多层复合金属综述.

1、金属基复合材料的成形加工汪群(材冶学院材硕1104班)摘要：金属基复合材料的发展极为迅速，应用越来越广泛。但由于金属基复合材料的塑性差，成形困难，并且成形方面的研究相对较少，制约了金属基复合材料的应用及发展。本文旨在介绍当今金属基复合材料成形工艺方面的研究进展，以推进成形工艺研究的进展。关键词：金属基复合材料：成形加工1引言 金属基复合材料以其所具有的特性(高比强度、比模量，良好的导热、导电性、耐磨性和高温性能以及尺寸稳定性，低膨胀系数等)被认为是极具发展前途的先进材料 引。30多年来，国内外关于金属基复合材料作了很大的研究，已具备了多种比较成熟的制备工艺，如粉末冶金法、热等静压法、挤压铸造法

2、、喷射沉积法、液态金属浸渗法、液态金属搅拌法、反应自生成法等。但由于金属基复合材料的塑性差，而且对其的研究相对较少，致使成形工艺不够完善，制约了金属基复合材料的应用及发展。2金属基复合材料介绍2.1金属基复合材料的发展历程及研究现状20世纪60年代为满足发展高性能武器装备的军事需要，人们开始对金属基复合材料(MMCs)进行研究和开发。70年代末，军事领域也开始强调经济性和风险性，政府军事采购的数量明显减少，使得高性能MMCs的开发和应用变得相当困难。80 年代，成本低、加工性能好的非连续增强MMCs出现，使MMCs的研发复兴，也开始进入其它应用领域。至今,MMCs已成为继金属材料、无机非金属材

3、料、高分子材料之后的第四大类材料，应用前景广阔。MMCs除了具有基体金属或合金具备的良好的导热、导电性能，抗苛刻环境能力，抗冲击、抗疲劳性能和断裂性能以外，MMCs还具有高强度、高刚度，出色的耐磨性能和更低的热膨胀系数(CTE)。基体材料的改变，增强体材料、尺寸、形状和基体材料的改变，增强体材料、尺寸、形状和分布的几乎没有穷尽的组合，使MMCs具有多样性。众多基体中，目前以铝、镁、钛基发展较为成熟。增强体中以SiC的使用量最大， 远远超出了其它复合材料；其次是Al2O3。增强体不同，制造成本也有很大不同。连续纤维增强MMCs要比颗粒增强MMCs价格高很多，短纤维和晶须增强MMCs价格居中。2.

4、2.金属复合材料的性能2.2.1结构性能强度和刚度是结构应用的两个最重要的特性。轴向性能，石墨环氧复合材料(Gr)的比强度和比刚度远高于其它材料，Ti(f)和Al(f)的次之。平面增强的Gr是 (在平面内)准各向同性的，且Gr比钛基复合材料(TMCs)廉价，比其它MMCs易得，注定了它是最大单向结构效率的首选材料。典型的结构件必须承受多向载荷，因此单向复合材料的应用受到限制。非连续增强MMCs的比强度和比刚度适中，易于获得，是最具竞争力的结构材料。MMCs越来越多地应用于那些断裂敏感的场合，并被实践证明完全可以满足使用要求。2.2.2热学管理性能热学管理是MMCs的一项很重要的应用，应用范围很

5、广，包括计算机处理器的芯片基片，功率半导体设备和远程通信中的微波元件封装。高的热导率是首要的性能，比热导率是运动系统中组件的一个非常重要的性能。CTE是热学管理中第二重要的性能。2.2.3用于精密装置的性能像磁盘驱动器、录像头、原子力显微镜的载物台、机械臂、惯性引导系统、人造卫星天线、高速制造设备和推进系统，在运行时承受很大的热梯度和机械应力的同时还要保持严格的尺寸公差。对机械变形的抗力取决于材料的特性，比如刚度和密度，还有组件的几何形状和承受载荷的方式。特定质量下具有更高的E/值的材料具有更好的抗弹性挠曲的能力。大的热导率能减小热梯度从而减小热诱导应力，所以增大/有利于减小热诱导变形。2.2

6、.3耐磨性能耐磨性能是MMCs的众多性能中很重要的一项。硬质增强颗粒的加入从本质上增强了基体金属的耐磨性能。MMCs适于作耐磨材料，性价比更高，经济性能更好。2.3金属基复合材料的分类金属基复合材料的增强体是一些不同几何形状的金属或非金属材料。目前，其增强相已有很多，重要的有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、SiC纤维、SiC晶须；颗粒型的有SiC、碳化硼、图化钛等；丝状的有钨、铍、硼、钢等。金属基复合材料按其增强材料的几何形态可划分为五类。(1)连续纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料是利用无机纤维(或晶须)及金属细线等增强金属得到质量轻且强度高的材料，纤维直径从3150mm(晶须

7、直径小于1 mm)，纵横比(长度直径)在102以上。 (2)短纤维增强金属基复合材料作为金属基复合材料增强体的短纤可分为天然纤维制品和短切纤维。天然纤维主要是一些植物纤维和菌类纤维索等，长度一般为35150 mm；短切纤维一般是由连续纤维(长纤维)切割而成，长度 150 mm，用于金属基复合材料短纤维增强体的材料主要有SaffilAl2O3、Al2O3SiO2、SiC等。(3)晶须增强金属基复合材料晶须是指在特定条件下以单晶的形式生长而成的一种高纯度纤维，其原子排列高度有序，几乎不含晶界位错等晶体结构缺陷，有异乎寻常的力学性能。(4)颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料是利用颗粒自身的

8、强度，其基体起着把颗粒组合在一起的作用，颗粒平均直径在1微米以上，强化相的容积比可达90。常用作金属基复合材料增强体的颗粒主要有：SiCAl2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4等陶瓷颗粒，以及石墨颗粒，甚至金属颗粒。(5)混杂增强金属复合材料对上述四种单一的增强形式进行有机的组合就形成了混杂增强。增强体的混杂组合可分为三种：颗粒短纤维(或晶须)连续纤维颗粒、连续纤维连续纤维、在短纤维或晶须的预制件中，易出现增强的粘结、团聚现象，颗粒的混入可以解决这一问题与单一的增强金属基复合材料相比，可以大幅度提高材料的横向强度，改善材料的力学性能。2.4金属基复合材料的应用2.4.1地面运输汽车行

9、业中的主要应用包括局部增强的柴油机活塞，局部增强的Al发动机组的缸体，进气阀和排气阀，驱动轴和连杆，制动组件(刹车盘、转子和卡钳)，混合式车或电车的电源模块。2.4.2热学管理热管理零件具有很高的附加值，通常是每平方英寸几美元。这方面应用最多的是Cu/Mo和Cu/W。以前多采用液态金属浸渗来制造，现在用P/M法，可以实现近净成形工艺，用搅拌铸造、液态浸渗、P/M的方法制造的Al/SiC正被越来越广泛地应用。用P/M法制得的Be/BeO用于高性能的场合。AlBeMet是金属/金属复合材料，通常用P/M或铸造方法制造，应用于需要良好结构性能的热管理零件。2.4.3航空航天航空学的MMCs应用已经建

10、立起了飞机结构学、飞机推进学和辅助系统三类。飞机结构组件包括F16飞机的机腹尾翼、燃料通道门盖板,欧洲直升机EC120 和N4直升机的转子叶片。2.4.4工业、娱乐业和基础设施工业工业应用包括硬质合金、金属陶瓷、电镀和浸渍金刚石刀具，铜和银MMCs 电触点，石化行业的抗腐蚀涂层。TiC增强的铁和镍合金具有出色的硬度和良好的耐磨性能，在工业中应用广泛：切削、轧制、制粒、冲压、冲孔、金属热加工、拉拔、模锻、钻孔等；制作的零件包括：锻锤、冲压模、罐装工具、压纹辊、止回阀、挤压机喷嘴、弯曲模、挤压模、热锻模模衬等。3 金属基复合材料的成形加工31 金属基复合材料的半固态成形半固态加工是一种在金属固液两

11、相区进行加工的技术，半固态加工温度略高于固相线，远低于铸造温度，能有效避免增强相与基体间发生过度的有害界面反应，而且可以克服金属基复合材料重熔后产生的颗粒下沉现象。与固态加工相比，半固态加工在半固态下对复合材料加工具有变形抗力低且成形性好的特点，半固态挤压时的变形力仅为全固态挤压时的1/51/3。在半固态下对复合材料加工对复合材料组织和性能的损伤较小，表1是多层喷射共沉606610 SiC复合材料经半固态模锻后的力学性能比较，可见半固态加工后材料仍保持了较好的力学性能，且加工温度越低，对喷射沉积组织影响越小，性能越好1 。也有研究2表明短碳纤维增强铝基复合材料在半固态下加工碳纤维损伤小，最终长

12、度大于固态加工，同时，半固态加工时液态金属的流动弥合了纤维与基体间的微小孔隙，消除了裂纹源，使材料的性能明显高于固态下加工。流动性的好坏直接决定成形零件的质量，因此流动性能的控制是一个极为关键的因素，除与本身的颗粒体积分数有关外，与其相关的参数是半固态浆料的保温时间、保温温度以及挤压压力的控制，随着保温时间、保温温度、挤压压力的增加，材料的半固态流动性能均有所提高3。表1 多层喷射共沉606610SiC复合材料经半固态模锻后的力学性能比较132 金属基复合材料的热挤压热挤压是金属基复合材料的一种重要成形方法，其工艺是将坯料预热到一定温度，在压力机上压人模具中成形复合材料零件。使用热挤压成形复合

13、材料零件具有如下优点：热挤压可消除晶须折断处等部位基体合金填充不良等铸造缺陷，改善界面的机械结合强度；热挤压可细化增强体颗粒(较大尺寸颗粒在高剪切应力下发生断裂的结果4 )，改善增强体分布，消除材料内部的疏松、空洞等缺陷。因此，热挤压变形能够明显提高复合材料的强度，如铸态SiCwMB15镁基复合材料经热挤压后抗拉强度提高了355。热挤压导致复合材料塑性提高是与其内在的组织结构变化相一致的6，主要原因在于：(1)热挤压提高了基体的塑性；(2)挤压态复合材料中含有的晶须长径比较小；(3)挤压态复合材料中晶须沿挤压方向的定向排列。挤压金属基复合材料制品时，除坯料及压力机本身的条件外，挤压温度、挤压比

14、以及模具形状等工艺参数对复合材料制品的组织和性能起着关键的作用7-8。关于金属基复合材料的热挤压，哈尔滨工业大学和上海交通大学的有关学者对此研究比较深入，张文龙等人9-10在对挤压铸造SiCw/L3复合材料的热挤压研究中发现在高于固相线温度下挤压造成挤压棒表面鱼鳞状宏观裂纹，严重降低了挤压棒的表面质量(采用包覆挤压方法可根除SiCw/A1复合材料的表面裂纹。)，且挤压比越大对晶须造成的损伤越严重，同时发现，模具形状不同造成晶须不同的定向排列和折断，采用流线型凹模11可消除“死区”，改善金属的流动性，一定程度上减小了晶须的折断程度，从而提高了复合材料挤压棒材的强度。张广安等人12对CA1复合材料

15、的研究中发现热挤压变形可以弥合复合材料浸渗不完全留下的微小孔隙，改善材料的性能，但过量的变形会造成纤维断裂，提高变形温度，碳纤维长度保持增加，材料强度提高，同时，热挤压对复合材料的界面有重要影响，较弱的界面会在加工过程中破坏，较强的界面结合对热挤压有利。33 金属基复合材料的轧制金属基复合材料板材的轧制主要包括坯料准备、表面包覆、热轧、中间退火和冷轧等步骤。由于金属基复合材料塑性差，轧制过程中必须注意坯料的加热温度、轧制道次、每次的压人量、中间加热和保温时间等工艺参数。坯料温度过低、道次过多、压人量过大都会使坯料造成裂纹。轧制前的预挤压变形可以大幅度提高复合材料的冷轧变形能力，如15SiCw/

16、A1复合材料的冷轧变形量达到16(厚度减小量)时出现轧裂现象，而经挤压比为9：1预挤压变形并退火后，沿挤压方向冷轧，变形量达70时才有宏观裂纹出现13。对于晶须增强的金属基复合材料，由于晶须的加人，促进了靠近晶须的基体金属中胞状位错结构的形成和冷变形晶粒等轴化，并细化了胞状位错结构，即使通过再结晶退火，其组织结构仍较纯铝差14。34 金属基复合材料的高应变超塑性变形Nieth等人15在铝基复合材料SIC2124及机械合金化材料IN9021的研究中发现了高应变超塑性，由于传统的超塑合金的变形速率一般在10-4s-1以下，生产效率低下，而高应变速率超塑成形技术不仅可以大大提高制件的生产效率，而且可

17、以制造出近无余量、形状复杂的零件，使该技术具有了广阔的市场应用前景。美国Superform Aluminium公司采用超塑成形技术使轿车重量减轻了一半，大大降低了油耗与排放。日本利用AlNi系合金的高应变超塑性，用超塑性锻造生产出连杆试验件，零件成形的时间小于1s，大大提高了零件的生产效率，并且超塑成形后的零件呈现出良好的力学性能。关于金属基复合材料的高应变速率超塑变形机制尚无定论，晶界滑移(GBS)是超塑性变形的主要机制已被普遍接受，但GBS必须伴随有一个协调过程，否则大量空洞将导致被测试样的早期断裂，特别是三相点附近。截止目前提出的基于微观超塑变形模型的关于晶界滑移的本构模型，都各有与超塑

18、材料的实验观察相符的特点，却都无法清楚地解释由于晶粒大小、转动和粒子的分布及不同类型的晶界结构、能量和取向错误产生的晶粒层次上的不均匀变形，不能量化地预测细晶超塑材料中观察到的实际蠕变速率，预测出的速率常常比实验观察的慢2-3个数量级，而且还没有一个理论可以用一个关系式预测准确的应力、温度及晶粒尺寸相关性。金属基复合材料的高应变超塑变形一般需要两个基本条件，一是细小而稳定的晶粒(通常小于3 )，二是较高的变形温度(固相线附近)。材料的颗粒尺寸是影响变形速率的重要参数，高应变超塑性的获得通常通过细化晶粒来得到，而材料的颗粒尺寸通常由其制备工艺所决定，因此合理的选择、改进材料的制备工艺，以及对所得

19、原材料进行适当地处理会获得材料的高应变超塑性能。如铝基复合材料可以通过机械合金化的方法获得超细晶组织，这种方法可使晶粒尺寸细化至0.350.5um，快凝粉末冶金及物理气相沉积等方法也可成功制备超细金属基复合材料。此外，材料的热机械处理也是细化材料晶粒的有效方法，而粉末冶金和机械热处理相结合，则可以获得更细小的晶粒，如采用粉末冶金和热机械处理制备制备的Si3N4w6061铝基复合材料，晶粒尺寸为3Ixm。对于陶瓷晶须或颗粒增强的铝基复合材料还可以通过热挤压的方法获得细小的组织。Tsunemlchi Imai等人16对TiC/2014复合材料的研究中发现，TiC/2014复合材料通过热轧后晶粒尺寸

20、在2-3m，其高应变速率超塑性的产生可能受位错和晶界的滑移控制。35 金属基复合材料的切削加工由于金属基复合材料基体中弥散分布着的高模量、高强度、高硬度的增强相颗粒，且其产生的强化作用使得复合材料的屈服强度提高，同时复合材料中颗粒周围和远离颗粒处应力很不均匀，并且颗粒几乎不发生塑性变形，从而使这类材料的切削加工性较差。金属基复合材料切削加工的主要问题是切削速度低，刀具磨损，表面粗糙度以及加工精度难以提高。随颗粒含量的增加，颗粒尺寸的增大，刀具的磨损加快，加工精度降低。因此，近年来国内外关于金属基复合材料切削加工的研究主要在于解决这几个方面的问题，已取得了较快的发展。影响切削力的主要因素有切削用

21、量、增强相的体积分数及颗粒尺寸、刀具材料及前角、积屑瘤。刀具磨损的主要机理是磨料磨损和刀具材料脱落颗粒引起的“微切削”，王大镇等人18通过分析SiC颗粒增强铝基复合材料切削过程中刀具与切屑之间的摩擦特点，提出并通过切削试验及计算机仿真验证了的以紧密接触为主要特征的摩擦特性方程式，即 t= k1一exp(-tk) (滑动摩擦段)t=1051.10s (粘性摩擦段)式中 t为粘结点处的平均剪应力，k为实际接触面上的剪切屈服应力 ，为由切削条件唯一确定的摩擦常数，t为结点处的平均法向应力，图1所描述的曲线即为公式所表示的曲线，其中 t=k=s ，为其渐近线。Ibrahim Ciftci等人18 的研

22、究表明，颗粒的尺寸和含量，以及切削速度是影响刀具寿命的最主要因素，在较高的切削速度时，包覆碳化物的刀具加工表面精度高于未包覆碳化物的刀具的加工精度，切削速度较低时刚好相反。吴震宇等人19研究了用涂层超细颗粒硬质合金立铣刀对SiC颗粒增强铝基复合材料进行的高速铣削加工，铣削速度与铣削力、表面粗糙度的关系如图2、3所示，当铣削深度p=O5mm、进给量f= 005mmz时，在铣削速度v=10-40mmim(主轴转速n=530-2123rmin)范围内，铣削加工表面光亮平整，表面形貌很好。而正确选用合适的刀具对于加工表面的精度以及加工成本也有重要的影响，如粗加工、半精加工颗粒增强铝基复合材料可选用K类

23、硬质合金，但精加工必须选用PCD刀具，而采用CC刀具加工Al2O3短纤维增强铝基复合材料时优于PCD刀具。图1 摩擦特性方程曲线18 图2 铣削速度与铣削力的关系图20 图 3 铣削速度与表面粗糙度的关系图20近年来，人们又开发了多种加工金属基复合材料的新方法，如电火花加工、激光加工、水切割、复合加工、超声加工等，统称为非常规加工。这类加工方法几乎可以加工任何硬度、强度、韧性和脆性的材料，可加工出复杂的成形零件，且有些方法还可以进行超精加工、镜面加工，因而受到了广泛的研究。电火花加工的加工精度主要取决于刀具磨损和放电间隙，可以用来加工盲孔和复杂的成形孔；激光加工主要用来切割复合材料，相对于电火

24、花加工，激光加工的热损伤较大，因此近年来的研究主要集中在如何控制工艺参数使热影响区最小而取得很好的加工质量，而水切割的出现克服了激光加工的不足；采用超声振动钻削可以提高人钻定位误差，降低切削力和切削温度，使排屑顺利，同时，可显著改善表面粗糙度和加工精度，提高刀具寿命。4 金属基复合材料的回收与再生随着金属基复合材料的制备技术和加工技术的日益成熟，金属基复合材料的应用越来越广泛，受资源回收利用和环境保护意识等可持续发展目标的影响，金属基复合材料的回收和再生研究备受关注已成为复合材料研究的重点。理论上，除了连续纤维增强的金属基复合材料由于其自身的结构特点，基本不考虑其回收和再生，其他非连续增强的金

25、属基复合材料均可采用重熔再铸造的方法来再生，因为影响复合材料性能的界面反应产物，可通过在重熔铸造过程中控制相应的热力学和动力学过程来完成。另外，选择适当的合金元素可能会获得很好的效果，例如同样的碳化硅颗粒增强含一定比例硅的铝合金，由于硅元素扩散到界面上起了阻挡反应生成A1 C 的作用，因此重熔4次尚可保持其力学性能，且材料可长期存放。通过原位反应得到的金属基复合材料，由于增强体本身是反应的产物，更有利于重熔再生。对于不能重熔再生的金属基复合材料，只能回收其金属，目前比较成熟的回收方法是熔融盐处理法，费良军等人20利用占复合材料重量10熔融盐来除去SiCpA1复合材料中的增强体，使回收后铝液仍在

26、正常的范围内，回收率达85 ，其实验工艺过程如图4所示。然而，不管如何控制工艺参数和改进回收方法，在液态下回收金属基复合材料，或多或少有界面反应产物的生成而影响重熔后复合材料的性能，因此较为理想的回收方法是在非液态下进行，粉末冶金和热挤压等方法均可用来回收金属基复合材料。目前，国内外均有此类方法的报道。姜传海等人21利用热模压成形技术成功回收了SiCwA1复合材料切屑，而且这种方法可直接将复合材料切屑坯料压制成零件的最终形状，从而节省了复合材料二次加工的费用。JBFogagnolo等人22通过冷压之后直接热挤压成功回收了Al2O3A1复合材料碎片，且其拉伸强度和硬度均较前有所提高，该方法最值得

27、借鉴的是省去了将碎片制成粉末的工艺步骤。图4 实验工艺流程图215 结束语金属基复合材料经过3O多年的发展，已经具备了比较成熟的制备工艺，但是加工工艺不够完善，制约了金属基复合材料的应用，深入研究金属基复合材料成形加工的成熟工艺，逐步实现其产业化是当今复合材料研究的重点，也是需要克服的难点。鉴于金属基复合材料的塑性特点，热挤压变形和高温超塑性变形可以增加复合材料变形时的塑性，同时降低变形抗力，是复合材料塑性变形较为理想的方法，我们应加大对此方面的研究，特别是高应变超塑性变形机理目前尚无定论。同时，对于零件的最终成形，切削加工往往是一个必不可少的步骤，而切削加工中除工艺参数的优化选择，刀具材料的

28、研究也是一个突破点。另外，特种加工对于成形复杂零件，目前还是一个不可替代的方法，应该加以研究。参考文献：1 康智涛，张豪，陈振华6066SiC喷射共沉复合材料的半固态加工J中国有色金属学报，1998，(12)：5955992 张广安，孟力凯，罗守靖短碳纤维增强铝基复合材料的半固态加工J金属成形工艺，2003，(2)：30323 王宏坤，黄洁雯，吴锵SipCZL102复合材料的半固态流动变形性能J中国有色金属学报，2002，(4)：7747784 L_MTh am，MGupta，LChengEfect of reinforcement vdume fraction on the evolutio

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