金属基复合材料

1、12p 金属基复合材料的定义及特性金属基复合材料的定义及特性p 分类，常用的基体及增强体材料分类，常用的基体及增强体材料p 金属基复合材料的组分相容性金属基复合材料的组分相容性p 金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料的制备工艺p 金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能3 金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；的比强度与比刚度； 与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性；与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性； 与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。 金属基

2、复合材料（金属基复合材料（MMC）是）是，非均质混合物，共同点是具有连续的金属基体。非均质混合物，共同点是具有连续的金属基体。4构件的使用性能要求构件的使用性能要求是选择金属基体材料最是选择金属基体材料最重要的依据，也是其发重要的依据，也是其发展的动力。展的动力。v在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求。稳定性是最重要的性能要求。 作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金镁镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、

3、硼纤维等组成石墨硼纤维等组成石墨/ /镁、石墨镁、石墨/ /铝、硼铝、硼/ /铝复合材料。铝复合材料。5v高性能航空发动机、燃气轮机：要求有高高性能航空发动机、燃气轮机：要求有高比强度和比模量，还要具有优良的耐高温比强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。 选择钛合金、镍合金选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作以及金属间化合物作为基体材料。如碳化为基体材料。如碳化硅硅/ /钛、钨丝钛、钨丝/ /镍基超镍基超合金复合材料可用于合金复合材料可用于喷气发动机叶片、转喷气发动机叶片、转轴等重要零件。轴等重要零件。6v在汽车发动机中要

4、求其零件耐热、耐磨、导在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低热、一定的高温强度等，同时又要求成本低廉，适合于批量生产。廉，适合于批量生产。v选用铝合金作基体材料与选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）粒（短纤维）/ /铝基复合铝基复合材料。如碳化硅材料。如碳化硅/ /铝复合铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤材料、碳纤维或氧化铝纤维维/ /铝复合材料可制作发铝复合材料可制作发动机活塞、缸套等零件。动机活塞、缸套等零件。7 19631963年，年，NASANASA制备出钨丝增强制备出钨丝增强CuCu基复合材料，是纤维基复合材料

5、，是纤维增强金属基复合材料的研究起点，增强金属基复合材料的研究起点，SiC/Al,AlSiC/Al,Al2 2O O3 3/Al/Al； 19781978年年B/AlB/Al复合材料在哥伦比亚航天飞机上应用；复合材料在哥伦比亚航天飞机上应用； 1964 1964年，年，KraftKraft通过共晶合金定向凝固制备出金属基复通过共晶合金定向凝固制备出金属基复合材料，界面结合良好，合材料，界面结合良好，Ni-NiNi-Ni3 3AlAl，Ni-NiNi-Ni3 3SiSi； 2020世纪世纪8080年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重颗粒、晶须和短纤维增强金

6、属基复合材料，在汽车、体育颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料，在汽车、体育用品等领域得到应用；用品等领域得到应用； 9090年代后期，电子产品和技术迅速发展，低膨胀、高年代后期，电子产品和技术迅速发展，低膨胀、高强度和高导热性的金属基复合材料在电子产品得到应用；强度和高导热性的金属基复合材料在电子产品得到应用； 近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。8基体基体增强体增强体9 铝基复合材料是金属基复合材料中铝基复合材料是金属基复合材料中、的一种。的一种。 金属铝为金属铝为结构，无同素异构体，密度结构，无同素异构体，密度为钢的为钢的1/3左右，具

7、有良好的左右，具有良好的，以及，以及、及及等优点，在工程等优点，在工程上广泛应用。上广泛应用。 工业纯铝：工业纯铝： 塑性优异，适用各种形式的冷、热加工；塑性优异，适用各种形式的冷、热加工； 导电、导热性能好，代替铜制作导线；导电、导热性能好，代替铜制作导线； 强度不高，不适合做承力大的结构材料。强度不高，不适合做承力大的结构材料。10 金属基体与增强材料的金属基体与增强材料的和和； 金属基体金属基体/ /增强材料增强材料和和在工艺过程在工艺过程中的形成及控制；中的形成及控制； ； 防止防止 优化优化，提高复合材料的，提高复合材料的，降低降低。 11根据各种方法的基本特点，把金属基复合材根据各

8、种方法的基本特点，把金属基复合材料的制备工艺分为四大类：料的制备工艺分为四大类：1213 扩散结合也称扩散粘接法或扩散焊接法，是加压焊扩散结合也称扩散粘接法或扩散焊接法，是加压焊接的一种，包括热压法和热等静压法。接的一种，包括热压法和热等静压法。 在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或不相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。不相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。 扩散结合是在较长时间的高温及不大的塑性变形作扩散结合是在较长时间的高温及不大的塑性变形作用下依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。用下依靠接触部位原子间的相互扩散进

9、行的。 扩散结合的过程：粘接表面之间的最初接触，由于扩散结合的过程：粘接表面之间的最初接触，由于加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜破坏；发生加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜破坏；发生界面扩散和体扩散，使接触面密着粘接；热扩散界面最界面扩散和体扩散，使接触面密着粘接；热扩散界面最终消失，粘接过程完成。终消失，粘接过程完成。 扩散结合成为一种制造连续纤维增强金属基复合材扩散结合成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺方法。料的传统工艺方法。14中，增强纤维与基体的结合主要分为中，增强纤维与基体的结合主要分为三个关键步骤：三个关键步骤：15a)a)金属箔复合法金属箔复合法 b)b)

10、金属无纬带重叠法金属无纬带重叠法 c)c)表面镀有金属的纤维结合法表面镀有金属的纤维结合法 16也是热压的一种，可用于制造形状复杂的金也是热压的一种，可用于制造形状复杂的金属基复合材料零件属基复合材料零件17 采用扩散结合方式制备金属基复合材料，采用扩散结合方式制备金属基复合材料，要求严格，纤维排布、叠合以及封装要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。手工操作多，成本高。 但但是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的唯一可行的工艺。唯一可行的工艺。 在扩散结合工艺中，增强纤维与基体的湿润问题容易在扩散结合工艺中，增强纤维与基体的湿润问题容易解决，而且

11、在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制解决，而且在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。界面反应。18 粉末冶金是用于制备与成型非连续增强型金属基复合材粉末冶金是用于制备与成型非连续增强型金属基复合材料的一种传统的固态工艺法。料的一种传统的固态工艺法。 利用粉末冶金原理，将基体金属粉末和增强材料按设计利用粉末冶金原理，将基体金属粉末和增强材料按设计要求的比例在适当的条件下均匀混合，然后再压坯、烧结要求的比例在适当的条件下均匀混合，然后再压坯、烧结或挤压成型，或直接用混合粉料进行热压、热轧制、热挤或挤压成型，或直接用混合粉料进行热压、热轧制、热挤压成型，也可将混合料压坯后加热到基体金属的

12、固压成型，也可将混合料压坯后加热到基体金属的固- -液相液相温度区间内进行半固态成型，获得复合材料或制件。温度区间内进行半固态成型，获得复合材料或制件。 粉末冶金可用于粉末冶金可用于、或或增强的金属基复合增强的金属基复合材料。材料。19 粉末冶金成型主要包括混合、固化、压制三个过程。粉末冶金成型主要包括混合、固化、压制三个过程。 工艺是：采用超声波或球磨等方法将金属粉末与增工艺是：采用超声波或球磨等方法将金属粉末与增强体混匀，然后冷压预成型，得到复合坯件，最后通强体混匀，然后冷压预成型，得到复合坯件，最后通过热压烧结致密化获得复合材料成品。过热压烧结致密化获得复合材料成品。2021 或或金属熔

13、点，由于高温引起的增金属熔点，由于高温引起的增强材料与金属基体的强材料与金属基体的，减小了界面反应对复合材，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的、和和等工艺参数来控制界面反应。等工艺参数来控制界面反应。 可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末基体金属粉末，可达可达75%75%，可达可达50%50%以上，这是液态法无法达到的。以上，这是液态法无法达到的。 降低增强材料与基体降低增强材料与基体的要求，使颗粒的要求，使颗粒或晶须或晶须在金属基复合材料

14、的基体中。在金属基复合材料的基体中。 采用采用时，其组织细化、致密、均匀，一般时，其组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使得到得到明显改善，提高复合材料的性能。明显改善，提高复合材料的性能。 金属基复合材料可通过传统的金属基复合材料可通过传统的进行二次加进行二次加工，得到所需形状的复合材料构件工，得到所需形状的复合材料构件。22 工艺过程比较工艺过程比较； 金属基体必须制成粉末，增如了工艺的金属基体必须制成粉末，增如了工艺的和和； 在制备铝基、镁基复合材料时，还要防止粉在制备铝基、镁基复合材料时，还要防止粉末引起的末引起的。 23 也称也称，是指

15、金属基复合材料在制造过程中，金属基，是指金属基复合材料在制造过程中，金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合的方法。体处于熔融状态下与固体增强物复合的方法。 包括铸造法、包括铸造法、以及以及和和等。等。 液态法是目前制备颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材液态法是目前制备颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料的主要工艺方法。料的主要工艺方法。 与固态法相比，液态法的工艺及设备相对简便易行，与传与固态法相比，液态法的工艺及设备相对简便易行，与传统金属材料的成型工艺，如铸造、压铸等方法过程相似，制统金属材料的成型工艺，如铸造、压铸等方法过程相似，制备成本较低，得到较快的发展。备成本较低，得到较快的发展。

16、24 在铸造生产中，用大气压力重力铸造法难以获得致密在铸造生产中，用大气压力重力铸造法难以获得致密的铸件时，常采用真空铸造法和加压铸造法。的铸件时，常采用真空铸造法和加压铸造法。 为使金属液能充分浸渗到预成型体纤维间隙内，制得为使金属液能充分浸渗到预成型体纤维间隙内，制得致密铸件的加压铸造法有高压凝固铸造法和压铸法。致密铸件的加压铸造法有高压凝固铸造法和压铸法。25 将纤维与粘接剂制成的预制件放在模具中加热到一定将纤维与粘接剂制成的预制件放在模具中加热到一定温度，再将熔融金属液注入模具中，迅速合模加压，使温度，再将熔融金属液注入模具中，迅速合模加压，使液态金属以一定速度浸透到预制件中，粘结剂受

17、热分解液态金属以一定速度浸透到预制件中，粘结剂受热分解除去，冷却后得到复合材料制品。除去，冷却后得到复合材料制品。 为避免气体或杂质等的污染，整个工艺过程在真空条为避免气体或杂质等的污染，整个工艺过程在真空条件下进行。件下进行。 纤维与金属在高温时间短，界面反应层厚度小，可用纤维与金属在高温时间短，界面反应层厚度小，可用于加工复杂形状的制品，致密性好，纤维损伤少。于加工复杂形状的制品，致密性好，纤维损伤少。26 制造碳化硅纤维增强铝基复合材料的新工艺。在铸型内制造碳化硅纤维增强铝基复合材料的新工艺。在铸型内形成一定负压条件，使液态金属或颗粒增强金属基复合材形成一定负压条件，使液态金属或颗粒增强

18、金属基复合材料自上而下吸入型腔凝固后形成固件的工艺方法。料自上而下吸入型腔凝固后形成固件的工艺方法。 Al-10%SiAl-10%Si合金为基体，合金为基体，700-750700-750吸铸温度可使吸铸温度可使CVDCVD法碳法碳化硅纤维在较短时间内完成浸润，纤维损伤少，棒材抗拉化硅纤维在较短时间内完成浸润，纤维损伤少，棒材抗拉强度达强度达1600-1700MPa1600-1700MPa。27 搅拌铸造法是最早用于颗粒增强金属基复合材料的一种搅拌铸造法是最早用于颗粒增强金属基复合材料的一种弥散混合铸造工艺。弥散混合铸造工艺。 搅拌铸造法有两种方式：一种是在合金液处于液相线温搅拌铸造法有两种方式

19、：一种是在合金液处于液相线温度以上进行搅拌，称为度以上进行搅拌，称为“液态搅拌液态搅拌”；另一种是合金液处；另一种是合金液处于固相线与液相线之间进行搅拌，称为于固相线与液相线之间进行搅拌，称为“半固态搅拌铸造半固态搅拌铸造法法”或或“流变铸造流变铸造”。28搅拌铸造颗粒增强金属基复合材料搅拌铸造颗粒增强金属基复合材料29 利用超声波在铝合金熔体中产生的声空化效应和声流利用超声波在铝合金熔体中产生的声空化效应和声流效应所引起的力学效应中的搅拌、分散、除气等来促使效应所引起的力学效应中的搅拌、分散、除气等来促使颗粒混入铝合金熔体，改善颗粒与熔体间的润湿性，迫颗粒混入铝合金熔体，改善颗粒与熔体间的润

20、湿性，迫使颗粒在熔体中均匀分散。使颗粒在熔体中均匀分散。 是高效的复合方法，能在极短时间内实现颗粒在基体是高效的复合方法，能在极短时间内实现颗粒在基体中的润湿和分散，并能除气、除渣，是一种工艺简单、中的润湿和分散，并能除气、除渣，是一种工艺简单、成本低廉的制备方法。成本低廉的制备方法。30 磁铁搅拌器的高速旋转在空间产生交变磁场，磁场在磁铁搅拌器的高速旋转在空间产生交变磁场，磁场在空间感应出交变的电场，在导电的金属熔体内部产生交空间感应出交变的电场，在导电的金属熔体内部产生交变的电流，使熔体产生漩涡，将加入的增强颗粒卷入金变的电流，使熔体产生漩涡，将加入的增强颗粒卷入金属熔体中。属熔体中。 电

21、磁力对金属熔体进行搅拌具有不直接接触、对金属电磁力对金属熔体进行搅拌具有不直接接触、对金属熔体无污染等机械搅拌所无法比拟的优点。熔体无污染等机械搅拌所无法比拟的优点。31 压铸成型是指在压力作用下将液态或半液态金属基复压铸成型是指在压力作用下将液态或半液态金属基复合材料或金属以一定速度充填合材料或金属以一定速度充填或或中，在压力下快速凝固成型而制备金属基复中，在压力下快速凝固成型而制备金属基复合材料的工艺方法。合材料的工艺方法。 将包含有增强材料的金属将包含有增强材料的金属熔体倒入熔体倒入后，迅后，迅速加压，压力约为速加压，压力约为70-100MPa70-100MPa，使液态金属基复合材料在压

22、使液态金属基复合材料在压力下凝固。力下凝固。 复合材料复合材料顶出，顶出，制得所需形状及尺寸的复合制得所需形状及尺寸的复合材料的材料的。32 压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个：熔融金属的温度、有四个：熔融金属的温度、 模具预热温度、模具预热温度、 使用的使用的最大压力、最大压力、 加压速度。加压速度。 在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，一般压力不低于一般压力不低于50MPa50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜，加压速度以使预制件不变形为宜，一般为一般为1-

23、3cm/s1-3cm/s。 对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为700-800700-800，预，预制件和模具预热温度一般可控制在制件和模具预热温度一般可控制在500-800500-800，并可相互补，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。 采用压铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、采用压铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。 与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简与其他金属基复合材料

24、制备方法相比，压铸工艺设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。33 采用铸造的方法使两种熔点不同的液态金属先后熔铸在采用铸造的方法使两种熔点不同的液态金属先后熔铸在一起或一种液态金属与一种固态金属凝铸在一起。一起或一种液态金属与一种固态金属凝铸在一起。 现代液现代液- -固相复合技术以液态金属快速非平衡凝固和半固固相复合技术以液态金属快速非平衡凝固和半固态直接塑性成型为特征，控制异种材料复杂界面反应的方态直接塑性成型为特征，控制异种材料复杂界面反应的方向和限度，保证复合界面良好结合、复合材料的高质量和向和限度，保证复合界面良好结合、

25、复合材料的高质量和复合工艺的高效率。复合工艺的高效率。34电磁控制连铸工艺原理电磁控制连铸工艺原理35 采用搅拌法制备金属基复合材料时，采用搅拌法制备金属基复合材料时，常常会由于强烈搅拌将气体或表面金常常会由于强烈搅拌将气体或表面金属氧化物卷入金属熔体中；同时当颗属氧化物卷入金属熔体中；同时当颗粒与金属基体湿润性差时，颗粒难以粒与金属基体湿润性差时，颗粒难以与金属基体复合，而且颗粒在金属基与金属基体复合，而且颗粒在金属基体中由于比重关系而难以得到均匀分体中由于比重关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。布，影响复合材料性能。 半固态复合铸造主要是针对半固态复合铸造主要是针对而提出的改进工艺。

26、这种方法而提出的改进工艺。这种方法是将颗粒加入处于半固态的金属基体是将颗粒加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使颗粒在金属基体中均中，通过搅拌使颗粒在金属基体中均匀分布，并取得良好的界面结合，然匀分布，并取得良好的界面结合，然后浇注成型或将半固态复合材料注入后浇注成型或将半固态复合材料注入模具中进行压铸成型。模具中进行压铸成型。36是将金属熔体的温度控制在是将金属熔体的温度控制在之间，通过之间，通过搅拌使部分搅拌使部分破碎成固相颗粒，熔体中的固相颗破碎成固相颗粒，熔体中的固相颗粒是一种粒是一种，可以防止半固态熔体粘度的增加。，可以防止半固态熔体粘度的增加。 当加入预热后的当加入预热后的时，因熔

27、体中含有一定量的时，因熔体中含有一定量的，在搅拌中，在搅拌中而滞留在半固态金属熔而滞留在半固态金属熔体中，增强颗粒不会体中，增强颗粒不会而得到一定的分散。而得到一定的分散。强烈的强烈的增强颗粒与金属熔体的接触、增强颗粒与金属熔体的接触、。 浇注时金属基复合材料是处于半固态，直接浇注成型或浇注时金属基复合材料是处于半固态，直接浇注成型或压铸成型所得的铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。压铸成型所得的铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。 半固态复合铸造主要应用于颗粒增强金属基复合材料。半固态复合铸造主要应用于颗粒增强金属基复合材料。短纤维、晶须在加入时容易结团或缠结在一起，虽经搅拌也短纤维

28、、晶须在加入时容易结团或缠结在一起，虽经搅拌也不易分散均匀。不易分散均匀。37 半固态复合铸造工艺中，金属基体半固态复合铸造工艺中，金属基体应使熔体达到应使熔体达到30%-50%30%-50%固态；固态； 应应不产生湍流不产生湍流以防止空气裹入，以防止空气裹入，并使熔体中并使熔体中形成固态颗粒，降低熔体的粘形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒的加入。度，从而有利于增强颗粒的加入。38 通过纤维或纤维预制件通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金属而制成金属浸渍熔融态金属而制成金属基复合材料的方法。基复合材料的方法。 工艺效率较高、成本较工艺效率较高、成本较低，适用于制成板材、线材低，适用于

29、制成板材、线材和棒材等。和棒材等。 加工时，可以抽真空，加工时，可以抽真空，利用渗透压迫使熔融金属浸利用渗透压迫使熔融金属浸透到纤维的间隙中，也可以透到纤维的间隙中，也可以在熔融的金属一侧用惰性气在熔融的金属一侧用惰性气体或外载荷施加压力的方法体或外载荷施加压力的方法实现渗透。实现渗透。39将增强材料制成将增强材料制成，置于氧化铝容器内。，置于氧化铝容器内。将基体金属坯料置于可渗透的将基体金属坯料置于可渗透的上部或下部。上部或下部。 氧化铝容器、预制体和基体金属坯料均装入可通氧化铝容器、预制体和基体金属坯料均装入可通入流动氮气的入流动氮气的中。中。通过加热，通过加热，并自发渗透进入网络，并自发

30、渗透进入网络状状中。中。40 例如以例如以55-60%Al55-60%Al2 2O O3 3或或SiCSiC预制成零件的形状，放入同样形预制成零件的形状，放入同样形状的状的，将含有，将含有3%-10%Mg3%-10%Mg的的（基体）（基体）放置在放置在上，在流动的氮气气氛下，加热上，在流动的氮气气氛下，加热至至800-1000800-1000，铝合金熔化并自发渗入预制体内。，铝合金熔化并自发渗入预制体内。 由于由于发生反应，在金属基复合材料的显微发生反应，在金属基复合材料的显微组织中还有组织中还有AlNAlN。控制。控制、以及以及，可以，可以控制控制AINAIN的生成量。的生成量。AlNAlN

31、在在中起到提高复合材中起到提高复合材料料，降低，降低的作用。的作用。采用这种方法制备的采用这种方法制备的是铝合金基体的两倍，是铝合金基体的两倍，而而SiC/AlSiC/Al的刚度也达到钢的水平，但强度水平较低。的刚度也达到钢的水平，但强度水平较低。 41加压熔浸装置加压熔浸装置4243 将将在坩埚中熔化在坩埚中熔化后，在压力作用下通过喷咀后，在压力作用下通过喷咀送入雾化器，在高速惰性气送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，体射流的作用下，形成，形成所谓所谓“” ； 通过一个或多个通过一个或多个向向“雾化锥雾化锥”喷射入喷射入，使之与使之与一齐在一齐在基板（收集器）上沉积，并基板（收集器）上沉

32、积，并快速凝固形成颗粒增强金属快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。基复合材料。44 ，喷射，喷射，有利于工业化生产；，有利于工业化生产； ，直接沉积的复合材，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的料密度一般可达到理论的95%-98%95%-98%； 属属，冷速可达，冷速可达10103 3 -10-106 6 K/s K/s，金属，金属，消，消除了除了，同时，同时增强材料与金属液滴接触时间短，增强材料与金属液滴接触时间短，； 具有具有和和。工艺适于多种金属材料基。工艺适于多种金属材料基体，如高、低合金钢、铝及铝合金、高温合金等。通过设体，如高、低合金钢、铝及铝合金、高温合金等。通过设计雾化器和收

33、集器的形状和一定的机械运动，直接形成计雾化器和收集器的形状和一定的机械运动，直接形成、和和等接近等接近的复合材料的坯料。的复合材料的坯料。45 在复合材料制造过程中，增强材料在基体中生成和生长的在复合材料制造过程中，增强材料在基体中生成和生长的方法称作原位自生成法。方法称作原位自生成法。 在金属基复合材料制备过程中，经常遇到两个问题：一是在金属基复合材料制备过程中，经常遇到两个问题：一是增强材料与金属基体之间的相容性（即润湿性）问题，二是增强材料与金属基体之间的相容性（即润湿性）问题，二是无论固态法还是液态法，增强材料与金属基体之间的界面都无论固态法还是液态法，增强材料与金属基体之间的界面都存

34、在界面反应。增强材料与金属基体之间的相容性影响金属存在界面反应。增强材料与金属基体之间的相容性影响金属基复合材料在高温制备和高温应用中的性能和性能稳定性。基复合材料在高温制备和高温应用中的性能和性能稳定性。 如果增强材料（纤维、颗粒或晶须）能从金属基体中直接如果增强材料（纤维、颗粒或晶须）能从金属基体中直接（即原位）生成，则上述问题就可以得到较好的解决。（即原位）生成，则上述问题就可以得到较好的解决。 以原位自生成法制造的金属基复合材料中，基体与增强材以原位自生成法制造的金属基复合材料中，基体与增强材料间的相容性好，界面干净，结合牢固，特别当增强材料与料间的相容性好，界面干净，结合牢固，特别当

35、增强材料与基体之间有共格或半共格关系时，能非常有效地传递应力；基体之间有共格或半共格关系时，能非常有效地传递应力；而且，界面上不生成有害的反应产物。因此这种复合材料具而且，界面上不生成有害的反应产物。因此这种复合材料具有较优异的力学性能。有较优异的力学性能。461) 共晶合金定向凝固法共晶合金定向凝固法2) 直接金属氧化法（直接金属氧化法（DIMOXTM）3) 反应自生成法（反应自生成法（XDTM）47 增强材料增强材料从从基体中凝固析出，通过控制冷基体中凝固析出，通过控制冷凝方向，在基体中生长出排列凝方向，在基体中生长出排列整齐的类似纤维的条状或片层整齐的类似纤维的条状或片层状状。 要求合金

36、成分为共晶或接要求合金成分为共晶或接近共晶成分，以及有包晶或偏近共晶成分，以及有包晶或偏晶反应的两相结合。晶反应的两相结合。 工艺过程：合金原料在真空或惰性气体中通过感应加热熔工艺过程：合金原料在真空或惰性气体中通过感应加热熔化，控制冷却方向，进行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方化，控制冷却方向，进行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方向整齐排列，连续相为基体，类似纤维的条状或片层状的分向整齐排列，连续相为基体，类似纤维的条状或片层状的分散相为增强体。散相为增强体。48复合材料的复合材料的须满足三个条件：须满足三个条件： 有有的加热方式；的加热方式； 满足满足； 两相的两相的要协调要协调进行。进行。L

37、ELLDCCmRG)(0二元共晶的二元共晶的：其中，其中， C0为合金成份；为合金成份；GL为液相温度梯度；为液相温度梯度；R为凝固速度；为凝固速度；mL为液相线斜率；为液相线斜率；CE为共晶成份；为共晶成份；DL为溶质在液相中的扩散系数。为溶质在液相中的扩散系数。49界面有最低的能量，不发生反应，适于高界面有最低的能量，不发生反应，适于高温结构材料温结构材料。 基体为镍基和钴基合金，增强材料主要是耐热性好、基体为镍基和钴基合金，增强材料主要是耐热性好、热强度高的金属间化合物。热强度高的金属间化合物。 问题：为保证对微观组织的控制，需要非常低的共晶问题：为保证对微观组织的控制，需要非常低的共晶

38、生长速率，可选择的材料体系有限，共晶增强材料的体生长速率，可选择的材料体系有限，共晶增强材料的体积分数也无法控制。积分数也无法控制。共晶复合材料的主要应用共晶复合材料的主要应用 航空透平机叶片，有三元共晶合金航空透平机叶片，有三元共晶合金Al-Ni-Nb，它所形，它所形成的成的和和相为相为Ni3Al和和Ni3Nb； 共晶合金共晶合金C-Co-Cr，所形成的，所形成的和和相分别为相分别为(Co,Cr)和和(Cr,Co)7C3。50 DIMOXDIMOXTMTM是一种可以制备金属基复合材料和陶瓷基复合材料是一种可以制备金属基复合材料和陶瓷基复合材料的的。DIMOXDIMOXTMTM法根据是否有法根

39、据是否有又可分为又可分为和和，两者原理相同。，两者原理相同。制备金属基复合材料的制备金属基复合材料的没有填充物没有填充物（增强材料预成型体）和增强相，只是通过（增强材料预成型体）和增强相，只是通过来获取复合材料。来获取复合材料。 利用利用，制备，制备AlAl2 2O O3 3/Al/Al。 通过通过来获取来获取AlAl2 2O O3 3增强相。通常铝合金表面迅速氧化，增强相。通常铝合金表面迅速氧化，形成一种内聚、结合紧密的形成一种内聚、结合紧密的，这层氧化铝膜使得氧无法进，这层氧化铝膜使得氧无法进一步渗透，从而阻止了膜下的铝进一步氧化。但是在一步渗透，从而阻止了膜下的铝进一步氧化。但是在DIM

40、OXDIMOXTMTM工艺工艺中，中，上升到上升到900-1300900-1300，远超过铝的熔点，远超过铝的熔点660660。通过进。通过进一步加入一步加入SiSi和和MgMg，使熔化金属通过显微通，使熔化金属通过显微通道道，并顺序氧化，即铝被氧化，但，并顺序氧化，即铝被氧化，但未被堵塞。未被堵塞。51 利用唯一基体法工艺，可以根据氧化程度来控制增强利用唯一基体法工艺，可以根据氧化程度来控制增强相的含量。相的含量。 如果工艺过程在所有金属被氧化之前停止的话，则所如果工艺过程在所有金属被氧化之前停止的话，则所制备的复合材料就是致密互连的制备的复合材料就是致密互连的AlAl2 2O O3 3陶瓷基复合材料，陶瓷基复合材料，其中含有其中含有5%-30%5%-30%的的AlAl。 除了可以直接氧化外，还可以直接氮化。通过除了可以直接氧化外，还可以直接氮化。通过DIMOXDIMOXTMTM工艺还可以获得工艺还可以获得AlN/AlAlN/Al，ZrN/AlZrN/Al和和TiN/TiTiN/Ti等金等金属基或陶瓷基复合材料。属基或陶瓷基复合材料。 当当DIMOXDIMOXTMTM工艺采用增强材料预成型体时，由于增强工艺