西安工业大学复合材料5.

1、第五章第五章 金属基复合材料金属基复合材料Metal Matrix Composite (MMC) 5.1 5.1 概概 述述 金属基复合材料是以金属及其合金为金属基复合材料是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工合成的复合材料。相人工合成的复合材料。 其增强材料大多为无机非金属，如碳其增强材料大多为无机非金属，如碳化硅、碳、石墨及硼等，也可以是金属化硅、碳、石墨及硼等，也可以是金属丝，甚至是有机纤维。丝，甚至是有机纤维。 MMC是是20世纪世纪60年代年代初初, ,航空航空航天技术的发展，航天技术的发展，促进了定向凝固复合材料、难熔金属丝增

2、强高温促进了定向凝固复合材料、难熔金属丝增强高温合金材料的研究开发，并出现了合金材料的研究开发，并出现了硼纤维增强铝基硼纤维增强铝基复合材料复合材料； 70 70年代中期，碳纤维增强铝基复合材料的研制年代中期，碳纤维增强铝基复合材料的研制以及应用；以及应用； 70 70年代末期，先后出现了碳化硅和氧化铝增强年代末期，先后出现了碳化硅和氧化铝增强铝、钛等多种金属基复合材料，逐渐形成金属基铝、钛等多种金属基复合材料，逐渐形成金属基复合材料体系。复合材料体系。 概述概述MMC的沿革与发展的沿革与发展 80年初开始，人们开始重视对金属基复合材料年初开始，人们开始重视对金属基复合材料制备工艺的研究，各种

3、制备工艺相继问世。这些制备工艺的研究，各种制备工艺相继问世。这些工艺技术的不断出现，又使复合材料的成本不断工艺技术的不断出现，又使复合材料的成本不断下降，从而使金属基复合材料从航空航天与军工下降，从而使金属基复合材料从航空航天与军工业转向民用，如汽车工业的应用。业转向民用，如汽车工业的应用。 从从80年代开始，人们逐渐重视对金属基复合材年代开始，人们逐渐重视对金属基复合材料界面及界面稳定性的研究。料界面及界面稳定性的研究。 概述概述MMC的沿革与发展的沿革与发展 金属基复合材料的发展只有金属基复合材料的发展只有4040多年的历史，还多年的历史，还处在一个蓬勃发展的新阶段。从处在一个蓬勃发展的新

4、阶段。从MMCMMC的发展看，今的发展看，今后它的研究与开发主要集中在以下几个方面：后它的研究与开发主要集中在以下几个方面：（1 1）不同金属基体与不同种类与形态的增强材）不同金属基体与不同种类与形态的增强材料的复合效果；料的复合效果；（2 2）开发新型增强材料；）开发新型增强材料；（3 3）制备工艺的研究与开发；）制备工艺的研究与开发； （4 4）界面优化的研究；）界面优化的研究；（5 5）扩大应用领域与范围。）扩大应用领域与范围。 5.2 5.2 MMC制备工艺制备工艺 选择复合材料的制备方法时应注意：选择复合材料的制备方法时应注意： 1.1.制备过程中应保护增强体和金属基体，最大制备过程

5、中应保护增强体和金属基体，最大限度地减少对增强体的损伤；限度地减少对增强体的损伤； 2.2.使增强体以设计的体积分数和排列在基体中使增强体以设计的体积分数和排列在基体中达到预定的方向与分布；达到预定的方向与分布； 3.3.尽量避免增强体与金属基体之间发生各种不尽量避免增强体与金属基体之间发生各种不利的化学反应，得到合适的界面结构和性能；利的化学反应，得到合适的界面结构和性能； 4.4.工艺方法简单易行，适于批量生产，尽可能工艺方法简单易行，适于批量生产，尽可能净成型而将二次加工量减至最低限度。净成型而将二次加工量减至最低限度。 金属基体材料形式：金属基体材料形式：熔融熔融、粉末粉末或或板箔板箔

6、。 金属基复合材料制备工艺分为三大类：即（金属基复合材料制备工艺分为三大类：即（1）液态法液态法（喷涂与喷射沉积法）（喷涂与喷射沉积法）；（；（2）固态法固态法；（；（3）原位复合法原位复合法。MMC制备工艺制备工艺In-situ MMC制备工艺制备工艺液态法液态法固态法固态法搅拌铸造、半固态复合铸造搅拌铸造、半固态复合铸造挤压铸造挤压铸造浸渗法（无压、加压、真空）浸渗法（无压、加压、真空）喷涂与喷射沉积法喷涂与喷射沉积法扩散结合法扩散结合法粉末冶金法粉末冶金法定向凝固法定向凝固法高温自蔓延法、放热弥散法高温自蔓延法、放热弥散法直接氧化法直接氧化法高能球磨法高能球磨法粉末冶金法一、液态法一、液

7、态法 液态法是指金属基体在制备复合材料过程中液态法是指金属基体在制备复合材料过程中始终处于液态的制备工艺，包括始终处于液态的制备工艺，包括搅拌铸造搅拌铸造、半半固态复合铸造、挤压铸造固态复合铸造、挤压铸造、以及、以及无压浸渗法无压浸渗法和和压力浸渗压力浸渗。液态法的工艺及设备相对简便易行，。液态法的工艺及设备相对简便易行，制备成本较低，是目前制备颗粒、晶须和短纤制备成本较低，是目前制备颗粒、晶须和短纤维增强维增强MMC的主要工艺方法。的主要工艺方法。1.1.搅拌铸造与半固态复合铸造搅拌铸造与半固态复合铸造 将颗粒加入处于半固态将颗粒加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使的金属基体中，通过搅拌使

8、颗粒在金属基体中均匀分布，颗粒在金属基体中均匀分布，并取得良好的界面结合，然并取得良好的界面结合，然后浇注成型或将半固态复合后浇注成型或将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。材料注入模具进行压铸成型。 它是针对液态金属搅拌铸它是针对液态金属搅拌铸造法的缺点而改进的工艺。造法的缺点而改进的工艺。 搅拌铸造示意图 润湿（润湿（a）与不润湿（）与不润湿（b）下液态金属）下液态金属对增强体表面的接触情况气孔形成对增强体表面的接触情况气孔形成（a）（b）基体金属熔化基体金属熔化除气除气精炼精炼增强体颗粒增强体颗粒预处理预处理搅拌复合搅拌复合浇注浇注冷却凝固冷却凝固脱模脱模存在的主要问题存在的主要问题：容

9、易发生容易发生增强体偏聚或增强体偏聚或颗粒丛聚结团；颗粒丛聚结团；搅拌过程中不可避免的吸气搅拌过程中不可避免的吸气、夹杂夹杂和形成气孔和形成气孔；高温下的有害界面反应难以控制高温下的有害界面反应难以控制；陶瓷增强体含量收到很大限制陶瓷增强体含量收到很大限制。搅拌铸造法的优点搅拌铸造法的优点：工艺简单工艺简单、成本低成本低、适于规模生、适于规模生产产，而且而且所需设备所需设备可使用现有设备、或简单改进可使用现有设备、或简单改进。半固态复合铸造的原理半固态复合铸造的原理 是将金属熔体的是将金属熔体的温度控制温度控制在液相线与固相线之间在液相线与固相线之间，通过搅拌，使部分树枝，通过搅拌，使部分树枝

10、结晶体破碎成固态相颗粒。当加入预热后的增强结晶体破碎成固态相颗粒。当加入预热后的增强颗粒时，因熔体中含有一定量的固相金属颗粒，颗粒时，因熔体中含有一定量的固相金属颗粒，在搅拌中增强颗粒受阻而滞留在半固态金属熔体在搅拌中增强颗粒受阻而滞留在半固态金属熔体中，增强颗粒不会结集和偏聚而得到一定的分散。中，增强颗粒不会结集和偏聚而得到一定的分散。同时强烈的机械搅拌也使增强颗粒与金属熔体直同时强烈的机械搅拌也使增强颗粒与金属熔体直接接触互相反应，促进润湿。接接触互相反应，促进润湿。半固态复合铸造工艺优点半固态复合铸造工艺优点 ： （1 1）由于浇注时由于浇注时MMC是处于半固态熔体，有效抑制了是处于半固

11、态熔体，有效抑制了增强体的团聚，分散更均匀。增强体的团聚，分散更均匀。 （2）由于是在真空或氩气中搅拌，能有效防止金属的）由于是在真空或氩气中搅拌，能有效防止金属的氧化和吸气，铸件的气孔率小。氧化和吸气，铸件的气孔率小。 （3）搅拌器的作用使组织细小、均匀和致密，使获得）搅拌器的作用使组织细小、均匀和致密，使获得的复合材料性能好。的复合材料性能好。不足：不足：半固态复合铸造主要应用于半固态复合铸造主要应用于颗粒颗粒增强的增强的MMCMMC，因，因短纤维、晶须在加入时容易结团或缠结在一起，因而不短纤维、晶须在加入时容易结团或缠结在一起，因而不宜采用此法来制备短纤维或晶须增强宜采用此法来制备短纤维

12、或晶须增强MMCMMC。 2.2.挤压铸造挤压铸造 挤压铸造是挤压铸造是将液态的将液态的MMCMMC直接注入挤压模型腔直接注入挤压模型腔或将金属直接注入放有增强材料预制件的型腔或将金属直接注入放有增强材料预制件的型腔中，然后施行挤压过程，在压力下使中，然后施行挤压过程，在压力下使MMCMMC在型腔内在型腔内凝固成型或使金属压入预制件的孔隙中凝固的工凝固成型或使金属压入预制件的孔隙中凝固的工艺。艺。MMC典型挤压铸造工艺示意图典型挤压铸造工艺示意图 典型挤压铸造工艺典型挤压铸造工艺：首先将包含有增强材料：首先将包含有增强材料的金属熔体倒入预热模具后迅速加压，使液态的金属熔体倒入预热模具后迅速加压

13、，使液态MMCMMC在压力下凝固。待复合材料完全固化后顶出，即在压力下凝固。待复合材料完全固化后顶出，即制得所需形状及尺寸的制得所需形状及尺寸的MMCMMC的坯料或压铸件。的坯料或压铸件。工艺优点工艺优点 ( (降低铸造温度、强制流动降低铸造温度、强制流动) ) 采用挤压铸造法生产的采用挤压铸造法生产的MMCMMC零部件，其组织细零部件，其组织细化、无气孔，可以获得的比一般金属模铸件性能化、无气孔，可以获得的比一般金属模铸件性能优良的压铸件。优良的压铸件。 和其它和其它MMC制备方法相比，挤压铸造工艺设制备方法相比，挤压铸造工艺设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工备简单，成本低，材料的

14、质量高且稳定，易于工业化生产。业化生产。 3.3.浸渗法浸渗法 将增强材料制成预制体，再将基体金属坯将增强材料制成预制体，再将基体金属坯料加热熔化，从而渗透入增强材料预制体中的料加热熔化，从而渗透入增强材料预制体中的网络状空隙中。网络状空隙中。预制件制备工艺过程预制件制备工艺过程 将增强材料制成预制体，放置于由氧化铝制成的容器之内，将增强材料制成预制体，放置于由氧化铝制成的容器之内，再将基体金属坯料置于可渗透的增强材料预制体上部。氧化铝再将基体金属坯料置于可渗透的增强材料预制体上部。氧化铝容器、预制体和基体金属坯料均装入一可通入流动氮气的加热容器、预制体和基体金属坯料均装入一可通入流动氮气的加

15、热炉中，通过加热，基体金属熔化，并自发渗透入网络状增强材炉中，通过加热，基体金属熔化，并自发渗透入网络状增强材料预制体中。料预制体中。 无压渗透法制备的金属基复合材料无压渗透法制备的金属基复合材料成本较低成本较低，但复合材料，但复合材料的强度较低，而其刚度显著高于基体金属，一般可作为强度要的强度较低，而其刚度显著高于基体金属，一般可作为强度要求低但需刚度好的零件或者用于制备求低但需刚度好的零件或者用于制备功能复合材料功能复合材料，如钨渗铜，如钨渗铜耐高压复合材料耐高压复合材料 3.13.1无压渗透法无压渗透法3.23.2压力浸渗真空浸渗法压力浸渗真空浸渗法 压力浸渗是压力浸渗是通过施加外力使液

16、态金属渗入增强材通过施加外力使液态金属渗入增强材料的预制件孔隙中制造金属基复合材料的方法。料的预制件孔隙中制造金属基复合材料的方法。4、喷射沉积、喷射沉积 喷射沉积是一种将混合与凝固两个过程相结合的新工艺，主喷射沉积是一种将混合与凝固两个过程相结合的新工艺，主要用于制备要用于制备颗粒颗粒增强金属基复合材料（增强金属基复合材料（PRMMC）。）。 工艺过程工艺过程:基体基体金属金属在坩埚中经在坩埚中经熔炼熔炼后，在压力作用下送入后，在压力作用下送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分散分散为细为细小的小的液滴液滴，形成所谓的，形成所谓的“

17、雾化锥雾化锥”；同时通过一个或多个喷嘴；同时通过一个或多个喷嘴向雾化锥向雾化锥喷入增强颗粒喷入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一起在基板上，使之与金属雾化液滴一起在基板上沉沉积并快速凝固积并快速凝固形成颗粒增强形成颗粒增强MMC。 工艺优点：工艺优点：（1 1）高致密度，复合材料的密度可达到理论的）高致密度，复合材料的密度可达到理论的959598%98%；（2 2）属于快速凝固方法，冷速可达）属于快速凝固方法，冷速可达10103 310106 6K/K/秒，秒，因此金属晶粒及组织细化，消除了宏观偏析，合因此金属晶粒及组织细化，消除了宏观偏析，合金成分均匀；金成分均匀；（3 3）增强材料与金属液滴接

18、触间时短，很少或没）增强材料与金属液滴接触间时短，很少或没有界面反应；有界面反应；（4）工艺适合多种金属材料基体，如高、低合金）工艺适合多种金属材料基体，如高、低合金钢、铝及铝合金、高温合金等；钢、铝及铝合金、高温合金等；（5）设计雾化器和收集器的形状和一定的机械运）设计雾化器和收集器的形状和一定的机械运动，以直接形成盘、棒、管和板带等接近零件实动，以直接形成盘、棒、管和板带等接近零件实际形状的复合材料坯料；际形状的复合材料坯料；（6）工艺流程短，工序简单，喷射沉积效率高，）工艺流程短，工序简单，喷射沉积效率高，利于工业化生产。利于工业化生产。工艺缺点：工艺缺点：（1 1）仅适用于制备）仅适用

19、于制备PRMMCPRMMC；（2 2）与挤压铸造、半固态复合铸造工艺相比，雾与挤压铸造、半固态复合铸造工艺相比，雾化工艺成本较高，沉积速度较低。化工艺成本较高，沉积速度较低。1.1.扩散结合法扩散结合法 扩散结合工艺是金属材料的一种固态焊接技术，在一扩散结合工艺是金属材料的一种固态焊接技术，在一定温度的压力下，把相同或不相同的金属，通过表面原子定温度的压力下，把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。的互相扩散而连接在一起。 工艺过程为：将经过预处理的连续纤维按设计要求在工艺过程为：将经过预处理的连续纤维按设计要求在某方向排列好，用基体金属箔夹紧、叠合、固定，然后将某方向排列好

20、，用基体金属箔夹紧、叠合、固定，然后将其在真空或惰性气氛中加热至基体金属熔点以下进行热压其在真空或惰性气氛中加热至基体金属熔点以下进行热压，通过扩散焊接的方式实现材料的复合化和成形。，通过扩散焊接的方式实现材料的复合化和成形。二、二、固态法固态法 主要为主要为扩散结合扩散结合和和粉末冶金粉末冶金两种方法。两种方法。 扩散结合法制备扩散结合法制备MMC的工艺过程的工艺过程（1）纤维的排布纤维的排布： a. 采用有机粘结剂粘结；采用有机粘结剂粘结； b. 采用带槽的箔板，将纤维排布在其中；采用带槽的箔板，将纤维排布在其中； c. 采用等离子喷涂。即先在金属基体箔上用缠采用等离子喷涂。即先在金属基体

21、箔上用缠绕法排布好一层纤维，然后再喷涂一层与基体金绕法排布好一层纤维，然后再喷涂一层与基体金属相同的金属，将增强纤维与基体金属粘接固定属相同的金属，将增强纤维与基体金属粘接固定在一起；在一起； 扩散结合工艺中，主要有三个关键步骤：扩散结合工艺中，主要有三个关键步骤： d. 复合丝排列。将连续纤维用液态浸渗法制成复合丝排列。将连续纤维用液态浸渗法制成复合丝，再将复合丝按一定顺序排列。复合丝也复合丝，再将复合丝按一定顺序排列。复合丝也可与基体金属箔交互排列。可与基体金属箔交互排列。（2 2）叠合与封装叠合与封装：叠合是将排布好纤维的幅片或：叠合是将排布好纤维的幅片或预制件经剪裁成一定形状，根据复合

22、材料制品的预制件经剪裁成一定形状，根据复合材料制品的要求叠合成一定厚度。为防止复合材料在热压中要求叠合成一定厚度。为防止复合材料在热压中氧化，叠合好的复合材料应真空封装于金属模套氧化，叠合好的复合材料应真空封装于金属模套中。中。（3 3）热压热压：热压工艺参数主要为热压温度、压力：热压工艺参数主要为热压温度、压力和时间。在热压时，基体金属箔板在压力的作用和时间。在热压时，基体金属箔板在压力的作用下，发生塑性变形，经过一定温度和时间的作用下，发生塑性变形，经过一定温度和时间的作用扩散而焊接在一起，并将增强纤维固定在其中，扩散而焊接在一起，并将增强纤维固定在其中，形成金属基复合材料。形成金属基复合

23、材料。工艺优点：工艺优点： 1.1.连续纤维增强并能按照铺层设计要求排布的唯一可连续纤维增强并能按照铺层设计要求排布的唯一可行的行的MMC制备工艺；制备工艺； 2. 增强纤维与基体的湿润问题容易解决；增强纤维与基体的湿润问题容易解决； 3. 热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应；热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应； 工艺缺点：工艺缺点： 1.1.工艺过程复杂，手工操作多，成本高；工艺过程复杂，手工操作多，成本高； 2.2.工艺参数控制要求严格。工艺参数控制要求严格。2.2.粉末冶金法粉末冶金法 用以制造用以制造颗粒颗粒、短切纤维短切纤维或或晶须晶须增强金属基增强金属基复合材料

24、构件，还可以制造复合材料坯件，再经复合材料构件，还可以制造复合材料坯件，再经挤压、轧制、锻压、旋压等二次加工方法制造复挤压、轧制、锻压、旋压等二次加工方法制造复合材料构件。合材料构件。 粉末冶金一般工艺是：首先采用超声波或球磨粉末冶金一般工艺是：首先采用超声波或球磨等方法将金属粉末与增强体混匀，然后冷压成型等方法将金属粉末与增强体混匀，然后冷压成型（压坯），得到复合坯件，最后通过热压烧结致（压坯），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。密化获得复合材料成品。热挤压示意图热挤压示意图单向冷压示意图单向冷压示意图粉末粒子粉末粒子 烧结颈烧结颈孔洞孔洞固相烧结原理图固相烧结原理图二元

25、共晶相图二元共晶相图(a)和在烧结前和在烧结前(b)、共晶液相生成前、共晶液相生成前(c)、液相长大初期、液相长大初期(d)、合金元素颗粒消、合金元素颗粒消失时失时(e)、液相区最大时、液相区最大时(f)、液相区减小时、液相区减小时(g), 以及液相区消失后以及液相区消失后(h)的成分分布情况的成分分布情况二元共晶体系半固态烧结模型二元共晶体系半固态烧结模型 基体合金粉末与颗粒、短切纤维和晶须的基体合金粉末与颗粒、短切纤维和晶须的混合混合均匀均匀程度及基体粉末程度及基体粉末防止氧化防止氧化的问题是整个工艺的问题是整个工艺的关键。的关键。工艺优点工艺优点：（1 1）热压或烧结温度低于金属熔点，从

26、而减小界）热压或烧结温度低于金属熔点，从而减小界面反应对复合材料性能的不利影响，同时可以通面反应对复合材料性能的不利影响，同时可以通过热压或烧结时的温度、压力和时间等工艺参数过热压或烧结时的温度、压力和时间等工艺参数来来。（2 2）可根据）可根据MMC的性能要求，使增强材料（颗的性能要求，使增强材料（颗粒、短切纤维晶须）与基体金属粉末以粒、短切纤维晶须）与基体金属粉末以。（3 3）可以降低增强材料与基体互相）可以降低增强材料与基体互相的要求，的要求，也降低了增强材料与基体粉末的密度差要求。也降低了增强材料与基体粉末的密度差要求。（4 4），无偏析、偏聚等缺陷。，无偏析、偏聚等缺陷。（5 5）制

27、备的）制备的MMC可以通过传统的金属加工方法可以通过传统的金属加工方法进行进行。工艺缺点工艺缺点： （1 1）工艺过程复杂。工艺过程复杂。 （2 2）受压机工作吨位限制，制备大尺寸坯件和零受压机工作吨位限制，制备大尺寸坯件和零件困难。件困难。 (3) (3) 材料或制件的致密性较差，基体与增强材料材料或制件的致密性较差，基体与增强材料界面结合欠佳。界面结合欠佳。 三、原位复合三、原位复合 原位复合法是指在复合材料制造过程中，增原位复合法是指在复合材料制造过程中，增强体不是预先制备而是在基体内部就地生成和生强体不是预先制备而是在基体内部就地生成和生长的方法。主要包括长的方法。主要包括共晶合金定向

28、凝固共晶合金定向凝固、直接金直接金属氧化法属氧化法、放热弥散法放热弥散法、高温自蔓延法高温自蔓延法、高能球高能球磨法磨法等。等。 由于增强材料（纤维、颗粒或晶须）从金属由于增强材料（纤维、颗粒或晶须）从金属基体中直接（即原位）生成，增强材料与金属基基体中直接（即原位）生成，增强材料与金属基体相容性问题可以得到较好地解决。因为原位生体相容性问题可以得到较好地解决。因为原位生成的增强相与金属基体之间在晶体结构上出现共成的增强相与金属基体之间在晶体结构上出现共格和半共格的关系，所以格和半共格的关系，所以界面结合良好界面结合良好，生成相，生成相的的热力学稳定性热力学稳定性好，也好，也不存在不存在基体与

29、增强相之间基体与增强相之间的的润湿和界面反应润湿和界面反应等问题。等问题。1.共晶合金定向凝固法共晶合金定向凝固法 把某种把某种共晶成分共晶成分的合金原料在真空或惰性气氛的合金原料在真空或惰性气氛中通过感应加热熔化后，控制冷却方向进行中通过感应加热熔化后，控制冷却方向进行定向定向凝固凝固，析出的共晶相沿着凝固方向整齐排列，其，析出的共晶相沿着凝固方向整齐排列，其中连续相为基体，条状或片层状的分散相为增强中连续相为基体，条状或片层状的分散相为增强体。这样得到的复合材料称为定向凝固共晶复合体。这样得到的复合材料称为定向凝固共晶复合材料。材料。 共晶合金定向凝固法要求合金成分为共晶合金定向凝固法要求

30、合金成分为共晶共晶或或接接近共晶成分近共晶成分 。定向凝固时，参与共晶反应的。定向凝固时，参与共晶反应的和和两相同时从液相中生成，其中一相以棒状（纤维两相同时从液相中生成，其中一相以棒状（纤维状）或层片状规则排列生成，如图所示：状）或层片状规则排列生成，如图所示： 图图 定向凝固共晶合金两相排列生成示意图定向凝固共晶合金两相排列生成示意图 定向凝固共晶复合材料的原位生长条件必须满定向凝固共晶复合材料的原位生长条件必须满足三个条件：足三个条件：（1 1）有正温度梯度（）有正温度梯度（G GL L）的凝固方式；）的凝固方式；（2 2）满足平面凝固条件：对二元共晶材料是）满足平面凝固条件：对二元共晶

31、材料是LElLDCCmVG01G GL L为液相温度梯度；为液相温度梯度；V V1 1为凝固速度；为凝固速度；m mL L为液相线斜率；为液相线斜率； C CE E为共晶成分；为共晶成分；C C0 0为合金成分；为合金成分；D DL L为溶质在液相中的扩散为溶质在液相中的扩散系数。系数。（3）两相的成核和生长要协调进行。）两相的成核和生长要协调进行。 定向凝固共晶复合材料的凝固组织是层片状还定向凝固共晶复合材料的凝固组织是层片状还是棒状（纤维状）取决于共晶中含量较少的组元是棒状（纤维状）取决于共晶中含量较少的组元的体积分数的体积分数f%。在二元共晶中当：。在二元共晶中当： f32%时为层片状时

32、为层片状 在一定的温度梯度的条件下，层片（纤维）在一定的温度梯度的条件下，层片（纤维）间距间距与凝固速度与凝固速度V1之间存在以下关系：之间存在以下关系： 2V1 = K (5-2)其中其中K为常数。为常数。 在满足平面凝固生长条件下，增加定向凝固在满足平面凝固生长条件下，增加定向凝固时的温度梯度时的温度梯度GL，可以加快定向组织生长速度，可以加快定向组织生长速度V1，同时也可以降低层片或纤维间距，有利于提，同时也可以降低层片或纤维间距，有利于提高定向凝固共晶复合材料的性能。高定向凝固共晶复合材料的性能。 定向凝固共晶复合材料主要应用于航空透平机叶定向凝固共晶复合材料主要应用于航空透平机叶片，

33、此外可作为功能复合材料，主要应用于磁、电和片，此外可作为功能复合材料，主要应用于磁、电和热相互作用或叠加效应的压电、电磁和热磁等功能元热相互作用或叠加效应的压电、电磁和热磁等功能元器件。器件。定向凝固共晶复合材料的典型组织定向凝固共晶复合材料的典型组织2.直接金属氧化法（直接金属氧化法（DIMOXTM） 将氧气通入金属熔体中，反应生成金属氧化将氧气通入金属熔体中，反应生成金属氧化物颗粒，弥散在基体金属中得到氧化物颗粒增强物颗粒，弥散在基体金属中得到氧化物颗粒增强复合材料。复合材料。 例如制备例如制备AlAl2 2O O3 3/Al/Al（ Al/ AlAl/ Al2 2O O3 3）, ,则可

34、通过铝则可通过铝液的氧化来获取液的氧化来获取AlAl2 2O O3 3增强相。通常增强相。通常AlAl合金表面迅合金表面迅速氧化，形成结合成紧密的氧化铝膜，这层氧化速氧化，形成结合成紧密的氧化铝膜，这层氧化铝膜使得氧化无法进一步渗透，从而阻止了膜下铝膜使得氧化无法进一步渗透，从而阻止了膜下的铝进一步氧化。的铝进一步氧化。 但在但在DIMOXDIMOXTMTM工艺中，熔化温度上升到工艺中，熔化温度上升到90090013301330，远超过铝的熔点，远超过铝的熔点660660，加入促使氧化反，加入促使氧化反应的合金元素应的合金元素SiSi和和MgMg，使熔化金属通过显微通道，使熔化金属通过显微通道

35、渗透到氧化层外边，并顺序氧化，即铝被氧化，渗透到氧化层外边，并顺序氧化，即铝被氧化，但液铝的渗透通道未被堵塞。该工艺可以根据氧但液铝的渗透通道未被堵塞。该工艺可以根据氧化程度来控制化程度来控制AlAl2 2O O3 3的量。如果这一工艺过程在所的量。如果这一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的、含有料就是致密的、含有5 530%Al30%Al的、互连的的、互连的AlAl2 2O O3 3陶陶瓷基复合材料。瓷基复合材料。 3.放热弥散法（放热弥散法（XDTM）和自蔓延法（）和自蔓延法（SHS） 它们的工艺是：将预期通过反应能

36、够构成增它们的工艺是：将预期通过反应能够构成增强体的两种组分的粉末与基体金属粉末均匀混合，强体的两种组分的粉末与基体金属粉末均匀混合，然后加热到反应温度以上使之发生化学反应，生然后加热到反应温度以上使之发生化学反应，生成粒径成粒径1m1m以下、均匀分布的弥散颗粒，依靠反以下、均匀分布的弥散颗粒，依靠反应放出的热量使反应继续下去，获得应放出的热量使反应继续下去，获得MMCMMC。如。如TiCTiC、TiBTiB2 2、TiNTiN等颗粒增强铝、钛、镍和等颗粒增强铝、钛、镍和NiAlNiAl、TiAlTiAl等等 MMCMMC。 在在XDTM工艺中根据所选择的工艺中根据所选择的原位生成的增强相的类

37、别或形原位生成的增强相的类别或形态，态，选择选择基体和增强相生成所基体和增强相生成所需的需的原材料原材料，如一定粒度的金，如一定粒度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比属粉末，硼或碳粉，按一定比例（反应要求）例（反应要求）混合混合，然后，然后加加热热到金属熔点以上，混合物的到金属熔点以上，混合物的组成元素进行放热反应，以组成元素进行放热反应，以生生成成在基体中弥散的微观颗粒、在基体中弥散的微观颗粒、晶须和片晶等晶须和片晶等增强相增强相。 形成形成TiB2增强的铝基复合材料。增强的铝基复合材料。 形成形成TiC增强钛基复合材料增强钛基复合材料 例如一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉以一定比例例如一定粒度的铝粉

38、、钛粉和硼粉以一定比例混合成型，加热后有以下反应生成混合成型，加热后有以下反应生成TiB2:AlTiBBTiAl2Al + Ti + C TiC + AlXDTM工艺特点：工艺特点：（1）增强相原位形成，具有热稳定性；）增强相原位形成，具有热稳定性；（2）增强相的类型、形态可以选择和设计，如颗）增强相的类型、形态可以选择和设计，如颗粒、晶须等；粒、晶须等；（3）各种金属或金属间化合物（如）各种金属或金属间化合物（如TiAl、Ti3A1和和NiAl等）均可作为基体；等）均可作为基体；（4）复合材料可以采用传统金属加工方法进行二）复合材料可以采用传统金属加工方法进行二次加工。次加工。4.高能球磨法

39、高能球磨法振动式球磨振动式球磨行星式球磨行星式球磨搅拌式球磨搅拌式球磨 过饱和固溶（机械合金化）：过饱和固溶（机械合金化）：Al（Cu）10%以上以上 固态反应：固态反应：Al+CuOAl2O3+Cu 在复合材料制造过程中，既可以直接制成构在复合材料制造过程中，既可以直接制成构件，也可以先制成半成品，再经过后续加工获得件，也可以先制成半成品，再经过后续加工获得成品。对于已成型好的复合材料板材、长条型成品。对于已成型好的复合材料板材、长条型材、管材、棒材等还需要按照设计要求，经过切材、管材、棒材等还需要按照设计要求，经过切割、机械加工、连接或热处理等工艺过程，再装割、机械加工、连接或热处理等工艺

40、过程，再装配成构件。配成构件。 5.3 MMC的二次加工技术的二次加工技术压力加工：热（挤）压、拉拔、轧制、锻造压力加工：热（挤）压、拉拔、轧制、锻造机械加工：车、铣、磨、镗、线切割机械加工：车、铣、磨、镗、线切割热处理：热处理：连接：机械连接、焊接连接：机械连接、焊接修复：修复：表表5-1 金属基复合材料的主要连接方法金属基复合材料的主要连接方法固态连接工艺固态连接工艺摩擦焊接摩擦焊接超声焊接超声焊接扩散焊接扩散焊接液态连接工艺（熔焊）液态连接工艺（熔焊）激光束焊接激光束焊接电子束焊接电子束焊接气体氩弧焊气体氩弧焊快速红外连接快速红外连接其他工艺其他工艺钎焊钎焊铸造镶嵌连接铸造镶嵌连接机械紧

41、固机械紧固粘结粘结 5.3.1 压力加工方法和工艺压力加工方法和工艺 金属基复合材料的压力加工的目的是致密化（消除孔隙），使短金属基复合材料的压力加工的目的是致密化（消除孔隙），使短纤维、晶须定向排列，或成型为某种要求的形状。通常复合材料的纤维、晶须定向排列，或成型为某种要求的形状。通常复合材料的压力加工有如下特点：压力加工有如下特点： 高温高温：在高温下，基体变软，用很小的力就可变形，成型时，：在高温下，基体变软，用很小的力就可变形，成型时，由于纤维仅受到来自基体的弱约束，故能够无变形地在基体内滑由于纤维仅受到来自基体的弱约束，故能够无变形地在基体内滑动。因此在高温时不产生纤维的断裂就可以成

42、型。动。因此在高温时不产生纤维的断裂就可以成型。 低应变速率低应变速率：降低应变速率，有利于应力松弛，减少增强相：降低应变速率，有利于应力松弛，减少增强相/基体界面的应力集中，可有效减小纤维的断裂倾向。基体界面的应力集中，可有效减小纤维的断裂倾向。 特种成型工艺特种成型工艺：如室温锥形金属包层法、滚压成型法等。：如室温锥形金属包层法、滚压成型法等。几种常用的压力加工方法几种常用的压力加工方法:6.3.1.1 挤压与拉拔挤压与拉拔 挤压挤压(extrusion)是在一端施加压是在一端施加压力，将挤压筒内的金属基复合材料通力，将挤压筒内的金属基复合材料通过模子挤出成型的塑性加工方法。在过模子挤出成

43、型的塑性加工方法。在挤压过程中，坯料所处的三向不等的挤压过程中，坯料所处的三向不等的压应力状态使材料的塑性变形能力有压应力状态使材料的塑性变形能力有明显提高。因此，该工艺方法特别适明显提高。因此，该工艺方法特别适合于包括金属基复合材料在内的难变合于包括金属基复合材料在内的难变形、低塑性材料，可以使材料产生很形、低塑性材料，可以使材料产生很大的变形量，从而做到一次成材，获大的变形量，从而做到一次成材，获得棒材、管材、线材、异形材。得棒材、管材、线材、异形材。 拉拔拉拔时的应变场与挤压时的应变场与挤压类似。但在变形区内的应力类似。但在变形区内的应力状态具有较小的等静压缩状态具有较小的等静压缩力。此

44、外，拉拔一般都在较力。此外，拉拔一般都在较低温度下进行。这样造成的低温度下进行。这样造成的结果是在拉拔过程中易形成结果是在拉拔过程中易形成内部空洞，特别是在界面强内部空洞，特别是在界面强度较低的时候。但拉拔后的度较低的时候。但拉拔后的表面粗糙度往往非常低。表面粗糙度往往非常低。5.3.1.2轧制、模锻、旋压轧制、模锻、旋压 轧制轧制是利用具有旋转轧辊的轧机对是利用具有旋转轧辊的轧机对金属基复合材料所进行的塑性加工方金属基复合材料所进行的塑性加工方法。这是金属基复合材料最主要的塑性法。这是金属基复合材料最主要的塑性加工方法，主要适应于基体合金塑性较加工方法，主要适应于基体合金塑性较好（铝、锌等）

45、的非连续增强复合材好（铝、锌等）的非连续增强复合材料，有时也可用于加工连续纤维增强金料，有时也可用于加工连续纤维增强金属基复合材料板材。属基复合材料板材。 6.3 6.3 MMC的二次加工技术的二次加工技术模锻模锻是根据锻件形状要求用特定的是根据锻件形状要求用特定的金属模具来束缚大部分金属基复合金属模具来束缚大部分金属基复合材料的坯锭进行锻造成型的方法。材料的坯锭进行锻造成型的方法。与对应的基体合金相比，在相同工与对应的基体合金相比，在相同工艺条件下金属基复合材料的流变应艺条件下金属基复合材料的流变应力高、塑性低。这就要求压力机具力高、塑性低。这就要求压力机具有较高的吨位，应变速率应尽量降有较

46、高的吨位，应变速率应尽量降低，润滑状况良好，而且要严格控低，润滑状况良好，而且要严格控制工艺温度，温度过低难以变形（制工艺温度，温度过低难以变形（一般要高于基体合金的常规模锻温一般要高于基体合金的常规模锻温度），温度过高则会引起局部早期度），温度过高则会引起局部早期熔化和热裂纹的出现。熔化和热裂纹的出现。 旋压旋压是将平板状或预先成型的金属基复合材料毛坯固定在旋转是将平板状或预先成型的金属基复合材料毛坯固定在旋转模芯的一端，用具有一定边缘形状、可作轴向和径向运动的旋轮对模芯的一端，用具有一定边缘形状、可作轴向和径向运动的旋轮对毛坯加压，经过一次或多次的旋转压加工，得到各种形状和壁厚的毛坯加压，

47、经过一次或多次的旋转压加工，得到各种形状和壁厚的空心回转体制品的塑性加工方法。空心回转体制品的塑性加工方法。1-主轴主轴 2-模芯模芯3-坯料坯料 4-顶块顶块 5-顶尖顶尖 6-旋轮旋轮或赶棒或赶棒5.3.1.3 超塑性及薄板成型工艺超塑性及薄板成型工艺 金属基复合材料的室温塑性普遍低于基体金属，这使其成型及金属基复合材料的室温塑性普遍低于基体金属，这使其成型及应用受到了限制。而超塑性成型具有材料塑性高、变形抗力小、可应用受到了限制。而超塑性成型具有材料塑性高、变形抗力小、可以一次精密成型等优点，尤其适应于非连续增强金属基复合材料的以一次精密成型等优点，尤其适应于非连续增强金属基复合材料的二

48、次塑性加工成型。现在已有充分的研究表明，通过热循环过程中二次塑性加工成型。现在已有充分的研究表明，通过热循环过程中内应力的产生，增强体的存在能促进超塑件行为。内应力的产生，增强体的存在能促进超塑件行为。 这种超塑性的获得不同于要求具有稳定的等轴细晶组织以及特这种超塑性的获得不同于要求具有稳定的等轴细晶组织以及特定的温度和应变速率，这种超塑件被称作内应力超塑性和不匹配诱定的温度和应变速率，这种超塑件被称作内应力超塑性和不匹配诱发的超塑性。发的超塑性。下图给出了下图给出了25mm厚的厚的Bf/Al加工成帽状的成型过程。加工成帽状的成型过程。5.3.1.5 滚压成型法滚压成型法 图图73示出了滚压成

49、型法的示意图。用二张与复合材料相同厚示出了滚压成型法的示意图。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，以防止复合材料末端变平坦，然后用三个辊子滚压成材料略长，以防止复合材料末端变平坦，然后用三个辊子滚压成型。型。5.3.2 机械加工机械加工 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定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定的尺寸、形状和精度的零部件。通常的机械加工方法有车、铣、的尺寸、形状和精度的零部件。通常的机械加工方法有车、铣、钻、锯、抛光等。但复合材料加工

50、会出现一些常规材料所没有的问钻、锯、抛光等。但复合材料加工会出现一些常规材料所没有的问题，如纤维硬且脆（或坚韧），使刀具磨损大；层压复合材料在加题，如纤维硬且脆（或坚韧），使刀具磨损大；层压复合材料在加工时极易分层等。应根据这些特点，采取相应措施，如选择坚硬的工时极易分层等。应根据这些特点，采取相应措施，如选择坚硬的金属合金制造刀具，选择合理的加工余量，制定专门的加工工艺，金属合金制造刀具，选择合理的加工余量，制定专门的加工工艺，加工时应采取一些相应的润滑和冷却措施，有必要时还应设计专门加工时应采取一些相应的润滑和冷却措施，有必要时还应设计专门的加工夹具以保证加工质量。关于的加工夹具以保证加工

51、质量。关于MMC的诸如精细机加工的开发的诸如精细机加工的开发仍处于初期阶段。仍处于初期阶段。以下简要地综述当对以下简要地综述当对MMC应用此类工艺时，应当注意的因素。应用此类工艺时，应当注意的因素。5.3.2.1 机切削机切削 传统的切、车、铣、磨工艺一般都可用于传统的切、车、铣、磨工艺一般都可用于MMC。但是往往会遇到刀具磨损的。但是往往会遇到刀具磨损的问题。一般而言，当增强体的体积分数和尺寸增加时，这类问题更为显著，这是问题。一般而言，当增强体的体积分数和尺寸增加时，这类问题更为显著，这是因为刀具遇到了更多硬的增强体材料。因此，对于一些单纤维增强的因为刀具遇到了更多硬的增强体材料。因此，对

52、于一些单纤维增强的MMC往往往往必须用有金刚石尖或镶嵌有金刚石的刀具。对于短纤维或粒子复合材料，采用碳必须用有金刚石尖或镶嵌有金刚石的刀具。对于短纤维或粒子复合材料，采用碳化钨，甚至是高速钢工具有时也是适用的。但是，增强体的强度也有影响，例化钨，甚至是高速钢工具有时也是适用的。但是，增强体的强度也有影响，例如，研究发现，用如，研究发现，用SiC晶须增强的铝合金要比其他含较弱纤维的复合材料更难加晶须增强的铝合金要比其他含较弱纤维的复合材料更难加工。对于多数工。对于多数MMC，使用锐利的刀具，合适的切削速度和进刀量，大量的冷却，使用锐利的刀具，合适的切削速度和进刀量，大量的冷却润滑剂，可以得到很好

53、的结果。一般都发现，金刚石刀具要比硬质合金及陶瓷刀润滑剂，可以得到很好的结果。一般都发现，金刚石刀具要比硬质合金及陶瓷刀具好，可更适于高速车削。反过来，如果使用碳化物刀具，若车削速度低，则刀具好，可更适于高速车削。反过来，如果使用碳化物刀具，若车削速度低，则刀具寿命长。具寿命长。 6.3 6.3 MMC的二次加工技术的二次加工技术5.3.2.2 电切割电切割 包括利用刀具与工件间电场的一些切割方法都有可能用于包括利用刀具与工件间电场的一些切割方法都有可能用于MMC。电化学机加工电化学机加工是根据有形状的负极决定切削的几何形状，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

54、与工件的间隙之间，用某种离子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。为切割去除复合材料中的长电解质溶液冲洗残屑、未溶解的纤维。为切割去除复合材料中的长纤维，可使用有摩擦力的可动负极，把电化学效应与机械磨削结合纤维，可使用有摩擦力的可动负极，把电化学效应与机械磨削结合起来。起来。 传统的放电加工法（传统的放电加工法（电火花加工电火花加工、电火花线切割电火花线切割）是将移动的）是将移动的电极线浸于某种介电液流当中。材料通过工件表面上的局部高温和电极线浸于某种介电液流当中。材料通过工件表面上的局部高温和液体压力冲刷而达到切削的目的。工件与电极线没有

55、机械接触。由液体压力冲刷而达到切削的目的。工件与电极线没有机械接触。由于这种切割过程是热和力的效应，而不是什么化学过程，陶瓷纤维于这种切割过程是热和力的效应，而不是什么化学过程，陶瓷纤维因而很容易被切割。但是，这种工艺可能很慢，且有可能造成相当因而很容易被切割。但是，这种工艺可能很慢，且有可能造成相当严重的损坏。严重的损坏。 6.3 6.3 MMC的二次加工技术的二次加工技术5.3.2.3 高能光束高能光束(激光刀激光刀)及液体喷流切割及液体喷流切割(喷水刀喷水刀) 各种高能光束都可用来切割各种高能光束都可用来切割MMC。沿着纤维轴向切割，或加。沿着纤维轴向切割，或加工非连续复合材料时，纤维本

56、身并不必要断裂，需要的是基体的工非连续复合材料时，纤维本身并不必要断裂，需要的是基体的切、熔或挥发，所用光束可为切、熔或挥发，所用光束可为激光激光或或电子束电子束等。由于光束造成的热等。由于光束造成的热与机械应力的作用，纤维便有可能熔化、汽化，以致断裂。此外，与机械应力的作用，纤维便有可能熔化、汽化，以致断裂。此外，这种切削工艺有可能对微观组织造成较严重的损坏，其形式可为裂这种切削工艺有可能对微观组织造成较严重的损坏，其形式可为裂纹、界面开裂以及热效应对组织结构的影响。纹、界面开裂以及热效应对组织结构的影响。 激光切割也已被用于工程陶瓷及激光切割也已被用于工程陶瓷及CMC（陶瓷基复合材料）。（

57、陶瓷基复合材料）。 6.3 6.3 MMC的二次加工技术的二次加工技术 使用高速高集中度的喷射流体既可获得较高的切割速度，又不使用高速高集中度的喷射流体既可获得较高的切割速度，又不致于造成显著的损坏，所用液体通常为含悬浮磨料颗粒的水。这种致于造成显著的损坏，所用液体通常为含悬浮磨料颗粒的水。这种方法可用于连续也可用于非连续的方法可用于连续也可用于非连续的MMC。由于不会引起温度的显。由于不会引起温度的显著升高，破坏的原因仅仅是机械的，而且只是在靠近表面的地方，著升高，破坏的原因仅仅是机械的，而且只是在靠近表面的地方，所以从综合洁净与最快切割速率两方面而言，流体喷射技术被认为所以从综合洁净与最快

58、切割速率两方面而言，流体喷射技术被认为是最好的方法。一种与此相关的工艺叫做是最好的方法。一种与此相关的工艺叫做磨损性流体加工磨损性流体加工，用这种，用这种方法往往可获得很低的表面粗糙度，在这种方法中，一种含研磨颗方法往往可获得很低的表面粗糙度，在这种方法中，一种含研磨颗粒的黏滞性流体在压力作用下，流过工件表面，如果要求有抛光的粒的黏滞性流体在压力作用下，流过工件表面，如果要求有抛光的表面，特别是抛光复杂形状工件的表面时，这种方法往往很有用。表面，特别是抛光复杂形状工件的表面时，这种方法往往很有用。 6.3 6.3 MMC的二次加工技术的二次加工技术5.3.2.4 加工方法及设备选择加工方法及设

59、备选择 关于金属基复合材料的加工方法及设备，一般应根据复合材料的关于金属基复合材料的加工方法及设备，一般应根据复合材料的性能特点、零件的结构尺寸、加工形式及要求等选择。性能特点、零件的结构尺寸、加工形式及要求等选择。 (1) 切割切割 巳成型好的复合材料板材、管材、棒材或层压板常需按巳成型好的复合材料板材、管材、棒材或层压板常需按尺寸要求进行切割。常用的切割方式有尺寸要求进行切割。常用的切割方式有机械切割、砂轮切割、高压机械切割、砂轮切割、高压水切割、超声波切割水切割、超声波切割和和激光切割激光切割等。用机械切割纤维复合材料时易等。用机械切割纤维复合材料时易产生毛边或分层现象，故在操作过程中应

60、特别注意。高压水切割、产生毛边或分层现象，故在操作过程中应特别注意。高压水切割、超声切割和激光切割能保证切割精度，自动化程度高，但需专门设超声切割和激光切割能保证切割精度，自动化程度高，但需专门设计的大型设备，加工成本高。当材料比较薄时可用机械剪切断；当计的大型设备，加工成本高。当材料比较薄时可用机械剪切断；当材料横截面积不太大时，可用砂轮片切断；当材料横截面积较大时材料横截面积不太大时，可用砂轮片切断；当材料横截面积较大时可采用一些先进的加工手段，如激光刀、喷水刀、金刚石刀、放电可采用一些先进的加工手段，如激光刀、喷水刀、金刚石刀、放电切割等。切割等。 6.3 6.3 MMC的二次加工技术的