复 合 材 料 成 形 技 术

1、复复 合合 材材 料料 成成 形形 技技 术术材材 料料 学学 李小李小 强强目录目录金属基复合材料金属基复合材料 金属基复合材料的制备与制坯工艺金属基复合材料的制备与制坯工艺 热压扩散成形法热压扩散成形法 金属基复合材料的坯料的热挤压成型金属基复合材料的坯料的热挤压成型 41235热挤压模具结构热挤压模具结构1 金属基复合材料金属基复合材料复复 合合 材材 料料 的的 定定 义义 由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的 一种多相固体材料。复复 合合 材材 料料 的的 种种 类类（1）聚合物基复合材料。其中含有热固性树脂基复合材料，热塑性树脂基和橡胶基复合材料。（2）金属基复合材料

2、。其中含有轻金属基，高熔点金属基，金属间化合物基复合材料。（3）无机非金属基复合材料。其中含有陶瓷基，碳基，水泥基复合材料。 金属金属 陶瓷及陶瓷及水泥水泥 聚合物聚合物 纤维纤维 晶须晶须 颗粒颗粒复合材料的命名复合材料的命名基体增强体复合材料例：“25%SiCp/6061复合材料”表示在6061铝合金基体中分散有25%SiC颗粒（体积分数）增强体的复合材料。注：分散颗粒用下标p表示，晶须或纤维用下标w表示。复合材料的应用复合材料的应用 金属基复合材料多以铝及铝合金、镁及镁合金和钛及钛合金作为基体，由于具有密度低、比强度和比弹性模量高、导电导热性能高、韧性和抗冲击性能高、耐磨性好等优点，金属

3、基复合材料成为首选结构复合材料。其在宇航、汽车、电子、建筑工业中占有重要的位置。 例：碳化硅强化的铝基复合材料已在轿车发动机汽缸内套和活塞、摩托车刹车片、山地自行车钢圈等耐磨材料和航天航空用仪表材料等方面获得应用。电子工业电子工业汽车工业汽车工业航空航天工业航空航天工业 简称PM法，是利用粉末冶金原理，将基体粉末与增强颗粒按设计要求的比例进行机械混合，然后再压坯、烧结或直接用混合料进行热压、热轧、热挤成型来制备金属基基复合材料的方法。是较早用来制备镁基复合材料的工艺。 粉末冶金的特点 ：可控制增颗粒的体积分数 ，增强体在基体中分布均匀；制备温度较低 ，一般不会发生过量的界面反应。该法工艺设备较

4、复杂，成本较高，不易制备形状复杂的零件。 粉末冶金法粉末冶金法2 2 金属基复合材料的制备与制坯工艺金属基复合材料的制备与制坯工艺粉末冶金法强化材料金属粉末混合预制成形烧结坯料高压铸造法：首先使晶须或颗粒（SiC）预成形体,然后将该成形体和合金熔液倒入金属模内固化,再在1000大气压的高压下铸造,生产出供挤压用的坯锭(坯锭直径可大到200毫米）。高压铸造法坯料高压铸造金属熔体强化材料预成形体普通铸造法：把强化材料和金属粉末混合后，再加热熔化，之后把金属熔体引入到一个铸模里进行冷却从而得到坯料。铸造模具采用一套流体或水冷却系统对水冷金属铸型或者模样板进行冷却，冷却介质可以是油、空气或水等，通过对

5、进入管道的流体温度和流量等的调节，可以控制冷却速度。普通铸造法直接水冷铸造混合金属粉末强化材料坯料3 热压扩散成形法热压扩散成形法热压扩散成形法：在高温下施加静压力，使纤维与基体扩散结合在一起的方法。具体工艺：按照制件形状、纤维体积密度及增强方向的要求，将金属基复合材料预制条带及基体金属箔或粉末布，经剪裁、铺设、叠层、组装，在低于复合材料基体金属熔点的温度下加压并保持一定时间；基体金属产生蠕变与扩散，使纤维与基体间形成良好的界面结合，得到复合材料制件。热压扩散结合工艺的重要物理参数（1）温度：温度提高，有利于纤维和基体的焊合。（2）压力：增大压力，有利于纤维和基体的焊合。（3）时间：延长加压时

6、间，有利于纤维和基体的焊合。（4）气氛：在惰性气体或真空条件下，可减少纤维与基体金属在高温下的氧化，有利于得到较好的复合结果。优点：（1）工艺参数易于精确控制； （2）纤维在制件中的空间位置可按构件受力情况进行精确铺排，制件质量好。缺点：由于模型加压的单向性，使该工艺限于制作形状较为简单的板材、某些型材或叶片。4 金属基复合材料坯料的热挤压成形金属基复合材料坯料的热挤压成形普通热加工方法：热挤压、拉拔、轧制、锻造、热等静压等。热挤压的应用：通过热挤压的方法可将金属基复合材料坯料加工成各种断面形状的制品，赋予复合材料各种断面形状的同时，也达到固化及提高材料致密度、强度、塑性等目的。热挤压成形的优

7、点；后续加工生产灵活性大，有利于获得管、棒、线、空心或实心型材。而对于粉末冶金法制备的复合材料，利用高温挤压变形时强三向压应力和强剪切变形作用，可以破坏粉末表面的氧化膜，改善粉末颗粒之间的接触状态，压合内部的空洞和孔隙，提高制品的致密度与性能。热挤压加工粉末冶金或铸造制得的坯料（晶须或纤维）： 利用挤压加工时基体金属的塑性流动，可增加晶须或短纤维的沿流动方向的取向，从而达到强化效果。 为了利用取向性提高复合材料的强化效果，要求强化相的长径比达到某一临界值以上。合金钢质模具挤压铝基复合材料时产生的缺陷：（1）容易产生黏模现象。（2）制品表面产生粗糙、条纹等缺陷。原因:复合材料坯料凹模摩擦力宏观裂

8、纹坯料表面晶须凹模摩擦力坯料表面拉应力表面裂纹措施： （1）采用无死角挤压、包覆挤压、陶瓷模挤压等方法有利于减少挤压时的黏模现象，有效降低复合材料表面摩擦力，并能提高挤压速度。 （2）为降低摩擦力，挤压前在坯料与凹模及挤压筒间均采用油剂石墨进行润滑。挤压条件对晶须或纤维强化复合材料的性能的影响：（1）挤压比：一般挤压比在430之间，随挤压比的增大，挤压制品中晶须或纤维沿挤压方向的定向排列程度增强，但过大的挤压比会使晶须或纤维折断程度也增大。对于颗粒相增强复合材料，同样随着挤压比的增大，复合材料抗拉强度和延伸率亦随之增大。（2）挤压温度：一般挤压温度低于固相线温度20100，并随强化相含量的增加而增加。在较低温度范围内，提高挤压温度有利于晶须或纤维的定向排列，有利于松弛应力，使晶须在变形中损伤与折断减少，复合材料的抗拉强度明显上升。在较高温度范围内，提高挤压温度可降低变形力，但对晶须或纤维的定向排列影响不大，并使挤压件表面质量下降。（3）挤压速度：挤压速度通常要求很低，极限挤压速度一般为3120mm/min。热挤压模具： 由于热挤压模具是在高温和高负荷下工作的，因此其抗