金属属基复合材料成形-ch6-2015

1、第六讲第六讲 MMC成形加工技术成形加工技术School of materials science and engineering ，CSU中南大学中南大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院金属基复合材料制备技术金属基复合材料制备技术 本讲内容本讲内容MMC铸造成形铸造成形MMC塑性成形塑性成形MMC连接成形连接成形MMC机加工机加工MMC热处理热处理1.MMC铸造成形铸造成形1.1 MMC铸造成型方法与特点铸造成型方法与特点按增强材料和金属液体按增强材料和金属液体的混合方式不同的混合方式不同正正压压铸铸造造拌拌铸铸造造负负压压铸铸造造1.1.1 搅拌铸造成型搅拌铸造成型半固态机械搅拌法：半

2、固态机械搅拌法：利用合金在固液温度利用合金在固液温度区间经搅拌后得到的区间经搅拌后得到的流变性质，将增强颗流变性质，将增强颗粒搅入半固态熔液中粒搅入半固态熔液中，依靠半固态金属的，依靠半固态金属的粘性阻止增强颗粒因粘性阻止增强颗粒因密度差而浮沉来制备密度差而浮沉来制备复合材料。复合材料。液态机械搅拌法：液态机械搅拌法：通通过搅拌器的旋转运动过搅拌器的旋转运动使增强材料均匀分布使增强材料均匀分布在液体中，然后浇注在液体中，然后浇注成型。成型。设备简单，操作方便设备简单，操作方便, ,但增强颗粒不易与基但增强颗粒不易与基体材料混合均匀，且体材料混合均匀，且材料的吸气较严重。材料的吸气较严重。搅拌铸

3、搅拌铸造成型造成型离心铸造法离心铸造法是在离心是在离心作用下将金属液体渗作用下将金属液体渗入增强材料间隙形成入增强材料间隙形成复合材料的一种方法。复合材料的一种方法。挤压铸造挤压铸造是按零件的是按零件的形状制作增强物预制形状制作增强物预制块，将预制块放入铸块，将预制块放入铸型型, ,在重力下浇入液在重力下浇入液态金属或合金，液体态金属或合金，液体在压头作用下渗入预在压头作用下渗入预制块。制块。正压铸正压铸造成型造成型1.1.2 正压铸造成型正压铸造成型自浸渗法自浸渗法是是破坏金属破坏金属液体表面的氧化层以液体表面的氧化层以改善液体与增强颗粒改善液体与增强颗粒的浸润性，借助预制的浸润性，借助预制

4、体内的毛细管力作用体内的毛细管力作用使金属液体引入增强使金属液体引入增强材料间隙。材料间隙。真空吸铸法真空吸铸法是是将预制将预制体放入铸型后，将铸体放入铸型后，将铸型一端浸入金属液中，型一端浸入金属液中，而将铸型的另一端接而将铸型的另一端接真空装置，使液态合真空装置，使液态合金吸入预制体内的一金吸入预制体内的一种方法。种方法。负压铸负压铸造成型造成型1.1. 3 负压铸造成型负压铸造成型1.MMC铸造成形铸造成形1.2 MMC铸造成型的技术问题铸造成型的技术问题u增强颗粒与金属熔体的润湿性增强颗粒与金属熔体的润湿性u增强颗粒分布均匀性增强颗粒分布均匀性u增强颗粒与基体金属的界面结构增强颗粒与基

5、体金属的界面结构u颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料PRMMC PRMMC 的凝固过程的凝固过程 增强颗粒进入基体金属熔体，并能很好地分散，首要的条件是两者增强颗粒进入基体金属熔体，并能很好地分散，首要的条件是两者必须相互润湿。以铝合金为例，常用的增强颗粒必须相互润湿。以铝合金为例，常用的增强颗粒Al2O3、SiC 与与Al 的润的润湿性都比较差，它们的接触角湿性都比较差，它们的接触角大于大于90o。而有些增强颗粒表面存在的氧。而有些增强颗粒表面存在的氧化物，由于其吸附气体、水分等，使得增强颗粒与金属基体的润湿性变化物，由于其吸附气体、水分等，使得增强颗粒与金属基体的润湿性变得更差。

6、得更差。 1.2.11.2.1增强颗粒与金属熔体的润湿性增强颗粒与金属熔体的润湿性增强颗粒在复合材料凝固过程中是被凝固界面排斥还是捕捉受很多因素的增强颗粒在复合材料凝固过程中是被凝固界面排斥还是捕捉受很多因素的影响，如颗粒与固相、液相之间的界面能，颗粒的大小及密度，液体的粘影响，如颗粒与固相、液相之间的界面能，颗粒的大小及密度，液体的粘度，热传导率，液体的对流，界面前沿的温度梯度等。度，热传导率，液体的对流，界面前沿的温度梯度等。 对于金属对于金属/ /陶瓷这样的高界面能系统，其界面能比低温下的水或有机溶液陶瓷这样的高界面能系统，其界面能比低温下的水或有机溶液/ /颗粒系统的界面能大得多，此时

7、界面能的作用占主导地位。颗粒系统的界面能大得多，此时界面能的作用占主导地位。 在重力下凝固及界面前无对流的条件下，当颗粒较小时（在重力下凝固及界面前无对流的条件下，当颗粒较小时（0.5mm0.5mm）可忽）可忽略浮力的影响，结合凝固界面与颗粒相接触时的实际生长状态，提出了略浮力的影响，结合凝固界面与颗粒相接触时的实际生长状态，提出了下图所示的相互作用模型下图所示的相互作用模型 909090, , 颗粒被排斥颗粒被排斥当当PLPLSPSP时，时，9090，颗粒被凝固界面捕捉，颗粒被凝固界面捕捉, ,结合更稳定。结合更稳定。当当PLPLSPSP时，时，9090，颗粒将被凝固界面所排斥，颗粒将被凝固

8、界面所排斥. . SP，PL，SL分别代表固相分别代表固相/颗粒、颗粒颗粒、颗粒/液相、固相液相、固相/液相之间的界面能，液相之间的界面能，三者有如下关系三者有如下关系 :cos()/PLSPSL提高润湿性提高润湿性措施措施改决润湿性较差的措施改决润湿性较差的措施1.2.2. 1.2.2. 增强颗粒分布均匀性增强颗粒分布均匀性在外加增强颗粒制备在外加增强颗粒制备PRMMC PRMMC 的铸造法中，增强颗粒的密的铸造法中，增强颗粒的密度一般与基体金属相差较大度一般与基体金属相差较大, ,且两者互不润湿，因而颗粒且两者互不润湿，因而颗粒在金属基体中容易上浮、下沉及偏聚。在金属基体中容易上浮、下沉及

9、偏聚。Stokes Stokes 质点上浮质点上浮速度表达式为：速度表达式为：增强颗粒金属液292rgv式中式中:金属液的粘度金属液的粘度, (pa, (pas) s) ； r r 增强颗粒半径，增强颗粒半径，m m； g g 重力加速度，重力加速度，9. 8 (m9. 8 (ms- 2) s- 2) ；密度，密度， (kg(kgm- 3) m- 3) 。增大粘度，降低颗粒粒径及基体与增强体密度差均有增大粘度，降低颗粒粒径及基体与增强体密度差均有利于均匀分布利于均匀分布界面界面类类型型 增强体与基体增强体与基体互不反应亦互互不反应亦互不溶解不溶解 1.2.31.2.3增强颗粒与基体金属的界面结

10、构增强颗粒与基体金属的界面结构增强体与基体不反增强体与基体不反应但能互相溶解应但能互相溶解增强体与基体互相增强体与基体互相反应反应-界面反应物界面反应物MMC界面大多属于第三类，在改善界面大多属于第三类，在改善PRMMC界面润湿性的同时，界面润湿性的同时，须注意防止界面过度反应；须注意防止界面过度反应；选择适当增强体与基体组合，是保证界面结合良好的途径。选择适当增强体与基体组合，是保证界面结合良好的途径。 1）元素化学位相近，物质亲合力大，易发生润湿，发生反应）元素化学位相近，物质亲合力大，易发生润湿，发生反应的可能性亦小；的可能性亦小；2）体系的反应速度常数小，界面反应层薄，适）体系的反应速

11、度常数小，界面反应层薄，适量界面反应能促进润湿，提高界面结合强度，对复合材料有利量界面反应能促进润湿，提高界面结合强度，对复合材料有利1.2.4. PRMMC 1.2.4. PRMMC 的凝固过程的凝固过程 PRMMC PRMMC 的凝固过程由于增强体的存在其温度场和浓度场、晶的凝固过程由于增强体的存在其温度场和浓度场、晶体生长的热力学和动力学过程都会发生变化。体生长的热力学和动力学过程都会发生变化。 颗粒进入固相则能量升高，即热力学上颗粒将被推移，但又受颗粒进入固相则能量升高，即热力学上颗粒将被推移，但又受到液体的粘滞力作用而被到液体的粘滞力作用而被 阻碍推移，且流体对颗粒的阻力随动阻碍推移

12、，且流体对颗粒的阻力随动动速度的增加而增加。存在临界推移速度动速度的增加而增加。存在临界推移速度临界推移速度临界推移速度随界面能差的增大而增大，随液体粘度、颗粒随界面能差的增大而增大，随液体粘度、颗粒/基体的热导率比及颗粒尺寸的增大而减小基体的热导率比及颗粒尺寸的增大而减小 图图5-1 Duralcon5-1 Duralcon公司生产的各种铸件公司生产的各种铸件 图图5-2 5-2 真空铸造法制造的连续真空铸造法制造的连续纤维增强镁基复合材料零件纤维增强镁基复合材料零件 图5-1是Duralcon公司生产的各种铸件。对于连续纤维增强金属基复合材料零件的制造也可采用真空吸铸、真空压力铸造的方法。

13、如氧化铝纤维增强镁基复合材料，可选用真空铸造的方法制造。图5-2为真空铸造法制造的连续纤维增强镁基复合材料零件。2.MMC塑性成形塑性成形2.1 MMC塑性加工目的及特点塑性加工目的及特点塑性加工塑性加工目的目的 致密化，致密化，消除孔隙消除孔隙改变增强改变增强相的分布相的分布或排列或排列获得指定获得指定的形状的形状2.MMC塑性成形塑性成形2.1 MMC塑性加工目的及特点塑性加工目的及特点塑性加工塑性加工特点特点 高温：高温：无机无机纤维脆性大，纤维脆性大，常温下易断常温下易断裂，只有在裂，只有在高温下不产高温下不产生纤维的断生纤维的断裂情况下成裂情况下成型加工型加工低应变速率：低应变速率：

14、有有利于松弛，减少利于松弛，减少界面的应力集中界面的应力集中及纤维的断裂及纤维的断裂特种成型特种成型工艺工艺：滚：滚压成型等压成型等复合材料复合材料状态状态体积分数体积分数/%0.2MPabMPa伸长率伸长率%EGPa生产商生产商Al2O3p/6061AlT610%2963387.581Duralcan,AlcanT615%3193595.487Duralcan,AlcanT620%3593792.198Duralcan,AlcanSiCp/6061AlT6104054607.098DWAT6154204205.0105DWAT6204304304.0115DWAAl2O3p/2024AlT6

15、104835173.384Duralcan,AlcanT6154765032.392Duralcan,AlcanT6204835031.0101Duralcan,AlcanSiCp/2024AlT67.840061057100BritishPetroleumT62049063024116BritishPetroleumT6254055603105DWASiCp/7075AlT65115556601295Cospray，AlcanSiCp/7049AlT615598643290Cospray，AlcanSiCp/7090AlT620665735105DWA颗粒增强铝基复合材料的力学性能颗粒增强铝

16、基复合材料的力学性能复合材料与基体合金的高温力学性能材料材料颗粒颗粒尺寸尺寸m体积体积分数分数%200400bMPa0.2MPa伸长率伸长率%bMPa0.2MPaAlNp/6061Al10.84404223725.075515.96061Al22618914.5292444.3Al2O3p/6061Al20.152032923524.9101437.6Al2O3p/6061Al20.153030021932.0176946.1Al2O3p/6061Al10.4203663122.889664.41 1 压铸态，压铸态，T6T6处理；处理；2 2挤压态，挤压态，T4T4处理。处理。 轧制是指轧件

17、由摩擦力拉进在旋转的轧辊间，借助于轧辊轧制是指轧件由摩擦力拉进在旋转的轧辊间，借助于轧辊施加的压力，有时伴以热作用，使材料发生塑性变形的过施加的压力，有时伴以热作用，使材料发生塑性变形的过程。通过轧制使材料具有一定的形状、尺寸和性能。程。通过轧制使材料具有一定的形状、尺寸和性能。按材料温度分类：按材料温度分类： 热轧热轧 冷轧冷轧按轧机排列方式分类按轧机排列方式分类 单机架轧制、单机架轧制、 半连续轧制半连续轧制 连续轧制连续轧制2.MMC塑性成形塑性成形2.2 MMC轧制轧制MMC轧制工艺参数轧制工艺参数u温度温度25%SiCp/Al25%SiCp/Al复合材料经过复合材料经过16:116:

18、1挤压后，经过三道轧制后的致密度挤压后，经过三道轧制后的致密度预热温预热温/350400450500550致密度致密度/98.899.099.299.499.3u变形量变形量2525 SiCp/AlSiCp/Al复合材料经过复合材料经过1616：1 1挤压后，在预热温度分别为挤压后，在预热温度分别为350350和和450450进行的不同轧下量轧制后的致密度。进行的不同轧下量轧制后的致密度。变形量变形量/ 5075 85致密（致密（350） 99.0 98.9 98.9致密（致密（450） 99.0 99.2 99.2轧制变形量轧制变形量/ 50 75 85拉伸强度拉伸强度/MPa 245 24

19、7 244u在诸多塑性成形手段（挤压、轧制、锻造、拉拔等）中挤压在诸多塑性成形手段（挤压、轧制、锻造、拉拔等）中挤压是是MMCMMC二次加工最为常用的手段之一。二次加工最为常用的手段之一。u由于金属基体中含有一定体积分数的增强物由于金属基体中含有一定体积分数的增强物( (晶须、颗粒晶须、颗粒) )，大大降低了金属的塑性，变形阻力大，成形困难，坚硬的增大大降低了金属的塑性，变形阻力大，成形困难，坚硬的增强颗粒将磨损模具，因此对常规的工艺需进行相应的改进，强颗粒将磨损模具，因此对常规的工艺需进行相应的改进，如挤压、锻造温度、挤压速度、挤压力等。如挤压、锻造温度、挤压速度、挤压力等。u挤压后纤维平行

20、挤压轴方向取向，提高轴向力学性能；而纤挤压后纤维平行挤压轴方向取向，提高轴向力学性能；而纤维长径比因为断裂而减小，致使轴向性能降低维长径比因为断裂而减小，致使轴向性能降低u影响挤压成形性的主要因素有挤压变形时模具及坯料的预热影响挤压成形性的主要因素有挤压变形时模具及坯料的预热温度、挤压比和挤压变形速度，以及润滑剂。温度、挤压比和挤压变形速度，以及润滑剂。 2.MMC塑性成形塑性成形2.3 MMC挤压挤压（1 1）润滑剂）润滑剂 润滑剂的作用是改变挤压坯料和模具之间的摩擦力。摩擦力越小润滑剂的作用是改变挤压坯料和模具之间的摩擦力。摩擦力越小则由于坯料内外层材料流动不均匀所形成的附加拉应力就越小。

21、则由于坯料内外层材料流动不均匀所形成的附加拉应力就越小。（2 2）挤压温度）挤压温度 最佳挤压温度的选择应考虑以下因素：金属的塑性较好；变形抗最佳挤压温度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。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。为了保持挤压制品的整体性，在挤压过程中，塑性变形区的温度必须为了保持挤压制品的整体性，在挤压过程中，塑性变形区的温度必须与与SiCp/AlSiCp/Al复合材料塑性最好的温度范围相适应。随着复合材料坏料复合材料塑性最好的温度范围相适应。随着复合材料坏料及模具预热温度的升高，挤压力显

22、著降低，如表及模具预热温度的升高，挤压力显著降低，如表5-65-6所示。温度每升所示。温度每升高高5050，最大挤压力降低，最大挤压力降低101020MPa20MPa。温度温度/350350 400 400 450 450 500 500最大挤压力最大挤压力/MPa/MPa 280 280 265 265 248 248 235 235（3 3）挤压比）挤压比 在热挤压中，不论是哪种挤压方式，其最大单位挤压力和变形在热挤压中，不论是哪种挤压方式，其最大单位挤压力和变形功都是随变形程度的增加而增大。挤压比须大于功都是随变形程度的增加而增大。挤压比须大于5 5，剪切变形才能深，剪切变形才能深入到制

23、品中心，过大时，则易出现表面裂纹入到制品中心，过大时，则易出现表面裂纹（4 4）挤压速度）挤压速度 SiCp/A1SiCp/A1复合材料由于复合材料由于SiCSiC颗粒的加入使基体的变形抗力增加，因此，颗粒的加入使基体的变形抗力增加，因此，SiCp/AlSiCp/Al复合材料的挤压力比基体要高，容易产生第一类或第二类裂纹而复合材料的挤压力比基体要高，容易产生第一类或第二类裂纹而使挤压制品表面发生碎裂，但可以通过降低挤压速度使过多的热量从高使挤压制品表面发生碎裂，但可以通过降低挤压速度使过多的热量从高温加工的剪切变形区扩散出去，使该问题得以解决。但是，如果挤压速温加工的剪切变形区扩散出去，使该问

24、题得以解决。但是，如果挤压速度过低，则又会出现第三类低速撕裂现象。度过低，则又会出现第三类低速撕裂现象。（5 5）SiCSiC颗粒体积分数颗粒体积分数 图图5-35-3是是SiCp/AlSiCp/Al复合材料经过相同挤压比复合材料经过相同挤压比25:125:1后后SiCSiC颗粒体积分数对最颗粒体积分数对最大挤压力的影响曲线。从图中可以看出，最大挤压力随着大挤压力的影响曲线。从图中可以看出，最大挤压力随着SiCSiC颗粒体积分数颗粒体积分数的增加而增加。的增加而增加。 (6)(6)热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响 在挤压过程，金属基复合材

25、料的显微组织除了会发生纤维断裂外，在某在挤压过程，金属基复合材料的显微组织除了会发生纤维断裂外，在某些情况下还会形成平行于挤压方向的些情况下还会形成平行于挤压方向的“陶瓷富集带陶瓷富集带”(Ceramic Enriched (Ceramic Enriched Bands)Bands)，如图，如图5-45-4所示。所示。2.MMC塑性成形塑性成形2.4 非连续增强非连续增强MMC的超塑性成形的超塑性成形超塑性变形过程，应变速率通常表达为：超塑性变形过程，应变速率通常表达为： npEdbKTDEbA0式中，为柏氏矢量；D为相关的扩散系数； E为弹性模量；K为波尔兹曼常数；T为绝对测试温度； d为晶

26、粒尺寸；p为晶粒尺寸指数；为流变应力； 0为门槛应力；n为应力指数；A为几何常数。又称为转变超塑性或又称为转变超塑性或变态超塑性。是材料变态超塑性。是材料在变动频繁的温度环在变动频繁的温度环境下受应力作用时经境下受应力作用时经多次循环相变或同素多次循环相变或同素异形转变而得到的很异形转变而得到的很大的变形量大的变形量又称细晶超塑性或恒温又称细晶超塑性或恒温超塑性。指材料晶粒通超塑性。指材料晶粒通过细化、超细化和等轴过细化、超细化和等轴化，在变形期间保持稳化，在变形期间保持稳定，在一定变形温度区定，在一定变形温度区间（间（T0.5TmT0.5Tm）和一定）和一定变形速度条件下变形速度条件下( (

27、应变应变速率在速率在10-410-410-110-1之间之间) )所呈现出的超塑性。所呈现出的超塑性。其他超塑性主要包括其他超塑性主要包括短暂超塑性、相变诱短暂超塑性、相变诱发超塑性以及消除应发超塑性以及消除应力退火过程中，应力力退火过程中，应力作用下积蓄在材料内作用下积蓄在材料内能量释放获得的超塑能量释放获得的超塑性性u按实现超塑性的条件分类按实现超塑性的条件分类组织组织超塑性超塑性相变相变超塑性超塑性其他其他超塑性超塑性u超塑性变形过程中组织变化有以下特点超塑性变形过程中组织变化有以下特点: :1 12 23 34 4晶粒形晶粒形状与尺状与尺寸的变寸的变化化晶粒的晶粒的滑动、滑动、转动和转

28、动和换位换位晶粒晶粒折皱折皱带带位错位错5 5空洞空洞另一类为沿晶界，特别另一类为沿晶界，特别是相界产生的圆形空洞是相界产生的圆形空洞或或O O形空洞，它们的形形空洞，它们的形状多半接近团或椭圆。状多半接近团或椭圆。这类空洞可以看作是过这类空洞可以看作是过饱和的空位晶界（或相饱和的空位晶界（或相界）汇流、聚集（沉淀）界）汇流、聚集（沉淀）而形成的。而形成的。 一类为产生于三晶一类为产生于三晶粒交界处的楔形空洞粒交界处的楔形空洞或或V V形空洞，这类空洞形空洞，这类空洞是由于应力集中产生是由于应力集中产生的的按照空洞按照空洞形状分类形状分类 空洞形核两种观点空洞形核两种观点 1）复合材料变形前就

29、存在 2）超塑性变形的晶界滑移过程中，经过一定的应变最后在界面上形成的。 Stroh运用Zener的假设（在剪切应力作用下发生晶界滑动时，在三叉晶界处产生裂纹）提出的空洞形核条件如下： LG122 式中，为剪切力；为空洞的表面能；L为滑动晶面长度（相当于晶界凸起之间距离或晶界粒子之间距离）；G为剪切模量。 在超塑性变形过程中，随着晶界滑移的进行，由于颗粒与基体的弹性模量等物理性能不同，以及硬颗粒对滑移的阻碍作用必将产生界面应力集中，特别对尺寸较大的颗粒，这些界面应力难以释放，因此，颗粒，基体的界面成为空洞优先形核位置。极限颗粒尺寸可由下式表示： 3/1/KTDgb 式中，为原子体积；为流变应力

30、；为边界扩散；K为波尔兹曼常数；T为热力学温度；为应变速率。当颗粒尺寸小于时空洞的生成是有限的，反之，将引起明显的空洞生成扩散。 式中，为原子体积；gb为晶界宽度；gb晶界扩散系数；r为空洞半径；为表面能; 为流动应力；为热力学温度；为应变速率；为玻尔兹曼常数；为考虑空洞尺寸与间距的系数，其值为：/23/21 2/ln4122rrr式中， 为空洞之间的距离。超塑性变形过程中空洞长大两种机制：超塑性变形过程中空洞长大两种机制： 1 1）反应力促进空洞沿晶界扩散的长大机制）反应力促进空洞沿晶界扩散的长大机制 2 2）空洞周围材料的塑性变形引起空洞长大机制）空洞周围材料的塑性变形引起空洞长大机制1

31、12 23 34 4通过改变材料通过改变材料的成分、组成的成分、组成和组织等内在和组织等内在因素，抑制空因素，抑制空洞的形成与长洞的形成与长大大通过预先热通过预先热处理可获得处理可获得极细的晶粒极细的晶粒度并抑制空度并抑制空洞的形核和洞的形核和长大长大通过变形通过变形后的退火后的退火处理，减处理，减少空洞少空洞通过变形通过变形后的热等后的热等静压压实静压压实使空洞减使空洞减少或根除少或根除 抑制与减少空洞的措施抑制与减少空洞的措施表表5-85-8铝基复合材料的超塑变形性能铝基复合材料的超塑变形性能表表5-9 5-9 镁镁 、锌、锌、 钛基复合材料的超塑变形性能钛基复合材料的超塑变形性能复合材料

32、复合材料温度温度/K伸长率伸长率/m值值应变速率应变速率/s-120TiCp/Mg-5Zn7433400.336.7 71010-2-217%SiCp/Mg-5.5Zn-0.5Zr7233600.33119.7%SiCw/MB156132000.3512AlNp/Mg-5%Zn6731500.310-3(510)%SiCp/SiCp/AZ31AZ317731000.32 21010-3(510)%SiCp/Zn-4Al-3Cu5132600.42 21010-310TiCp/Ti-4Cr10132000.34.17 71010-310TiCp/Ti-6Fe9638200.34.17 71010

33、-32.MMC塑性成形塑性成形2.5 MMC室温锥形金属包层法室温锥形金属包层法板状复合材料弯曲时，在中性轴的外侧受拉力，内侧受压缩力，板状复合材料弯曲时，在中性轴的外侧受拉力，内侧受压缩力，而复合材料受到拉力时，纤维易断裂。采用附加金属包层使弯曲而复合材料受到拉力时，纤维易断裂。采用附加金属包层使弯曲变形时中性轴（应力为零）偏移，使得复合材料大部分受压应力，变形时中性轴（应力为零）偏移，使得复合材料大部分受压应力，小部分受较小拉应力，从而解决纤维因拉应力断裂的问题。小部分受较小拉应力，从而解决纤维因拉应力断裂的问题。2.MMC塑性成形塑性成形2.5 MMC滚压成型法滚压成型法用二张与复合材料

34、相同厚度的铝合金板，把复合材料夹于其中做用二张与复合材料相同厚度的铝合金板，把复合材料夹于其中做成夹层结构，合金板比复合材料略长，以防复合材料末端变平坦，成夹层结构，合金板比复合材料略长，以防复合材料末端变平坦，然后用三个辊子滚压成型然后用三个辊子滚压成型3.MMC连接成形连接成形3.1 MMCs 的常规连接技术的常规连接技术3.1.1 3.1.1 熔融焊接熔融焊接各种熔融焊接方法可以用于各种熔融焊接方法可以用于MMCs , MMCs , 但是效果不够理想但是效果不够理想, , 特别特别是对于铝基是对于铝基MMCs , MMCs , 还存在着一系列的问题需要解决还存在着一系列的问题需要解决,

35、, 主要有主要有: :(1)(1)常规的熔融焊接需要在高温下进行常规的熔融焊接需要在高温下进行, ,而高温会引起复合材而高温会引起复合材料基体与加强物界面上的化学反应料基体与加强物界面上的化学反应, ,；(2)(2)常规的熔融焊接加工常规的熔融焊接加工MMCsMMCs，当基体被加热到熔点以上融化，当基体被加热到熔点以上融化时，加强物仍然保持固态，因此熔池粘滞性很高，基体与增时，加强物仍然保持固态，因此熔池粘滞性很高，基体与增强物很难融合，在焊池的冷却过程中会发生加强物的剥离；强物很难融合，在焊池的冷却过程中会发生加强物的剥离；(3)(3)如果如果MMCsMMCs采用粉末冶金法制造，闭塞在材料里

36、的气体会在采用粉末冶金法制造，闭塞在材料里的气体会在焊池凝固时冲出，导致大量的气孔在焊池和热影响区焊池凝固时冲出，导致大量的气孔在焊池和热影响区(HAZ) (HAZ) 形成。形成。改进：熔池中添加合金化元素、提高焊接热循环速度、减少焊改进：熔池中添加合金化元素、提高焊接热循环速度、减少焊接时工件的热输入接时工件的热输入图图5-6 Duralcon5-6 Duralcon公司氩弧焊接的公司氩弧焊接的SiCp/AlSiCp/Al复合材料传动轴（复合材料传动轴（a a）以及自行车架）以及自行车架(b)(b)u电子束焊接电子束焊接(EBW)(EBW)EBW EBW 是在真空条件下是在真空条件下, ,

37、将阴极发生的电子束通过正电压加速然将阴极发生的电子束通过正电压加速然后用磁透镜聚焦在工件表面后用磁透镜聚焦在工件表面, , 电子束撞击焊接材料表面产生热电子束撞击焊接材料表面产生热量使工件熔融焊接在一起。量使工件熔融焊接在一起。u金属极惰气保护焊接金属极惰气保护焊接(MIG)(MIG)MIGMIG法是把小直径电极丝放在焊接工件处法是把小直径电极丝放在焊接工件处, ,电极丝与工件之间电极丝与工件之间产生电弧使工件熔化产生电弧使工件熔化, , 为了保护熔融的高温材料为了保护熔融的高温材料, , 需在电极需在电极丝周围通入惰性气体。丝周围通入惰性气体。熔融焊接分类熔融焊接分类TIGTIG法是在惰性气

38、体保护下，钨电极和焊接工件间产生电弧法是在惰性气体保护下，钨电极和焊接工件间产生电弧使工件局部熔化连接在一起使工件局部熔化连接在一起, , 必要时可添加焊料。必要时可添加焊料。u钨极惰气保护焊接钨极惰气保护焊接(TIG(TIG）u等离子体焊接等离子体焊接等离子体焊接是把等离子气体通在钨电极周围形成等离子电等离子体焊接是把等离子气体通在钨电极周围形成等离子电弧熔化弧熔化MMCs MMCs 使其焊接在一起使其焊接在一起, , 焊接时也需通入保护气体。焊接时也需通入保护气体。u电容放电焊接电容放电焊接电容放电焊接是把存在大量电容中的电能快速释放出来熔电容放电焊接是把存在大量电容中的电能快速释放出来熔

39、融工件使其焊接。融工件使其焊接。u接触电阻焊接接触电阻焊接接触电阻法是利用焊接材料之间的电阻接触电阻法是利用焊接材料之间的电阻, , 通入外接电流通入外接电流产生热量完成产生热量完成MMCs MMCs 的焊接。的焊接。u激光束焊接激光束焊接(LBW)(LBW)采用光学透镜聚焦采用光学透镜聚焦, , 高能量密度的激光束与工件表面相互作高能量密度的激光束与工件表面相互作用产生耦合效应使用产生耦合效应使MMCs MMCs 熔融焊接在一起。熔融焊接在一起。扩散连接扩散连接 扩散粘结主要指固相扩散连接扩散粘结主要指固相扩散连接(SSDB) (SSDB) 和过渡液相连接和过渡液相连接( TL PDB) (

40、 TL PDB) 两种方法。两种方法。SSDB SSDB 方法是在连接工件上加一个小方法是在连接工件上加一个小载荷载荷, , 然后在保护气氛下或真空中升温使工件发生微变形并然后在保护气氛下或真空中升温使工件发生微变形并连接在一起。连接在一起。 TL PDB TL PDB 是将一个金属薄片置于连接工件间，对于铝基是将一个金属薄片置于连接工件间，对于铝基MMCsMMCs一般用铜、锌和银箔一般用铜、锌和银箔, , 加热工件至铜加热工件至铜( (锌、银锌、银) )、铝的共、铝的共晶温度形成共晶晶温度形成共晶, , 使使MMCs MMCs 粘结在一起。粘结在一起。3.1.2 3.1.2 固相连接固相连接

41、 摩擦焊接摩擦焊接 摩擦焊接是通过两个工件相对摩擦产生热量使工件结合摩擦焊接是通过两个工件相对摩擦产生热量使工件结合。一般是一个工件固定在轴上。一般是一个工件固定在轴上, , 另一个绕其旋转另一个绕其旋转, , 经过一段经过一段时间后时间后, , 停止旋转并加载使工件接合在一起。停止旋转并加载使工件接合在一起。 磁励电弧对焊磁励电弧对焊(MIAB) (MIAB) MIAB MIAB 焊接是电弧在放射性磁场作用下绕管形工件的端部快焊接是电弧在放射性磁场作用下绕管形工件的端部快速转动速转动, , 产生热量使工件连接产生热量使工件连接, , 接头再经过锻造完成焊接。接头再经过锻造完成焊接。焊接时需在

42、管形工件内通入氩或焊接时需在管形工件内通入氩或Ar-5H2 Ar-5H2 保护气体。保护气体。MIAB MIAB 法法用于加工直径用于加工直径25mm25mm、壁厚、壁厚2 mm 2 mm 的的2124-T4/25SiCp 2124-T4/25SiCp 复合材料复合材料管材时管材时, , 效果较为理想效果较为理想, , 但没有机械性能方面的测试数据。但没有机械性能方面的测试数据。3.1.3 3.1.3 钎焊钎焊 钎焊与熔融焊接不同钎焊与熔融焊接不同, , 它不必熔化它不必熔化MMCs MMCs 的基体材料的基体材料, , 因此因此不存在基体与加强物的反应不存在基体与加强物的反应, , 加强物的

43、坏大大减少。用钎焊方法加强物的坏大大减少。用钎焊方法焊接焊接MMCs MMCs 时焊料的选择和温度的控制很重要时焊料的选择和温度的控制很重要, , 如钎焊如钎焊6061/ 50B 6061/ 50B 时采用时采用AlAl2 2Si Si 焊料焊料, , 会有会有Si Si 析出在晶界上析出在晶界上, , 导致工作切向强度导致工作切向强度降低降低, , 而采用而采用AlAl2 2CuZn CuZn 焊料焊料( (熔点熔点380) 380) 不会发生这个问题。不会发生这个问题。3.1.4 3.1.4 胶粘胶粘 胶粘是目前人们较为关注的胶粘是目前人们较为关注的MMCs MMCs 连接方法连接方法,

44、, 连接过程中连接过程中MMCs MMCs 不承受外加热循环不承受外加热循环, , 但连接前需进行表面预处理。胶粘的但连接前需进行表面预处理。胶粘的效果与粘结剂、表面预处理方法密切相关效果与粘结剂、表面预处理方法密切相关, , 粘结剂主要有环氧树粘结剂主要有环氧树脂脂(epoxy) (epoxy) 和聚丙烯和聚丙烯(acrylic) , (acrylic) , 表面热处理方法包括表面刻划表面热处理方法包括表面刻划、阳极氧化、表面磷酸处理等、阳极氧化、表面磷酸处理等。3.2 各种常规各种常规MMCs连接技术的特点与比较连接技术的特点与比较 熔融焊接的缺点是加强物与基体间发生化学反应熔融焊接的缺点

45、是加强物与基体间发生化学反应, , 焊池粘焊池粘滞性高滞性高, , 在凝固过程中发生加强物颗粒剥离在凝固过程中发生加强物颗粒剥离, , 这些问题可以通过这些问题可以通过控制热循环速度和热量输入来解决控制热循环速度和热量输入来解决, ,。另一方面。另一方面, , 也可以通过添也可以通过添加焊料把合金化元素加入到焊池中来解决加焊料把合金化元素加入到焊池中来解决, , 。 固相连接尤其是摩擦焊接在固相连接尤其是摩擦焊接在MMCsMMCs的焊接方面具有很大潜力的焊接方面具有很大潜力, , 由于是低温操作由于是低温操作, , 界面反应被抑制界面反应被抑制, , 熔融焊池的粘滞性降低熔融焊池的粘滞性降低,

46、 , 但但在产生摩擦过程中需要移动工件在产生摩擦过程中需要移动工件, , 摩擦产生的热量会引起表面加摩擦产生的热量会引起表面加强颗粒或加强纤维的破碎。扩散连接法用于强颗粒或加强纤维的破碎。扩散连接法用于MMCs MMCs 效果也较好效果也较好, , 但在两连接工件间需添加中间层。与熔融焊接方法相比但在两连接工件间需添加中间层。与熔融焊接方法相比, , 固相连固相连接更适合于接更适合于MMCsMMCs。 钎焊法的优点是不破坏钎焊法的优点是不破坏MMCs MMCs 材料材料, , 接头强度可达到焊接基接头强度可达到焊接基底材料的底材料的80 %80 %90 % , 90 % , 应该再度得到人们的

47、注意。应该再度得到人们的注意。 胶粘法的特点是不需要在胶粘法的特点是不需要在MMCs MMCs 上外加热循环上外加热循环, , 可在室温条可在室温条件下操作件下操作, , 但关于该方法的研究十分有限但关于该方法的研究十分有限, , 尚需进一步的工作尚需进一步的工作, , 重点在优化表面处理方法以延长接头的寿命。重点在优化表面处理方法以延长接头的寿命。表表5-11 常规常规MMCs连接技术及其优点和缺点连接技术及其优点和缺点工艺方法优点缺点熔融焊接钨极惰气保护焊接在焊接时可使用金属焊料以减少Al/SiC 复合材料中Al3C4的产生, 增加Al/SiC 复合材料中加强粒子的湿润性在Al/SiC 复

48、合材料中会产生Al3C4 ,当使用金属焊料时焊接强度降低金属惰气保护焊接在焊接时可使用金属焊料以减少Al/SiC 复合材料中Al3C4的产生, 增加Al/SiC 复合材料中加强粒子的湿润性在Al/SiC 复合材料中会产生Al3C4 ,当使用金属焊料时焊接强度降低电子束焊接在真空环境中可高速焊接在Al/SiC 复合材料中会产生Al3C4 ,焊接需要在真空环境下进行激光束焊接不需要真空环境即可高速焊接在Al/SiC 复合材料中会产生Al3C4 ,焊接需要有保护气体接触电阻焊接可高速焊接有可能产生加强颗粒偏析,对焊接工件的几何形状有限制固相连接扩散连接为了提高连接性能可使用中间层不发生颗粒2基体间反

49、应过量扩散会导致连接性能下降过渡液相扩散连接为了提高连接性能可使用中间层,不发生颗粒-基体间反应有可能形成有害的金属间化合物;工作效率低; 价格昂贵摩擦焊接不发生颗粒-基体间反应; 在热处理后可达到很高的连接强度; 适于连接两种不同的材料需去除毛刺磁励电弧对头焊接适于连接管形工件只能焊接限定形状的工件; 焊接后需对焊接部位进行处理(内部和外部)钎焊可用于连接两种不同的材料焊接需要惰性气体或真空环境胶粘连接加工时所需温度相对较低为获得较高强度需表面预处理3.MMC连接成形连接成形3.3 MMCs 的新型连接技术的新型连接技术3.3.13.3.1等离子喷涂法等离子喷涂法等离子喷涂技术是一种非常适于

50、等离子喷涂技术是一种非常适于MMCsMMCs连接的新技术，喷涂过程连接的新技术，喷涂过程热输入非常小，焊接基底材料不发生熔化热输入非常小，焊接基底材料不发生熔化, ,因此因此, , 接缝处几乎接缝处几乎没有脆性没有脆性AlAl3 3C C4 4 相、孔洞以及相、孔洞以及HAZ HAZ 区的形成区的形成, , 如果选择合适的如果选择合适的喷涂粉末、在适当的工艺条件下喷涂粉末、在适当的工艺条件下, , 接缝处的机械性能可达到与接缝处的机械性能可达到与焊接的基底复合材料接近的水平。焊接的基底复合材料接近的水平。MMCs 的等离子喷涂连接工艺示意图的等离子喷涂连接工艺示意图 1）喷涂前的预热处理和喷涂

51、后的加强处理喷涂前的预热处理和喷涂后的加强处理 焊接基底材料的预热处理十分必要焊接基底材料的预热处理十分必要, , 它可以防止热喷涂后材料迅速冷却它可以防止热喷涂后材料迅速冷却, , 降低基底与热喷涂材料之间热胀冷缩的差别降低基底与热喷涂材料之间热胀冷缩的差别, , 降低焊接基底材料的湿度降低焊接基底材料的湿度, , 防止熔融的喷涂金属颗粒与基底材料牢固粘结。防止熔融的喷涂金属颗粒与基底材料牢固粘结。 2 2）喷涂参数与喷涂粉末的选择）喷涂参数与喷涂粉末的选择 喷涂参数主要包括喷涂距离、喷涂坡口角度、喷涂枪的移动速度等喷涂参数主要包括喷涂距离、喷涂坡口角度、喷涂枪的移动速度等, , 坡坡口角度

52、越大口角度越大, , 接头的粘结强度越大接头的粘结强度越大, , 原因在于随坡口角度增大原因在于随坡口角度增大, , 颗粒撞颗粒撞击力增大击力增大, , 从而沉积涂层的孔洞数量减少；喷涂距离有一最佳值，一般坡从而沉积涂层的孔洞数量减少；喷涂距离有一最佳值，一般坡口角度选择口角度选择130130, , 喷涂距离选择喷涂距离选择95 mm95 mm。 粉末成份会显著影响连接效果。如粉末成份会显著影响连接效果。如SiCpSiCp增强铝合金中，要求铝合金粉末中增强铝合金中，要求铝合金粉末中要含一定量的硅。作用：降低铝合金熔点，喷涂中易于熔化；减小焊接基要含一定量的硅。作用：降低铝合金熔点，喷涂中易于熔

53、化；减小焊接基底中铝与碳化硅的反应程度；防止液体合金颗粒氧化底中铝与碳化硅的反应程度；防止液体合金颗粒氧化 3.3.2 3.3.2 快速红外连接法快速红外连接法(RIJ )(RIJ ) 快速红外连接法可用于钛基复合材料快速红外连接法可用于钛基复合材料SCS-6121S , SCS-6121S , 21S21S是是Ti-15Mo-2. 7Nb-3Al-0. 25Si %, Ti-15Mo-2. 7Nb-3Al-0. 25Si %, 加强纤维为加强纤维为147m147m的的SiCf , SiCf , 表面有厚度为表面有厚度为3m 3m 的富碳涂层。焊料是的富碳涂层。焊料是厚度为厚度为17m 17m

54、 的的METGLAS METGLAS 钎焊箔钎焊箔5005003 3 , , 成分为成分为Ti-15Cu-Ti-15Cu-15Ni %15Ni %。首先将放置好焊料的钛基。首先将放置好焊料的钛基MMCsMMCs样品置入红外炉中样品置入红外炉中, , 通过碳螺丝固定。连接过程不需要附加压力通过碳螺丝固定。连接过程不需要附加压力, , 加工温度通加工温度通过接头处的镍铬过接头处的镍铬2 2镍铝合金热电偶控制镍铝合金热电偶控制, , 在热循环之前以及在热循环之前以及整个加工过程中均需通入氩气至加热室防止氧化整个加工过程中均需通入氩气至加热室防止氧化, , 达到预达到预定加热温度需要定加热温度需要20

55、2030 s , 30 s , 加热温度在加热温度在1100 , 1100 , 加热时加热时间为间为5 530 s , 30 s , 连接后样品快速冷却至室温。连接后样品快速冷却至室温。4.MMC机械加工技术机械加工技术4.1 MMCs 机械加工技术简介机械加工技术简介机械加工的目的：机械加工的目的：是将复合材料的构件按照设计要求加工成一是将复合材料的构件按照设计要求加工成一定尺寸、形状和精度的零部件。定尺寸、形状和精度的零部件。机械加工方法分类：机械加工方法分类：u传统机加工方法传统机加工方法-车、铣、钻、锯、磨车、铣、钻、锯、磨 加工中易于导致界面分层脱粘，破坏材料的连续性；需要用超硬的聚

56、晶加工中易于导致界面分层脱粘，破坏材料的连续性；需要用超硬的聚晶金刚石作刀具材料或销嵌有金刚石的刀具。金刚石作刀具材料或销嵌有金刚石的刀具。u电切割电切割 利用刀具与工件间电场的一些切割方法。电化学机加工是根据有形状的利用刀具与工件间电场的一些切割方法。电化学机加工是根据有形状的负极决定切削的几何形状，通过正极溶解来切割材料，在负极与工件的间负极决定切削的几何形状，通过正极溶解来切割材料，在负极与工件的间隙之间，用某种离子电解质溶液冲洗残屑、未溶解的纤维。隙之间，用某种离子电解质溶液冲洗残屑、未溶解的纤维。u高能光束（激光刀）及液体喷流切割（喷水刀）高能光束（激光刀）及液体喷流切割（喷水刀）各

57、种高能光束都可用来切割各种高能光束都可用来切割MMCMMC。4.2 SiCw/Al复合材料的切削加工复合材料的切削加工 4.2.1 SiCw/Al 4.2.1 SiCw/Al复合材料的切削机理复合材料的切削机理p SiCw/AlSiCw/Al复合材料的塑性变形特点复合材料的塑性变形特点 SiCw/AlSiCw/Al复合材料是由塑性很高的铝合金基体和强度很高并且很脆的复合材料是由塑性很高的铝合金基体和强度很高并且很脆的SicSic晶晶须增强体所组成，界面结合强度很高，在复合材料的变形和断裂过程中不须增强体所组成，界面结合强度很高，在复合材料的变形和断裂过程中不发生界面开裂现象，因此发生界面开裂现

58、象，因此SiCw/AlSiCw/Al复合材料的塑性变形是由基体铝合金的复合材料的塑性变形是由基体铝合金的塑性变形和晶须的转动或折断共同协调完成的。塑性变形和晶须的转动或折断共同协调完成的。 塑性变形有以下三个特点塑性变形有以下三个特点: : SiCw/AlSiCw/Al复合材料的屈服强度较低，但变形强化能力较大。复合材料的屈服强度较低，但变形强化能力较大。由于晶须由于晶须的存在，当复合材料受外加应力时，晶须周围的基体合金将产生应力集中的存在，当复合材料受外加应力时，晶须周围的基体合金将产生应力集中，导致局部过早出现屈服，因此从宏观上表现为屈服强度较低。随外加应，导致局部过早出现屈服，因此从宏观

59、上表现为屈服强度较低。随外加应力的增大，这种局部屈服现象增多，同时这些局部塑性变形又受到其他晶力的增大，这种局部屈服现象增多，同时这些局部塑性变形又受到其他晶须的阻碍，使塑性变形抗力提高，因此从宏观上表现为复合材料的变形强须的阻碍，使塑性变形抗力提高，因此从宏观上表现为复合材料的变形强化能力较大。化能力较大。 4.MMC机械加工技术机械加工技术 SiCw/Al SiCw/Al复合材料受拉伸应力时，从宏观上表现为脆性断裂（拉伸断复合材料受拉伸应力时，从宏观上表现为脆性断裂（拉伸断裂伸长率仅为裂伸长率仅为2%2%左右），但在微观上却发生了大量的塑性变形左右），但在微观上却发生了大量的塑性变形。基体

60、铝。基体铝合金的塑性很好，在复合材料拉伸过程中，铝合金很容易发生塑性变形，合金的塑性很好，在复合材料拉伸过程中，铝合金很容易发生塑性变形，但由于受到晶须的制约，这些塑性变形只能发生在局部的微观区域但由于受到晶须的制约，这些塑性变形只能发生在局部的微观区域. .并且并且各个区域的变形方向不一致，所以虽然在一些微观区域内基体铝合金发各个区域的变形方向不一致，所以虽然在一些微观区域内基体铝合金发生了大量的塑性变形，但从宏观上复合材料在拉伸方向上的伸长变形却生了大量的塑性变形，但从宏观上复合材料在拉伸方向上的伸长变形却很小。很小。SiCw/AlSiCw/Al复合材料的拉伸断口复合材料的拉伸断口虽然拉伸