金属基复合材料定稿课件

1、金属基复合材料铝基复合材料铝基复合材料基体铝有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,熔点低制备工艺简单。铝基复合技术容易掌握,易于加工，比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和物理性能,以满足产品的需要。因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。复合材料增强基分类： 连续的和非连续的纤维、晶须、颗粒。特性： 高强度、高模量、高刚度、抗疲劳、耐热、耐磨、抗腐蚀、热膨胀系数小、导电、导热以及润湿性、化学相容性、易加工等。 铝基复合材料的增强纤维有硼纤维，碳纤维，碳化硅纤维等。铝复合材料的种类与分类铝

2、合金材料可按增强相，铝基体及材料特性三方面进行分类。按增强体分类： 长纤维增强复合材料 短纤维增强复合材料 颗粒增强复合材料 混合增强复合材料 纳米复合材料 层合复合材料 倾泻复合材料 表面复合材料 铸造铝合金基复合材料 变形铝合金基复合材料以铝基体分类 工业纯铝基复合材料 新型铝合金基复合材料 结构复合材料以特性分类 功能复合材料 智能复合材料铝基复合材料的应用1 、在汽车领域的应用 美国的Duralcan研制出用SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘,用其代替传统铸铁制动盘，使其重量减轻了60%40%,而且提高了耐磨性能,噪音明显减小,摩擦散热快;同时该公司还用SiC颗粒增强铝基复合材料

3、制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件,这种汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、良好的耐高温性能和抗咬合性能,同时热膨胀系数更小,导热性更好。 用SiCp/Al复合材料制成的汽车齿轮箱在强度和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有明显的提高。铝合金复合材料也可以用来制造刹车转子、刹车活塞、刹车垫板、卡钳等刹车系统元件2 、在航空航天领域的应用 Cercast公司采用熔模铸造工艺研制成A357SiC20%Vol+复合材料,用该材料代替钛合金制造直径达mm 180、重17.3kg的飞机摄相镜方向架,使其成本和重量明显降低, 同时该复合材料还可用来制造卫星反动轮和方向架的支撑架。 美国DWA公司用/606

4、1SiC 25%p铝基复合材料代替7075制造航空结构的导槽、角材，使其密度下降了17%，模量提高了65%。 3 、在电子和光学仪器中的应用铝基复合材料,特别是SiC增强铝基复合材料,由于具有热膨胀系数小、密度低、导热性能好等优点,适合于制造电子器材的衬装材料、散热片等电子器件。SiC颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数完全可以与电子器件材料的热膨胀相匹配,而且导电、导热性能也非常好。IBM公司2004年第2期黄永攀等: 铝基复合材料的性能、应用及制造工艺就是利用其上述性能，在MCMs器件中使用该种材料封装和改进冷却系统结构,使其工作时产生的热量迅速扩散,提高了元件的有效性。 另外铝基复合材料还可

5、以制造惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等许多精密仪器和光学仪器4 、在体育用品上的应用铝基复合材料可以代替木材及金属材料来制作网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆和滑雪板等。用SiC颗粒增强铝基复合材料制作的自行车链齿轮重量轻、刚度高、不易挠曲变形,性能优于铝合金链齿轮镍基复合材料 镍基复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。由于镍的高温性能优良，因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。用途：镍基变形高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。燃气轮机涡轮零件 高温合金汽

6、车增压器喷嘴环叶片 1.钛基复合材料的种类：钛是同素异构体，熔点为1720，在低于882时呈密排六方晶格结构，称为钛；在882以上呈体心立方品格结构，称为钛。 2.热氢处理对颗粒增强钛基复合材料显微组织 原始复合材料的相变温度为1035C，含氢0.15 wt.%的复合材料，其相变温度温度为935C 对于含氢0.60 wt.%的复合材料，其相变温度温度为825C 4.生物上的应用Ti2448钛合金是迄今为止初始杨氏模量最低的钛合金，与人体组织的生物相容性和力学相容性优异，是一种具有人体骨骼仿生特性的新型生物医用金属材料，该合金同时具有高强度、高阻尼、超弹性等优异性能和易加工、易焊接等加工性能，在

7、航天等尖端工程领域也具有重要的潜在应用 5.航空中的应用 高温钛合金主要用于制造航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件，这些零件要求材料在高温工作条件下(300600)具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。随着航空发动机推重比的提高，高压压气机出口温度升高导致高温钛合金叶片和盘的工作温度不断升高。经过几十年的发展，固溶强化型的高温钛合金最高工作温度由350提高到了600。碳（石墨）纤维SiC颗粒或晶须Al203颗粒或纤维TiC颗粒B4C颗粒A118B4033颗粒或晶须增强相结 构镁的性能重量轻：镁合金是最轻的工程结构材料。镁的密度1.74，约为钢的1/4，铝的2/3，为

8、工程塑料的1.5倍。比强度、比刚度高：镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当，而远远高于工程塑料，为一般塑料的10倍。 减振性好：相同载荷下，是铝的100倍，钛合金的300500倍。电磁屏蔽性佳。散热性好：金属的热传导性是塑料的数百倍，其热传导性略低于铝合金及铜合金，远高于钛合金，常用合金中比热最高。耐蚀性好：为碳钢的8倍，铝合金的4倍，为塑料材料的10倍以上。质感佳：外观及触摸质感极佳，使产品更具豪华感。可回收性好：花费相当于新料价格的4%，可回收利用镁合金制品及废料。镁基复合材料的组织与性能 镁基复合材料组织特征为增强体分布在基体合金中，同时引入了大量的界面以及高密度位错

9、缠结，其晶粒度较基体合金也小，无论是高密度位错引起的位错强化，还是细化晶粒的作用都将提高和改善复合材料的拉伸强度和刚度等力学性能。 挤压变形、固溶时效以及其它一些工艺的运用和调整都将有利于进一步提高镁基复合材料力学性能。镁基复合材料具有良好的阻尼性能(减振性能)、电磁屏蔽性能和储氢特性，是良好的功能材料，还具备密度小、贮氢容量高、资源丰富等优点。 镁基贮氢复合材料正被日益重视，主要制备方法有多元合金化、机械合金化、多元复合等。采用热轧制备了7075AIMGY7075A1叠层复合材料，在实验范围内，材料的拉伸强度达到300 MPa以上，最高达370 MPa，高于常见镁合金的。随着铝合金厚度的增加

10、，叠层复合材料的拉伸和弯曲刚度逐渐增加，且拉伸刚度均高于相应镁合金的。随着铝合金厚度的增加，3003A1AZ313003A1叠层复合材料的拉伸比刚度逐渐减小，其它3种叠层复合材料的则逐渐增加，但上述4种镁基叠层复合材料的弯曲比刚度均先增加后降低。MGY系叠层复合材料的弯曲比刚度在镁合金厚度约占12时达到最大值，而AZ31系叠层复合材料的则在镁合金厚度约占40时达到最大值。优良的力学性能储氢性能 镁基复合材料具有储氢量大、质量轻、价格低以及资源丰富等优点。应用美国TEXTRON、DOW 化学公司用SiC Mg复合材料制造螺旋桨、导弹尾翼、内部加强的汽缸等。 DOW 化学公司用AlzO SiC M

11、g复合材料已制成皮带轮、油泵盖等耐磨件，并制备出完全由AlzO Mg复合材料构成的油泵。 美国海军研究所和斯坦福大学利用B C MgLi、BpMgLi复合材料制造卫星天线构件。 加拿大镁技术研究所成功开发了搅拌铸造及挤压铸造SiC颗粒增强镁基复合材料，试图利用其低密度、耐磨损、高比刚度等特点用于汽车的盘状叶轮、活塞环槽、齿轮、变速箱轴承、差动轴承、拨叉、连杆、摇臂等零部件。应用镁基复合材料产品电子工业汽车工业航空航天工业镁基复合材料的发展前景展望 从目前发展趋势看，简化现有制备工艺、改善成形性以降低制备成本是发展镁基复合材料的攻克点，从而能实现大规模的商业化。研究方向： (1)低成本制备技术的

12、开发 (2)增强体的选择 (3)超轻系镁基复合材料的研究 (4)镁基功能复合材料的开发利用，尤其是镁基储能材料的研究开发会更加深入。 (5)镁基复合材料回收和再利用技术。这是应环保及可持续发展要求而必须面对的新型课题。 (6)镁基复合材料的智能化设计。 37金属基复合材料的成型技术金属基复合材料的制备工艺方法对复合材料的性能有很大的影响，是金属基复合材料的重要研究内容之一。38金属基复合材料工艺研究内容 金属基体与增强材料的结合和结合方式； 金属基体/增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制；39 增强材料在金属基体中的分布； 防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤； 优化工艺参数，提高复合

13、材料的性能和稳定性，降低成本。 40根据各种方法的基本特点，把金属基复合材料的制备工艺分为四大类：(1) 固态法；(2) 液态法；(3) 喷射与喷涂沉积法；(4) 原位复合法。41常用的金属基复合材料制备工艺42(1) 固态法固态制备工艺主要为扩散结合和粉末治金两种方法。431) 扩散结合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。因而，扩散结合也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。44扩散结合工艺中，增强纤维与基体的结合主要分为三个关键步骤： 纤维的排布； 复合材料的叠合和真空封装； 热压。45采用扩散结合方式制备金属基复合

14、材料，工艺相对复杂，工艺参数控制要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。但扩散结合是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的惟一可行的工艺。46在扩散结合工艺中，增强纤维与基体的湿润问题容易解决，而且在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。因此，在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工艺。472) 粉末冶金粉末冶金既可用于连续长纤维增强，又可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。48在粉未冶金法中，长纤维增强金属基复合材料分两步进行。首先是将预先设计好的一定体积百分比的长纤维和金属基体粉末混装于容器中，在真空或保护气氛下预烧结。然后将预烧结体进行热等静压加工。49一般

15、情况下，采用粉未冶金工艺制备的长纤维增强金属基复合材料中，纤维的体积百分含量为40% 60%，最多可达75%。50粉末冶金法五大优点 热等静压或烧结温度低于金属熔点，因而由高温引起的增强材料与金属基体的界面反应少，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温度、压力和时间等工艺参数来控制界面反应。51 可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末以任何比例混合，纤维含量最高可达75%，颗粒含量可达50%以上，这是液态法无法达到的。52 可降低增强材料与基体互相湿润的要求，也降低了增强材料与基体粉未的密度差的要求，使颗粒或晶须均匀分布在金属基复合材料的

16、基体中。53 采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到明显改善，从而提高复合材料的性能。54 粉未冶金法制备的金属基复合材料可通过传统的金属加工方法进行二次加工。可以得到所需形状的复合材料构件的毛坯。55 工艺过程比较复杂； 金属基体必须制成粉末，增如了工艺的复杂性和成本； 在制备铝基复合材料时，还要防止铝粉引起的爆炸。 粉末冶金法主要缺点562液态法液态法亦称为熔铸法，其中包括压铸、半固态复合铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法等。57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。液态法主要特点是金属基体在制备

17、复合材料时均处于液态。58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、压铸等方法非常相似，制备成本较低，因此液态法得到较快的发展。591) 压铸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压铸模型腔或增强材料预制体的孔隙中，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。60压铸成型法的具体工艺首先将包含有增强材料的金属熔体倒入预热摸具中后，迅速加压，压力约为70100MPa，使液态金属基复合材料在压力下凝固。待复合材料完全固化后顶出，即制得所需形状及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸件。61压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的

18、工艺因素主要有四个：熔融金属的温度、 模具预热温度 使用的最大压力、 加压速度。62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50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜，一般为13cm/s。63对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为700800，预制件和模具预热温度一般可控制在500800，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。64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。与其他金属基复合材料制备方法相比，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。652) 半固态复合铸造半固态复合铸造主

19、要是针对搅拌法的缺点而提出的改进工艺。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。66通常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布，影响复合材料性能。67半固态复合铸造的原理是将金属熔体的温度控制在液相线与固相线之间，通过搅拌使部分树枝状结晶体破碎成固相颗粒，熔体中的固相颗粒是一种非枝晶结钩，可以防止半固态熔体粘度的增加。68当加入

20、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，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。同时强烈的机械搅拌也使增强颗粒与金属熔体直接接触，促进润湿。69主要控制工艺参数 金属基体熔体的温度应使熔体达到30%50%固态； 搅拌速度应不产生湍流以防止空气裹入，并使熔体中枝晶破碎形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒的加入。70由于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。71半固态复合铸造主要应用于颗粒增强金属基复合材料，因短纤维、晶须在加入时容易结团或缠结在一起，虽经搅拌也不

21、易分散均匀，因而不易采用此法来制备短纤维或晶须增强金属基复合材料。723) 无压渗透工艺过程如下：是将增强材料制成预制体，置于氧化铝容器内。再将基体金属坯料置于可渗透的增强材料预制体上部。73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加热炉中。通过加热，基体金属熔化，并自发渗透进入网络状增强材料预制体中。74无压渗透工艺能较明显降低金属基复合材料的制造成本，但复合材料的强度较低，而其刚度显著高于基体金属。 75例如以5560%Al2O3或SiC预制成零件的形状，放入同样形状的刚玉陶瓷槽内，将含有3%10%Mg的铝合金（基体）坯料放置在增强材料预制体上，在流动的氮气气氛下，加热至80

22、01000，铝合金熔化并自发渗入预制体内。76由于氮气与铝合金发生反应，在金属基复合材料的显微组织中还有AlN。控制氮气流量、温度以及渗透速度，可以控制AIN的生成量。77AIN在铝基复合材料中起到提高复合材料刚度，降低热膨胀系数的作用。采用这种方法制备的Al2O3/Al的刚度是铝合金基体的两倍，而SiC/Al的刚度也达到钢的水平，但强度水平较低。783喷射沉积首先，将基体金属在坩埚中熔化后，在压力作用下通过喷咀送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成所谓“雾化锥” ；79然后，通过一个或多个喷咀向“雾化锥”喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在基板（收集器）

23、上沉积，并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料，如下图所示。80雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图81喷射沉积法的优越性 该工艺流程短，工序简单，喷射沉积效率高，有利于实现工业化生产。 高致密度，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的95%98%；82属快速凝固方法，冷速可达103 106 K/s，故金属晶粒及组织细化，消除了宏观偏析，合金成分均匀，同时增强材料与金属液滴接触时间短，很少或没有界面反应；83 具有通用性和产品多样性。该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。同时可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际形状的复合材料

24、的坯料；844原位自生成法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。85在金属基复合材料制备过程中，往往会遇到两个问题：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在界面反应。86其中，增强材料与金属基体之间的相容性往往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。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，则上述两个问题就可以得到较好的解决。87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。特别当增强材料与基体之间有共格或

25、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，因此这种复合材料有较优异的力学性能。88原位自生成有三种方法1) 共晶合金定向凝固法2) 直接金属氧化法（DIMOXTM）3) 反应自生成法（XDTM）89 1) 共晶合金定向凝固法增强材料以共晶的形式从基体中凝固析出，通过控制冷凝方向，在基体中生长出排列整齐的类似纤维的条状或片层状共晶增强材料。以这种方式生产的镍基、钴基定向凝固共晶复合材料已得到应用。90定向凝固共晶复合材料的原位生长必须满足三个条件： 有温度梯度（GL）的加热方式； 满足平面凝固条件； 两相的成核和生长要协调进行。91二元共晶材料的平面凝固条件是：其中，

26、 C0为合金成份；GL为液相温度梯度；R为凝固速度；mL为液相线斜率；CE为共晶成份；DL为溶质在液相中的扩散系数。92定向凝固共晶复合材料的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的体积分数Xf。在二元共晶中，当Xf 32 %时为层片状。93定向凝固共晶复合材料主要应用于航空透平机叶片，有三元共晶合金Al-Ni-Nb，它所形成的和相为Ni3Al和Ni3Nb；单变度共晶合金C-Co-Cr，所形成的和相分别为(Co,Cr)和(Cr,Co)7C3。942) 直接金属氧化法（DIMOXTM）DIMOXTM是一种可以制备金属基复合材料和陶瓷基复合材料的原位复合工艺。DIMOXTM法根据

27、是否有预成型体又可分为惟一基体法和预成型体法，两者原理相同。95惟一基体法的特点制备金属基复合材料的原材料中没有填充物（增强材料预成型体）和增强相，只是通过基体金属的氧化或氮化来获取复合材料。96在惟一基体法中，例如需制备Al2O3/Al，则可通过铝液的氧化来获取Al2O3增强相。通常铝合金表面迅速氧化，形成一种内聚、结合紧密的氧化铝膜，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。97但是在DIMOXTM工艺中，熔化温度上升到9001300，远超过铝的熔点660。通过进一步加入促进氧化反应的合金元素Si和Mg，使熔化金属通过显微通道渗透到氧化层外边，并顺序氧化，即铝被氧化，

28、但铝液的渗透通道未被堵塞。98利用惟一基体法工艺，可以根据氧化程度来控制Al2O3的量。如果这一工艺过程在所有金属被氧化之前停止的话，则所制备的复合材料就是致密互连的Al2O3陶瓷基复合材料，其中含有5% 30%的Al。99除了可以直接氧化外，还可以直接氮化。通过DIMOXTM工艺还可以获得AlN/Al，ZrN/Al和TiN/Ti等金属基或陶瓷基复合材料。100当DIMOXTM工艺采用增强材料预成型体时，由于增强材料预成型体是透气的，金属基体可以通过渗透的氧或氮顺序氧（氮）化形成基体。1013) 反应自生成法（XDTM）这种方法是在近20年中发展起来的技术，主要用于制造金属间化合物复合材料。1

29、02在反应自生成法中，增强材料是由加入基体中的相应元素之间的反应，或者合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间反应生成的。103在XDTM工艺中，可以根据所选择的原位生成的增强相的类别或形态，选择基体和增强相生成所需的原材料，如一定粒度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例（反应要求）混合。104XDTM工艺原理示意图105当这种混合物制成预制体，加热到金属熔点以上或者自蔓延的反应发生的温度时，混合物的组成元素进行放热反应，用以生成在基体中弥漫的微观增强颗粒、晶须和片晶等增强相。106XDTM工艺的关键技术是可以生成一种韧相，它属于专利技术。例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉以一定比例混合成型，加热后反应生成TiB2，进而形成TiB2增强的铝基复合材料。 Al + Ti + B TiB2 + Al 107XDTM法不仅可以用粉末反应生成复合材料，也可以在熔融的合金中导入参加反应的粉末或气体而生成复合材料。如在熔融的Al-Ti合金中导入载碳气体，反应生成TiC，进而形成TiC增强铝基复合材料。Al + Ti + C TiC + Al108XDTM工艺特点 增强相是原位形成，具有热稳定性； 增强相的类型、形态可以选择和设计； 各种金属或金属间化合物均可作为基体； 复合材料可以采用传统金属