第4章 金属基复合材料的制造技术

1、19 七月 20221第4章 金属(jnsh)基复合材料的制造技术共一百五十七页19 七月 202224.1 概述(i sh) 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。 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。 金属基复合材料的制造相对比较复杂和困难:金属熔点较高，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属基复合材料研究中最重要的问题之

2、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。共一百五十七页19 七月 20223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。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、爆炸焊接法等。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、热喷涂法等。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、化学镀和电镀法及复合镀法等。4.1.1 金属基复合材料制造方法的类型固态制造技术液态制造技术新型制造技术共一百五十七页19 七月

3、202244.1.2 制造技术(jsh)应具备的条件(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;(2) 能使复合材料界面效应、混杂效应或复合效应充分发挥;(3) 能够充分发挥增强材料对基休金属的增强、增韧效果; (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;(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. 共一百五十七页19 七月 202254.1.3 金属基复合材料制造(zhzo)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： 加工温度高，在高

4、温下易发生不利的化学反应;增强材料与基体浸润性差;增强材料在基体中的分布。共一百五十七页19 七月 20226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（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应产物。这些反应往往会对增强材料造成(zo chn)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。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 间降低至最低程度； 通过提高工作压力使增强材料

5、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。共一百五十七页19 七月 20227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/铝、碳/镁、碳化硅/铝、氧化铝/铜等，基体对增强材料浸润性差，有时根本不发生润湿现象。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 浸 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(fnyng)的 涂层，可有效改善其浸润性， 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 化学 镀等。 共一百五十七页19 七月 202

6、28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(xngti)、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。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； 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。 施加外场(磁场,超声场等)共一百五十七页19 七月 202294.2 固态制造(zhzo)技术固态制造技术主要包括：粉末冶金热压热等静压热轧热挤压热拉爆炸焊接共一百五十七页19 七月

7、202210粉末冶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(jnggu)成形和烧结，制造金属材料、复合材料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，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。共一百五十七页19 七月 202211粉末冶金工艺的基本(jbn)工序是：1、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。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-化合法、气相沉积法、液相沉积法

8、以及电解法。共一百五十七页19 七月 202212不锈钢真空球磨罐QM-星行球磨机共一百五十七页19 七月 202213共一百五十七页球磨工艺(gngy)球磨时间球料比球磨转速(zhun s)球磨气氛（干磨、湿磨）19 七月 202214共一百五十七页球磨工艺(gngy)-球磨时间19 七月 202215共一百五十七页球磨工艺(gngy)-球料比球料比越大，硬质粉体越细小(xxio)。而塑性较好的金属粉体如图19 七月 202216共一百五十七页19 七月 202217 2、压制(yzh)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

9、压成型。加压成型中应用最多的是模压成型。共一百五十七页19 七月 202218液压式压力机压力机压力表压力(yl)机压力(yl)调节阀上模下模共一百五十七页19 七月 202219液压机原理图共一百五十七页19 七月 202220共一百五十七页19 七月 202221共一百五十七页我国粉末冶金专家(zhunji)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%。19 七月 202222共一百五十七页脱脂(

10、tu zh)在试样烧结前，必须将成形剂脱除掉。成形剂的挥发温度(wnd)通常是200-400，如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。19 七月 202223共一百五十七页在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(t go)压坯的强度。19 七月 202224共一百五十七页19 七月 202225 烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通过烧结使其得到(d do)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

11、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、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。 温度,时间,气氛.3、坯块的烧结共一百五十七页19 七月 202226箱式电阻炉共一百五十七页19 七月 202227真空(zhnkng)烧结炉共一百五十七页19 七月 202228烧结后的处理，可以根据产品要求的不同(b tn)，采取多种方式。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结后的加工，取得较理想的效果。4、产品的后序处理共一百五十七页19 七月 2

12、02229（2）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体 等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电 学、磁学、光学和力学性能。（1）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除 粗大、不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、 稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导 材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、 超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物 高温结构材料等）具有重要的作用。粉末冶金具有以下特点:共一百五十七页19 七月 202230（6）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(jnxng)材料再

13、生和综合 利用的新技术。（3）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 合材料的工艺技术。（4）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、 高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。（5）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。共一百五十七页19 七月 202231 粉末冶金(fn m y jn)是最早用来制造金属基复合材料的方法，早在1961年Kopenaal等人就利用粉末冶金法制造纤维体积含量为2040的碳铝复合材料，但由于性能很低，也无有效措施加

14、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。共一百五十七页19 七月 2022321、工艺(gngy)过程及注意事项美国的DWA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、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。共一百五十七页19 七月 202233 粉末冶金法也被用来制造钛基、金属间化合物基复合材料(f h ci lio)。例如，含TiC颗粒10的TiC/Ti6Al4V复合材料，其650的高温弹性模量提高于15，使用温度可提高100。 基体粉末和颗粒（晶须）增强材料

15、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。 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，但材料的成本较高，制造大尺寸的零件和坯料有一定困难。共一百五十七页19 七月 2022342、工艺适应性 该工艺适于制造SiCp/Al、SiCW/Al、Al2O3/Al、TiB2/Ti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：SiCP、Al2O3、SiC、W、B4CP等颗粒(kl)、晶须及短纤维等。 常用的基体金属有：Al、Cu、Ti等。共一百五十七页19 七月 2022354.2.2 热压和热等静压技术(jsh)热压法和热

16、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。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 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； 由于热扩散结合界面最终消失，粘接过程完成。共一百五十七页19 七月 202236 在发动机制造中，热等静压机已用于粉末高温合金涡轮盘和压气(y q)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

17、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，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的一种有效方法。共一百五十七页19 七月 202237 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1400C，最大压力在100200兆帕(10002000大气压)之间。现代最大的热等静压机的总吨位约40万千牛（4万吨力）。 压力容器加热炉压缩机真空泵冷却装置计算机控制系统影响扩散粘接过程的主

18、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.共一百五十七页19 七月 202238Bodycote IMT Inc. 公司(n s)的一台大型 QUINTUS热等静压机 , 炉体热区直径 1.68 米 共一百五十七页19 七月 202239在热等静压机中生产从金属粉末直接成型(chngxng)的接近净形状零件 共一百五十七页19 七月 202240在热等静压机中处理的钛合金铸件, 用于消除在铸造过程中形成(xngchng)的内部微空和缺陷 共一百五十七页19 七月 202241在热等静压机中处理的人工关节, 用于消除在铸造过程中形成的内部(nib)微空和缺陷共一百五

19、十七页19 七月 202242工艺(gngy)适用性（1）热压技术 热压技术适用于制造B/Al、SiC/Al、SiC/TiC/Al、C/Mg等. 复合材料零部件，管材和板材等。 常用的增强材料有：B、SiC、C和W等。 常用的基体金属有：Al，Ti、Cu、耐热合金等。（2）热等静压技术 此技术适用于制造B/Al、SiC/Ti管材。 常用的增强材料有：B、SiC、W等。 常用的基体金属有：Al、Ti和超合金等。共一百五十七页19 七月 2022434.2.3 热轧(r zh)、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。热轧法热挤压法热拉法共一百五十七页19 七月 202

20、244热轧(r zh)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。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。为了提高粘接强度，常在纤维上涂银、镍、铜等涂层，轧制时为了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，先经粉末冶金或热压成坯料，再经热轧成复合材料板材。适用的复合材料:SiCp-Al、SiCW-Cu、Al2O3W-Al、Al2O3W-Cu等。共一百五十七页19 七月 202245热轧机工作原理示意图铝锭熔炼炉静置炉过滤铸嘴轧机(zh j)中间机

21、组卷取机热轧系统基本流程为：共一百五十七页19 七月 202246热轧区放大示意图厚度: 0.3-12mm; 宽度:600-1560mm; 剪切长度: 500-4500mm; 机列速度: 90m/min. 产品指标共一百五十七页19 七月 202247 热挤压和热拉主要用于颗粒、晶须、短纤维增强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、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

22、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。 工艺适用性: C/Al,Al2O3/Al复合材料棒材和管材.增强体主要有: B,SiC,W等,基体主要为Al.共一百五十七页 按流动特性和挤压力(yl)的变化规律，可将挤压过程分为： 填充挤压阶段：金属在挤压杆（力）的作用下首先充满(chngmn)挤压筒和模孔（金属主要径向流动），挤压力急剧升高； 基本挤压阶段：又称层流挤压阶段，金属不发生紊乱流动，即锭外（内）层金属出模后仍在外（内）层，挤压力稳中有降；挤压杆行程挤压力 填充阶段基本阶段终了

23、阶段 终了挤压阶段：又称紊流挤压阶段，金属发生紊乱流动，即外层进入内层，挤压力上升。共一百五十七页（1）填充(tinchng)挤压阶段 挤压时，为便于将锭坯放入筒中，常使锭坯外径小于筒内径115mm，因此在挤压力的作用下，锭坯首先(shuxin)径向流动充满挤压筒，同时有少量金属流入模孔。杆、垫片、锭坯开始接触到锭坯充满挤压筒的阶段称为填充挤压阶段。共一百五十七页A 必要性 a 操作要求； b 实心锭挤管， 否则穿孔针弯曲导致管材偏心 ； c 制品要求横向性能， 如航空用型材(xn ci)必须有一定的镦粗变形（2530） 共一百五十七页B 应力(yngl)分析 作用(zuyng)于坯料上的外力

24、： 挤压力： P ； 模端面反力： N ； 摩擦力： T。基本应力状态类似于自由体镦粗，为三向压应力，即轴向应力L、径向应力r、周向应力。且可看成是主应力，但由于模孔的存在，导致L分布不均匀，体现在：径向： 中心小，两边大，差异由前向后逐渐减小。轴向： 对着模孔部分：由前向后增大 对着模壁部分：由前向后减小共一百五十七页C 变形(bin xng)（应变）分析 应变状态：一向压缩（轴向）、二向延伸（径向、周向） 变形过程：开始出鼓形， 中部首先充满挤压筒；继续加力，上部充满挤压筒；最后(zuhu)，下部充满挤压筒。 共一百五十七页D 坯料端面(dunmin)变形分析 NN 填充挤压时，部分金属会

25、流入模孔，但此部分金属并不是(b shi)发生塑性变形后流入模孔的，而是被剪出的，其组织是铸态组织，必须切下（棒材头）。 原因：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。 共一百五十七页E 填充阶段应注意的问题 a 尽量(jnling)减小变形量（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；低塑性材料易出现表面裂纹。此阶段的变形量用填充挤压系数表征，定义填充挤压系数为：一般(ybn)共一百五十七页 b 锭坯的长度与直径比小于34，即L/D|L| L0, r0,

26、|r| L0, |r|III区为死区：三向等值压应力IV区为剪切变形区轴向应力L分布： 轴向上：由前向后逐渐增大； 径向上：由中心向边部逐渐增大。NNNT1 2 2 共一百五十七页C 变形（应变(yngbin)）分析 应变状态：二向压缩（径向、周向）、一向延伸（轴向） 变形规律（应变分布）：可由此阶段坐标网格变化分析(fnx)，如下图。共一百五十七页 a 纵向(zn xin)（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面或死区界面所围成的区域叫变形区压缩锥，或简称变形区。 共一百五

27、十七页 b 在变形区中，横向（垂直方向）网格的中心朝前，且越接近模孔弯曲越大，说明中心质点的流速大于外层质点的流速，且差异越接近模孔越大。这是因为： 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； 模孔的存在(cnzi)使中心质点的流动阻力小于外层质点。 共一百五十七页 c 制品的网格也有畸变，表现在： 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，说明变形（延伸变形和剪切变形）由前向后逐渐增大。 中心网格变成近似(jn s)矩形，外层网格变成平行四边形，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，且剪切变形由中心向外层逐渐增大。共一百五十七页 变形规律总结

28、： 径向上：外层大，中心小； 轴向上：后端大，前端小； 变形差异：由前向后逐渐(zhjin)增加； 流动速度：中心大，外层小； 总体看流动平稳（层流）。变形前后外层中心共一百五十七页d 挤压(j y)筒内金属分区 死区（前端难变形区）变形区后端难变形区剧烈滑移区 前端难变形区 又称死区，位于筒、模交界处的环形区域，是由于筒、模的摩擦和冷却(lngqu)，使此部分金属不易变形形成的。死区在基本挤压阶段基本不参与流动。共一百五十七页死区（前端难变形区）变形区后端难变形区剧烈滑移区 死区的顶部能阻碍锭坯的表面缺陷进入变形区而流入制品，因此能提高(t go)制品的表面质量。 影响死区大小的因素：模角、

29、摩擦、挤压温度等，随这些参数的增大，死区增大，如平模挤压时死区大。共一百五十七页 后端难变形区 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成的，在基本挤压(j y)末期，此区域逐渐变成一小楔形区。死区（前端难变形区）变形区后端难变形区剧烈滑移区共一百五十七页死区（前端难变形区）变形区后端难变形区剧烈滑移区 在变形区中，有一个剧烈(jli)滑移区，处于死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。 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），导致制品性能下降。共一百五十七页（3）终了挤压阶段(jidun)

30、 筒内锭坯长度减小到接近变形区高度时的流动阶段。 主要特征： A 挤压力升高；（死区参与流动、温度低） B 金属径向流速增加(zngji)，金属环流（紊流）（维持体积不变规律）。 实际生产中，在此阶段停止挤压（留压余）。共一百五十七页19 七月 202268共一百五十七页19 七月 202269挤压铸造(zhzo)生产工艺过程：复合材料的熔化模具的准备金属的浇注液态金属的加压保压和去压取样品(清理、预热、喷涂润滑剂)共一百五十七页19 七月 202270合理选择(xunz)工艺参数 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位压力是很重

31、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，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2000kN油压机上进行的。试验证明，适合于铝合金车轮挤压铸造的比压应在5060MPa范围内选取。 加压开始时间. 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。一般采用开始加压时间是35s，较为合适。共一百五十七页19 七月 202271 加压速度. 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

32、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，故利用工作行程的速度进行压制。 保压时间. 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，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。考虑车轮的壁厚情况，挤压铸造的保压时间选用12 s左右。共一百五十七页19 七月 202272 模具预热温度.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

33、，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。对本车轮挤压铸造模具的预热温度为200300，通常是用煤油喷灯进行加热。 合金浇注温度.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，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720740为最合适。共一百五十七页19 七月

34、202273 冷却.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150以下时再取出空冷。 润滑剂.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，即5%的200300目的石墨粉加入到95%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0.050.1 mm，过厚会影响铸件表面质量。共一百五十七页19 七月 2022744.2.4 爆炸(bozh)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学之间的一门边缘学科，爆炸焊接又是用炸药作能源

35、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。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。这种技术还是一种先进的表面工程技术，这类材料也是一类应用广泛的表面工程材料。共一百五十七页19 七月 202275 爆炸焊接法是利用(lyng)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去表面的氧化膜和污物。

36、 爆炸焊接用底座对材料质量的优劣起着重要作用，底座材料的密度和隔声性能应尽可能与复合材料接近。用放在碎石层或铁屑层上的金属板作底座可得到高质量的平整的复合板。共一百五十七页19 七月 202276 爆炸焊接的特点是作用时间短，材料的温度低，不必担心发生界面反应。用爆炸焊接可以制造形状复杂的零件(ln jin)和大尺寸的板材，需要时一次作业可得多块复合板。此法主要用来制造金属层合板和金属时增强金属基复合材料，例如钢丝增强铝、钼丝或钨丝增强钛、钨丝增强镍等复合材料。 爆炸加工技术在宇航、军工、化工等方面都有着广泛的应用。例如：宇宙火箭上各种形状的大型铝制舱壁、压力容器上的圆盖、锅炉的顶盖，热交换器

37、的凸状通风板以及铝制大型反射器等，都用得着爆炸成形技术，对于形状不对称的的工件加工，诸如电缆连接、银盘、铜盘或人像与图像的雕撰等，尤见长处。更美妙的是利用爆炸办法可以把石墨碳粉在高压下变成金刚石粉。 共一百五十七页19 七月 202277国产太行战机用涡轮风扇航空发动机 -解放军理工大学首席教授、博士生导师王耀华课题组 两块大面积的金属板材平行放置在一起，上面一块铺设上炸药，只听“轰隆”一声，没见我们想象中的四处横飞的情景，两块金属板却严丝合缝地焊接在了一起。 共一百五十七页19 七月 2022784.3 液态制造(zhzo)技术液态制造技术是金属基复合材料主要的制造技术液态制造技术包括:真空

38、压力浸渍技术挤压铸造技术液态金属搅拌铸造技术液态金属浸渍技术共喷沉积技术热喷涂技术共一百五十七页19 七月 2022794.3.1 真空压力(yl)浸渍技术 真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体共同作用下，将液态金属压入增强材料中制成预制件，再制备金属基复合材料制品。其兼备真空吸铸和压力铸造的优点。该技术由美国的Alcon公司于1960年最先发明，经过不断改进，逐步发展成能控制熔体温度、顶制件温度、冷却速度、压力等工艺参数的工业性制造方法。熔体进入预制件有三种方式:底部压入式顶部注入式顶部压入式共一百五十七页19 七月 202280浸渍炉由耐高压的壳体、熔化金属的加热炉、顶制件预热炉、坩埚升降

39、装置、真空系统、控制系统、气体加压系统和冷却系统组成。金属熔化过程和预制件预热过程可在真空或保护气氛条件下进行，以防止金属氧化(ynghu)和增强材料损伤。共一百五十七页19 七月 2022811、工艺(gngy)过程主要工艺参数包括: 预制件预热温度,金属熔体温度,浸渍压力,冷却速度.金属熔体温度越高,流动性越好,越容易填充到预制件中;预制件温度越高,金属熔体冷却凝固慢,浸渍越充分.共一百五十七页19 七月 202282 首先将增强材料预制件放入模具，并将基体金属装入坩埚中; 然后将装有预制件的模具和装有基体金属的坩埚分别放人浸渍炉的预热炉和熔化炉内，密封和紧固炉体，将预制件模具和炉腔抽真空

40、，当炉腔内达到预定真空度后开始通电加热预制件和熔化金属基体。 控制加热过程使预制件和熔融基体达到预定温度，保温一定时间(shjin)，提升坩埚，使模具升液管插入金属熔体，并通入高压惰性气体，在真空和惰性气体高压的共同作用下，液态金属渗入预制件中并充满增强材料之间的孔隙，完成浸渍过程，形成复合材料。 降下坩埚，接通冷却系统，待完全凝固后，即可认模具中取出复合材料零件或坯料。凝固在压力下进行，复合材料及其制品一般无铸造缺陷。 共一百五十七页19 七月 202283 真空压力浸渍法制备金属基复合材料过程中，预制件的制备和工艺参数的控制是制得高性能复合材料的关键。复合材料中纤维、颗粒等增强材料的含量、

41、分布、排列方向是由预制件决定的，应根据需要可采取相应的方法制造满足设计要求的预制件，常用的方法通常有干法和湿法两种，还可根据具体情况，适当加入胶粘剂。 预制件应有一定的抗压缩变形能力(nngl)，防止浸渍时增强材料发生位移或弯曲，形成增强材料密集区和富金属基体区，使复合材料性能下降。共一百五十七页19 七月 202284湿法制备(zhbi)预制件的工艺流程图共一百五十七页19 七月 202285真空压力(yl)浸渍技术的特点: 1）适用面广，可用于多种金属基体和连续纤维、短纤维、晶须和 颗粒等增强材料的复合，增强材料的形状、尺寸、含量基本上不受限制。也可用来制造混杂复合材料。 2）可直接制成复

42、合零件，特别是形状复杂的零件，基本上无需进行后继加工。 3）浸渍在真空中进行、压力下凝固，无气孔、疏松、缩孔等铸造缺陷，组织致密，材料性能好。 4）工艺简单、参数易于控制，可根据增强材料和基体金属的物理化学特性，严格控制温度、压力等参数，避免严重界面反应。 5）真空压力浸渍法的设备比较复杂，工艺周期长、投资大，制造大尺寸的零件要求大型设备。共一百五十七页19 七月 202286工艺(gngy)适应性该工艺适于制造C/Al、C/Cu、C/Mg、SiCp/Al、SiCW+SiCp/Al 等复合材料零部件、板材、锭坯等。常用的增强材料为：各种纤维、晶须、颗粒等增强材料。常用的基体金属为：Al、Mg、

43、Cu、Ni等及其合金。共一百五十七页19 七月 2022874.3.2 挤压(j y)铸造技术过程: 先将增强材料制成一定形状的预制件，经干燥预热后放入模具中，浇注入熔融金属，用压头加压，压力为70100MPa，液态金属在压力下浸渗入预制件中，并在压力下凝固，制成接近最终形状和尺寸的零件，或供用塑性成型法二次加工的锭坯。挤压铸造技术是利用压机将液态金属强行压入增强材料的预制件中以制造复合材料的一种方法。共一百五十七页19 七月 202288“挤压铸造”也称“液态模锻”，是一种介于铸造与锻造之间的优质、高效、节能的工艺方法。它既能达到同种合金锻件的内部组织和力学性能，又能实现高效率的大批量生产。

44、与普通压铸件相比，可较大程度地提高力学及使用性能；与普通锻件相比，又可节约能源。因此多年来，国内外厂商均把此项工艺用做汽车高档有色金属铸件的方法之一并迅速发展。共一百五十七页19 七月 202289赵敏等人选用平均粒径为1.3m TiB2颗粒为增强体、6061 铝合金为基体采用挤压铸造技术(jsh)制备45%v-TiB2P/Al(6061) 复合材料。组织致密，无气孔、夹铝层等缺陷；TiB2 颗粒分布均匀，不存在明显的颗粒偏聚区和颗粒贫化区。共一百五十七页19 七月 202290共一百五十七页19 七月 202291谈淑咏采用挤压(j y)铸造法制备氧化铝纤维和碳纤维混杂增强ZL109复合材料

45、.共一百五十七页19 七月 202292预处理使氧化铝纤维和碳纤维长径比满足制备合格预制件的要求, 并有利于纤维在预制件中的均匀分散及预制件的成型; 挤压铸造法制备的(Al2O3f+Cf)/ZL109复合材料中纤维在基体中分布均匀, 并具有方向性。碳纤维处理前和处理后的SEM组织图共一百五十七页19 七月 202293氧化铝纤维处理(chl)前和处理(chl)后的SEM组织图共一百五十七页19 七月 202294(Al2O3f+Cf)/ZL109复合材料的纵向和横向SEM图共一百五十七页19 七月 2022954.3.3 液态金属(jnsh)搅拌铸造技术 液态金属搅拌铸造法是一种适合于工业规模

46、生产颗粒增强金属基复合材料的主要方法，工艺简单，制造成本低廉。基本原理是将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中，然后浇铸成锭坯、铸件等。 液态金属搅拌法制造颗粒增强金属基复合材料尚存在一些困难，主要困难有：一是为了提高增强效果要求加入尺寸细小的颗粒，1030m之间的颗粒与金属熔体的润湿性差，不易进入和均匀分散在金属熔体中，易产生团聚；二是强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量吸入空气。因此必须采取有效的措施来改善金属熔体对颗粒的润湿性，防止金属的氧化和吸气等。共一百五十七页19 七月 2022961、注意事项与措施(cush)（1）在金属熔体中添加合金元

47、素. 合金元素可以降低金属熔体的表面张力。例如在铝熔体中加入钙、镁、锂等元素可以明显降低熔体的表面张力，提高对陶瓷颗粒的润湿性，有利于陶瓷颗粒在熔体中的分散，提高其复合效率。（2）颗粒表面处理. 比较简单有效的方法是将颗粒进行高温热处理，使有害物质在高温下挥发脱除。有些颗粒，如SiC，在高温处理过程中发生氧化，在表面生成SiO2薄层，可以明显改善熔融铝合金基体对颗粒的润湿性。共一百五十七页19 七月 202297（3）复合过程的气氛控制 由于液态金属氧化生成的氧化膜阻止金属与颗粒的混合和润湿，吸入的气体又会造成大量的气孔，严重影响复合材料的质量，因此要采用真空、惰性气体保护来防止金属熔体的氧化

48、和吸气。（4）有效的机械搅拌. 强烈的搅动可使液态金属以高的剪切速度流过颗粒表面，能有效改善金属与颗粒之间的润湿性，促进颗粒在液态金属中的均匀分布。通常采取高速旋转的机械搅拌或超声波搅拌来强化搅拌过程。共一百五十七页19 七月 2022982、搅拌工艺(gngy)方法液态金属搅拌铸造法根据工艺特点从所选用的设备可分为:旋涡法Duralcon法复合铸造法共一百五十七页19 七月 202299旋涡法的基本原理:利用高速旋转的搅拌器的桨叶搅动金属熔体，使其强烈流动，并形成以搅拌器转轴为对称中心的旋涡，将颗粒加到旋涡中，依靠旋涡的负压抽吸(chu x)作用，颗粒进入金属熔体中。经过一时间的强烈搅拌，颗

49、粒逐渐均匀地分布在金属熔体中，并与之复合在一起。四宽叶螺旋桨式搅拌器 共一百五十七页19 七月 2022100旋涡法的主要工序:基体金属熔化、除气、精炼、颗粒预处理、旋涡搅拌.主要工艺参数:搅拌复合工序的搅拌速度: 5001000r/min;搅拌时基体金属熔体的温度:在基体金属液相线温度以上100;旋涡搅拌法工艺简单，成本低。主要用来制造含较粗颗粒（直径50100m）的耐磨复合材料，如Al2O3-Al-Mg，ZrO2-Al-Mg，Al2O3-Al-Si，SiC-Al-Si，SiC-Al-Mg，石墨铝等复合材料。共一百五十七页19 七月 2022101Duralcan法 液态金属搅拌法是20世纪

50、80年代中期由Alcon公司研究开发的一种颗粒增强铝、镁、锌基复合材料的方法:无旋涡搅拌法。这种方法现已成为一种工业(gngy)规模的生产方法，可以制造高质量的SiCp/Al，Al2O3/Al等复合材料，产量达1.1万吨的颗粒增强金属基复合材料的工厂已在加拿大魁北克建立。主要制造工艺:基体金属溶液搅拌炉真空,Ar气气氛,保温加入增强颗粒搅拌浇铸共一百五十七页19 七月 2022102复合(fh)铸造法 复合铸造法采用机械搅拌将颗粒混入金属熔体中，其特点是搅拌在半固态金属中进行，而不在完全液态的金属中进行。 颗粒加入半固态金属中，通过这种熔体中固相的金属粒子将颗粒带入熔体中。通过对加热温度的控制

51、将金属熔体中的固相粒子的含量控制在4060（质量分数），加入的颗粒在半固态金属中与固相金属粒子相互碰撞、摩擦，促进与液态金属的润湿复合，在强烈的搅拌下逐步均匀地分散在半固态熔体中，形成均匀分布的复合材料。复合后，再加热升温到浇铸温度，浇铸成零件或坯料。共一百五十七页19 七月 2022103 复合铸造法可以用来制造颗粒细小、含量高的颗粒增强金属基复合材料，也可用来制造晶须、短纤维复合材料。 此技术存在的主要问题(wnt)是基体合金体系的选择受限较大。 要求必须选择同样的体系和温度，才能析出大量的初晶相，并达到4060（质量分数）的含量。共一百五十七页19 七月 20221044.3.4 液态金

52、属(jnsh)浸渍技术液态金属浸渍法是用液态金属连续浸渍长纤维，得到复合材料预制品（带、丝等）的一种方法，所以又称为连铸法。由于纤维在液态金属中容易分散、复合完全，因此特别适用于一束多丝、直径细的连续长纤维。为了改善熔融金属对纤维的润湿性这一过程的关键问题，纤维在复合前必须进行表面涂覆处理，涂上润湿层，或用其他方法（如在基体中加合金元素、用超声波等）改善润湿性。视不同的体系而定，有时也要考虑纤维与液态金属在高温接触时发生过度的化学反应问题。共一百五十七页19 七月 20221051 纤维增强材料的表面处理2 化学气相沉积技术3 纤维表面处理技术4 基体金属的处理技术关键技术总之,液态金属浸渍法

53、工艺复杂,特别是复合前纤维的表面处理,得到的产品是尺寸细小的丝或带,需进行二次加工才能得到零件(ln jin)或材料,因此,成本高,应用受到限制.共一百五十七页19 七月 2022106 用液态金属法制备碳石墨/铝、碳（石墨）/镁复合材料的核心问题是对进行表面处理，经处理后的纤维能与液态铝、液态镁自发浸润，当纤维束经过金属熔池时，金属自发浸渍(jnz)到纤维束中，形成复合带（丝）。碳(石墨)纤维共一百五十七页19 七月 2022107 在除胶炉中碳（石墨）纤维经高温处理除去在纤维制造(zhzo)过程中涂的胶，若炉温低于450 ，除胶可在空气中进行，如炉温高于450，为了防止纤维的氧化，必须在保

54、护性气氛中除胶。 在预处理炉中，碳（石墨）纤维除进一步除胶、脱除残留胶外，还用化学气相沉积炉的废气进行预处理，为下一步的化学气相沉积做准备。预处理炉的温度控制在700，用氩气保护。共一百五十七页19 七月 2022108化学(huxu)气相沉积技术化学气相沉积炉是液态金属浸渍法的核心设备， 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition ,简称(CVD) 是近几十年来迅速发展起来的材料表面改性技术,它是利用气相之间的反应,在各种材料或制品表面沉积一层薄膜,赋予材料表面一些特殊的性能。它可以提高材料抵御环境作用的能力,如提高材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性;它还可以赋予材料某些

55、功能特性,包括光、电、磁、热、声等各种物理和化学性能。因此,化学气相沉积制膜技术被广泛应用于机械制造工业、冶金工业、光学工业、半导体工业等领域。 在此炉中纤维用BCl3、TiCl4处理，在表面生成Ti-B涂层。共一百五十七页19 七月 2022109BCl3和TiCl4气体以氩气为载气，以一定的流量进入化学气相沉积炉，氩气在整个密封系统(xtng)中成为保护气体，沉积炉中还需加入少量的锌和海绵钛，温度控制为700。在化学气相沉积炉中可能发生下列反应： TiCl4(v)+2Zn(v)2ZnCl2(v)+Ti(a) BCl3(v)+Ti(v)TiCl3(v)+B(a) 2BCl3(v)+4Ti(a

56、)TiB2(s)+3TiCl2(s) BCl3在常温下为气体，TiCl4在25的蒸气压约为907Pa，因此在寒冷的季节必须加热，以提高其蒸气压，保证在气相中的浓度。共一百五十七页19 七月 2022110 在熔化炉将基体金属熔化、保温，温度控制在高于基体熔点50-100。 为了防止金属氧化，熔化炉中的熔体最好置于惰性气体保护气氛中，但如果使经化学气相沉积后的碳纤维在液面下进入熔体，不与表面上的氧化物接触，也可不用惰性气体保护。涂覆好的纤维在进入熔化炉前一直处于(chy)氮气保护下，一旦进入熔化炉与熔融金属接触，熔体立即自发浸渍到纤维束中，与每根纤维很好复合，得到复合丝或带，由收丝筒收集，作随后

57、的二次加工用。 如果表面处理后纤维与空气接触，便将失去作用，即能促进润湿的表面涂层将失效，因而纤维不再能与基体复合。共一百五十七页19 七月 20221111）Ti-B处理法：Ti-B处理剂可用于T50、T55、T300、P55、P100、P120等多种碳（石墨）纤维的处理，也适用于1100，A201、2024、356、5083、5154、6061等铝（合金），AZ31、AZ91、ZE41、QE22、EZ33等镁（合金），以及铜（合金）、铅（合金）等基体，复合纤维的强度很高，可达理论值的90-100。2）液钠处理法：液钠法是将碳纤维在He气氛保护(boh)下相继通过Na、Sn、Al三种熔体，制

58、造碳-铝复合丝（带），熔体的温度分别为Na（55020），Sn（60020），Al高于熔点或液相线2050。纤维束在熔体中的停留时间视其大小而定，对于单束纤维1min即可，对于多束的带则需10min左右。3）镀层法：碳纤维表面的金属和化合物涂层可用电镀、化学镀、化学气相沉积等方法得到.纤维表面处理技术共一百五十七页19 七月 2022112基体金属的处理法 在基体合金(hjn)中添加的合金(hjn)元素，主要是能与碳纤维作用，生成稳定碳化物，这些碳化物既能改善润湿性，又能起反应的阻挡层作用。共一百五十七页19 七月 20221134.3.5 共喷沉积(chnj)技术 共喷沉积法是制造各种颗粒增

59、强金属基复合材料的有效方法，1969年由A.R.E. Siager发明，随后由Ospray金属有限公司发展成工业生产规模的制造技术，现可以用来制造铝、铜、镍、铁、金属间化合物基复合材料。共喷沉积工艺过程: 基体金属熔化、液态金属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积和凝固等工序。共一百五十七页19 七月 2022114主要工艺参数(cnsh)有：熔融金属温度，惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度、沉积底板温度等。这些参数都对复合材料的质量有重要的影响。不同的金属基复合材料有各自的最佳工艺参数组合，必须十分严格地加以控制。共一百五十七页19 七月 2022115液态金属雾化是共喷沉积法制备金

60、属基复合材料的关键工艺过程，它决定了液态金属雾化液滴的大小和尺寸分布(fnb)、液滴的冷却速度雾化后金属液滴的尺寸一般在10300m，呈非对称性分布。颗粒三种加入方式颗粒从雾化气体管道中喷出；颗粒引入到熔体流出口；颗粒强制喷入金属熔滴雾化锥内。液态金属雾化共一百五十七页19 七月 2022116（1）适用面广:可用于铝、铜、镍、钴等有色金属基体，也可用于铁、金 属间化合物基体。（2）生产工艺简单、效率高:与粉末冶金法相比(xin b)没有繁杂的制粉、研磨、 混合、压型、烧结等工序，而是快速一次复合成坯料，雾化速率可 达25200kg/min，沉淀凝固迅速。（3）冷却速度快:金属液滴的冷却速度可