p L) ，则粒子，则粒子在垂直方向上受重力在垂直方向上受重力Fg 和浮力和浮力Ff 。在水平方向上。在水平方向上的受力的受力: 一是离心力一是离心力F1，一是粒子向外侧移动时受，一是粒子向外侧移动时受到的阻力到的阻力F2 ，再是在离心力场中水平方向产生的，再是在离心力场中水平方向产生的与离心力方向相反的与离心力方向相反的“浮力浮力”F3。2022-6-2554/95n由于在离心力场中重力系数较

14、大，即粒子所受离由于在离心力场中重力系数较大，即粒子所受离心力相对于自身重力较大，加上垂直方向上重力心力相对于自身重力较大，加上垂直方向上重力与浮力的相互抵消作用，垂直方向粒子的受力对与浮力的相互抵消作用，垂直方向粒子的受力对其运动规律的影响很小，故在垂直方向粒子的受其运动规律的影响很小，故在垂直方向粒子的受力可忽略不记。力可忽略不记。2022-6-2555/95n在水平方向粒子所受离心力及其在离心力场中所在水平方向粒子所受离心力及其在离心力场中所受的受的“浮力浮力”分别为：分别为：n式中式中mp 和和mL 分别为粒子及粒子排开液体的质量。分别为粒子及粒子排开液体的质量。n由于金属液存在粘度，

15、运动的第二相质点不可避由于金属液存在粘度，运动的第二相质点不可避免地受到移动阻力。假设质点为细小的球形粒子，免地受到移动阻力。假设质点为细小的球形粒子，可近似采用层流状态下的阻力公式：可近似采用层流状态下的阻力公式：在铸型预热较好，金属液冷速较慢的情况下，可在铸型预热较好，金属液冷速较慢的情况下，可以假定液体的粘度以假定液体的粘度不受温度及时间影响，为常数。不受温度及时间影响，为常数。2022-6-2556/95根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律, 粒子在水平方向上所受合力粒子在水平方向上所受合力F 为：为：式式(9) 就是离心力场中粒子所处位置与运动时间的就是离心力场中粒子所处位置与运动时间的

16、函数关系。函数关系。2022-6-2557/95对式对式(9) 进一步求导进一步求导, 可得粒子在任一时刻的速度及可得粒子在任一时刻的速度及加速度加速度:2022-6-2558/95n（2）离心加速条件下金属液中第二相粒子相互作）离心加速条件下金属液中第二相粒子相互作用分析用分析n 粒子直径的影响粒子直径的影响n随粒子直径增大随粒子直径增大, 粒子移动距离急剧增大。粒子移动距离急剧增大。2022-6-2559/95n 粒子密度的影响粒子密度的影响n在相同条件下密度较大的粒子其运动距离在相同条件下密度较大的粒子其运动距离也较大。也较大。2022-6-2560/95n 粒子初始位置的影响粒子初始位

17、置的影响n径向上初始位置不同的两个粒子径向上初始位置不同的两个粒子, 其间距也不是一其间距也不是一常量常量, 而是随着时间的延长而是随着时间的延长, 其间距逐渐增大。其间距逐渐增大。n设在径向一条直线上有两个粒子设在径向一条直线上有两个粒子, 根据式根据式(9) ,任意任意时刻两个粒子的间距为：时刻两个粒子的间距为：2022-6-2561/95n 离心力场中粒子的相互作用离心力场中粒子的相互作用n在采用离心技术制备外加粒子强化梯度材料时在采用离心技术制备外加粒子强化梯度材料时, 初初始状态粒子在金属液中是均匀分布的始状态粒子在金属液中是均匀分布的, 各粒子的初各粒子的初始位置不同。始位置不同。

18、n如果粒子为同种粒子如果粒子为同种粒子, 即密度相同即密度相同, 则直径大的粒则直径大的粒子运动速度快子运动速度快, 在一定时间内有可能赶上其前面的在一定时间内有可能赶上其前面的小粒子小粒子(见图见图7) 。n这样会导致两种结果这样会导致两种结果, 一是大粒子与小粒子发生碰一是大粒子与小粒子发生碰撞并带着小粒子一起向前运动撞并带着小粒子一起向前运动, 最终引起粒子的聚最终引起粒子的聚集集; 一是大小粒子发生碰撞后一是大小粒子发生碰撞后, 由于两粒子的重心由于两粒子的重心不在径向一条直线上或由于系统振动等原因不在径向一条直线上或由于系统振动等原因, 使小使小粒子发生旋转粒子发生旋转, 让出路径让

19、出路径,以便大粒子通过以便大粒子通过,最终大最终大粒子分布到试样的最外侧。粒子分布到试样的最外侧。2022-6-2562/952022-6-2563/95n如果粒子为密度不同的混杂粒子如果粒子为密度不同的混杂粒子, 但直径相同但直径相同, 则则处于后面的密度大的粒子也可以赶上前面密度小处于后面的密度大的粒子也可以赶上前面密度小的粒子的粒子, 产生与不同直径粒子间相互作用相同的效产生与不同直径粒子间相互作用相同的效果。果。n如果离心力场中金属液内粒子的直径和密度都不如果离心力场中金属液内粒子的直径和密度都不同同, 情况更加复杂。在传输过程中情况更加复杂。在传输过程中, 既有因尺寸不既有因尺寸不同

20、引起的追逐现象同引起的追逐现象, 又有因密度不同引起的追逐现又有因密度不同引起的追逐现象。因此象。因此, 粒子间的碰撞是频繁的。粒子间的碰撞是频繁的。n为减少粒子运动过程中的追逐、碰撞及由此引起为减少粒子运动过程中的追逐、碰撞及由此引起的粒子聚集和不稳定流动现象的粒子聚集和不稳定流动现象, 采用尺寸一致的同采用尺寸一致的同种粒子是非常必要的。种粒子是非常必要的。2022-6-2564/95第三节第三节 自生复合材料的凝固自生复合材料的凝固2022-6-2565/952022-6-2566/952022-6-2567/952022-6-2568/95coscosLL2022-6-2569/952

21、022-6-2570/952022-6-2571/952022-6-2572/952022-6-2573/95LmmLLDCCPmvG)(22022-6-2574/95LmmLLDCCPmvG)(22022-6-2575/952022-6-2576/952022-6-2577/952022-6-2578/952022-6-2579/952022-6-2580/95Pb-Sn层片状共晶自生复合材料层片状共晶自生复合材料2022-6-2581/95LaB6-ZrB2共晶自生复合材料的扫描电镜组织共晶自生复合材料的扫描电镜组织(a) 纵向；纵向；(b) 横向横向 2022-6-2582/952022-6-2583/952022-6-2584/952022-6-2585/952022-6-