金属基复合材料制备工艺.ppt

1、金属系复合材料的制造工艺、2、a、金属系复合材料的制造和成形工艺、金属系复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上依赖于制造技术的研究和发展的有效制造技术一直是金属基复合材料研究中最重要的问题之一。 3、a、复合材料的概念和定义，通常材料的优缺点：定义：采用物理或化学方法，将两种以上的材料以相状态(如连续相：基体； 不连续体：强化相)以性能相互独立的形式共存，能够提高材料的某种性能，弥补其缺点，达到获得新的性能(功能)的目的。 金属材料的优点：优异的延展性和加工性。 缺点：强度相对低，耐热、耐磨、耐腐蚀性差，如铝； 陶瓷材料的优点：强度高，耐热，耐磨性高，缺点：脆，加工性差。 复合后，利用两者的

2、优势进行补充，提高性能。 4、a、5、a、金属系复合材料制造难点、制造温度的选择困难，难以控制界面反应，金属基体与增强材料间的润湿性差，即使在制造温度下也不能完全润湿； 很难根据设计要求、方向使加强材料均匀分布在基质中。6、a、按基体、7、a、按增强体、8、a、按分散状态、9、a、连续增强相金属系复合材料的制造工序、10、a、2.1.4不连续增强相金属系复合材料的制造工序、11、a、12、a、2.1.3连续增强相金属系复合材料的制造工序铝合金固体液态法硼纤维钛合金固体法SiC纤维高温合金固体法氧化铝纤维金属间化合物固体法、13、a、2.1金属基复合材料制造工艺分类：1)固体法：粉末冶金法、真空

3、热压扩散结合、热等静压、超塑性成形/扩散结合、冲压成形。 2 )液态法：液态浸渍、真空压铸、逆压铸、半固态铸造。 3 )注射成形法：等离子喷涂成形、注射成形。 4 )原位生长法。 14、a、1 .固体法、工艺流程按照设计要求将金属粉末或金属箔和增强物(纤维、晶须、粒子)按一定的含量、分布、配置加热、加压扩散粘接：将金属和增强物复合而形成MMC。 特征：整个工艺处于低温，金属和增强物固体的界面反应不严重。 类型：粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、拉拔法。 15，a，粉末冶金复合法，1.1工艺，16，a，原料：基质金属和强化粒子都是粉体，越细越好，但必须大于1m。 否则，难以凝聚的混合：球磨

4、机混合法； 压粉(压实):相当于成形工艺脱气：为了除去粉末、粒子表面的水分和吸附气体，防止烧结后的材料内部的气孔(相当于干燥) . 塑性加工：使材料具有一定的形状(在热加工温度下变形)。 适用于分散强化型复合材料(粒子或纤维强化型)、17，a，可以自由选择基体金属材料。 因为该方法是固体复合的，所以可以自由选择基质和强化相难以反应的强化粒子的种类、尺寸，与强化粒子的添加量范围宽的铸造法相比，容易实现强化粒子的均匀分散(微粒除外)。 与液相法相比，制造温度低，界面反应可以控制，可以根据需要设计复合材料的性能其组织致密、微细、均匀，内部缺陷明显改善，有利于网成形和网成形，二次加工性好。 12优点：

5、18、a、工艺复杂、成本高的固化方法除了采用烧结、热压、压制等方法的原生复合法以外，难以使微细粒子均匀分散的强化粒子的表面污染难以除去，基体和粒子界面比铸造法差。13缺点、19、a、热压法通常是将纤维和金属基质制成复合材料的预制片，然后根据设计要求将预制片裁断成所希望的形状，将层叠布局(纤维方向)放入模具中，加热加压，最终制造复合材料和部件。 热压法是目前粗直径硼纤维和碳化硅纤维强化铝、钛复合材料的主要方法。 2 .真空热压扩散耦合可称为扩散粘合法或扩散焊接法。 20、a、热压法工艺流程，在加强材料上铺上金属箔，裁剪成形，冷却取出，整理，抽真空，加热到必要的温度，加压和保压，21、a，影响扩散

6、粘接过程的主要参数是在温度、压力和一定温度和压力下维持时间。 此外，气氛对质量也有很大的影响。 22、a、扩散粘合过程分为三个阶段：1.粘合表面的最初接触，由于加热、加压，表面变形、移动，表面膜(氧化膜)被破坏，2 .随着时间的经过，发生界面扩散和体扩散，使接触面紧密接触，3 .热扩散结合界面最终消失，因此粘合过程工艺23，a :将金属基体(粉或箔)和增强材料(纤维、晶须、粒子)以一定比例混合或配置后，或者用预制装配式叠层后，放入金属包复层(或玻璃包复层)，排气密封后，放入热等静压装置中，加热加压，制成金属基复合材料3、热等静压法、工艺的优缺点：材质致密，尺寸精度高，但设备投资大，工艺周期长，

7、成本高。 如果用24、a、惰性气体加压，工件会在所有方向上受到均匀的压力。25、a、冲压成形也是扩散耦合的一种手段。 将纤维/基质母材放入具有一定形状的模具中扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。 经常用这种工艺制作各种型材。 4、冲压成形，26、a是塑性成形的热加工方法。 热轧法主要将复合的粒子、晶须、短纤维增强金属系复合材料铸锭加工成板材。 热挤压和热拉伸主要用于粒子、晶须、短纤维强化复合材料的进一步加工，制作各种形状的管材、形材、棒材等。 经过挤出、拉拔，复合材料组织均匀，缺陷少，性能显着提高，短纤维和晶须有一定的优先取向，轴向拉伸强度显着提高。 5、热轧法、热挤出法和热拉法、27、a、

8、5.1 .粉末轧制法、28、a、5.2片(带)材轧制复合法、29、a、5.3温轧复合生产线，30、a利用炸药产生强脉冲应力，使碰撞的材料塑性变形6、爆炸焊接法、31、a、层叠复合法，首先用扩散焊接法复合不同的金属板，然后用离子溅射或分子束外延法将不同的金属或金属与陶瓷薄层交替叠合，构成金属基复合材料。 这个复合材料性能好，但工艺复杂，难以实用化。 目前这个材料的应用还不广泛。 以前主要用于少量应用、航空航天和其他军用设备，现在正在努力向民间方向转移，特别是汽车工业有很好的发展前景。 7 .层叠复合法、32、a、2 .液状金属法、方法：在金属基体熔融的状态下与固体增强物复合制成材料的方法。 工艺

9、：液态金属浸渍挤出铸造成形。 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法的关键。 工艺类型：挤出铸造法、真空吸引铸造法、液状金属浸渍法、真空压力浸渍法、搅拌复合法。 33、a、液体法主要面临问题，1 .粒子和金属融体的润湿性差，难以进入金属融体中，均匀分散，产生凝聚，2 .强搅拌容易引起金属融体的氧化和大量吸引空气。34、a、改善缺点的方法、粒子表面处理； 强化粒子的表面在使用前经常被各种有机物污染，吸附水分，对复合过程的混合、浸润产生有害气体，因此在复合前必须对粒子进行处理，去除有害的吸附物，改善与金属液的浸润。 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

10、物质的同时，在表面形成极薄的氧化层。 SiC粒子在高温下氧化后，表面形成SiO2层，在复合过程中与铝液反应，改善了SiO2粒子和铝熔液的浸润。 有时也在粒子表面涂上Ni、Cu等金属涂层来改善浸润性，但不经济。 向金属熔液中添加合金元素来改善浸润性； 为了降低铝熔液的表面张力，改善与陶瓷粒子的浸润性，如果在铝熔液中加入钙、镁、锂等元素，则能有效地降低熔液的表面张力，提高与陶瓷粒子的浸润性，有利于粒子与铝熔液的复合35、a、有效的机械搅拌。 液态金属搅拌铸造法有效搅拌是粒子和金属液均匀混合复合的重要措施之一。 强搅拌和液体金属以高剪切速度在粒子表面流动，可以有效地改善金属和粒子之间的浸润。 在复合

11、过程中通过高速旋转机械搅拌和超声波搅拌，可以完成有效的搅拌复合。 复合过程的气氛控制为了防止液体金属的氧化和吸气，复合过程的气氛控制很重要。 液体金属氧化生成的氧化膜阻止了金属和粒子的混合和浸润，大量气体的吸入又引起大量气孔，大幅度降低了复合材料的质量。 一般采用真空、惰性气体保护及其他有效措施，防止复合过程中气体吸入和金属熔体氧化。 36、a、1 .挤出铸造法(squeezecasting )、(1)预成形件的制造(湿式)、(2)挤出铸造、37、a、湿式法的预成形件的示意图、38、a、预成形件的制造工艺流程图，例如挤出铸造法- SiCp 影响SiC粒子预成形件、41、a SiCp/Al复合材

12、料、42、a、复合材料质量的因素有： (1)预成形件的质量(均匀、无裂纹、无气泡、一定强度)、(2)模具和预成形件的预热温度(铝合金约500 )、(3)浇注温度(保压时间(300s左右)、43、a、2 .真空压力浸渍法、底部压入法顶部注入法、44、a、预成形件的制造和工艺参数的控制是获得高性能复合材料的关键。 预成形件决定了复合材料中纤维、粒子等强化材料的含量、分布和排列方向。 分为干式法和湿式法两种。45，a，真空压力浸渍法工艺，装炉，预成形件的装入，46，a，真空压力浸渍法工艺，坩埚的提拉，抽真空，熔融，47，a，真空压力浸渍法工艺，进入模具，通过高压气体(底部压入法)，48，a，真空压力

13、浸渍法工艺预成形件的预热温度越高，金属熔体渗透到预成形件中不会迅速冷却凝固，因此浸渍越充分。 金属熔液的温度越高，流动性越好，更容易填充到预成形件中。 但是，两者的温度越高界面反应越严重，因此有必要严格控制两者的温度。 工艺参数主要包括预成形件的预热温度、金属熔液温度、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。 51，a，特征：1 .适用面广泛，可用于多种金属基质和连续纤维、短纤维、晶须和粒子等增强材料的复合。 2 .可以直接制造复合材料零件，特别是形状复杂的零件，之后的加工几乎不需要。 3、浸泡在真空中进行，压力下凝固，无气孔、松弛、松弛等铸造缺陷，组织致

14、密，材料性能高。 4、技术简单，参数容易控制，避免严重的界面反应。5 .该方法设备复杂，工艺周期长，制造大尺寸零件需要大型设备。 52、a、液体金属基体通过特殊的喷嘴，在惰性气体气流的作用下，雾化成微细的液体金属流，朝向基板，同时除了雾化粒子的金属流外，还与金属液滴混合，堆积在基板上，凝固形成复合材料。 3、共喷流沉积法凝固过程复杂，与金属的雾化情况、沉积凝固条件和强化体的输角有关，过快凝固不能复合，过慢凝固使强化体浮起，分布不均匀。 53、a、缺点：出现原料被气流输送或堆积在效应器的墙壁上等现象，损失大的材料中的气孔率大，容易出现的稀疏液滴容易氧化。 优点：适用面广：一般基体、增强材料可以采

15、用的生产技术简单、高效、冷却速度快、成分均匀、防止偏析、有效避免晶粒细小的复合材料的界面反应，使粒子分布均匀。54、a、强化粒子、55、a、共喷流堆积法示意图、56、a、圆板管、57、a、用液状金属连续浸渍长纤维，得到复合材料的预制品(胶带、丝等)的方法。 核心工艺：将被复处理的连续长纤维通过熔液得到复合丝或胶带。 例如碳纤维增强铝基、镁基复合材料。 表面包复：一般采用化学气相沉积法(CVD )。 缺点：技术复杂成本高，应用有限。 4 .液态金属浸渍法、58、a、液态金属浸渍法的原理是，通过对碳(或石墨)纤维表面进行活性化处理，处理后的碳纤维和铝液、镁液相互自发浸润。 纤维束通过铝熔池后，金属

16、液自发地含浸在纤维束中形成复合丝，然后制作二次复合部件。 对59、a、石墨纤维实施Ti-B或(液状)金属钠表面涂层处理的话，纤维和铝液的润湿性增加，防止过度的脆性相Al4C3的生成。 60、a、5 .无压浸渍法，美国Lanxide公司开发的新技术。 把由加强材料构成的母材放入由氧化铝构成的容器中。 在加强材料母材的上部放置基体金属材料。 然后，放入能同时流通氮气的加热炉中。 加热后，母材金属熔化，自发地渗透到网络状增强材料母材中。61、a、无压浸渍法Al2O3(f)/Al复合材料的制造原理示意图，62、a、1.3.4inITU生长(复合)法的强化相由基体直接生成，生成相的热力学稳定性好，不存在

17、基体与强化相间的润湿和界面反应等问题63，a，(1)共晶合金定向凝固：共晶合金定向凝固要求合金成分接近共晶或共晶成分，开始形成二元合金，形成三元单变共晶，发展成包晶或有偏晶反应的两相结合。 定向凝固的情况下，参与共晶反应的同时由液相生成，其中一相以棒状(纤维状)或层状的规则排列生成(上图)。 64、a、定向凝固共晶合金复合材料的原位生长需要满足三个条件： (1)有温度梯度(GL )的加热方式；(2)满足平面凝固条件的GL/VI=mL(CEC0)/DL式中： GL :液相温度梯度； VI :凝固速度mL :液相线斜率CE :共晶成分： C0 :合金成分； DL :液相中溶质的扩散系数。 (3)两相的成核和生长必须协调进行。 65，a，(2)反应生长法(XDTM )该工艺生成粒子、晶须或共同增强的金属与金属间化合物系复合材料。根据选择的insi