铝基复合材料制备加工一体化

1、铝基复合材料之 、创新性思维综述 、原理与关键技术 、应用及效果导读导读铝基复合材料的创新性思维综述 复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，它由两种或两种以上性质不同的材料通过各种工艺手段复合而成。复合材料可分为三类： 聚合物基复合材料（PMCs） 金属基复合材料（MMCs） 陶瓷基复合材料（CMCs）。金属基复合材料常用基体有铝、镍、镁、钛及其合金。铝基复合材料特点铝有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,熔点低制备工艺简单。铝基复合技术容易掌握,易于加工，比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和

2、物理性能,以满足产品的需要。因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。 SiC颗粒增强铝合金质量轻，钢的1/3，Ti的2/3，其强度比中碳钢好，与钛合金相近，弹性模量比铝合金高很多，略高于钛合金，耐磨性能比铝合金高一倍，类似于钢，价格与铝合金相差不大，仅为钛合金的1/5，工作温度只有350C。有高的比强度、比刚度、比硬度，同时耐高温、耐磨损、并且具有良好的热传导性能，在航空、航天、汽车等工业领域得到了广泛的应用。然而由于增强体颗粒与基体间性能上的差异，致使增强颗粒难以均匀分布，更为重要的是由于这类材料的塑性、韧性差，从而使其成形比较困难通常较为常用的加工方法有超塑性法

3、与热等静压法。最普遍的铝基复合材料铝基复合材料制备加工创新 复合材料不同的制备工艺，产生的组织性能在加工成形方面也会有很大的差异性，针对于此，我们研究了铝基复合材料不同制备方法及其对应加工成形工艺。在对性能与微观结构相关性理解的基础上，制备加工技术成为铝基复合材料的研究重点。其中主要包括复合材料在成型过程中的颗粒、基体合金微观组织及界面演化行为 ，另外还包括针对复合材料微观结构优化设计所开展的热处理研究探索等 。除了控制制备加工工艺获得优化的微观结构外，最近的研究通过融合新材料或加工技术，开始设计新型复合材料体系与微观结构 这些复合材料显示出许多性能优势，为性能突破开辟了新途径。影响铝基复合材

4、料的性能的因素较多，未来的研究需要在现有基础上综合系统的阐述多因素交互作用下复合材料的性能控制技术原理。 铝基复合材料的制备工艺 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面稳定性等。纤维增强铝基复合材料的制造方法：1 粉末冶金法2 高能-高速固结工艺3 压力浸渗铸造工艺4 反应自生成法5 液态金属搅拌铸造法6 半固态搅拌复合铸造粉末冶金法 粉末冶金法是最早用来制造铝基复合材料的方法,是一种比较成熟的工艺方法。采用粉末冶金法时,首先将颗粒增强物和铝合金粉末用机械手段均匀混合,进行冷压实,然

5、后加热除气,在液相线与固相线之间进行真空热压烧结,得到复合材料的坯料,在将坯料进行挤压、轧制、锻造、拉拔等二次加工就可制成所要的型材零件。 优点 可将增强物颗粒和铝合金粉按任意比例混合,而且混合均匀性好,不会出现偏析和偏聚,制备的复合材料机械性能较高。 缺点： 粉末冶金法制造工艺及装备复杂,生产成本高,图1是粉末冶金法制备颗粒增强铝基复合材料的工艺流程图。高能-高速固结工艺 这种工艺是在短时间内使陶瓷颗粒和铝合金粉末的混合物受到高脉冲电流的放电作用后,迅速提高能量,并在较小外力作用下,使之固结成复合材料的工艺。 优点： 高能量高速度脉冲有利于将冷模中的导电粉体快速加热到指定温度,从而控制相变和

6、组织粗化,这是常规粉末冶金工艺无法实现的。高能-高速固结工艺可使复合材料的相对密度达95%以上。压力浸渗工艺 压力浸渗工艺是先将增强体制成预制件,再将预制件放入模具后,以惰性气体或机械装置为压力媒体将铝液压入预制件的间隙,凝固后即形成复合材料。 这种工艺简单,但预制件中的气体不易在凝固前排出而造成气孔与疏松,同时预制件也易产生变形和偏移。液态金属搅拌铸造法 液态金属搅拌铸造法的基本原理是将颗粒增强物直接加入到熔融的铝合金中,通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在基体熔体中,复合成颗粒增强铝基复合材料。复合好的熔体可浇铸成锭坯、铸件等使用。这种工艺简单、生产效率高、制造成本低廉。复合好的铸锭经重熔

7、后,可精密压成各种型材、管材、棒材等。它是目前最成熟、最具竞争力、也是工业化规模生产铝基复合材料的最主要的方法。颗粒增强铝基复合材料的制备方法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之间具有不润湿特点， 因此为了使得颗粒和熔体之间完全结合， 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。喷射沉积工艺是由英国S i n 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

8、利福尼亚大学L a v e r n i a E J 等人开始利用这一技术制备颗粒增强金属基复合材料。主要由熔融金属的气体雾化、雾化熔滴的沉积等连续过程组成,具有通过快速凝固经济地制备高密度半成品的特长.铝基复合材料的加工工艺 由以上方法制备的铝基复合材料只有极少数能够直接制成精密件和功能件，一般是制成坯料或者半加工件。因此，因此要进行二次加工或者精密成型。下面结合传统铸锻焊工艺进行研究：一铸造加工生产铝合金的各种铸造方法都可用来生产铝基复合材料, 它包括砂型铸造、熔模铸造和金属型铸造。实践证明, 为了铸造高质量金属基复合材料, 其熔化和铸造工艺必须作相应改进。例如, 铸造SiC 颗粒增强铝基复

9、合材料, 其熔化方法、保温时间与SI C 颗粒沉淀间的关系密切，为了保持SiC颗粒在熔体中呈悬浮状态, 必须搅拌重熔的复合材料熔体, 同时必须对熔体温度进行监测。另外, 铝基复合材料铸造过程中, 传统的盐精炼、造渣在此不能应用需要优化铸造工艺, 开发特别的浇冒口技术, 以减少铸件中气孔。合理选择砂型铸造和金属型铸造。利用熔模铸造法制造铝基复合材料时, 熔模的尺寸精度和表面质量有很大影响,为了获得高质量铸件, 就必须采用优质模料和合适的制模工艺。铝基复合材料的加工工艺二塑性加工挤压铝基复合材料制品时, 除压机本身的能力、坯料性能及制品尺寸的影响之外,温度和挤压速度起着非常关键的作用。最佳挤压温度

10、的选择应考虑以下因素: 金属的塑性较好, 变形抗力尽可能小; 型材具有最高强度, 较高劳动生产率和较低劳动成本。不连续纤维增强铝基复合材料可通过挤压加工成许多产品。其范围从自行车车架到工字梁、棒和型材等多种制品。可使用传统的塑性加工手段成形为各种形状的零件，是DRA的优势之一。但复合材料中的硬质颗粒在塑性加工中约束基体合金的流变，会使其塑性加工性能较铝合金差。为获得优化的工艺参数，探索复合材料变形机制成为复合材料加工研究的重点。传统的轧制和锻压也可以加工出致密、表面质量高的工件。还有一种新型的楔压加工，下面来介绍一下：楔压加工铝基复合材料多层喷射共沉积技术可以制备出尺寸很大、性能优异的材料，是

11、材料研究领域的一种比较理想的方法，沉积坯具有氧含量低、偏析程度小、组织细小均匀等特点。但是采用多层喷射沉积技术制备的SiC7090铝基复合材料的坯料中存在一定量的微孔，熔滴之间、熔滴与层界面之间未达到完全的冶金结合，直接使用性能较差，因此必须对沉积坯进行有效的热致密化加工，尽量消除坯件的不良界面和孔洞，以获得所需形状和尺寸的高性能材料。楔形压制工艺(亦称循环压制)是粉末冶金过程中粉末压制方法之一，可以用较小压力对大型坯件实现致密化加工。喷射沉积多孑L材料的变形过程一般由两个过程组成：一是致密化过程，一是塑性变形过程。在楔压变形初期，高向压缩变形一部分用于使孑L洞变形、坍塌和闭合，材料的体积减小

12、，致密度不断增加。铝基复合材料的加工工艺三焊接加工一般说来, 铝复合材料焊接与传统铝合金焊接相类似, 主要的不同点表现为复合材料的焊池具有较高的粘度, 焊接时熔体不能象未增强铝合那样流动性好, 当焊接薄片时,熔池粘度对焊接行为影响不大, 焊接工艺无需变化; 但当焊接厚的构件时, 高的枯度将阻止焊接时熔休的渗透。因此, 将影响根部或拐角处的焊缝质量。在A1203 颗粒增强铝基复合材料中, 由于Al203具有较 高的化学稳定性, 熔焊过程中不会产生任何反应产物 而降低焊缝的性能。Si C增强铝基复合材料焊接时, 必须十分注意由于过热反应而形成Al4C3 ,在这种情况 下, 使用较高Si 含量的焊条

13、将抑制其形成。铝基复合材料的加工工艺四机械加工铝基复合材料可用车, 铣和钻等方法进行切削加工，铝基复合材料中的增强颗粒提高了材料的硬度、强度、刚性以及耐磨性，因而会显著降低刀具的使用寿命，故只宜用金刚石刀具精加工。最佳可加工性的前提是增强颗粒在铝基中均匀分布，但如果掺杂不当，颗粒在铝基体中就会呈块状或片状随机分布，因而会损伤刀刃。近年来, 人们又开发了多种加工金属基 复合材料的新方法, 如电解磨削、电火花 加工、激光束加工、超声波加工等。 用PCD道具钻加工20%SiCp的铝基复合材料铝基复合材料的应用及效果1 、在汽车领域的应用 美国的Duralcan研制出用SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽

14、车制动盘,用其代替传统铸铁制动盘，使其重量减轻了60%40%,而且提高了耐磨性能,噪音明显减小,摩擦散热快;同时该公司还用SiC颗粒增强铝基复合材料制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件,这种汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、良好的耐高温性能和抗咬合性能,同时热膨胀系数更小,导热性更好。 用SiCp/Al复合材料制成的汽车齿轮箱在强度和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有明显的提高。铝合金复合材料也可以用来制造刹车转子、刹车活塞、刹车垫板、卡钳等刹车系统元件。上个世纪80年代,日本丰田公司成功地用/AlOAl32复合材料制备了发动机活塞,与原来的铸铁发动机活塞相比,重量减轻了10%5%,导热性提

15、高了4倍。2 、在航空航天领域的应用 Cercast公司采用熔模铸造工艺研制成A357SiC20%Vol+复合材料,用该材料代替钛合金制造直径达mm 180、重17.3kg的飞机摄相镜方向架,使其成本和重量明显降低, 同时该复合材料还可用来制造卫星反动轮和方向架的支撑架。 美国DWA公司用/6061SiC 25%p铝基复合材料代替7075制造航空结构的导槽、角材，使其密度下降了17%，模量提高了65%。 铸造SiC颗粒增强A356和A357复合材料可以制造飞机液压管、直升机的起落架和阀体等3 、在电子和光学仪器中的应用铝基复合材料,特别是SiC增强铝基复合材料,由于具有热膨胀系数小、密度低、导

16、热性能好等优点,适合于制造电子器材的衬装材料、散热片等电子器件。SiC颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数完全可以与电子器件材料的热膨胀相匹配,而且导电、导热性能也非常好。IBM公司2004年第2期黄永攀等: 铝基复合材料的性能、应用及制造工艺就是利用其上述性能，在MCMs器件中使用该种材料封装和改进冷却系统结构,使其工作时产生的热量迅速扩散,提高了元件的有效性。 在精密仪器和光学仪器的应用研究方面,铝基复合材料用于制造望远镜的支架和副镜等部件。4 、在体育用品上的应用铝基复合材料可以代替木材及金属材料来制作网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆和滑雪板等。用SiC颗粒增强铝基复合材料制作的自行车链齿轮重量轻、刚度高、不易挠曲变形,性能优于铝合金链齿轮参考文献 1王祝堂.汽车铝基复合材料的制备与性能J.轻合金加工技术.2012（01） 2樊建中,石力开.颗粒增强铝基复合材料研究与应用发展 J.宇航材料工艺. 2012(01) 3倪增磊,王爱琴.铝基复合材料的制备方法J.热加工工艺.2011(