[材料科学]金属基复合材料.ppt

1、金属基复合材料,近代复合材料的发展从基体上来看，首先发展的是软基体，然后逐渐发展较硬和硬的基体，即从树脂到金属到陶瓷基体。现代复合材料形成了树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。 金属基复合材料（简称MMC）的性能既优于金属材料，也优于树脂基复合材料。它既有金属的性能，也有树脂基无法达到的使用温度高、剪切强度高、阻燃、不老化、不吸潮、不放气、耐磨损、导电、导热等金属属性，在一些工业领域中有广泛的应用前景。,金属基复合材料起步于60年代初期。当时由于受到增强纤维品种少的限制，仅发展了硼纤维增强铝、钛等少量品种。多沿用树脂基复合材料的成型方法，如铺层工艺和缠绕工艺。生产的复合材料，

2、价格高昂（如硼-铅复合材料的价格约为热轧钢的1860倍），仅限于用在航空航天上。 80年代中期，长纤维增强、短纤维增强、晶须增强、颗粒增强金属基复合材料开始多种增强材料（硼、碳、碳化硅、碳化钛、硼化钛、氧化铝等）、多种基体材料（钢、铝、钛、镁、锌等）、多种复合方法较为全面的发展。,金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于材料的制备技术，因此研究和发展有效的制备技术是金属基复合材料研究中最重要的问题之一。 冶金工业中现有的常规技术如粉末冶金、铸造、塑性成型等被用来制造金属基复合材料，但鉴于材料本身的特殊性质和对材料的要求，不同类型的金属基复合材料在其制造技术上存在着很大的差别，有各自

3、的难点，需根据不同情况采用不同措施加以解决。,5,对制备技术的要求,制造过程中要使增强物按设计要求在金属基体中均匀分布。如连续纤维的分布及方向，一定的体积分数等，颗粒、晶须、短纤维等均匀分布于基体中； 不能使增强材料和基体材料的原有性能下降，特别是不能对高性能增强材料(如连续纤维)造成损伤，应该力图使它们的优点叠加和互补； 尽量避免增强材料和金属基体之间各种不利的化学反应发生（如基体金属的氧化、基体金属与增强物之间的界面反应等。），要求通过合理选择工艺参数得到合适的界面结构和性能，充分发挥增强材料的增强效果，以便保持金属基复合材料组织性能的稳定； 工艺简单，适于批量生产，尽可能直接制成近终形状

4、和尺寸的金属基复合材料零件。,6,金属基复合材料的制备难点,制备温度选择难度大； 界面反应难以控制； 金属基体与增强材料之间润湿性差，甚至在制备温度下完全不润湿； 将增强材料按照设计要求、方向均匀分布于基体中比较困难。,7,金属基复合材料在高温制造时将发生严重的界面反应、氧化反应等有害的化学反应。 严格控制界面反应是制备高性能金属基复合材料的关键。 金属基复合材料所选用的主要金属基体为铝、镁、钛、钢、镍基合金、金属间化合物等金属材料，均具有较高的熔化温度，在高温下化学性质活泼，易与增强物发生界面反应。 如铝基复合材料，铝的熔点660，在600以上高温条件下铝与碳(石墨)纤维、硼纤维、碳化硅等增

5、强物均有不同程度的界面反应，对界面结构和性能有重大影响。,8,金属基体与增强物之间浸润性差，甚至不浸润。 这是制备金属基复合材料的难点之一。 当金属熔体与增强物之间有良好的浸润性（接触角小于90）时金属熔体才能自发的渗入增强物的间隙中。基体金属与增强物之间才能实现良好的结合。 但对于多数金属基复合材料体系，如碳(石墨)-铝、碳(石墨)-镁、碳化硅-铝、氧化铝-镁等复合材料的基体金属与增强物之间浸润性很差，而增强纤维很细，特别是碳(石墨)纤维、氧化铝、碳化硅纤维呈束纤维使用。一束纤维由数百根，甚至上千，上万根单纤维组成。金属需渗入到纤维之间，一般为几微米的间隙中去，浸润性差是难以实现的。 对于颗

6、粒增强金属基复合材料，如浸润性差颗粒就不可能均匀的进入和分散在金属熔体中，因此采用液态金属复合法制备复合材料时，必须解决相互之间的浸润问题。在工艺上也可采用固态粉末冶金、扩散烧结等方法。但应用面较窄，只适用于少数品种的金属基复合材料。,9,将增强物按设计要求的含量、分布、方向均匀地分布在金属基体中。 这是制造金属基复合材料的另一难点。 用于金属基复合材料的增强物有单根纤维、集束纤维、短纤维、晶须和颗粒等。它们的尺寸、形状、物理化学特性均有很大差别。 如直径为100m140m的化学气相沉积硼纤维和碳化硅单纤维，直径为5m12m的碳(石墨)纤维、烧结碳化硅纤维、氧化铝纤维等是以2001200根单纤

7、维组成的集束纤维用于复合材料。 而晶须、颗粒则是以大量尺寸细小的短晶须或细粉作为增强物用于金属基复合材料。一般大小在几微米或1微米以下。 增强物的大小、聚集状态、性能以及在金属基体中分布的要求不同给金属基复合材料制备带来很大困难，在选用制造方法时需要充分考虑增强物的特点。,10,工艺过程要考虑的因素,11,制备方法的分类,固态法：是指基体处于固态制备金属基复合材料的方法。 将金属粉末或金属箔与增强物(纤维、晶须、颗粒等)按设计要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再经加热、加压，将金属基体与增强物复合粘结在一起，形成复合材料。,12,整个工艺过程处于较低的温度，金属基体与增强物均处于固体

8、状态。 由于温度较低，金属与增强物之间的界面反应不严重。 粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、热挤压法、拉拔法等等均属于固态复合成型方法。,13,固态法举例,14,制备方法的分类,液态法：是指基体金属处于熔融状态下与固态的增强材料复合在一起的方法。 金属在熔融态流动性好，在一定的外界条件下容易进入增强物间隙中。 为了改善液态金属基体与固体增强材料之间的润湿，以及控制高温下的界面反应，可以采用加压浸渗、增强材料表面涂覆处理、基体中添加合金元素等措施。 采用加压浸渗：金属液在超过某一临界压力时，金属液能渗入微小的间隙，形成复合材料。 通过纤维、颗粒表面涂层处理使金属液与增强物的自发浸润，如制备

9、碳/铝复合材料时用的Ti-B涂层法。,15,液态法制造金属基复合材料时，制备温度高，易发生严重界面反应，有效控制界面反应，是液态法的关键。 液态法可用来直接制造复合材料零件，也可用来制造复合丝、复合带、锭胚等作为二次加工成零件的原料。挤压铸造法、真空吸铸、真空压力浸渍法、搅拌复合法、共喷沉积法等均属于液态法。,16,液态法举例,17,制备方法的分类,自生成法（原位自生法）： 在基体金属内部通过加入反应元素，或通入反应气体在液态金属内部反应，产生微小的固态增强相。 一般是金属化合物TiC、TiB2、A12O3等微粒起增强作用。 通过控制工艺参数获得所需的增强物含量和分布。 反应自生成法制备的复合

10、材料中的增强物不是外加的，而是在高温下金属基体中不同元素反应生成的化合物，与金属有好的相容性。,18,制备方法的分类,其他制备方法，如： 物理气相沉积法； 化学气相沉积法； 化学镀和电镀法； 复合镀法等。,19,连续增强相复合材料的制备工艺,铝合金固态、液态法 碳纤维 镁合金 固态、液态法 硼纤维 钛合金 固态法 SiC纤维 高温合金固态法 氧化铝纤维 金属间化合物固态法,20,不连续增强相复合材料的制备工艺,21,固态法,1）粉末冶金法 是最早用来制备金属基复合材料的方法。早在1961年，Kopenaal等人就利用粉末冶金法制备了碳纤维增强的铝基复合材料。 但由于性能较差，这种方法已经不用来

11、制备长纤维增强的复合材料，而主要用于颗粒或晶须增强的金属基复合材料。,22,粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等。适合于分散强化型复合材料（ 颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。,23,颗粒（晶须）,合金粉末,混合,热压,冷压-烧结,封装除氧,挤压,坯或零件,粉末冶金法的工艺流程,24,粉末冶金法的优缺点,粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。 但材料的成本较高，制备大尺寸的零件

12、和坯料有一定困难，而且粉末混合和防止氧化是工艺的关键，必须采取有效措施加以控制，以及微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料等。,25,烧结工艺,26,（2）热压法,也可称为扩散粘结法，或扩散焊接法。 是在较长时间的高温及不大的塑性变性作用下，依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。 影响扩散粘结过程的主要参数是：温度、压力和一定温度及压力下维持的时间。 另外，气氛对质量也有较大影响。,27,热压法,热压工艺通常要求先将纤维与金属基体制成复合材料预制件，然后按照要求裁剪成形，再叠层，将叠层放入模具内，进行加热加压，最终得到复合材料或零件。,28,29,固相法：热压固结法(也称扩

13、散粘结法),30,扩散粘结过程分为三个阶段： 粘结表面的最初接触，由于加热、加压，使表面发生变形、移动、表面膜（氧化膜）破坏； 随着时间的进行，发生界面扩散和体扩散，使接触面密着粘结； 由于热扩散结合界面最终消失，粘结过程完成。,31,（3）热等静压法,也是热压法的一种。采用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用。 工艺过程：将金属基体（粉或箔）与增强材料（纤维、晶须、颗粒）按照一定比例混合或排布后，或用预制片叠层后，放入金属包套（或玻璃包套）中，抽气密封后装入热等静压装置中，进行加热加压，复合成金属基复合材料。,32,33,34,三种热等静压工艺,先升压后升温：其特点是无需将工作压

14、力开到最高压力，随着温度升高，气体膨胀，压力不断升高，直至达到需要压力，适用于金属包套的工艺制备； 先升温后升压：适用于玻璃包套制备复合材料； 同时升温升压：适合于低压成形、装入量大、保温时间长的工件制备。,35,热等静压工艺优缺点,材质致密、尺寸精度高； 但设备投资大，工艺周期长，成本高。,36,（4）热轧法、热挤压法和热拉法,都是塑性成形热加工方法。 热轧法主要用来将已经复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材。 热挤压和热拉主要用于颗粒、晶须、短纤维增强复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管材、型材、棒材等。 经挤压、拉拔后复合材料的组织变得均匀、缺陷较少、性

15、能明显提高，短纤维和晶须还有一定的择优取向，轴向抗拉强度提高显著。,37,38,（5）爆炸焊接法,是利用炸药产生强大脉冲应力，通过使碰撞的材料发生塑性变形、粘结处金属的局部扰动以及热过程使材料焊接起来。,39,（6）叠层复合法,叠层复合法是先将不同金属板用扩散结合方法复合，然后采用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料。 这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。 目前这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用于航空、航天及其它军用设备上，现在正努力向民用方向转移，特别是在汽车工业上有很好的发展前景。,40,4.2 液态法,（1）液态金属搅拌

16、铸造法 原理：将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定方式的搅拌，使颗粒均匀地分散在金属熔体中，并与之复合，然后浇铸成锭坯、铸件等。 包括：漩涡法、Duralcon法、半固态复合铸造法 缺点： 颗粒与金属熔体的润湿性差，不易进入和均匀分散在金属熔体中，产生团聚； 强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量的吸入空气。,41,改善缺点的方法,在金属熔体中添加合金元素改善浸润性； 为了降低铝熔液的表面张力，改善与陶瓷颗粒的浸润性，在铝熔体中加入钙、镁、锂等元素可有效的减小熔体表面张力和增加与陶瓷颗粒的浸润性，有利于颗粒与铝熔体的复合。 颗粒表面处理； 增强颗粒表面在使用前往往被各种有机物污染或吸附了水

17、分，及有害于复合过程的混合、浸润的气体，为此在复合前必须对颗粒进行处理，去除有害吸附物以改善与金属液的浸润。 比较简单有效的方法是将颗粒进行加热处理，在高温下使有害物质挥发去除，同时在表面形成极薄的氧化层。 如SiC颗粒经高温氧化，在表面上形成一层SiO2层，在复合过程中与铝液反应改善了SiO2颗粒与铝熔体的浸润。也有在颗粒表面涂覆Ni、Cu等金属涂层以改善浸润性，但不经济。,42,复合过程的气氛控制； 为了防止液体金属的氧化和吸气，对复合过程的气氛控制十分重要。 液体金属氧化生成的氧化膜阻止金属与颗粒的混合和浸润，大量气体的吸入又会造成大量的气孔，使复合材料的质量大大下降。 一般采用真空、惰

18、性气体保护以及其他有效措施来防止复合过程中气体的吸入和金属熔体的氧化。 有效的机械搅拌。 在液态金属搅拌铸造法中有效的搅拌是使颗粒与金属液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的剪切速度流过颗粒表面，能有效地改善金属与颗粒之间的浸润。在复合过程中可以通过高速旋转机械搅拌或超声波搅拌来完成有效的搅拌复合。,43,漩涡法,用高速旋转的搅拌器浆叶搅动熔体，使其强烈流动，并形成以搅拌旋转轴为轴心的漩涡，将颗粒加到漩涡中，依靠漩涡的强烈负压抽吸作用，使颗粒进入金属熔体中，经过一定时间搅拌，颗粒逐渐均匀分布在金属熔体中，并与之复合。 主要工序：金属融化-除气-精炼-搅拌复合-浇铸。,44

19、,涡旋搅拌法工艺简单、成本低，主要用来制造含较粗颗粒(50100 m)的耐磨复合材料。,45,Duralcon法,20 世纪 80 年代由 Alcon 公司研究开发的一种颗粒增强铝基复合材料生产方法 , 又称为无旋涡搅拌法。 将熔炼好的基体金属熔体注入可抽真空或通惰性气体保护、并能保温的搅拌炉中，加入颗粒增强物，搅拌器在真空或充氩气条件下进行高速搅拌。 优点：由于在真空和氩气中搅拌，可以有效防止氧化和气体吸入。,46,搅拌器由主搅拌器和副搅拌器组成。 主搅拌器是由同轴多叶桨组成，旋转速度高，可在1000 2500 rpm范围内变化。高速旋转对金属熔体和颗粒起剪切作用，使细小的颗粒均匀分散在熔体

20、中，并与金属浸润复合。 副搅拌器沿坩埚壁缓慢旋转，转速100 rpm，起着消除涡旋和将粘附在坩埚壁上的颗粒刮离，带入到金属熔体中的作用。 搅拌过程中基体金属熔体保持在一定的温度，一般以合金液相线以上50oC为宜，搅拌时间一般在20min左右完成。 搅拌器的形状结构、搅拌速度和温度规范是关键，需根据基体合金的成分、增强颗粒的含量、颗粒大小等因素决定。,47,48,半固态复合铸造法,半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。也是采用机械搅拌将颗粒混入金属熔体中，但其特点是搅拌不在完全液态的金属中进行，而在半固态的金属中进行。颗粒加入半固态金属中，通过这种熔体中固相的金属粒子将颗粒带入熔体中。 优

21、点：可制颗粒细小、含量高的复合材料；也可用来制备晶须、短纤维材料；促进了颗粒与液态金属的润湿复合，材料均匀。 缺点：基体选择受限，必须选择在某温度下能够析出大量初晶相的合金体系。,49,通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达0.2%左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。 如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率达0.5%0.6%仍具有一定的流变性。 液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热到固、液相变点软化，由

22、于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。 强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合。,50,加入的增强颗粒在半固态的金属中与固相金属粒子相互碰撞、摩擦，促进了与液态金属的浸润复合，在强烈的搅拌下逐步均匀地分散在半固态熔体中，形成均匀分布的复合材料。 在搅拌复合后，再加热升温到浇铸温度，将复合好的金属基复合材料熔体浇铸成锭或零件。 这种方法可以用来制造颗粒细小、含量高的颗粒增强金属基复合材料，也可用来制造晶须、短纤维增强金属基复合材料。

23、,51,基体金属与强化颗粒的组合受限制，原因有二方面： 强化颗粒与熔体基本金属之间容易产生化学反应，如4Al+3SiCAl4C3+3Si； 强化颗粒不易均匀分散在铝合金一类的合金熔体中，这是由于陶瓷颗粒与铝合金的润滑性较差。 另一个问题是陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。,原位MMC的发展方向,各种制备原位MMC的方法由于其研究时间较短，在工艺及基础研究方面尚存一些有待进一步研究的问题，这些问题主要表现在： a. 增强相原位形成的机制问题 一般存在两种学说：一是原位颗粒的形核-长大机制，二是化学元素的扩散反应机制。深入该方面的研究，对于有效地控制增强相的形态、大小、分布和数量均有十分

24、重要的意义。,53,（2）液态金属浸渍法,指用液态金属连续浸渍长纤维，得到复合材料预制品（带、丝等）的一种方法。 核心工艺：是将经过涂覆处理的连续长纤维通过熔体，得到复合丝或带。如碳纤维增强铝基、镁基复合材料。 表面涂覆：一般采用化学气相沉积法（CVD）。 缺点：工艺比较复杂；成本很高，应用受限。,54,液态金属浸渍法的原理是通过对碳(或石墨)纤维表面进行活化处理，经处理的碳纤维与铝液、镁液相互自发浸润。 当纤维束经过铝熔池时，金属液就自发浸渍到纤维束中，形成复合丝，以后再进行二次复合成零件。,55,对石墨纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表面涂层处理可以增加纤维 与铝液的润湿性，防止过量的脆性

25、相Al4C3生成。,56,（3）共喷沉积法,液态金属基体通过特殊的喷嘴，在惰性气体气流的作用下，雾化成细小的液态金属流，喷向衬底，同时将颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起，并沉积在衬底上，凝固形成复合材料。 优点： 适用面广：一般基体、增强材料都可采用； 生产工艺简单、效率高； 冷却速度快、成分均匀、防偏析、晶粒细小； 有效避免复合材料发生界面反应，增强颗粒分布均匀。,57,缺点： 出现原材料被气流带走和沉积在效应器壁上等现象而损失较大； 材料中孔隙率较大以及容易出现的疏松； 液滴容易氧化。 凝固的过程比较复杂，与金属的雾化情况、沉积凝固条件或增强体的送入角有关，过早凝固不能复合，

26、过迟的凝固则使增强体发生上浮下沉而分布不匀。 利用喷射成形原理制备工艺有添加法 （inert spray forming）和反应法（ reactive spray forming）两种。,58,Osprey Metals研究的Osprey工艺是喷射成形法的代表，其强化颗粒与熔融金属接触时间短，界面反应得以有效抑制。 反应喷射沉积法是使强化陶瓷颗粒在金属雾或基体中自动生成的方法。Lawly等人采用含氧5%12%的氮气，将Fe-Al熔雾合金雾化，使其生成Al2O3获得非常细小的Al2O3弥散强化铁基复合材料的预成形体。,59,强化颗粒,60,共喷沉积法示意图,61,圆锭 板 管,62,（4）真空压

27、力浸渍法,底部压入法 顶部注入法 顶部压入法,63,预制件的制备和工艺参数的控制是得到高性能复合材料的关键。 预制件决定复合材料中纤维、颗粒等增强材料的含量、分布和排列方向。 分干法和湿法制备两种。,64,湿法制备预制件的工艺过程,65,湿型法制备预制块示意图,66,Si3N4颗粒预制体形貌,67,装炉,真空压力浸渍法工艺过程,装入预制件,68,真空压力浸渍法工艺过程,提升坩埚,抽真空、熔化,69,真空压力浸渍法工艺过程,进入模具,通高压气体,70,真空压力浸渍法工艺过程,凝固,浸渍,开炉,71,72,工艺参数主要包括：预制件预热温度、金属熔体温度、浸渍压力、冷却速度等。 其中预制件预热温度和

28、熔体温度是影响浸渍是否完全和界面反应程度最主要的因素。 预制件预热温度越高，金属熔体不会因渗入预制件而迅速冷却凝固，因此浸渍越充分。 金属熔体温度越高，流动性越好，越容易充填到预制件中。 但是，二者温度越高，界面反应越严重，因此需要严格控制二者温度。 浸渍压力是制备过程的直接驱动力，压力越高，浸渍能力越强。,73,特点： 适用面广，可用于多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。 可直接制成复合材料的零件，特别是形状复杂的零件，基本上无需进行后续加工。 浸渍在真空中进行，压力下凝固，无气孔、缩松、疏松等铸造缺陷，组织致密，材料性能高。 工艺简单，参数易于控制，避免严重的界面反

29、应。 该方法设备比较复杂，工艺周期长，制造大尺寸的零件要求大型设备。,74,（5）挤压铸造法,该法是将金属液浇注铸型后，加压使金属液在压力下凝固。 挤压铸造是铸、锻相结合的方法又称液态模锻、锻铸法等。此法最适合复杂的异型MMCs。 金属从液态到凝固均处于高压下，故能充分浸渗，补缩并防止产生气孔，得到致密铸件。 加压凝固铸造法可制备较复杂的MMCs零件，亦可局部增强。 由于复合材料易在熔融状态下压力复合，故结合十分牢固，可获得力学性能很高的零件。 这种高温下制成的复合坯，二次成型比较方便，可进行各种热处理，达到对材料的多种要求。,75,挤压铸造的压力比真空压力浸渍的压力高得多，因此要求预制件具有

30、高的机械强度、能承受高的压力而不变形。 模具的设计要求高：不允许挤压过程中熔体溅出，保证模具和预制件中空气能畅通排出，但熔体不渗漏。,76,特点： 用于批量制造陶瓷短纤维、颗粒、晶须增强铝、镁基复合材料的零部件； 由于高压的作用，可以促进熔体对增强材料的润湿，增强材料不需要进行表面预处理； 熔体与增强材料在高温下接触时间短，不必担心发生严重的界面反应； 成本低。,77,晶须、 短纤维、 颗粒,78,79,预制块的制备工艺流程图,举例：挤压铸造法-SiCp/Al复合材料,80,烘干与烧结处理工艺,81,SiC颗粒预制块,82,SiCp/Al复合材料,83,影响复合材料质量的主要因素,（1）预制块

31、的质量 预制块的好坏是影响SiCp/Al复合材料质量的重要因素之一，只有预制块均匀、无裂纹和气泡时，才能得到良好的复合材料。 此外还要保证预制块有一定的强度，否则浇注时预制块容易压碎或开裂。,84,影响复合材料质量的主要因素,（2）模具和预制块的预热温度 一般认为模具和预制件预热温度理论上存在一临界值，模具和预制块的预热温度低于此值基体合金不能完全渗透预制块。 实验表明，模具和预制块的预热温度越高，其表面活性越高，与铝的润湿性越好，且金属液的粘度降低，故其渗透性越好。 但温度也不宜过高，否则容易引起晶粒长大和加剧界面反应。所以模具和预制块的预热温度应该低于铝合金的熔点，而又要高于一定温度，大约

32、控制在500左右。,85,影响复合材料质量的主要因素,（3）浇注温度 铝合金的浇注温度应该在铝合金在铝合金的液相线之上有一个较大的过热度，以保证液态铝合金在完全渗入预制块之前不发生凝固。 但温度也不能过高，否则容易引起晶粒长大，加剧界面反应和压铸过程中铝合金的喷溅等。,86,影响复合材料质量的主要因素,（4）渗流压力 合金在压力下凝固，一方面使金属液强制流动，加强补缩，保证基体合金顺利渗入预制块，另一方面消除合金与预制块之间的气隙，改善传热条件，加速凝固，使合金性能提高。 一般来说在一定压力范围内，复合材料的性能随压力上升而提高。压强越大，所得到的复合材料组织越致密，孔隙率越低。 但是压强不宜

33、过高，否则也会提高界面反应程度。,87,影响复合材料质量的主要因素,（5）保压时间 复合材料的强度和硬度随保压时间的增加而上升，而延伸率先是有所提高，然后下降。 所以保压时间不能过长，否则容易发生界面反应，且太长则形成固态挤压，增大铸造应力导致延伸率下降。 保压时间太短，基体合金渗透不充分，复合材料不致密、组织粗大。经实验研究，保压时间在300s左右效果比较好。,88,（6）金属熔体自发渗入制备,借助于熔体与固体颗粒多孔预制件接触时所受到的毛细管压力，预制件吸入金属溶液，形成复合材料。 优点： 借助于毛细管压力，可以获得致密、具有连续显微结构的制品； 预制件可以预先制成所需的各种形状，渗入后制

34、品保形性好，尺寸可以精确控制，只需要简单加工工艺便可使用； 制品为颗粒增强复合材料，具有理想的综合性能； 工艺过程简单，相对成本较低。,89,对熔体及增强颗粒的要求,金属熔体应对固体颗粒浸润； 粉体预制件应具有相互连通的渗入通道； 体系组分性质需匹配：熔体熔点低于颗粒，两者化学反应或互溶行为必须有利，热膨胀系数匹配； 渗入条件不易苛刻。,90,常见自发渗入方法,蘸液法 熔体在毛细管压力的驱动下自下而上地渗入多孔预制件中。 浸液法 预制件被淹没在熔体中，熔体在毛细管压力作用下从预制件周边渗入体内。 上置法 渗体固块放置在支撑着预制件试样上面，它们一同置于小型加热炉内，加热熔化后熔体自上而下渗入体

35、内。,91,（7）热喷涂法,包括：等粒子喷涂（目前主要采用的方法）、氧-乙炔焰喷涂。 等粒子喷涂：利用等粒子弧的高温将基体熔化后，喷射到增强材料上，冷却并沉积下来的一种复合方法。 原料：粉末状，一般颗粒尺寸为10-45微米。 特点： 不能直接制成零件，只能制成预制片； 组织不够致密，必须进行二次加工（HP或HIP）。,92,等离子喷涂纤维 / 基体箔材先驱（预制）带（板）,93,（7）离心铸造法,广泛应用于空心件铸造成形的离心铸造法，可以通过两次铸造成型法成形双金属层状复合材料。 此方法简单，具有成本低、铸件致密度高等优点。 但是界面质量不易控制，难以形成连续长尺寸的复合材料。,b. 增强相的

36、均化问题 对于金属液来说，形成的增强颗粒在金属液内容易聚结、偏析，而且，在凝固过程中，常偏析于树枝间或晶粒边界。因此，为了获得更理想的组织，必须进一步研究合理的均化工艺。 c. MMC的凝固特点问题 目前对已形成增强颗粒的合金液的流变学特点尚不清楚，而且对这种混合液的凝固特征，如凝固过程、充型能力、颗粒在液固界面前沿的行为以及铸造缺陷产生的机理和防止措施等缺乏全面深入的研究，而这些又是获得优质复合材料的基本保证。,d. 有害化合物的控制问题 在反应生成所需要的增强相的同时，有时在基体中也产生一些有害化合物，如TiAl3,Al4C3,Fe3C等，它们常以会片状割裂基体，使材料性能下降。因此，必须

37、进一步研究能抑制这些化合物产生的各种有效措施。 e. 原位MMC的种类问题 由于受反应条件和工艺条件的限制，目前所制备的原位MMC一般主要为Al或Cu基复合材料，而对其他金属基体（如Mg，Ti, Fe等）的复合材料研究甚少。因此，可利用上述各工艺的基本原理，开发出更多类型的复合材料，以满足实际生产中不同工况的需要。,f. 原位MMC的性能和应用问题 许多文献只报道了原位MMC的制备工艺过程和所得材料的组织特征，而有关材料性能和应用的报道不多，因此，必须进一步完善各种工艺方法，对材料的能，特别是断裂韧性、抗疲劳性能和切削加工性能进行全面的分析和研究，为这些材料在实际生产中的作用提供更全面的技术资料。 金属基原位复合材料由于该领域起步较晚，目前尚存在一些不够成熟的地方。但它具有制备工艺相对简化、生产成本低、材料性能优异等优点，正日益受到人们的重视，随着其基础研究的不断深入及其制备技术的不断完善，各种高性能的原位MMC一定会得到广泛的应用，并取得较大的经济效益和社会效益。,根据我国企业厂家的财力、物力、技术装备的现状，能真正大规模应用于生产金属基复合材料的制备技术中，液态金属搅拌铸造和原位自生成法最为合适，因