复合材料学之五

5金属基复合材料的制法及特性1概述制造金属基复合材料时必须注意的问题：1）纤维与基体金属的润湿性、结合性和反应性，即相容性问题。2）纤维分布状态的控制。3）制造过程中纤维因热学、力学方面的原因造成的损伤和劣化。4）纤维和基体金属的膨胀及制造时承受的残余应力的分布状态。5）纤维质量的稳定性。6）适于工业化生产，便于质量控制的制造方法。增强处理的预处理1）纤维制品往往不是单纤维，而是呈束或纱状，还有呈织物状的，也有短纤维或晶须状的，应根据使用目的选择下的状态。2）有的纤维或颗粒或短纤维可以直接与金属复合成型，有的则需要改善两者的润湿性和结合性，控制界面反应，故要对纤维进行表面处理。3）为了保证纤维的有序排布，要把纤维与基体金属做成预制带或预浸线，然后再根据使用要求进行裁剪、层合、制成预成形体。4）对于短纤维、晶须合颗粒增强材料，还必须解决如何加入及防止它们在金属液中上浮、下沉或凝聚等问题，使其能在基体金属中均匀分布。经过以上预处理后才能复合成形。2纤维增强金属基复合材料的复合成形1）预制带的制作在纤维增强复合材料的制造中往往先制成预制带，再根据需要的纤维排列方向和分布状态，再把预制带按纤维的取向和规定的厚度进行层合、加温加压成形制成预成形体，其优点：可以自由改变层合的方法得到所希望的性能。预制带包括：半固化带、喷涂带、PVD带和单层带半固化带：用于较粗纤维增强如B/Al复合材料制造，把硼纤维以一定间隔单向排列再铝箔上，再用树脂固定单层带是在金属箔上开槽，把纤维下到槽里，再再上面放同样的金属箔，它是一种有纤维夹层的金属箔。喷涂带是用喷涂金属将排布好的纤维固定在金属箔上，粗纤维和细纤维都行。2）预浸线的制作预浸线是将纤维束通过金属液，使金属液渗到纤维之间，然后挤出多余的金属液并同时进行固化而制成。右图为连续挤拉法制造预浸线的示意图，这种方法已被用于SiC纤维与Al的预浸线的连续制造上。除熔浸连续挤拉，还可以采用电镀法、真空沉积法制备预制带和预浸线是用固相扩散结合法和液相法制造复合材料过程的中间制品，它可以直接使用，也可以先做成预成体后再用于复合材料的成形。3）增强纤维的排布方式及形态增强纤维的排布形态总的来说可以分为：单向排布、二维排布及三维排布。将预制带层合或纤维、预浸线按要求的排布形态编好即可制成预成形体，制成预成形体后，还要经过复合成形的过程才能制成复合材料制品。复合成形有两种方法：固态复合成形（固相扩散结合法）液态复合成形（熔融金属浸渗法）3固相扩散结合法1）扩散粘结：也称扩散焊接，是再塑性变形不大时，利用接触部位的原子再高温下相互扩散而使纤维和基体金属结合在一起的。常用的技术有：A热压法：把预成形层合体在真空或惰性气体中加热、加压而复合的方法。如B/Al复合材料的加热温度：773K，加压10～70MPa，保压时间0.5~1.5h。B热等静压（HIP）法把预成形体密封在模盒中，再放在高温高压的压力釜里复合成形的方法。因为加的压力是静压，可以用简单的模、夹具就能压出复杂形状的部件，与热压法相比，它可以进行大型部件的复合成形，如直升飞机的部件。航天飞机上应用的B/Al复合材料的管状桁架就是这种方法做的。一架航天飞机用243根B/Al复合材料的管状桁架，它的重量只是高强度铝合金桁架的44％。2）形变压力加工A热轧：直接把纤维盒金属箔材热轧成复合材料，也可以把半固化带、喷涂带夹在不锈钢板中热轧。B热拔：热拔时可以基体金属的塑性变形控制得比较小，而且在拉拔中纤维主要受拉，几乎没有弯曲应力，可以避免纤维的断裂盒界面剥离。下图是热拔法制造C/Al复合材料的示意图，拉拔温度应取在基体金属的固相线上下，由于这时基体金属的塑性变形阻力很小，可将纤维的机械损伤控制在最小的限度。C挤压法：用于加工连续纤维增强复合材料时，基体金属的塑性变形会使纤维与基体的界面承受弯曲应力，容易造成界面剥离和纤维破断。但是，对于短纤维、晶须和颗粒随机分布的复合材料，热挤压加工时，纤维能随基体金属塑性流动，并按挤出方向排布，即使产生弯曲应力而使纤维破断，如果纤维的纵横比在临界纵横比以上，就能保持纤维的增强效果。用扫描电镜观察SiC/Al挤压复合材料，证实了碳化硅晶须按挤出方向排布的。用氧化铝短纤维与铝合金在773K挤压出的复合材料，在体积分数为30％时，抗拉强度为421MPa，是基体强度的2倍。4爆炸焊接

利用炸药爆炸的能量把两层或两层以上的金属板或者预制带结合在一起的一种加工方法。主要用于金属层合板和金属纤维增强金属复合材料特点：1）结合力大2）能使其它方法无法结合的异种金属结合在一起3）与焊接法相比，受到热影响的区域小。4）可进行多达几十层层合材料的加工。3熔融金属浸渗法（液相复合成形法）熔浸法要求纤维热力学稳定或者经表面稳定处理，并且与金属液的润湿性良好。熔浸法有：大气压力下熔浸、真空熔浸、加压熔浸和组合熔浸法。大气压力下连续熔浸：可以制造棒材、管材、板材以及复杂形状的型材惰性气体保护下熔浸，防止氧化。液体铸造法：真空铸造连续纤维绕线－粘结或半固化－预成形体－放入铸模中－加热500度除粘结剂－浸入液体－凝固－脱模高压凝固铸造：1）加压后凝固，又叫挤压铸造、液态锻造、锻铸法高压凝固铸造：2）把纤维或颗粒的预成形体预热到金属的凝固点以上放入铸型内，浇注后用压头加压把金属液压入预成形体的间隙内，保压直到凝固完成。高压铸造法制造金属基复合材料（MMC）的优点：1）可以制造较复杂的异型的MMC零件2）由于金属是处在熔融状态下与纤维压力复合的，纤维与金属的结合十分牢固3）这种制成的复合材料便于二次加工压铸法：在压力下把金属液射到铸模内并在压力下凝固的铸造方法。5.3分散强化金属基复合材料的复合成形主要方法：1内部氧化法1）把铝在氧化性气氛的球磨机内磨成1微米微粉，微粉的表面形成了氧化铝膜，将其烧结挤压，就成了氧化铝在铝中分散的复合材料。2）把Cu－Al合金用气体雾化法雾化成粉末，再使内部氧化生成氧化铝粒子，用挤压法做成制品。2共沉析法用一些在基体金属或合金熔点附近的高温下也稳定的金属氧化物粒子，使其分散在基体金属或合金内，在高温下也有强化效果。如镍基耐热合金由于强化粒子均匀析出在基体上而得到良好的耐热性能，但是在合金熔点附近这些强化相会固溶于基体而使热强度急剧下降。当使用高温稳定的ThO2和Y2O3作分散粒子时，使它均匀分布在镍基耐热合金的基体内，就可以提高镍基耐热合金的高温性能。

3）机械合金化

应用高性能球磨机，将原料粉末（金属与金属、金属与陶瓷等）按一定比例混合，反复研磨。由于研磨过程的冲撞、压轧，使金属粉末和陶瓷粒子反复变形、粉碎和“粘合”而合金化和均匀化，再经过热挤压或热等静压制成复合材料制品。4）喷射弥散法按分散强化理论，材料的强度随材料中细小分散粒子含量的增加而提高，固有可能利用均匀细小的非金属夹杂物来提高材料的强度。如：用氩气把细小的氧化物粒子强制喷射到金属型浇注的钢水流内的喷射弥散法。利用喷射弥散法把粒子分散到金属液中时，理想的粒子应是熔点高，氧化物标准生成自由能低、稳定性好、刚性系数大、密度适当的。如：Al2O3、ZrO2、CeO2、WO3、ThO2、WC、TiC、CaS颗粒增强金属基复合材料复合成形法5.4颗粒增强金属基复合材料的成形方法粉末冶金法热轧法机械合金化法固态法液态法重力铸造法压铸法离心铸造法电磁场铸造法喷雾铸造法半固态复合铸造法1）固态成形法（1）粉末冶金法如典型的WC-Co超硬质合金就是用粉末冶金法生产，还有碳化硅－铝复合材料（2）热轧法用热轧法制造颗粒增强金属基复合材料时，可将作为基体的各种金属粉末等混入作为增强粒子的各种陶瓷颗粒，或将粉末混合料堆积在Al、低碳钢或不锈钢等金属板材上，在保护性气氛下加热，使基体金属粉末或板材加热至半熔融状态，保温一定时间后进行轧制，制成既有较高韧性，表面又耐磨、耐热的表面复合材料。如：在钢管中加入铸铁粉、碳化硅粉，加热至半熔融状态，轧制，切分成表面复合材料。2）液态复合法：它是将密度与液体金属不同的颗粒等增强材料直接加入液体金属进行复合成形。如Mg/SiC，主要问题：颗粒增强材料的加入和均匀分散（1）颗粒的加入方法A气流喷入法：将颗粒增强材料用惰性气体作载体喷入到金属液中。B在浇注过程中加入金属流中C块状加入：用增强颗粒和基体金属粉末的混合块往比重大的金属液里添加时，不压入是难以成功的，但可以把铝粉和Cu或Ni涂覆过的石墨粉末混合物压成块加入到Al合金液体内。（2)金属液搅拌法A旋涡法：用叶轮使金属液旋转形成旋涡，将加入的颗粒及短纤维卷入金属液内。用于10微米以上的颗粒。B回转运动搅拌混合：用搅拌叶片和坩锅同时回转的方法，可使颗粒在金属液内均匀分布。C超声搅拌分散法：将颗粒材料等直接加热到过热温度较低的金属中进行超声波处理斌缓慢升温直到颗粒完全分散于金属液中。D电磁场搅拌法：（3）铸造成形法A离心铸造法：将颗粒材料加入到金属液中，采用离心铸造方法使相对密度打的颗粒向外侧偏析，相对密度小的向内侧偏析，由此可制造出一侧耐磨性或润滑性优良的表面复合材料。B电磁场铸造法：利用磁性将金属液中具有磁性的硬质颗粒（如WC）吸引到金属液表面铸造成形而制造表面复合材料的方法。C喷雾铸轧法它是将金属液用喷雾法制成畏葸的液滴，同时把颗粒材料卷入喷雾气流中，和雾花液滴混合后喷射到铸型内的方法。5.3半固态复合铸造半固态铸造是将固－液态金属或合金浆液铸造成形的方法。对正在凝固的金属或合金进行强烈搅拌，虽然随着温度的下降合金中固相组分不断增加，当增加到40～60％甚至更高时，这种合金仍象糊状浆料一样，具有良好的流动性，并带有粘性，即流变性，将其直接压铸成形，叫做半固态流变铸造或流变铸造。半固态触变成形或铸造：熔化－制备半固态浆料－铸造－再加热至半固态（固态状态）－搬运－压力－凝固成形5.5定向凝固法定向凝固定向结晶，是使金属或合金由液相中定向生长晶体的一种方法。用于制造单晶、柱状晶和自生复合材料。对于共晶合金，采用定向凝固方法，通过合理控制工艺参数，可使基体和增强相均匀相间，定向整齐排列。当增强相按凝固方向长成细长的晶须时，就可得到晶须增强复合材料。这种复合材料有以下优点：1）第二相是在结晶凝固过程中析出的，两相界面结合牢固，界面强度高，利于应力传递。同时避免了润湿、化学反应和相容性问题。2）由于两相是在高温接近热力学平衡条件下缓慢生长而成，两界面处于低界面能状态，具有良好的热稳定性。3）纤维分布均匀。如：Ni基与碳化物构成的共晶合金性能超过常用合金的高温合金，有“共晶高温合金”之称。定向凝固的工艺方法定向凝固的主要工艺参数：1）凝固过程中固液界面前沿液相中的温度梯度G2）固液界面向前推进速度，即晶体凝固速度R。G/R是控制晶体长大的重要判据，应使：G/Rm(C-CE)/DT/D式中：m－液相线的斜率C-CE－对共晶成分CE的成分偏差D－液相中溶质原子的扩散系数T－固液共存的温度范围定向凝固的方法：发热剂法、功率降低法、快速凝固法、液体金属冷却法、液体流动床法、