第六章金属基复合材料

1、第六章金属基复合材料1 第第6章章 金属基复合材料金属基复合材料 n61 金属基复合材料的种类和基本性能金属基复合材料的种类和基本性能 n611 金属基复合材料的种类金属基复合材料的种类 n按基体材料分类：按基体材料分类： 铝基、镁基、钛基、高铝基、镁基、钛基、高 温合金基、金属间化合物基复合材料温合金基、金属间化合物基复合材料 n按增强材料分类：纤维增强、颗粒、晶须增按增强材料分类：纤维增强、颗粒、晶须增 强金属基复合材料。强金属基复合材料。 第六章金属基复合材料2 n1按基体分类按基体分类 n(1)铝基复合材料铝基复合材料 n金属基复合材料中应得最广的一种。铝合金基体金属基复合材料中应得最

2、广的一种。铝合金基体 为面心立方结构，具有良好的塑性和韧性，易加为面心立方结构，具有良好的塑性和韧性，易加 工性、工程可靠性、价格低廉。工性、工程可靠性、价格低廉。 n(2)镍基复合材料镍基复合材料 n以镍及镍合金为基体。镍的高温性能优良。主要以镍及镍合金为基体。镍的高温性能优良。主要 用于制造高温下的零部件。研制镍基复合材料用于制造高温下的零部件。研制镍基复合材料 的的个重要目的是希望用它来制造燃汽轮机的叶个重要目的是希望用它来制造燃汽轮机的叶 片，提高燃汽轮机的工作温度。片，提高燃汽轮机的工作温度。 第六章金属基复合材料3 n(3)钛基复合材料钛基复合材料 n 钛比任何其它的结构材料具有更

3、高的比强钛比任何其它的结构材料具有更高的比强 度。钛在中温时比铝合金能更好地保持其度。钛在中温时比铝合金能更好地保持其 强度。对飞机结构来说，当速度从亚音速强度。对飞机结构来说，当速度从亚音速 提高到超音速时，钛比铝合金显示出了更提高到超音速时，钛比铝合金显示出了更 大的优越性。钛基复合材料中最常用的增大的优越性。钛基复合材料中最常用的增 强体是硼纤维，这是由于钛与硼的热膨胀强体是硼纤维，这是由于钛与硼的热膨胀 系数比较接近。系数比较接近。 第六章金属基复合材料4 n2按增强体分类按增强体分类 n(1)颗粒增强复合材料颗粒增强复合材料 n指弥散的硬质增强相的体积超过指弥散的硬质增强相的体积超过

4、20的复合的复合 材料。增强相是主要的承载相，基体的作用在材料。增强相是主要的承载相，基体的作用在 于传递载荷和便于加工。硬质增强相造成的对于传递载荷和便于加工。硬质增强相造成的对 基体的束缚作用能阻止基体屈服。基体的束缚作用能阻止基体屈服。 n 颗粒复合材料的强度取决于颗粒的直径、间颗粒复合材料的强度取决于颗粒的直径、间 距和体积比，但基体性能很重要。这种材料的距和体积比，但基体性能很重要。这种材料的 性能还对界面性能及颗粒排列的几何形状十分性能还对界面性能及颗粒排列的几何形状十分 敏感。敏感。 第六章金属基复合材料5 n(2)层状复合材料层状复合材料 n是指在韧性和成型性较好的金属基体材料

5、中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含有重复排列的高强度高模量片层状增强物 的复合材料。片层的间距是微观的，所以在的复合材料。片层的间距是微观的，所以在 正常的比例下，材料按其结构组元看，可以正常的比例下，材料按其结构组元看，可以 认为是各向异性的和均匀的。这类复合材料认为是各向异性的和均匀的。这类复合材料 是结构复合材料，因此不包括各种包复材料。是结构复合材料，因此不包括各种包复材料。 第六章金属基复合材料6 n(3)纤维增强复合材料纤维增强复合材料 n金属基复合材料中的纤维根据其长度的不同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

6、维和晶须，均属于一维可分为长纤维、短纤维和晶须，均属于一维 增强体。因此，由纤维增强的复合材料均表增强体。因此，由纤维增强的复合材料均表 现出明显的各向异性特征。现出明显的各向异性特征。 n基体的性能对复合材料横向性能和剪切性能基体的性能对复合材料横向性能和剪切性能 的影响比对纵向性能更大。当韧性金属基体的影响比对纵向性能更大。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对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作 用。用。 第六章金属

7、基复合材料7 6.1.2 金属基复合材料的强度金属基复合材料的强度 n大多数金属基复合材料均表现出各向异性。所以大多数金属基复合材料均表现出各向异性。所以 在各个方向上的强度也不尽相同。以纤维增强金在各个方向上的强度也不尽相同。以纤维增强金 属基复合材料为例，表现为纵向强度与横向强度属基复合材料为例，表现为纵向强度与横向强度 的差异。的差异。 n 1纵向强度纵向强度 n对于高模量的金属基复合材料的断裂。则是由于对于高模量的金属基复合材料的断裂。则是由于 载荷不断增加，纤维不断断裂。承载能力相继下载荷不断增加，纤维不断断裂。承载能力相继下 降从而导致了材料的破坏。降从而导致了材料的破坏。 n 复

8、合材料强度同组分性能间的关系可用如下的复合材料强度同组分性能间的关系可用如下的 公式表示公式表示 第六章金属基复合材料8 n横向强度横向强度 n金属基复合材料的横向性能的预测比纵向性能复金属基复合材料的横向性能的预测比纵向性能复 杂。为简化需采用一些假设。在预测横向模量值杂。为简化需采用一些假设。在预测横向模量值 时，假设：时，假设： n(1)两组元在达到断裂应力前都是线弹性的；两组元在达到断裂应力前都是线弹性的；(2)界界 面结合是完好的；面结合是完好的； n(3)纤维排列是规则的。纤维排列是规则的。 n由这些假设可以推导出材料的横向刚度由这些假设可以推导出材料的横向刚度E22和复和复 合材

9、料横向平面泊松比合材料横向平面泊松比 第六章金属基复合材料9 n6.1.3 复合材料组分的相容性复合材料组分的相容性 n由于复合材料包含有两种或两种以上的相、要使组由于复合材料包含有两种或两种以上的相、要使组 分间具有良好的配合，则这两相间必须具备物理相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。容性和化学相容性。 n对金属基复合材料而言，用薄片或纤维增强金属基对金属基复合材料而言，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变化，或复合材料的物理相容性问题一般都和压力变化，或 热变化时反映材料伸缩性能的材料常数有关。热变化时反映材料伸缩性能的材料常数有关。

10、 n化学相容性问题主要与复合材料加工过程中的界面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结合、界面化学反应以及环境的化学反应等因素有 关。关。 n基体和增强体之间的一个非常重要的物理关系是热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，不应相差太大。膨胀系数，不应相差太大。 第六章金属基复合材料10 n化学相容性是一个更加复杂的问题。对于原生复化学相容性是一个更加复杂的问题。对于原生复 合材料，在制造过程中是热力学平衡的。例如，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、对于这类共在平衡状态下凝固的共晶

11、复合材料、对于这类共 晶体，其两相化学势相等而比表面能效应也最晶体，其两相化学势相等而比表面能效应也最 小。如果这种复合材料在偏离制造温度时有明显小。如果这种复合材料在偏离制造温度时有明显 的相变或浓度变化，就会产生不稳定问题；在人的相变或浓度变化，就会产生不稳定问题；在人 造复合材料中，两相间发生有害反应的化学动力造复合材料中，两相间发生有害反应的化学动力 学过程也相当缓慢，一般可以满足相容性要求。学过程也相当缓慢，一般可以满足相容性要求。 第六章金属基复合材料11 n对于非平衡态复合材料，化学相容性问题对于非平衡态复合材料，化学相容性问题 要严重得多。如采用石墨增强纤维时，纤要严重得多。如

12、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。还有纤维和环境的合方面就会产生问题。还有纤维和环境的 化学反应也是加工过程中遇到酌一个严重化学反应也是加工过程中遇到酌一个严重 问题。高强度脆性纤维的有害反应包括应问题。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。力腐蚀和氧化。热冲击也会使纤维损伤。 第六章金属基复合材料12 n纤维和基体间的直接反应是更重要的相容纤维和基体间的直接反应是更重要的相容 性问题。像硼性问题。像硼铝这样的低温金属基复合铝这样的低温金属基复合 材料，可以靠尽量降低制造温度来避免

13、两材料，可以靠尽量降低制造温度来避免两 相间的化学反应。对蠕变强度低的基体，相间的化学反应。对蠕变强度低的基体， 采用高压低温工艺也能获得良好的固结和采用高压低温工艺也能获得良好的固结和 粘合。像硼粘合。像硼镁或钨镁或钨铜等复合系，因为铜等复合系，因为 两相间不反应，不互溶，因此可以来用熔两相间不反应，不互溶，因此可以来用熔 液渗透法制造。液渗透法制造。 第六章金属基复合材料13 n但对于高温复合材料而言，以下的与化学相容性但对于高温复合材料而言，以下的与化学相容性 有关的问题则十分重要。有关的问题则十分重要。(1)F一两相反应的自由一两相反应的自由 能；能；(2)u一化学势；一化学势；(3)

14、T一表面能；一表面能；(4)D一晶界挡一晶界挡 散系数。散系数。 n第一个问题第一个问题F，不仅对制造过程而且对高温应，不仅对制造过程而且对高温应 用过程都是很重要的。纤维和基体反应的自由能用过程都是很重要的。纤维和基体反应的自由能 变化代表该反应的驱动力，在高温下该值的大小变化代表该反应的驱动力，在高温下该值的大小 变得更加重要。设计高温复合材料的材料工作者变得更加重要。设计高温复合材料的材料工作者 应该确定所选系统可能发生的反应的自由能变化。应该确定所选系统可能发生的反应的自由能变化。 第六章金属基复合材料14 n化学相容性的第二个问题是关于每个组元中每个化学相容性的第二个问题是关于每个组

15、元中每个 元素的化学势。例如，如用氧化铝和镍合金组成元素的化学势。例如，如用氧化铝和镍合金组成 复合材料，为防止铝扩散，铝复合材料，为防止铝扩散，铝(和氧等和氧等)在两相中在两相中 的化学势必须相等。如果各组分相间的化学势不的化学势必须相等。如果各组分相间的化学势不 等，会导致界面不稳定而使纤维性能下降。等，会导致界面不稳定而使纤维性能下降。 n两相混合物的表面能可能非常高，因而使界面很两相混合物的表面能可能非常高，因而使界面很 不稳定。这个问题对晶须增强复合材料是很重要不稳定。这个问题对晶须增强复合材料是很重要 的。而对碳化钨加钴复合系来说，其表面能关系的。而对碳化钨加钴复合系来说，其表面能

16、关系 则是有利的。则是有利的。 第六章金属基复合材料15 n由晶界或表面扩散系数控制的二次扩散效由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，钨丝增强镍合金中碰到的一变化。例如，钨丝增强镍合金中碰到的一 个重要问题即是镍向钨晶界扩散从而导个重要问题即是镍向钨晶界扩散从而导 致钨丝再结晶温度下降。还有另外一些二致钨丝再结晶温度下降。还有另外一些二 次扩散效应。如液态金属脆化和氢脆。在次扩散效应。如液态金属脆化和氢脆。在 复合材料中，如果某一相的间隙氢浓度偏复合材料中，如果某一相的间隙氢浓度偏 高，便会危及另一相从而会发

17、生氢脆。高，便会危及另一相从而会发生氢脆。 第六章金属基复合材料16 n6.1.4金属基复合材料的研究重点金属基复合材料的研究重点 n 1）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料 的设计和性能；的设计和性能； n 2）增强相）增强相/基体的界面优化、界面设计；基体的界面优化、界面设计； n 3）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和 降低成本；降低成本； n 4）新型增强剂的研究开发；）新型增强剂的研究开发； n 5）复合材料的扩大应用。）复合材料的扩大应用。 第六章金属基复合材料17 n6.1.5金属基复合材料的

18、制备工艺金属基复合材料的制备工艺 n 1、金属基复合材料制备工艺概述、金属基复合材料制备工艺概述 n 金属基复合材料制备工艺的研究内容以及选择原则：金属基复合材料制备工艺的研究内容以及选择原则： n1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合：）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合： n增强剂与基体之间应具有良好的物理相容性和化学增强剂与基体之间应具有良好的物理相容性和化学 相容性。另外，如果在复合材料中使用高强度的纤相容性。另外，如果在复合材料中使用高强度的纤 维，就必须寻找具有高断裂功的基体材料。在这方维，就必须寻找具有高断裂功的基体材料。在这方 面，固态法制备方法更好一些，因铸造合金一般

19、具面，固态法制备方法更好一些，因铸造合金一般具 有较低的断裂韧性。有较低的断裂韧性。 n2）界面的形成及机制，界面产物的控制及界面设计；）界面的形成及机制，界面产物的控制及界面设计； 第六章金属基复合材料18 n3）增强剂在基体中的均匀分布：）增强剂在基体中的均匀分布： n在选择制备方法时，应选择那些使得增强剂在选择制备方法时，应选择那些使得增强剂 更均匀、均质排布（分布）的方法。在这方更均匀、均质排布（分布）的方法。在这方 面，液态法比固态法差。面，液态法比固态法差。 n4）制备工艺方法及参数的选择和优化；）制备工艺方法及参数的选择和优化； n5）制备成本的控制和降低，工业化应用的前）制备成

20、本的控制和降低，工业化应用的前 景。景。 第六章金属基复合材料19 n金属基复合材料制备工艺的分类：金属基复合材料制备工艺的分类： n1）固态法：真空热压扩散结合、超塑性成型）固态法：真空热压扩散结合、超塑性成型 / 扩扩 散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。 n2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半 固态铸造。固态铸造。 n3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。 n4）原位生长法）原位生长法 第六章金属基复合材料20 n2、 先驱（预制）丝（带、板）的制备先驱（预制

21、）丝（带、板）的制备 n纤维纤维/（基体箔材）聚合物粘结剂先驱（预制）（基体箔材）聚合物粘结剂先驱（预制） 带（板）带（板）(图图 6-1)： n缠绕鼓缠绕鼓(基体箔材基体箔材)纤维定向定间距缠绕纤维定向定间距缠绕 涂敷聚合物粘结剂定位。涂敷聚合物粘结剂定位。 第六章金属基复合材料21 n等离子喷涂纤维等离子喷涂纤维 / 基体箔材先驱（预制）基体箔材先驱（预制） 带（板）：带（板）： n 纤维定向定间距缠绕纤维定向定间距缠绕 等离子喷涂基等离子喷涂基 体粉末定位（图体粉末定位（图6-2） 第六章金属基复合材料22 nPVD法纤维法纤维/基体复合丝基体复合丝 采用磁控溅射等物理气相沉积手段将基体

22、金属均匀沉采用磁控溅射等物理气相沉积手段将基体金属均匀沉 积到纤维表面上，形成纤维积到纤维表面上，形成纤维/基体复合丝。使用这种基体复合丝。使用这种 复合丝制备复合材料时，主要是基体与基体之间的扩复合丝制备复合材料时，主要是基体与基体之间的扩 散结合，有利于材料界面的改善；同时通过控制基体散结合，有利于材料界面的改善；同时通过控制基体 沉积层的厚度可控制纤维的体积比。沉积层的厚度可控制纤维的体积比。 第六章金属基复合材料23 n粉末法纤维粉末法纤维/基体复合丝基体复合丝 n首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体 粉末粉末/聚合物粘接剂胶体，然后

23、将纤维通过带有一定聚合物粘接剂胶体，然后将纤维通过带有一定 孔径毛细管的胶槽，在纤维表面均匀地涂敷上一层孔径毛细管的胶槽，在纤维表面均匀地涂敷上一层 基体粉末胶体，干燥后形成一定直径的纤维基体粉末胶体，干燥后形成一定直径的纤维/基体粉基体粉 末复合丝。复合丝的直径取决于胶体的粘度、纤维末复合丝。复合丝的直径取决于胶体的粘度、纤维 走丝速度以及胶槽的毛细管孔径等。由于在复合材走丝速度以及胶槽的毛细管孔径等。由于在复合材 料制备过程中需要预先彻底除去复合丝中的聚合物料制备过程中需要预先彻底除去复合丝中的聚合物 粘接剂胶体，因此要求聚合物粘接剂具有在真空状粘接剂胶体，因此要求聚合物粘接剂具有在真空状

24、 态的低温下能够完全挥发的特性。态的低温下能够完全挥发的特性。 第六章金属基复合材料24 n熔池法纤维熔池法纤维 / 基体复合丝基体复合丝 n这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨 纤维增强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨纤维纤维增强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨纤维 与铝液接触会反应生成与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的界面生成物。过量的 脆性相脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。对生成会严重影响复合材料的性能。对 纤维进行纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表面涂层处理可或（液态）金属钠表面涂层处理可 以增加纤维与铝液的润湿性

25、，防止过量的脆性相以增加纤维与铝液的润湿性，防止过量的脆性相 Al4C3生成。生成。 第六章金属基复合材料25 n3、 固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺）固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺） n真空热压扩散结合（真空热压扩散结合（Vaccnm Press / Diffusion Bonding） n扩散结合是制备连续纤维金属基复合材料的传统工扩散结合是制备连续纤维金属基复合材料的传统工 艺。在一定温度下的压力下，把均匀排布在新鲜清艺。在一定温度下的压力下，把均匀排布在新鲜清 洁表面的基体箔片或（复合）先驱丝通过基体金属洁表面的基体箔片或（复合）先驱丝通过基体金属 表面原子的相互扩

26、散而连接在一起。扩散结合在真表面原子的相互扩散而连接在一起。扩散结合在真 空中进行。其关键是热压工艺参数的控制，包括温空中进行。其关键是热压工艺参数的控制，包括温 度、压力和时间。其压力应有一定下限，防止压力度、压力和时间。其压力应有一定下限，防止压力 不足金属不能充分扩散包围纤维而形成不足金属不能充分扩散包围纤维而形成“眼角眼角”空空 洞缺陷。洞缺陷。 第六章金属基复合材料26 n模压成型（模压成型（Mold Forming） n模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤 维维/基体预制体放置在具有一定形状的模具基体预制体放置在具有一定形状的模具 中进行扩散结合

27、，最终得到一定形状的最中进行扩散结合，最终得到一定形状的最 终制品。常用这种工艺制备各种型材终制品。常用这种工艺制备各种型材 第六章金属基复合材料27 n超塑性成型超塑性成型/ 扩散结合扩散结合 （SPF / DB） n 超塑性：材料在低负载作用下，拉伸变形时不发超塑性：材料在低负载作用下，拉伸变形时不发 生缩颈，也不发生断裂，延伸率可达生缩颈，也不发生断裂，延伸率可达 100% 到到 2000% 的现象。的现象。 n塑性流变和应变速度的关系如下：塑性流变和应变速度的关系如下： = K (e ) m n式中式中 ：流变应力；：流变应力；e：应变速度；：应变速度；K：常数；：常数；m： 应变速度

28、敏感指数，衡量超塑性的重要参数。应变速度敏感指数，衡量超塑性的重要参数。 第六章金属基复合材料28 n粉末（冶金）法（粉末（冶金）法（Slurry Powder Metallurgy） n 为解决使用金属箔材成本高以及难以获得为解决使用金属箔材成本高以及难以获得Ti-Al 金属间化合物箔材的问题，发展了粉末（冶金）工金属间化合物箔材的问题，发展了粉末（冶金）工 艺。艺。 n首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体 粉末粉末/聚合物粘接剂胶体，可将胶体轧制成基体粉聚合物粘接剂胶体，可将胶体轧制成基体粉 末薄带（箔）；也可将纤维按一定间距排好，用粉末

29、薄带（箔）；也可将纤维按一定间距排好，用粉 末胶体固定，干燥后制成粉末末胶体固定，干燥后制成粉末/纤维预制片；也可纤维预制片；也可 按粉末法纤维按粉末法纤维/基体复合丝的制备方法制成复合丝。基体复合丝的制备方法制成复合丝。 然后使用真空扩散结合工艺制成复合材。然后使用真空扩散结合工艺制成复合材。 n这种方法是一种低成本的工艺，其关键是聚合物粘这种方法是一种低成本的工艺，其关键是聚合物粘 接剂能够完全挥发，否则聚合物残留物将留在复合接剂能够完全挥发，否则聚合物残留物将留在复合 材料的界面，严重影响复合材料的性能。因此选择材料的界面，严重影响复合材料的性能。因此选择 具在较低体积比的情况下有足够粘

30、度，而且在真空具在较低体积比的情况下有足够粘度，而且在真空 状态的低温下能够完全挥发的聚合物粘接剂是至关状态的低温下能够完全挥发的聚合物粘接剂是至关 重要的。重要的。 第六章金属基复合材料29 n固态法制备工艺方法及参数的选择和优化固态法工固态法制备工艺方法及参数的选择和优化固态法工 艺的主要参数：艺的主要参数： n 固态法制备工艺中扩散是传质的唯一机理。温度、固态法制备工艺中扩散是传质的唯一机理。温度、 时间及压力是固态法制备工艺方法的主要参数。时间及压力是固态法制备工艺方法的主要参数。 n1) 温度、时间温度、时间: nD = D0 exp （- Q / RT） D：扩散系数；：扩散系数；

31、Q：扩：扩 散激活能。散激活能。 n X = k t 1/2 X：反应层厚度；：反应层厚度； k：反应速度：反应速度 常数。常数。 n2) 压力：促进结合面的接触及在一定温度下的金属压力：促进结合面的接触及在一定温度下的金属 基体的塑性流动。基体的塑性流动。 n 3) 结合面的清洁度：结合面的清洁度： 第六章金属基复合材料30 n4、 液态法（非连续增强相金属基复合材料制备工液态法（非连续增强相金属基复合材料制备工 艺）艺） n压铸法（压铸法（Squeeze Casting） n在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速 度充填压铸模型腔或增强材料预制

32、体的空隙中，度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中， 在压力下快速凝固成型。在压力下快速凝固成型。 n 主要工艺因素有熔融金属的温度、模具预热温主要工艺因素有熔融金属的温度、模具预热温 度、压力和加压速度等。度、压力和加压速度等。 n在采用增强剂预制体时，压力不低于在采用增强剂预制体时，压力不低于50MPa，速，速 度一般为度一般为1 3cm/s。 n P = MG / j n P ：施加压力；：施加压力； MG ：熔体：熔体/气氛界面能；气氛界面能； j ： 熔体金属前沿曲率半径。熔体金属前沿曲率半径。 第六章金属基复合材料31 n半固态复合铸造（半固态复合铸造（Semisolid Slu

33、rry Casting） n将颗粒加入半固态的金属熔体中，通过搅拌使颗将颗粒加入半固态的金属熔体中，通过搅拌使颗 粒在基体中分布均匀，并取得良好的界面结合，粒在基体中分布均匀，并取得良好的界面结合， 然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。 金属熔体的温度控制在液相线和固相线之间，通金属熔体的温度控制在液相线和固相线之间，通 过搅拌，使部分树枝状结晶体破碎成固态颗粒。过搅拌，使部分树枝状结晶体破碎成固态颗粒。 这种固态颗粒是非晶结构，防止半固态熔体的粘这种固态颗粒是非晶结构，防止半固态熔体的粘 度增加。当加入预热后的增强颗粒时，因熔体中度增加。当加入

34、预热后的增强颗粒时，因熔体中 含有一定量的金属颗粒，在搅拌中增强颗粒受阻含有一定量的金属颗粒，在搅拌中增强颗粒受阻 而滞留在半固态熔体中而不会结集和偏聚，同时而滞留在半固态熔体中而不会结集和偏聚，同时 搅拌可促进颗粒与金属基体的接触、反应和润湿。搅拌可促进颗粒与金属基体的接触、反应和润湿。 第六章金属基复合材料32 n此工艺控制的参数主此工艺控制的参数主 要是：要是：1）熔体的温）熔体的温 度应使熔体达到度应使熔体达到 30 50 %的固态；的固态；2） 搅拌速度应不产生湍搅拌速度应不产生湍 流，使枝晶破碎成固流，使枝晶破碎成固 态颗粒，降低熔体的态颗粒，降低熔体的 粘度以利于增强颗粒粘度以利

35、于增强颗粒 的加入。的加入。 半固态复合铸造原理图 第六章金属基复合材料33 n喷射成型法（喷射成型法（Ospray，Spray Co- deposition） n 喷射沉积工艺是一种喷射沉积工艺是一种80年代逐渐年代逐渐 成熟的将粉末冶金工艺中混合与凝成熟的将粉末冶金工艺中混合与凝 固两个过程相结合的新工艺。固两个过程相结合的新工艺。 n如图所示，该工艺过程是将基体金如图所示，该工艺过程是将基体金 属在坩埚中熔炼后，在压力作用下属在坩埚中熔炼后，在压力作用下 通过喷嘴送入雾化器，在高速惰性通过喷嘴送入雾化器，在高速惰性 气体射流的作用下，液态金属被分气体射流的作用下，液态金属被分 散为细小的

36、液滴，形成散为细小的液滴，形成“雾化锥雾化锥”； 同时通过一个或多个喷嘴向同时通过一个或多个喷嘴向“雾化雾化 锥锥”喷射入增强颗粒，使之与金属喷射入增强颗粒，使之与金属 雾化液滴一齐在一基板（收集器）雾化液滴一齐在一基板（收集器） 上沉积并快速凝固形成颗粒增强金上沉积并快速凝固形成颗粒增强金 属基复合材料。属基复合材料。 第六章金属基复合材料34 n该工艺具有其独特的优点：该工艺具有其独特的优点： n（1）高致密度，可达到理论的）高致密度，可达到理论的95-98% 。 n（2）快速凝固，冷却速度达）快速凝固，冷却速度达103-106K / 秒，金属秒，金属 晶粒和组织细化，成分均匀，很少或没有

37、界面反晶粒和组织细化，成分均匀，很少或没有界面反 应；应； n（3）具有通用性和产品多样性。）具有通用性和产品多样性。 n（4）工艺流程短，工序简单，效率高，有利于工）工艺流程短，工序简单，效率高，有利于工 业化生产。铝基复合材料单坯可达业化生产。铝基复合材料单坯可达250公斤。公斤。 第六章金属基复合材料35 n无压浸渗法（无压浸渗法（Lanxide法）法） n将增强材料制成预制体，放置于由氧化铝制成的容将增强材料制成预制体，放置于由氧化铝制成的容 器中。再将基体金属坯料置于增强材料预制体上部。器中。再将基体金属坯料置于增强材料预制体上部。 然后一齐均装入可通入流动氮气的加热炉中。通过然后一

38、齐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，并自发浸渗入网络状增强材加热，基体金属熔化，并自发浸渗入网络状增强材 料预制体中。料预制体中。 n以制备以制备Al2O3/Al复合材料为例，将增强剂预制体放复合材料为例，将增强剂预制体放 入同样形状的陶瓷槽中，铝合金坯料放在预制体上。入同样形状的陶瓷槽中，铝合金坯料放在预制体上。 在流动氮气的气氛下，加热至在流动氮气的气氛下，加热至800 1000 C时，铝时，铝 合金熔化并自发渗入预制体内，氮气与铝反应生成合金熔化并自发渗入预制体内，氮气与铝反应生成 AlN。控制氮气流量、温度和渗透速度，可控制。控制氮气流量、温度和渗透速度，可控制

39、AlN 的生成量。的生成量。 nAlN起到提高复合材料刚度、降低热膨胀系数的作起到提高复合材料刚度、降低热膨胀系数的作 用，但强度较低。这是一个低成本的制备工艺。用，但强度较低。这是一个低成本的制备工艺。 第六章金属基复合材料36 n6.1.6金属基复合材料的界面和界面设计金属基复合材料的界面和界面设计 n1、金属基复合材料的界面、金属基复合材料的界面 n 第一类界面：基体与增强相既不相互反应也不互溶。第一类界面：基体与增强相既不相互反应也不互溶。 界面微观是平整的，只有分子层厚度。界面除原组界面微观是平整的，只有分子层厚度。界面除原组 成物外，不含其它物质。成物外，不含其它物质。 n第二类界

40、面：基体与增强相既不相互反应，但经过第二类界面：基体与增强相既不相互反应，但经过 扩散扩散 渗透相互溶解而形成界面。这类界面往往在渗透相互溶解而形成界面。这类界面往往在 增强相周围，如纤维周围，形成环状，界面呈犬牙增强相周围，如纤维周围，形成环状，界面呈犬牙 交错的溶解扩散层。交错的溶解扩散层。 n第三类界面：界面处有微米和亚微米级的界面反应第三类界面：界面处有微米和亚微米级的界面反应 物质层。有时并不是一个完整的界面层，而是在界物质层。有时并不是一个完整的界面层，而是在界 面上存在着界面反应产物。面上存在着界面反应产物。 第六章金属基复合材料37 n2、金属基复合材料的界面结合、金属基复合材

41、料的界面结合 n在金属基复合材料中，需要在增强相和基在金属基复合材料中，需要在增强相和基 体界面上建立一定的结合力。在不同的界体界面上建立一定的结合力。在不同的界 面结合受载时，如结合太弱，纤维大量拔面结合受载时，如结合太弱，纤维大量拔 出，强度低；结合太强，纤维受损，材料出，强度低；结合太强，纤维受损，材料 脆断，既降低强度，又降低塑性。只有界脆断，既降低强度，又降低塑性。只有界 面结合适中的复合材料才呈现高强度和高面结合适中的复合材料才呈现高强度和高 塑性。塑性。 第六章金属基复合材料38 n金属基复合材料的界面结合形式及界面稳定性：金属基复合材料的界面结合形式及界面稳定性： n（1）机械

42、结合：基体与增强相既不相互反应也不）机械结合：基体与增强相既不相互反应也不 互溶的第一类界面。主要依靠增强剂的粗糙表面互溶的第一类界面。主要依靠增强剂的粗糙表面 的机械的机械“锚固锚固”力和基体的收缩应力来力和基体的收缩应力来“包紧包紧” 增强剂所产生的摩擦力而结合。这种界面结合仅增强剂所产生的摩擦力而结合。这种界面结合仅 限于受载应力平行于增强剂表面时才能承载。限于受载应力平行于增强剂表面时才能承载。 n（2）浸润与溶解结合：基体与增强相之间发生润）浸润与溶解结合：基体与增强相之间发生润 湿，相互溶解而形成界面结合的第二类界面。如湿，相互溶解而形成界面结合的第二类界面。如 相互溶解严重，也可

43、能发生溶解后析出现象，如相互溶解严重，也可能发生溶解后析出现象，如 采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料 以及碳纤维以及碳纤维/镍基复合材料在镍基复合材料在600 C下碳在镍中先下碳在镍中先 溶解后析出的现象等。这些现象严重损伤了增强溶解后析出的现象等。这些现象严重损伤了增强 剂，降低了复合材料的性能。剂，降低了复合材料的性能。 第六章金属基复合材料39 n（3）化学反应结合：基体与增强相之间发）化学反应结合：基体与增强相之间发 生化学反应，生成新的化合物层（界面层）生化学反应，生成新的化合物层（界面层） 的第三类界面。大多数金属基复合材料的的第

44、三类界面。大多数金属基复合材料的 基体与增强相之间在热力学上是非平衡体基体与增强相之间在热力学上是非平衡体 系，也就是说在界面处存在着化学势梯度。系，也就是说在界面处存在着化学势梯度。 这意味着基体与增强相之间只要存在着有这意味着基体与增强相之间只要存在着有 利的动力学条件，就可能发生相互扩散和利的动力学条件，就可能发生相互扩散和 化学反应。化学反应。 第六章金属基复合材料40 n4、金属基复合材料的界面优化以及界面设、金属基复合材料的界面优化以及界面设 计计 n 改善增强剂与基体的润湿性以及控制界改善增强剂与基体的润湿性以及控制界 面反应的速度和反应产物的数量，防止严面反应的速度和反应产物的

45、数量，防止严 重危害复合材料性能的界面或界面层的产重危害复合材料性能的界面或界面层的产 生，进一步进行复合材料的界面设计，是生，进一步进行复合材料的界面设计，是 金属基复合材料界面研究的重要内容。从金属基复合材料界面研究的重要内容。从 界面优化的观点来看，增强剂与基体的在界面优化的观点来看，增强剂与基体的在 润湿后又能发生适当的界面反应，达到化润湿后又能发生适当的界面反应，达到化 学结合，有利于增强界面结合，提高复合学结合，有利于增强界面结合，提高复合 材料的性能。材料的性能。 第六章金属基复合材料41 n金属基复合材料的界面优化以及界面设计金属基复合材料的界面优化以及界面设计 一般有以下几种

46、途径：一般有以下几种途径： 第六章金属基复合材料42 n增强剂的表面改性处理增强剂的表面改性处理 n增强材料的表面改性（涂层）处理可起到以下作增强材料的表面改性（涂层）处理可起到以下作 用：用： （1）改善增强剂的力学性能，保护增强剂的外来物）改善增强剂的力学性能，保护增强剂的外来物 理和化学损伤（保护层）；理和化学损伤（保护层）； （2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿 层）；层）； （3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应 （阻挡层）；（阻挡层）； （4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系）减缓

47、增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系 数等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理数等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理 相容性差的现象（过渡层、匹配层）；相容性差的现象（过渡层、匹配层）； （5）促进增强剂与基体的（化学）结合（牺牲层）。）促进增强剂与基体的（化学）结合（牺牲层）。 第六章金属基复合材料43 n常用的增强材料的表面（涂层）处理方法常用的增强材料的表面（涂层）处理方法 有：有：PVD、CVD、电化学、溶胶、电化学、溶胶-凝胶法等。凝胶法等。 nSiC纤维纤维 富碳涂层、富碳涂层、SCS涂层等；涂层等； n硼纤维硼纤维 SiC涂层、涂层、B4C等；等； n碳纤维碳纤维 TiB2

48、涂层、涂层、C/ SiC复合涂层等复合涂层等 第六章金属基复合材料44 n金属基体改性（添加微量合金元素）金属基体改性（添加微量合金元素） n 在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增 强剂与基体的润湿性或有效控制界面反应。强剂与基体的润湿性或有效控制界面反应。 （1）控制界面反应。选择的改性合金元素应使界）控制界面反应。选择的改性合金元素应使界 面反应速度常数尽可能小，以保持第三类界面的面反应速度常数尽可能小，以保持第三类界面的 稳定。如在纯钛中加入合金元素稳定。如在纯钛中加入合金元素Al、Mo、V、Zr 等可显著减小钛合金与硼纤维的反应速度常数。等可

49、显著减小钛合金与硼纤维的反应速度常数。 （2）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制 备温度和时间。如采用液态浸渗法制备铝基复料备温度和时间。如采用液态浸渗法制备铝基复料 时，在铝液中加入一定量的时，在铝液中加入一定量的Si元素，明显地降低元素，明显地降低 了铝合金的熔点、提高了铝液的流动性，因而降了铝合金的熔点、提高了铝液的流动性，因而降 低了复合材料的浸渗温度。低了复合材料的浸渗温度。 第六章金属基复合材料45 n（3）改善增强剂与基体的润湿性。在基体合金中加）改善增强剂与基体的润湿性。在基体合金中加 入与可与增强剂表面反应而生成薄层反应层，增加入与

50、可与增强剂表面反应而生成薄层反应层，增加 增强剂的表面能、或不与增强剂表面反应但可降低增强剂的表面能、或不与增强剂表面反应但可降低 基体液相的表面能的合金元素。如将基体液相的表面能的合金元素。如将3%的合金元素的合金元素 镁作为活性元素添加到铝中后，可使液态铝的表面镁作为活性元素添加到铝中后，可使液态铝的表面 能下降。能下降。 n一般基体合金元素应考虑为增强剂组成元素化学位一般基体合金元素应考虑为增强剂组成元素化学位 相近的元素。因为化学位相近的元素亲和力大，容相近的元素。因为化学位相近的元素亲和力大，容 易发生润湿；另外，化学位是推动反应的位能，差易发生润湿；另外，化学位是推动反应的位能，差

51、 别小发生反应的可能性亦小。别小发生反应的可能性亦小。 第六章金属基复合材料46 n优化制备工艺参数，采用新工艺。优化制备工艺参数，采用新工艺。 n 氢是钛合金中的强氢是钛合金中的强相稳定元素。氢的溶如入可相稳定元素。氢的溶如入可 扩大相图中扩大相图中相区；降低相区；降低相转变温度。渗氢可明相转变温度。渗氢可明 显降低合金热变形时的流变应力，提高塑性，特显降低合金热变形时的流变应力，提高塑性，特 别是高铝含量的超别是高铝含量的超合金和合金和Ti3Al金属间化合物，金属间化合物， 使热变形在较低温度下实现；同时由于氢在钛合使热变形在较低温度下实现；同时由于氢在钛合 金中的溶解是可逆的，真空退火可

52、将氢浓度控制金中的溶解是可逆的，真空退火可将氢浓度控制 在安全范围内。利用这一特性，在制备钛合金复在安全范围内。利用这一特性，在制备钛合金复 合材料时，在基体钛中加入临时氢工艺可显著地合材料时，在基体钛中加入临时氢工艺可显著地 降低制备温度，改善复合材料界面状况降低制备温度，改善复合材料界面状况 第六章金属基复合材料47 n62铝基复合材料铝基复合材料 n航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料，例如波音航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料，例如波音747 大型运输机、远距离通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。复大型运输机、远距离通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。复 合材料的一个主要目标

53、就是应用像硼那样极高强度的共价结合合材料的一个主要目标就是应用像硼那样极高强度的共价结合 纤维与适合于结构制造和应用的基体来克服这些限制。而铝则纤维与适合于结构制造和应用的基体来克服这些限制。而铝则 是被选用最广的基体材料。是被选用最广的基体材料。 n目前关于硼目前关于硼铝复合材料的研究主要包括以下几个方面的内容：铝复合材料的研究主要包括以下几个方面的内容： 1)研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领域中研制强度高、刚性大、重量轻的构件，这在航空航天领域中 显得尤为重要。显得尤为重要。 n(2)改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材料及构件。改进大型构件的制造技术，研制可靠耐用的材

54、料及构件。 n(3)改进硼改进硼铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降铝复合材料的制造应用技术，促使其成本尽可能降 低。硼低。硼铝复合材料综合了硼纤维优越的强度、刚度和低密度铝复合材料综合了硼纤维优越的强度、刚度和低密度 及铝合金基体的易加工性和工程可靠性。及铝合金基体的易加工性和工程可靠性。 n硼纤维的比模量约为钢、铝、钼、铜和镁等任何一种标准工程硼纤维的比模量约为钢、铝、钼、铜和镁等任何一种标准工程 材料的五、六倍，这是由于硼的共价结合在本质上比金属键结材料的五、六倍，这是由于硼的共价结合在本质上比金属键结 合更强。而金属键的结合力又比有机树脂的结合力强得多。这合更强。而金属键的结合

55、力又比有机树脂的结合力强得多。这 样，金属键结合的材料的比模量约为有机树脂的十倍。样，金属键结合的材料的比模量约为有机树脂的十倍。 第六章金属基复合材料48 n621硼铝复合材料硼铝复合材料 n 作为结构应用来说，选择复合材料组元的主要目作为结构应用来说，选择复合材料组元的主要目 标是高比模量和高比强度，硼标是高比模量和高比强度，硼铝复合材料因此在铝复合材料因此在 研究与发展上受到了很大的重视。研究与发展上受到了很大的重视。 n1增强纤维增强纤维 n每一种纤维与硼纤维相比都各有缺点。硼纤维是用每一种纤维与硼纤维相比都各有缺点。硼纤维是用 化学气相沉积法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成化学气相沉积

56、法由钨底丝上用氢还原三氯化硼制成 的。将钨丝电阻加热到的。将钨丝电阻加热到11001300并连续拉过并连续拉过 反应器以获得一定厚度的硼沉积层。这样便在钨丝反应器以获得一定厚度的硼沉积层。这样便在钨丝 上沉积了颗粒状的无定形硼。由于硼纤维的表面具上沉积了颗粒状的无定形硼。由于硼纤维的表面具 有高的残余压缩应力，因此纤维易操作处理，并对有高的残余压缩应力，因此纤维易操作处理，并对 表面磨损和腐蚀不敏感，还具有良好的高温性能。表面磨损和腐蚀不敏感，还具有良好的高温性能。 第六章金属基复合材料49 n2.基体基体 n目前普遍使用的铝合金有变形铝、铸造铝、目前普遍使用的铝合金有变形铝、铸造铝、 焊接铝

57、及烧结铝等。这些铝合金并不完全符焊接铝及烧结铝等。这些铝合金并不完全符 合硼纤维对金属基体的要求。但某些合金已合硼纤维对金属基体的要求。但某些合金已 得到了成功的使用，这其中最普遍的是采用得到了成功的使用，这其中最普遍的是采用 变形铝为基体用固态热压法制得的复合材料。变形铝为基体用固态热压法制得的复合材料。 用铝箔和等离子喷涂的预制合金粉制造复合用铝箔和等离子喷涂的预制合金粉制造复合 材料时，使用过多种变形铝合金。材料时，使用过多种变形铝合金。 第六章金属基复合材料50 n6.2.2铝基复合材料的制造铝基复合材料的制造 n复合材料的制造包括将复合材料的组分组装并压复合材料的制造包括将复合材料的

58、组分组装并压 合成适于制造复合材料零件的形状。常用的工艺合成适于制造复合材料零件的形状。常用的工艺 有两种，第一种是纤维与基体的组装压合和零件有两种，第一种是纤维与基体的组装压合和零件 成型同时进行；第二种是先加工成复合材料的预成型同时进行；第二种是先加工成复合材料的预 制品，然后再将预制品制成最终形状的零件。制制品，然后再将预制品制成最终形状的零件。制 造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材料组造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材料组 分的组装压合和零件层压。硼分的组装压合和零件层压。硼铝复合材料是用铝复合材料是用 预制品或中间复合材料制造的。前述的两种工艺预制品或中间复合材料制造的。前述

59、的两种工艺 具有十分相似的制造工艺，这就是把树脂粘合的具有十分相似的制造工艺，这就是把树脂粘合的 或者是等离子喷涂的条带预制品再经过热压扩散或者是等离子喷涂的条带预制品再经过热压扩散 结合。结合。 第六章金属基复合材料51 n挥发性粘合剂工艺挥发性粘合剂工艺 n这种工艺是一种直接的方法，几乎不需要什么重这种工艺是一种直接的方法，几乎不需要什么重 要设备或专门技术。制造预制品的材料包括成卷要设备或专门技术。制造预制品的材料包括成卷 的硼纤维、铝合金箔、气化后不留残渣的易挥发的硼纤维、铝合金箔、气化后不留残渣的易挥发 树脂以及树脂的溶剂。铝箔的厚度应结合适当的树脂以及树脂的溶剂。铝箔的厚度应结合适

60、当的 纤维间距来选择，通常为纤维间距来选择，通常为5075um。所用的纤。所用的纤 维排列方法有两种，单丝滚筒缠绕和从纤维盘的维排列方法有两种，单丝滚筒缠绕和从纤维盘的 线架用多丝排列成连续条带。前种工艺因为简单线架用多丝排列成连续条带。前种工艺因为简单 而较常使用。利用滚筒缠绕可能做成幅片，其尺而较常使用。利用滚筒缠绕可能做成幅片，其尺 寸等于滚筒的宽度和围长。寸等于滚筒的宽度和围长。 第六章金属基复合材料52 n等离子喷涂的硼等离子喷涂的硼铝带用同样的方法制造，只是不铝带用同样的方法制造，只是不 喷挥发性粘合剂。而在纤维一箔片喷挥发性粘合剂。而在纤维一箔片上喷一层基体上喷一层基体 铝合金，