第4章 金属基复合材料的制造技术

1、2022年7月2日星期六1第第4 4章章 金属基复合材料的制造技术金属基复合材料的制造技术2022年7月2日星期六24.1 4.1 概述概述 金属基复合材料制造技术是影响金属基复合材料迅速发展和金属基复合材料制造技术是影响金属基复合材料迅速发展和广泛应用的关键问题。广泛应用的关键问题。 金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于金属基复合材料的的制造方法和工艺。金属基复合材料的的制造方法和工艺。 金属基复合材料的制造相对比较复杂和困难金属基复合材料的制造相对比较复杂和困难: :金属熔点较高，金属熔点较高，需要在高温下操作；同时不少金

2、属对增强体表面润湿性很差，需要在高温下操作；同时不少金属对增强体表面润湿性很差，甚至不润湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体发生甚至不润湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体发生反应。反应。 目前虽然已经研制出不少制造方法和工艺，但仍存在一系列目前虽然已经研制出不少制造方法和工艺，但仍存在一系列问题。因此问题。因此, ,研究发展有效的金属基复合材料制造方法一直是金研究发展有效的金属基复合材料制造方法一直是金属基复合材料研究中最重要的问题之一。属基复合材料研究中最重要的问题之一。 本章将涉及不同金属基复合材料的制造方法、原理及特点等。本章将涉及不同金属基复合材料的制造方法、原理及特点等

3、。2022年7月2日星期六3固态法是在基体金属处于固态情况下，与固态法是在基体金属处于固态情况下，与增强材料混合组成新的复合材料的方法。增强材料混合组成新的复合材料的方法。其中包括粉末冶金法、热压法、热等静压其中包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法等。等。液态法是在基体金属处于熔融状态下，与增液态法是在基体金属处于熔融状态下，与增强材料混合组成新的复合材料的方法。其中强材料混合组成新的复合材料的方法。其中包括：真空压力浸渍法。挤压铸造法、搅拌包括：真空压力浸渍法。挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、热铸造法、液

4、态金属浸渍法、共喷沉积法、热喷涂法等。喷涂法等。新型制造方法包括：原位自生成法、物理新型制造方法包括：原位自生成法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和电镀法及复合镀法等。电镀法及复合镀法等。4.1.1 4.1.1 金属基复合材料制造方法的类型金属基复合材料制造方法的类型固态制造技术固态制造技术液态制造技术液态制造技术新型制造技术新型制造技术2022年7月2日星期六44.1.2 4.1.2 制造技术应具备的条件制造技术应具备的条件(1) (1) 使增强材料均匀地分布金属基体中，满足复合材料结构和强度要求使增强材料均匀地分布金属基体中，满足复合材料结构和强

5、度要求; ;(2) (2) 能使复合材料界面效应、混杂效应或复合效应充分发能使复合材料界面效应、混杂效应或复合效应充分发挥挥;(3) (3) 能够充分发挥增强材料对基休金属的增强、增韧效果能够充分发挥增强材料对基休金属的增强、增韧效果; ; (4) (4) 设备投资少，工艺简单易行，可操作性强；便于实现批量或规模生产设备投资少，工艺简单易行，可操作性强；便于实现批量或规模生产; ;(5) (5) 能制造出接近最终产品的形状，尺寸和结构，减少或避免后加工工序能制造出接近最终产品的形状，尺寸和结构，减少或避免后加工工序. . 2022年7月2日星期六54.1.3 4.1.3 金属基复合材料制造的关

6、键性技术金属基复合材料制造的关键性技术由于金属所固有的物理和化学特性，其加工性能不如树脂由于金属所固有的物理和化学特性，其加工性能不如树脂好，在制造金属基复合材料中还需解决一些关键技术，其好，在制造金属基复合材料中还需解决一些关键技术，其中主要表现于：中主要表现于： 加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应; ;增强材料与基体浸润性差增强材料与基体浸润性差; ;增强材料在基体中的分布。增强材料在基体中的分布。2022年7月2日星期六6在加工过程中，为了确保基体的浸润性和流动性，需要采用很在加工过程中，为了确保基体的浸润性和流动性，需要采用很高的加工温度（

7、往往接近或高于基体的熔点）。在高温下，基高的加工温度（往往接近或高于基体的熔点）。在高温下，基体与增强材料易发生界面反应，有时会发生氧化生成有害的反体与增强材料易发生界面反应，有时会发生氧化生成有害的反应产物。这些反应往往会对增强材料造成损害，形成过强结合应产物。这些反应往往会对增强材料造成损害，形成过强结合界面。过强结合界面会使材料产生早期低应力破坏。高温下反界面。过强结合界面会使材料产生早期低应力破坏。高温下反应产物通常呈脆性，会成为复合材料整体破坏的裂纹源。因此应产物通常呈脆性，会成为复合材料整体破坏的裂纹源。因此控制复合材料的加工温度是一项关键技术。控制复合材料的加工温度是一项关键技术

8、。解决的方法是：解决的方法是： 尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应时尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应时 间降低至最低程度；间降低至最低程度； 通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快；通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快； 采用扩散粘接法可有效地控制温度并缩短时间。采用扩散粘接法可有效地控制温度并缩短时间。2022年7月2日星期六7增强材料与基体浸润性差是金属基复合材料制造的又一关键增强材料与基体浸润性差是金属基复合材料制造的又一关键技术，绝大多数的金属基复合材料如：碳技术，绝大多数的金属基复合材料如：碳/ /铝、碳铝、碳/ /镁、碳化镁、碳化硅硅/ /铝

9、、氧化铝铝、氧化铝/ /铜等，基体对增强材料浸润性差，有时根本铜等，基体对增强材料浸润性差，有时根本不发生润湿现象。不发生润湿现象。解决的方法是：解决的方法是： 加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强材料的加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强材料的 浸浸 润性，常用的合金元素有：钛、锆，铌、铈等；润性，常用的合金元素有：钛、锆，铌、铈等； 对增强材料进行表面处理，涂敷一层可抑制界面反应的对增强材料进行表面处理，涂敷一层可抑制界面反应的 涂层，可有效改善其浸润性，涂层，可有效改善其浸润性， 表面涂层涂覆方法较多，表面涂层涂覆方法较多， 如化学气相沉积，物理气相沉积，溶胶凝胶和电镀或如化

10、学气相沉积，物理气相沉积，溶胶凝胶和电镀或 化学化学 镀等。镀等。 2022年7月2日星期六8按结构设计需求，使增强材料按所需方向均匀地分布于基体中按结构设计需求，使增强材料按所需方向均匀地分布于基体中也是金属基复合材料制造中的关键技术之一。增强材料的种类也是金属基复合材料制造中的关键技术之一。增强材料的种类较多，如短纤维、晶须、颗粒等，也有直径较粗的单丝，直径较多，如短纤维、晶须、颗粒等，也有直径较粗的单丝，直径较细的纤维束等。在尺寸形态、理化性能上也有很大差异，使较细的纤维束等。在尺寸形态、理化性能上也有很大差异，使其均匀地、或按设计强度的需要分布比较困难。其均匀地、或按设计强度的需要分布

11、比较困难。解决的方法是：解决的方法是： 对增强体进行适当的表面处理，使其浸渍基体速度加快；对增强体进行适当的表面处理，使其浸渍基体速度加快； 加入适当的合金元素改善基体的分散性；加入适当的合金元素改善基体的分散性； 施加适当的压力，使其分散性增大。施加适当的压力，使其分散性增大。 施加外场施加外场( (磁场磁场, ,超声场等超声场等) )2022年7月2日星期六94.2 4.2 固态制造技术固态制造技术固态制造技术主要包括：固态制造技术主要包括：粉末冶金粉末冶金热压热压热等静压热等静压热轧热轧热挤压热挤压热拉热拉爆炸焊接爆炸焊接2022年7月2日星期六10粉末冶金粉末冶金是制取金属或用金属粉末

12、（或金属粉末与非金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、属材料、复合材料复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。发展中起着举足轻重的作用。2022年

13、7月2日星期六11粉末冶金工艺的基本工序是：粉末冶金工艺的基本工序是：1 1、原料粉末的制备。、原料粉末的制备。现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。而机械法可分为：机械粉碎及雾化法；物理化学法又分而机械法可分为：机械粉碎及雾化法；物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原- -化合法、气相化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。沉积法、液相沉积法以及电解法。2022年7月2日星期六12不锈钢真空球磨罐不锈钢真空球磨罐QM-QM-星行球磨机星行球磨机2022年7月2日星期六13球磨工艺球

14、磨时间球料比球磨转速球磨气氛（干磨、湿磨）2022年7月2日星期六14球磨工艺-球磨时间2022年7月2日星期六15球磨工艺-球料比球料比越大，硬质粉体越细小。而塑性较好的金属粉体如图2022年7月2日星期六162022年7月2日星期六17 2 2、压制成坯块。、压制成坯块。成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型。型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型。2022年7月2日星期六18液压式压力机液压式压

15、力机压力机压力表压力机压力表压力机压力压力机压力调节阀调节阀上模上模下模下模2022年7月2日星期六19液压机原理图液压机原理图2022年7月2日星期六202022年7月2日星期六21我国粉末冶金专家黄培云教授得出粉末体密度的变化与压制压力的关系式，即双对数压制方程： 式中dm致密合金的密度； d0压坯原始密度； d压坯密度； P压制压力； n常数，硬化指数的倒数； M常数，相当于压制模量。采用模压成型压制出的压坯致密度可达58-62%。2022年7月2日星期六22lnln()()lnlnddddd dnPMmm00脱脂在试样烧结前，必须将成形剂脱除掉。成形剂的挥发温度通常是200-400，如

16、在此温度未脱除干净，炉内温度继续上升时，成形剂将裂解而使烧结体增碳，同时产生大量的气孔。脱脂在还原气氛炉内进行。2022年7月2日星期六23在200 到400 之间升温和保温时间都很长，其目的就是使成形剂充分挥发。加热到800 并短时保温的目的是提高压坯的强度。2022年7月2日星期六242022年7月2日星期六25 烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。烧结又分为过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和多元系的固相烧单元系烧结和多元系烧结。对于单元系

17、和多元系的固相烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低；对于多元系结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低；对于多元系的液相烧结，烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低，而的液相烧结，烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点。除普通烧结外，还有松装烧结、熔高于易熔成分的熔点。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。浸法、热压法等特殊的烧结工艺。 温度温度, ,时间时间, ,气氛气氛. .3 3、坯块的烧结、坯块的烧结2022年7月2日星期六26箱式电阻炉箱式电阻炉2022年7月2日星期六27真空烧结炉真空烧结炉2022年7月2日星期六28烧结后的处理，可以根据产品

18、要求的不同，采取多种方烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外，近式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果。结后的加工，取得较理想的效果。4 4、产品的后序处理、产品的后序处理2022年7月2日星期六29（2 2）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体 等等一系列高性能一系列高性能非平衡材料，这些材料具有非平衡材料，这些材料具有优异的电优异的电 学、磁学、光

19、学和力学性能。学、磁学、光学和力学性能。（1 1）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除消除 粗大粗大、不、不均匀的均匀的铸造组织。在制备高性能铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土永磁材料、 稀土稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导高温超导 材料材料、新型金属材料（如、新型金属材料（如Al-LiAl-Li合金、耐热合金、耐热AlAl合金、合金、 超合金超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物金属间化合物 高温结构材料等）具有重要的作用。高温结构材料等）

20、具有重要的作用。粉末冶金具有以下特点粉末冶金具有以下特点: :2022年7月2日星期六30（6 6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收 废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合综合 利用的新技术。利用的新技术。（3 3）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料 各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复 合材料的工艺技术。合材料的工艺技术。（4 4）可以生产普通熔炼法无法生

21、产的具有特殊结构和性能的）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的 材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、 高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。（5 5）可以实现净近形成形和自动化批量生产，从而，可以有）可以实现净近形成形和自动化批量生产，从而，可以有 效地降低生产的资源和能源消耗。效地降低生产的资源和能源消耗。2022年7月2日星期六31 粉末冶金是最早用来制造金属基复合材料的方法，早在粉末冶金是最早用来制造金属基复合材料的方法，早在19611961年年KopenaalKopenaal等人就利用粉末

22、冶金法制造纤维体积含量为等人就利用粉末冶金法制造纤维体积含量为20204040的碳铝复合材料，但由于性能很低，也无有效的碳铝复合材料，但由于性能很低，也无有效措施加以提高，这种方法已不用来制造长纤维增强复合材料，措施加以提高，这种方法已不用来制造长纤维增强复合材料，而主要用于制造颗粒或晶须增强金属基复合材料。而主要用于制造颗粒或晶须增强金属基复合材料。2022年7月2日星期六321 1、工艺过程及注意事项、工艺过程及注意事项美国的美国的DWADWA公司用此法制造了不同成分的铝合金基体和公司用此法制造了不同成分的铝合金基体和不同颗粒（晶须）含量的复合材料及各种零件、管材、不同颗粒（晶须）含量的复

23、合材料及各种零件、管材、型材和板材，它们具有很高的比强度、比模量和耐磨型材和板材，它们具有很高的比强度、比模量和耐磨性，已用于汽车、飞机、航天器等。性，已用于汽车、飞机、航天器等。2022年7月2日星期六33 粉末冶金法也被用来制造钛基、金属间化合物基复合材粉末冶金法也被用来制造钛基、金属间化合物基复合材料。例如，含料。例如，含TiCTiC颗粒颗粒1010的的TiC/TiTiC/Ti6Al6Al4V4V复合材料，其复合材料，其650650的高温弹性模量提高于的高温弹性模量提高于1515，使用温度可提高，使用温度可提高100100。 基体粉末和颗粒（晶须）增强材料的混合均匀以及基体基体粉末和颗粒

24、（晶须）增强材料的混合均匀以及基体粉末的防止氧化是整个工艺的关键，必须采取有效措施。粉末的防止氧化是整个工艺的关键，必须采取有效措施。 与搅拌铸法相比，在粉末冶金法中颗粒（晶须）的含量与搅拌铸法相比，在粉末冶金法中颗粒（晶须）的含量不受限制，尺寸也可以在较大范围内变化，但材料的成本较不受限制，尺寸也可以在较大范围内变化，但材料的成本较高，制造大尺寸的零件和坯料有一定困难。高，制造大尺寸的零件和坯料有一定困难。2022年7月2日星期六342 2、工艺适应性、工艺适应性 该工艺适于制造该工艺适于制造SiCSiCp p/Al/Al、SiCSiCW W/Al/Al、AlAl2 2O O3 3/Al/A

25、l、TiBTiB2 2/Ti/Ti等等金属基复合材料零部件、板材或锭坯等。金属基复合材料零部件、板材或锭坯等。 常用的增强材料有：常用的增强材料有：SiCSiCP P、AlAl2 2O O3 3、SiCSiC、W W、B B4 4C CP P等颗粒、等颗粒、晶须及短纤维等。晶须及短纤维等。 常用的基体金属有：常用的基体金属有：AlAl、CuCu、TiTi等。等。2022年7月2日星期六354.2.2 4.2.2 热压和热等静压技术热压和热等静压技术热压法和热等静压法亦称扩散粘接法，是加压焊接的一种，因热压法和热等静压法亦称扩散粘接法，是加压焊接的一种，因此有时也称扩散焊接法。它是在较长时间的高

26、温及不大的塑性此有时也称扩散焊接法。它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。变形作用下依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。扩散粘接过程可分为三个阶段扩散粘接过程可分为三个阶段： 粘接表面之间的最初接触，由于加热和加压使表面发生变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（通常是氧化膜）破坏；形、移动、表面膜（通常是氧化膜）破坏； 随着时间的进行发生界面扩散和体扩散，使接触面粘接；随着时间的进行发生界面扩散和体扩散，使接触面粘接； 由于热扩散结合界面最终消失，粘接过程完成。由于热扩散结合界面最终消失，粘接过程完成。2022年7月2日

27、星期六36 在发动机制造中，热等静压机已用于粉末高温合金在发动机制造中，热等静压机已用于粉末高温合金涡轮涡轮盘和盘和压气盘的成型。压气盘的成型。 粉末高温合金热等静压或热等静压加锻造的盘件已在多种粉末高温合金热等静压或热等静压加锻造的盘件已在多种高推重比航空发动机上应用。同样，热等静压还用于制造粉高推重比航空发动机上应用。同样，热等静压还用于制造粉末钛合金风扇盘和飞机上的粉末铝合金和粉末钛合金承力构末钛合金风扇盘和飞机上的粉末铝合金和粉末钛合金承力构件。在航天器制造工业中，热等静压主要用于制造致密的碳件。在航天器制造工业中，热等静压主要用于制造致密的碳质结构件，如火箭的舵面和固体火箭发动机喷管

28、喉衬等。质结构件，如火箭的舵面和固体火箭发动机喷管喉衬等。 各种合金的精密铸件，如高温合金涡轮叶片和铸钛机匣等，各种合金的精密铸件，如高温合金涡轮叶片和铸钛机匣等，经热等静压致密化处理可消除内部疏松和缩孔，提高性能、经热等静压致密化处理可消除内部疏松和缩孔，提高性能、可靠性和使用寿命。热等静压还是返修旧件以延长使用寿命可靠性和使用寿命。热等静压还是返修旧件以延长使用寿命的一种有效方法。的一种有效方法。2022年7月2日星期六37 热等静压设备的组成热等静压设备的组成: :大多数生产型热等静压机的最高使用温度约大多数生产型热等静压机的最高使用温度约14001400C C，最大，最大压力在压力在1

29、00100200200兆帕兆帕(1000(100020002000大气压大气压) )之间。现代最大的之间。现代最大的热等静压机的总吨位热等静压机的总吨位约约4040万千牛（万千牛（4 4万吨力）。万吨力）。 压力容器压力容器加热炉加热炉压缩机压缩机真空泵真空泵冷却装置冷却装置计算机控制系统计算机控制系统影响扩散粘接过程的主要参数是温度、压力和一定温度及影响扩散粘接过程的主要参数是温度、压力和一定温度及压力下维持的时间，其中温度和气氛最为重要压力下维持的时间，其中温度和气氛最为重要. .2022年7月2日星期六38Bodycote IMT Inc. 公司的一台大型公司的一台大型 QUINTUS热

30、等静压机热等静压机 , , 炉体热区直径炉体热区直径 1.68 1.68 米米 2022年7月2日星期六39在热等静压机中生产从金属粉末直接成型的接近净形状零件在热等静压机中生产从金属粉末直接成型的接近净形状零件 2022年7月2日星期六40在热等静压机中处理的钛合在热等静压机中处理的钛合金金铸件铸件, , 用于消除在铸造过用于消除在铸造过程中形成的内部微空和缺陷程中形成的内部微空和缺陷 2022年7月2日星期六41在热等静压机中处理的人工在热等静压机中处理的人工关节关节, , 用于消除在铸造过程用于消除在铸造过程中形成的内部微空和中形成的内部微空和缺陷缺陷2022年7月2日星期六42工艺适用

31、性工艺适用性（1 1）热压技术）热压技术 热压技术适用于制造热压技术适用于制造B/AlB/Al、SiC/AlSiC/Al、SiC/TiC/AlSiC/TiC/Al、C/MgC/Mg等等. . 复合材料零部件，管材和板材等。复合材料零部件，管材和板材等。 常用的增强材料有：常用的增强材料有：B B、SiCSiC、C C和和W W等。等。 常用的基体金属有：常用的基体金属有：AlAl，TiTi、CuCu、耐热合金等。、耐热合金等。（2 2）热等静压技术）热等静压技术 此技术适用于制造此技术适用于制造B/AlB/Al、SiC/TiSiC/Ti管材。管材。 常用的增强材料有：常用的增强材料有：B B、

32、SiCSiC、W W等。等。 常用的基体金属有：常用的基体金属有：AlAl、TiTi和超合金等。和超合金等。2022年7月2日星期六434.2.3 4.2.3 热轧、热挤压和热拉技术热轧、热挤压和热拉技术金属材料中成熟的成型加工工艺，在此用于制造复合材料。金属材料中成熟的成型加工工艺，在此用于制造复合材料。热轧法热轧法热挤压法热挤压法热拉法热拉法2022年7月2日星期六44热轧法主要用来将已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基热轧法主要用来将已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材。复合材料锭坯进一步加工成板材。由金属箔和连续纤维组成的预制片制成板材，如铝箔与硼纤维、

33、由金属箔和连续纤维组成的预制片制成板材，如铝箔与硼纤维、铝箔与钢丝。铝箔与钢丝。为了提高粘接强度，常在纤维上涂银、镍、铜等涂层，为了提高粘接强度，常在纤维上涂银、镍、铜等涂层，轧制时轧制时为了为了防止氧化常用钢板包覆。防止氧化常用钢板包覆。与金属材料的轧制相比，长纤维金属箔轧制时每次的变形量与金属材料的轧制相比，长纤维金属箔轧制时每次的变形量小、轧制道次多。小、轧制道次多。对于颗粒或晶须增强金属基复合材料板材，先经粉末冶金或热对于颗粒或晶须增强金属基复合材料板材，先经粉末冶金或热压成坯料，再经热轧成复合材料板材。压成坯料，再经热轧成复合材料板材。适用的复合材料适用的复合材料: :SiCp-Al

34、、SiCW-Cu、Al2O3W-Al、Al2O3W-Cu等。等。2022年7月2日星期六45热轧机工作原理示意图热轧机工作原理示意图铝锭铝锭熔炼炉熔炼炉静置炉静置炉过滤过滤铸嘴铸嘴轧机轧机中间机组中间机组卷取机卷取机热轧系统基本流程为：热轧系统基本流程为：2022年7月2日星期六46热轧区放大示意图热轧区放大示意图厚度厚度: 0.3-12mm; 宽度宽度:600-1560mm; 剪切长度剪切长度: 500-4500mm; 机列速度机列速度: 90m/min. 产品指标产品指标2022年7月2日星期六47 热挤压和热拉主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基热挤压和热拉主要用于颗粒、晶须、短纤维增强

35、金属基复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管材、型材、复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管材、型材、棒材等。经挤压，拉拔后复合材料的组织变得均匀、缺陷减棒材等。经挤压，拉拔后复合材料的组织变得均匀、缺陷减少或消除，性能明显提高，短纤维和晶须还有一定的择优取少或消除，性能明显提高，短纤维和晶须还有一定的择优取向，轴向拉伸强度提高很多。向，轴向拉伸强度提高很多。 热挤压和热拉对制造金属丝增强金属基复合材料是很有热挤压和热拉对制造金属丝增强金属基复合材料是很有效的方法，具体做法是在基体金属坯料上钻长孔，将增强金效的方法，具体做法是在基体金属坯料上钻长孔，将增强金属制成棒放入基体金属的孔中，

36、密封后进行热挤压或热拉，属制成棒放入基体金属的孔中，密封后进行热挤压或热拉，增强金属棒变成丝。也有将颗粒或晶须与基体金属粉末混匀增强金属棒变成丝。也有将颗粒或晶须与基体金属粉末混匀后装入金属管中，密封后直接热挤压或热拉成复合材料管材后装入金属管中，密封后直接热挤压或热拉成复合材料管材或棒材的。或棒材的。 工艺适用性工艺适用性: C/Al,Al2O3/Al复合材料棒材和管材复合材料棒材和管材.增强体增强体主要有主要有: B,SiC,W等等,基体主要为基体主要为Al. 按按流动特性流动特性和和挤压力的变化规律挤压力的变化规律，可将挤压过程，可将挤压过程分为：分为： 填充挤压阶段填充挤压阶段：金属在

37、挤：金属在挤压杆（力）的作用下首先充满挤压杆（力）的作用下首先充满挤压筒和模孔（压筒和模孔（金属主要径向流金属主要径向流动动），挤压力急剧升高；），挤压力急剧升高； 基本挤压阶段基本挤压阶段：又称：又称层流层流挤压阶段，金属不发生紊乱流动，挤压阶段，金属不发生紊乱流动，即锭外（内）层金属出模后仍在即锭外（内）层金属出模后仍在外（内）层，挤压力稳中有降；外（内）层，挤压力稳中有降；挤压杆行程挤压杆行程挤挤压压力力 填充阶段填充阶段基本阶段基本阶段终了阶段终了阶段 终了挤压阶段终了挤压阶段：又称：又称紊流紊流挤压阶段，金属发生紊挤压阶段，金属发生紊乱流动，即外层进入内层，挤压力上升。乱流动，即外层

38、进入内层，挤压力上升。（1 1）填充）填充挤压阶段挤压阶段 P 挤压时，为便于将锭坯放挤压时，为便于将锭坯放入筒中，常使锭坯外径小于入筒中，常使锭坯外径小于筒内径筒内径115mm，因此在挤，因此在挤压力的作用下，锭坯首先压力的作用下，锭坯首先径径向流动向流动充满挤压筒，同时有充满挤压筒，同时有少量金属流入模孔。少量金属流入模孔。杆、垫杆、垫片、锭坯开始接触到锭坯充片、锭坯开始接触到锭坯充满挤压筒的阶段称为填充挤满挤压筒的阶段称为填充挤压阶段压阶段。A 必要性必要性 a 操作要求；操作要求； b 实心锭挤管，实心锭挤管， 否则穿孔针弯曲导致管材偏心否则穿孔针弯曲导致管材偏心 ； c 制品要求横向

39、性能，制品要求横向性能， 如航空用型材必须有一定如航空用型材必须有一定的镦粗变形（的镦粗变形（2530） B 应力分析应力分析 TNNPTTT 作用于坯料上的作用于坯料上的外力外力： 挤压力：挤压力： P ； 模端面反力：模端面反力： N ； 摩擦力：摩擦力： T。基本应力状态基本应力状态类似于自由体镦粗，类似于自由体镦粗，为为三向压应力三向压应力，即即轴向应力轴向应力L、径、径向应力向应力r、周向应力、周向应力。且可看成。且可看成是主应力，但由于模孔的存在，导是主应力，但由于模孔的存在，导致致L分布不均匀，分布不均匀，体现在：体现在：径向径向： 中心小，两边大，差异由中心小，两边大，差异由前

40、向后逐渐减小。前向后逐渐减小。轴向轴向： 对着模孔部分：由前向后增大对着模孔部分：由前向后增大 对着模壁部分：由前向后减小对着模壁部分：由前向后减小C 变形（应变）分析变形（应变）分析 应变状态应变状态：一向压缩（轴向）、二向延伸（径向、：一向压缩（轴向）、二向延伸（径向、周向）周向） 变形过程变形过程：开始出鼓形，：开始出鼓形， 中部首先中部首先充满挤压筒；充满挤压筒；继续加力继续加力，上部充满，上部充满挤压筒；最后挤压筒；最后，下部充满，下部充满挤压筒。挤压筒。 PPPD 坯料端面变形分析坯料端面变形分析 PNNL 填充挤压时，部分金属会填充挤压时，部分金属会流入模孔，但此部分金属并不流入

41、模孔，但此部分金属并不是发生塑性变形后流入模孔的，是发生塑性变形后流入模孔的，而是而是被剪出被剪出的，其的，其组织是铸态组织是铸态组织组织，必须切下（棒材头）。，必须切下（棒材头）。 原因原因：轴向应力在径向上的分布是不均匀的，且在：轴向应力在径向上的分布是不均匀的，且在模孔周围最大，这种应力突变会产生很大的切应力，当模孔周围最大，这种应力突变会产生很大的切应力，当此切应力达到材料的剪切极限时，对着模孔部分的金属此切应力达到材料的剪切极限时，对着模孔部分的金属便沿模孔被剪出。便沿模孔被剪出。 E 填充阶段应注意的问题填充阶段应注意的问题 a 尽量减小变形量尽量减小变形量（锭坯与挤压筒的间隙），

42、（锭坯与挤压筒的间隙），否则易造成：制品性能不均匀；棒材头大，即切头大；否则易造成：制品性能不均匀；棒材头大，即切头大；低塑性材料易出现表面裂纹。此阶段的变形量用低塑性材料易出现表面裂纹。此阶段的变形量用填充填充挤压系数挤压系数表征，定义填充挤压系数为：表征，定义填充挤压系数为：锭筒FFkt一般一般10. 105. 1tk b 锭坯的长度与直径比小于锭坯的长度与直径比小于34，即，即L/D|L| L0, r0, |r| L0, |r|III区为死区：三向等值压应力区为死区：三向等值压应力IV区为剪切变形区区为剪切变形区轴向应力轴向应力L分布分布： 轴向上：由前向后逐渐轴向上：由前向后逐渐增大；

43、增大； 径向上：由中心向边部逐渐增大。径向上：由中心向边部逐渐增大。PNNNT1 L2 2 C 变形（应变）分析变形（应变）分析 应变状态应变状态：二向压缩（径向、周向）、一向延伸：二向压缩（径向、周向）、一向延伸（轴向）（轴向） 变形规律（应变分布）变形规律（应变分布）：可由此阶段坐标：可由此阶段坐标网格网格变化变化分析，如下图。分析，如下图。nl1nlnl 1nlnn 1n1nnl1nlnl 1nlnn 1n1n a 纵向纵向（水平方向）网格在进、出模孔发生（水平方向）网格在进、出模孔发生方向相反的两次弯曲，弯曲程度由内向外逐渐增方向相反的两次弯曲，弯曲程度由内向外逐渐增大，说明变形是不均

44、匀的。分别连接两次弯曲的大，说明变形是不均匀的。分别连接两次弯曲的弯折点可得两个曲面，一般将此两曲面与模孔锥弯折点可得两个曲面，一般将此两曲面与模孔锥面或死区界面所围成的区域叫变形区压缩锥，或面或死区界面所围成的区域叫变形区压缩锥，或简称简称变形区变形区。 nl1nlnl 1nlnn 1n1n b 在变形区中，在变形区中，横向横向（垂直方向）网格的中心（垂直方向）网格的中心朝前，且越接近模孔弯曲越大，说明朝前，且越接近模孔弯曲越大，说明中心质点的流速中心质点的流速大于外层质点的流速大于外层质点的流速，且差异越接近模孔越大。这是，且差异越接近模孔越大。这是因为：因为： 外摩擦影响：外层大，中心小

45、；外摩擦影响：外层大，中心小； 断面温度分布：一般外层低，中心高；断面温度分布：一般外层低，中心高； 模孔的存在使中心质点的流动阻力小于外层质点。模孔的存在使中心质点的流动阻力小于外层质点。 nl1nlnl 1nlnn 1n1n c 制品的网格也有制品的网格也有畸变畸变，表现在：，表现在： 横向线的弯曲程度以及弯曲顶点的间距由前向横向线的弯曲程度以及弯曲顶点的间距由前向后逐渐增大，说明后逐渐增大，说明变形变形（延伸变形和剪切变形）（延伸变形和剪切变形）由前由前向后逐渐增大向后逐渐增大。 中心网格变成近似矩形，外层网格变成平行四中心网格变成近似矩形，外层网格变成平行四边形，说明外层质点不仅承受了

46、纵向延伸，还承受了边形，说明外层质点不仅承受了纵向延伸，还承受了附加的剪切变形，且附加的剪切变形，且剪切变形由中心向外层逐渐增大剪切变形由中心向外层逐渐增大。 变形规律总结变形规律总结： 径向上：外层大，中心小；径向上：外层大，中心小； 轴向上：后端大，前端小；轴向上：后端大，前端小； 变形差异：由前向后逐渐增加；变形差异：由前向后逐渐增加； 流动速度：中心大，外层小；流动速度：中心大，外层小； 总体看流动平稳（层流）。总体看流动平稳（层流）。变变形形前前后后外层外层中心中心d 挤压筒内金属分区挤压筒内金属分区 死区（前端难变形区）死区（前端难变形区）变形区变形区后后端端难难变变形形区区剧烈滑

47、移区剧烈滑移区 前端难变形区前端难变形区 又称又称死区死区，位于筒、模交，位于筒、模交界处的环形区域，是由于筒、模的界处的环形区域，是由于筒、模的摩擦和冷却摩擦和冷却，使，使此部分金属不易变形形成的。此部分金属不易变形形成的。死区在基本挤压阶段死区在基本挤压阶段基本不参与流动基本不参与流动。死区（前端难变形区）死区（前端难变形区）变形区变形区后后端端难难变变形形区区剧烈滑移区剧烈滑移区 死区死区的顶部能阻碍锭坯的表面缺陷进入变的顶部能阻碍锭坯的表面缺陷进入变形区而流入制品，因此形区而流入制品，因此能提高制品的表面质量能提高制品的表面质量。 影响死区大小的因素：模角、摩擦、挤压温影响死区大小的因

48、素：模角、摩擦、挤压温度等，随这些参数的增大，死区增大，如平模挤度等，随这些参数的增大，死区增大，如平模挤压时死区大。压时死区大。 后端难变形区后端难变形区 位于垫片端面附近，是由于位于垫片端面附近，是由于筒、垫片的摩擦和冷却，使此部分金属不易变形形筒、垫片的摩擦和冷却，使此部分金属不易变形形成的，在基本挤压末期，此区域逐渐变成一小楔形成的，在基本挤压末期，此区域逐渐变成一小楔形区。区。死区（前端难变形区）死区（前端难变形区）变形区变形区后后端端难难变变形形区区剧烈滑移区剧烈滑移区死区（前端难变形区）死区（前端难变形区）变形区变形区后后端端难难变变形形区区剧烈滑移区剧烈滑移区 在变形区中，有一

49、个在变形区中，有一个剧烈滑移区剧烈滑移区，处于死，处于死区和快速流动区之间。变形越不均匀，此区越大，区和快速流动区之间。变形越不均匀，此区越大，因此随挤压过程的进行，此区不断扩大。因此随挤压过程的进行，此区不断扩大。 剧烈滑移会导致晶粒过渡破碎，易导致制品剧烈滑移会导致晶粒过渡破碎，易导致制品表面出现微裂纹和组织粗大（粗晶环），导致制表面出现微裂纹和组织粗大（粗晶环），导致制品性能下降。品性能下降。（3）终了）终了挤压挤压阶段阶段 筒内筒内锭坯长度减小到接近变形区高度时的流动阶段锭坯长度减小到接近变形区高度时的流动阶段。 nl1nlnl 1nlnn 1n1n主要特征主要特征： A 挤压力升高；

50、（死区参与流动、温度低）挤压力升高；（死区参与流动、温度低） B 金属径向流速增加，金属径向流速增加，金属环流金属环流（紊流）（维持（紊流）（维持体积不变规律）。体积不变规律）。 实际生产中，在此阶段停止挤压（留压余）实际生产中，在此阶段停止挤压（留压余）。2022年7月2日星期六682022年7月2日星期六69挤压铸造生产工艺过程：挤压铸造生产工艺过程：复合材料的熔化复合材料的熔化模具的准备模具的准备金属的浇注金属的浇注液态金属的加压液态金属的加压保压和去压保压和去压取样品取样品( (清理、预热、喷涂润滑剂清理、预热、喷涂润滑剂) )2022年7月2日星期六70合理选择工艺参数合理选择工艺参

51、数 压力大小对铸件的物理力学性能、铸造缺陷、组织、偏压力大小对铸件的物理力学性能、铸造缺陷、组织、偏析、熔点及相平衡等都有直接影响。所以确定成形必须的单析、熔点及相平衡等都有直接影响。所以确定成形必须的单位压力是很重要的。如果比压过小，铸件表面与内在质量都位压力是很重要的。如果比压过小，铸件表面与内在质量都不能达到技术指标；比压过大，对性能的提高不十分明显，不能达到技术指标；比压过大，对性能的提高不十分明显，还容易使模具损坏，且要求较大合模力的设备。挤压铸造试还容易使模具损坏，且要求较大合模力的设备。挤压铸造试验是在验是在2000kN2000kN油压机上进行的。试验证明，适合于铝合金车油压机上

52、进行的。试验证明，适合于铝合金车轮挤压铸造的比压应在轮挤压铸造的比压应在505060MPa60MPa范围内选取。范围内选取。 加压开始时间加压开始时间. . 在车轮挤压过程中，其加压开始时的间在车轮挤压过程中，其加压开始时的间隔时间过长，铸件的强度及伸长率降低。一般采用开始加压隔时间过长，铸件的强度及伸长率降低。一般采用开始加压时间是时间是3 35s5s，较为合适。，较为合适。2022年7月2日星期六71 加压速度加压速度. . 挤压铸造要求一定的加压速度，在可能情况下，挤压铸造要求一定的加压速度，在可能情况下，以加压速度快一点为好。加压速度快，则凸模能很快地将压力以加压速度快一点为好。加压速

53、度快，则凸模能很快地将压力施加于金属上，便于成形、结晶和塑性变形。但也不宜过快，施加于金属上，便于成形、结晶和塑性变形。但也不宜过快，否则会使部分合金熔液的表面产生飞溅及涡流，使铸件产生缺否则会使部分合金熔液的表面产生飞溅及涡流，使铸件产生缺陷，以及在凸、凹模之间的间隙中流出过多的合金熔液，形成陷，以及在凸、凹模之间的间隙中流出过多的合金熔液，形成难以去除的纵向毛刺。因此，必须使凸模缓慢地压入液态金属难以去除的纵向毛刺。因此，必须使凸模缓慢地压入液态金属中。由于使用的油压机工作进给速度较慢，故利用工作行程的中。由于使用的油压机工作进给速度较慢，故利用工作行程的速度进行压制。速度进行压制。 保压

54、时间保压时间. . 压力保持时间主要取决于铸件厚度，在保证成压力保持时间主要取决于铸件厚度，在保证成形和结晶凝固条件下，保压时间以短为好。但是保压时间过短，形和结晶凝固条件下，保压时间以短为好。但是保压时间过短，则铸件内部容易产生缩孔，如果保压时间过长，则会延长生产则铸件内部容易产生缩孔，如果保压时间过长，则会延长生产周期，增加变形抗力，降低模具使用寿命。周期，增加变形抗力，降低模具使用寿命。考虑车轮的壁厚情况，挤压铸造的保压时间选用考虑车轮的壁厚情况，挤压铸造的保压时间选用12 s12 s左右。左右。2022年7月2日星期六72 模具预热温度模具预热温度. .模具若不预热，合金熔液注入型腔后

55、会很快模具若不预热，合金熔液注入型腔后会很快凝固，导致来不及加压；但预热温度也不能过高，否则会延长凝固，导致来不及加压；但预热温度也不能过高，否则会延长保压时间，降低生产率，同时也不利于喷涂润滑剂。对本车轮保压时间，降低生产率，同时也不利于喷涂润滑剂。对本车轮挤压铸造模具的预热温度为挤压铸造模具的预热温度为200200300300，通常是用煤油喷灯进，通常是用煤油喷灯进行加热。行加热。 合金浇注温度合金浇注温度. .浇注温度过高或过低都对合金成形有明显浇注温度过高或过低都对合金成形有明显影响。过低，合金极易凝固，所需单位压力大；过高，易产生影响。过低，合金极易凝固，所需单位压力大；过高，易产生

56、缩孔。必须指出，挤压铸造合金的浇注温度要比砂型浇注温度缩孔。必须指出，挤压铸造合金的浇注温度要比砂型浇注温度高。一般希望把浇注温度控制在比较低的数值，因为挤压铸造高。一般希望把浇注温度控制在比较低的数值，因为挤压铸造时希望消除气孔、缩孔和疏松。在浇注温度低时，气体易于从时希望消除气孔、缩孔和疏松。在浇注温度低时，气体易于从合金熔液内部逸出，极少留在金属中，易于消除气孔。此外，合金熔液内部逸出，极少留在金属中，易于消除气孔。此外，也可减少缩孔形成机会，同时由于浇注温度较低，金属溢出较也可减少缩孔形成机会，同时由于浇注温度较低，金属溢出较少，可减少毛刺。对本车轮挤压铸造的浇注温度选用少，可减少毛刺

57、。对本车轮挤压铸造的浇注温度选用720720740740为最合适。为最合适。2022年7月2日星期六73 冷却冷却. .挤压铸造卸压后，一般应立即脱模，故铸件挤压铸造卸压后，一般应立即脱模，故铸件的出模温度较高。为了防止高温的铸件空冷时在薄壁与厚壁的出模温度较高。为了防止高温的铸件空冷时在薄壁与厚壁的交界处产生裂纹，应将出模后的铸件立即放砂堆中，待冷的交界处产生裂纹，应将出模后的铸件立即放砂堆中，待冷却到却到150150以下时再取出空冷。以下时再取出空冷。 润滑剂润滑剂. .润滑剂的作用是保护模具，提高铸件表面润滑剂的作用是保护模具，提高铸件表面质量和便于从模具内取出铸件。采用机油石墨润滑剂，

58、即质量和便于从模具内取出铸件。采用机油石墨润滑剂，即5%5%的的200200300300目的石墨粉加入到目的石墨粉加入到95%95%机油中，搅拌均匀即机油中，搅拌均匀即可。用喷枪喷涂在模具型腔表面上，其厚度为可。用喷枪喷涂在模具型腔表面上，其厚度为0.050.050.1 0.1 mmmm，过厚会影响铸件表面质量。，过厚会影响铸件表面质量。2022年7月2日星期六744.2.4 4.2.4 爆炸焊接技术爆炸焊接技术金属爆炸焊接是介于金属物理学、爆炸物理学和焊接工艺金属爆炸焊接是介于金属物理学、爆炸物理学和焊接工艺学之间的一门边缘学科，爆炸焊接又是用炸药作能源进行学之间的一门边缘学科，爆炸焊接又是

59、用炸药作能源进行金属间焊接和生产金属复合材料的一种很有实用价值的高金属间焊接和生产金属复合材料的一种很有实用价值的高新技术。它的最大特点是在一瞬间能将相同的、特别是不新技术。它的最大特点是在一瞬间能将相同的、特别是不同的和任意的金属组合，简单、迅速和强固地焊接在一起。同的和任意的金属组合，简单、迅速和强固地焊接在一起。它的最大用途是制造大面积的各种组合、各种形状、各种它的最大用途是制造大面积的各种组合、各种形状、各种尺寸和各种用途的双金属及多金属复合材料。这种技术还尺寸和各种用途的双金属及多金属复合材料。这种技术还是一种先进的表面工程技术，这类材料也是一类应用广泛是一种先进的表面工程技术，这类

60、材料也是一类应用广泛的表面工程材料。的表面工程材料。2022年7月2日星期六75 爆炸焊接法是利用炸药爆炸产生的强大脉冲应力，通过爆炸焊接法是利用炸药爆炸产生的强大脉冲应力，通过使碰撞的材料发生塑性变形、粘接处金属的局部扰动以及热使碰撞的材料发生塑性变形、粘接处金属的局部扰动以及热过程使材料焊接起来。如果用金属丝作增强材料，应将其固过程使材料焊接起来。如果用金属丝作增强材料，应将其固定或编织好以防其移位或卷曲。基体和金属丝在焊前必须除定或编织好以防其移位或卷曲。基体和金属丝在焊前必须除去表面的氧化膜和污物。去表面的氧化膜和污物。 爆炸焊接用底座对材料质量的优劣起着重要作用，底座爆炸焊接用底座对