铝基复合材料的研究进展

铝基复合材料的研究进展

材料包括身体相位和增强相位。根据增强相的类型和特性，建筑材料可分为纤维增强、纤维增强和厚带增强。在铝基复合材料中,除了上述的几类外,还有一类可命名为功能复合材料,如:钎焊用铝合金复合板,钎焊式热交换器用铝合金复合箔,正常包铝的2A11、2017、2024、7075铝合金,工艺包铝的2A11、2014、2024、2017、5A06、7075铝合金等。它们被制成复合材料并不是为了获得比单体合金具有更高强度的材料,而是为了焊接与提高材料的抗腐蚀性能,或满足工艺方面的要求。1复合材料的发展趋势通常把复合材料的发展分为三个阶段:第一阶段,1942年美国一家公司发明玻璃钢,它是一种玻璃纤维强化的高分子材料基复合材料,20世纪60年代进入工业化生产。第二阶段是碳纤维增强塑料复合材料的研发阶段,始于20世纪60年代,提高于70年代,80年代推广应用。第三阶段,纤维增强金属基复合材料(MMC)问世与推广应用阶段,除金属复合材料外,还有陶瓷基的、玻璃基的、碳基的,它们已在交通运输装备、能源技术、信息技术、高技术生物工程等多个领域获得应用。当代复合材料的主体是以金属、陶瓷等作基体材料,纤维增强材料多为碳纤维、硼纤维、SiC纤维等。虽然这些复合材料有优秀的性能,能满足航空航天、汽车、船舶舰艇,以及一些尖端领域制造某些零部件的需要,但是由于生产工艺复杂,价格高,成为广泛应用的主要障碍。复合材料的发展趋势是:进一步提高先进的结构复合材料的性能;对复合材料界面问题作深入的了解,使影响界面性能的各项参数成为可控的;建立与健全复合材料力学;复合材料结构设计智能化;进一步研发功能复合材料;大力开发新的成本较低的制造工艺;推广复合材料应用,开拓应用新领域;报废复合材料件的回收与利用;等等。由于材料复合于一起的性能指标远大于各组成材料该项性能指标的总和,其应用潜力会越来越大,到2030年飞机用的复合结构板材的比例可占全部板材的70%,各种复合材料在汽车中的用量有可能超过单体铝合金的。1.1环保材料的性能总体上复合材料是非均质的,性能是各向异性的,与均质的其他材料相比它们有一些突出特性。1.1.1提高装备零部件的利用效率比强度越大工件的自身质量就越轻,比弹性模量越高零件的刚性也越大。采用这两种性能高的复合材料制造动力装备零部件可大大提高它们的效率。在常用的各类复合材料中,纤维增强的具有最高的比强度与比弹性模量,例如用碳纤维增强的7075-T6铝合金的弹性模量为单质合金的10倍,而沿纤维方向的抗拉强度比单质合金的大72%。显然,这对高速运转的结构件与需减轻自身质量的交通运输装备及工程构件等均有重要意义。1.1.2疲劳引起的破坏工件在疲劳负载作用下的断裂是材料内部裂纹扩展的结果,而疲劳破坏就是裂纹不断扩展所发生的突然断裂,交通运输装备许多零部件的失效是由疲劳引起的。纤维增强复合材料中的纤维与基体间的界面能够有效地阻滞疲劳裂纹扩展,外加载荷由增强纤维承担。疲劳裂纹或破坏往往从材料的最薄弱处开始,逐渐扩展到结合面上。大多数金属材料的疲劳强度是抗拉强度Rm的30%~50%,而复合材料的则可达到60%~80%。1.1.3提高质材料的耐磨性用SiC粒子强化的6061铝合金制造的山地自动车轮圈的抗拉强度比单质材料的高8%,而且耐磨性则提高了2.5倍。用SiC粒子增强的Al-20Si复合铸造铝合金的耐磨性与铸铁的相当,而其质量却只有铸铁的1/3左右,这对汽车的轻量化极为有利,已用于制造汽缸内套、活塞、刹车盘等。1.1.4金属基复合材料在纤维增强复合材料中,除玻璃纤维软化点(700℃~900℃)较低外,其他纤维的熔点或软化点一般都超过2000℃。它们与金属基制备的复合材料既有高的强度又有高的弹性模量。例如铝合金在温度达到400℃时,抗拉强度从室温时的200N/mm2~600N/mm2降至0.3N/mm2~0.5N/mm2,而弹性模量几乎下降到零。若用碳纤维或硼纤维增强后,复合材料的抗拉强度和弹性模量即使温度升至400℃仍可以大体保持不变。1.1.5零件性能要求通过增强材料的形状、排布、含量的调整、可满足零部件、构件对材料强度、刚度等性能的要求,且材料与工件可一次成形,零部件、紧固件和接头数可大为减少,材料利用率大为提高。1.1.6物理性能和导电性能复合材料具有耐烧蚀性、耐辐射性、耐蠕变性与耐热性、特殊的物理性能(光、电、磁等),高的韧性和抗热冲击性,隔热性强,且有一定的导电性。不过,抗剪强度低,硬度也不高,稳定性差,易老化,品质不易控制,成本也高等。1.2按组成和材料分类通常,复合材料按下列方法分类:(1)按用途,可分为结构型与功能型的两类。(2)按组成,可分为分散(掺和)型的、层状型或接合型的、梯度型的等。(3)按基体材料,可分为金属基的、陶瓷基的、高分子基的,等等。(4)按强化相材料形态,可分为颗粒(粒子)弥散强化的、晶须强化的、纤维强化的等。1.3试验结果和原因铝及铝合金很适合作金属基复合材料的基体。铝的资源丰富,容易获得,价格合理,密度小,质量轻,比强度与比弹性模量大,熔点不高,可塑性良好,制造工艺与设备不甚复杂,易于与增强材料复合和进行第二次加工,此外,还有很好的导电性与导热性、抗蚀性等。这些都是复合材料为满足使用要求所应具备的特性,也是铝基复合材料得到快速发展的主要原因。当前铝基复合材料所使用的基体有:工业纯铝,铸锭冶金变形铝合金,粉末冶金变形铝合金,铸造铝合金,先进的新型铝合金。在铸锭冶金变形铝合金中,多采用热处理可强化的,如2014、2024、2124、2219、2618、6061、7975、7475铝合金等,一般不采用含Mn和Cr的铝合金,因为它们会形成脆性相。在粉末冶金变形铝合金中可用上述的铸锭冶金变形铝合金制成的粉末作复合材料基体,常用的有6061、7064、8090铝合金等。铸造铝合金中主要使用A356(ZL101)、A357及其他含硅量高的铝合金等。铝基复合材料的增强体可分为连续的(长的)纤维、非连续的(短的)纤维、晶须和颗粒。增强材料应具有高强度、高弹性模量、抗疲劳、耐热、耐磨、抗腐蚀、热膨胀系数小、导电、导热、润湿性、化学相容性、易加工成形等特性。作为铝基复合材料的增强纤维有:硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、芳纶纤维(Kevlar、Aramid等)、硅酸铝纤维、氮化铝纤维等,还有它们中间的短纤维、晶须和颗粒。纤维增强材料的性能见表1及表2。1.4铝基复合材料在仪表结构上应用的有用SiC增强的铝基复合材料,它具有高的比弹性模量。日本一公司用SiC颗粒增强的6N01铝合金(相当于6061铝合金)制造山地自行车的轮圈,它的抗拉强度比6061铝合金的高8%,而耐磨性却提高了2.5倍。用SiC颗粒增强的Al-20Si铸造铝合金制造的发动机汽缸内套的耐磨性与铸铁件的相等,而其质量却只有铸铁件的1/3,还可用这种材料制造需要有高耐磨性的汽缸内套、活塞、刹车盘等。短纤维增强铝基复合材料在汽车领域应用受到普遍关注,例如局部增强内燃机活塞,其顶部是由氧化短纤维或氧化铝和二氧化硅短纤维混杂增强的Al-Si合金基复合材料构成。日本本田汽车公司开发成功由不锈钢丝增强的铝基合金连杆,这种材料的比强度和弹性模量为基体铝合金的2倍,而这种材料连杆的质量却比钢杆的轻30%,对1.2L的汽油机来说,燃油经济性改善了5%。该公司还成功地用铝基复合材料制造发动机活塞环槽,先把增强体硅酸铝纤维和氧化铝纤维做成环状物置于铸模内,然后浇铸铝合金制成锭,再挤压成铝基复合材料活塞,其性能和寿命远比传统的铸铁环槽镶块的高。复合材料活塞已获得相当广泛的应用。2000年国外又推出氧化铝纤维增强活塞顶的铝活塞,进一步扩大了这种复合材料在活塞上的应用。铝基复合材料在美国较多地用于制造刹车轮,因为它的质量比铸铁的轻30%~60%,同时它的热导率高,最高工作温度可达450℃。2005年以来,世界主要汽车公司如奔驰、沃尔沃、菲亚特、通用、福特、丰田等都对铝基复合材料刹车系统(制动盘、制动鼓)的研发与推广应用做了许多工作,例如用铝基复合材料制造踏板、制动钳。用复合铝材制造的制动钳不但质量轻,而且最主要的是刚度大,这种制动钳已用于赛车,由于价格高限制了大量应用。当前,铝基复合材料主要用于制造柴油发动机活塞,在汽油发动机上的应用还不普遍,因为氧化铝和氧化硅短纤维增强的铝合金会发生热疲劳断裂,采用陶瓷纤维预型坯可在较大程度上解决此问题,提高活塞寿命,世界上一些大的汽车公司已采用陶瓷纤维增强铝合金活塞。福特汽车公司及法国雷诺汽车公司用碳、硅纤维增强的铝合金制造驱动轴,显著提高了轴的刚度。用铝基复合材料制造轮胎螺栓可使其质量降低50%。2009年,全球汽车工业消费的铝基复合材料估计已达15kt,但随着材料性能的不断提高,价格的日益下降,铝基复合材料在汽车中的应用将更广阔,在到2020年为止的这段时间内,这种材料在世界汽车中应用量的年平均增长率可达7.5%。上述的用量不含铝-锡复合轴承合金与散热复合铝箔。1.5铝基轴承合金是一种趋势用轧制工艺将两种或两种以上的铝与其他金属轧制成板材的复合材料如铝-钢复合的铝基轴承合金、铝-铝复合的汽车板等。轴承如图1所示,当轴在轴承中转动时,轴瓦的软基体受到磨损,使轴与轴承形状得到十分搭配的吻合,而硬质点呈显微突出,轴颈就架在这些质硬质点上,减少轴颈与轴承的接触面积,从而减少磨损。在轴颈与软基体间空隙中,可以储存润滑油,进一步减少摩擦。若偶然落入铁屑或砂粒等硬杂物,则可被压入软基体中,不致划伤轴颈。随着汽车发动机向高速、重载、增压强化方向发展,轴承的工作条件更加恶化。因此,对轴承材料提出了更高的要求。铝基轴承合金基本上具备了轴承合金的特点,在汽车上的应用日益增多。轴承合金应具备的性能有:良好的减摩性能与可润滑性,为此轴承合金轴瓦与轴之间的摩擦因数应小;一定的抗压强度与硬度,能承受转动着的轴施加的压力,但硬度不宜过高,以免磨损轴颈;良好的塑性和冲击韧性,以能承受震动和冲击载荷,使轴与轴承始终配合良好;表面性能良好,即有良好的抗咬合性、顺应性和嵌藏性;有良好的导热性与抗蚀性;热膨胀系数小。常用的铝基轴承合金有两类。此合金中w(Sb)=40%,w(Mg)=0.3~0.7%,其余为Al。其软基体组织为含Mg的铝固溶体,化合物AlSb为硬质点,加入少量镁可起固溶强化作用,提高强度性能。该合金与08钢板一起轧制成双金属复合板,生产工艺简单,成本低,具有较高的疲劳强度和耐磨性,但承载能力不大,适于制造负载低于2000N/mm2、滑动速度低于10m/s的轴承。1.5.2固溶强化作用Al-Sn-Cu轴承合金为w(Sn)=20%、w(Cu)=1%的铝合金,其组织是在硬的铝基体上均匀地分布着软的锡质点。加入的少量铜溶于铝中,起一定的固溶强化作用。这种合金也以08钢为衬背,轧制成复合双金属带,其特点是:较高的疲劳强度、耐热性、耐磨性和抗蚀性,生产工艺简便,成本也不高,可制造负载高达3200N/mm2与滑动速度低于13m/s的轴承。目前它已替代其他轴承合金,用于制造汽车、拖拉机和内燃机车等的轴承。铝基轴承合金的主要缺点是线膨胀系数大,因此使用中要有较大的配合间隙,同时制造工艺较为复杂,与锡基轴承合金相比,硬度较高,修复中刮削较为困难等。1.5.3诺力量铝合金公司这种复合板带材是用整体铸造的复合锭轧制的,生产这种复合板带材的关键是先铸得由两种或三种铝合金构成的整体锭,其他的生产工艺与常规铸锭热轧-冷轧法的相同,当今能工业化铸造这种锭的企业只有诺威力铝业公司(Novelis),该公司在其美国洛根(Logan)铝业公司、韩国的诺威力-大韩铝业公司的蔚山轧制厂、瑞士的谢尔铝业公司建成这类铸锭生产线,主要用于生产汽车散热箔与复合板带材。汽车大部分钣金件都要经过冲制成形或折边咬合,芯层为强度高的铝合金而表层为成形好的或装饰性好的铝合金构件的复合材料,可以圆满地解决这些问题。诺威力铝业公司正在着力做这方面的工作,以开拓复合铝板带在汽车中的应用。除以上汽车复合板外,还有钎焊用铝合金复合板、带、箔用于制造汽车热交换系统的散热元件,以前已有专文论述。2朱晶和晶体需要提高铝基材料的制造能力2.1颗粒增强材料和晶须增强体的选择应用首先是选择增强材料颗粒或晶须,选择颗粒或晶须的主要参数是:弹性模量,抗拉强度,密度,熔点,热稳定性,热胀系数,尺寸稳定性,与基体的相容性,成本等。目前颗粒增强材料有C、SiC、Al2O3、TiB2、TiC、AlN、B4C、BiN、Si3N4等;晶须增强材料有C、SiC、Al2O3、Si3N4等(表3、4)。为了使基体与增强体能很好地复合在一起,还必须对增强体和基体进行适当的处理,其方法有:在颗粒表面使用涂层,如Ni、Cu等;对颗粒进行热处理;用某些盐的水溶液处理颗粒,或用有机溶剂清洗;通过合金化改善润湿性和控制界面反应。2.2制造方法制造颗粒与晶须增强铝基复合材料的主要方法有:浸渗铸造法、搅拌铸造法、粉末冶金法、喷射法和反应合成法(原位复合法),见图2。2.2.1sicw/al复合材料及sicp/al复合材料的制备工艺浸渗铸造法可分为机械压力、气体压力、助渗剂无压浸渗法与离心铸造法。机械压力浸渗法可制备SiCW增强的铝基复合材料。首先是制备晶须块而后进行压铸:将晶须预热到700℃,模具加热到300℃,浇入760℃的铝合金熔体,施加12N/mm2压力,使铝熔体渗入晶须块(图3)。一般颗粒预制块的浸渗压力比纤维或晶须预制块的压力大5~10倍。SiCW/Al复合材料及SiCp/Al复合材料的性能见表5及表6。气体压力浸渗铸造法是将增强体用粘结剂粘结成预制块,放入密闭模腔内,加热并抽真空,然后用较低的气体压力(大都在十几N/mm2以下)将铝熔体压入模腔,冷却凝固后制得成形的构件(图4)。助渗剂无压浸渗法是在空气中,通过助渗剂使铝熔体渗入增强颗粒制取复合材料的工艺(图5)。搅拌铸造法。可分旋涡、半固态、团块、熔剂、超声、真空搅拌铸造法等。该法是将增强材料如石墨、SiC、Al2O3等颗粒投入铝熔体中,通过强力搅拌,浇铸成复合材料的方法。旋涡搅拌铸造法见图6。搅拌铸造法生产的铝合金的力学性能见表7。加拿大铝业公司的子公司(Dural铝基复合材料公司)采用真空搅拌铸造法(Dural法)生产商品名称为Duralcan的复合材料,在航空器与汽车制造中获得了应用。Duralcan的性能见表8~表10。可用此法生产压力加工用的锭,也可以生产铸件及重熔锭。离心铸造法是根据工件要求,借助离心力作用,把增强颗粒分布于铸件外表面或内表面的工艺。这种方法可使工件表层有一定厚度的复合材料,用来制造外表面或内表面有特殊性能要求的工件。2.2.2纳米铝基复合材料热压加工常规粉末冶金法首先是将增强体(通常是SiC、Al2O3等的颗粒、晶须或短纤维)和激冷微晶铝合金粉末用机械手段均匀混合,冷压实,然后加热除气,在液相线与固相线之间进行真空热压烧结,制得复合材料坯料,再将坯料热挤压等热压加工就可制得所需要的零部件(图7);或者把混合粉末装于铝包套内,依次进行冷压实、加热除气、热压烧结、去包套、热挤或热轧、热处理等工序也能制得致密的铝基复合材料。在表11中示出了粉末冶金铝基复合材料的力学性能。2.2.3喷射沉积工艺该法获得应用的有喷射分散法、喷射共沉积法、喷射条带法等。其中英国Osprey公司的喷射沉积成形示意图见图8。如果同时用几个喷嘴喷射几种增强颗粒便可制得共沉积金属基复合材料。用喷射沉积法生产的铝基复合材料的力学性能见表12。喷射共沉积工艺的基本原理是在喷射沉积过程中,把具有一定动量的颗粒增强相强制喷入雾化液流中,使熔融金属和颗粒增强相共同沉积到运动基体上,制成颗粒增强的金属基复合材料沉积坯。喷射共沉积工艺的基本原理如图9所示。Al-Si合金在汽车中的应用最为广泛,约占汽车总用铝量(2009年)的65%。采用不同工艺制备的Al-Si合金的室温力学性能比较见表13。Al-Si合金优良的耐磨性、低的线膨胀系数使其在汽车、交通运输等工业方面有着广阔的应用前景。通过加入增强颗粒,如SiC、Al2O3,可进一步提高合金的耐磨性能,而通常的搅拌铸造法存在着初晶硅粗化、增强颗粒团聚、含量低等缺点。大量的研究表明,增强颗粒尺寸、含量以及分布对铝基复合材料摩擦磨损性能的影响较大。因此,获得组织均匀、增强颗粒含量高且均匀分布的复合材料成为关键。陈振华等利用坩埚移动式喷射沉积工艺制备了A359/15%SiCp复合材料,颗粒增强铝基复合材料A359/SiCp采用坩埚移动式喷射沉积工艺制备材料如图10所示。基体合金采用A359,成分见表14。熔融的合金在高压惰性氮气作用下通过双环雾化器雾化成液体颗粒,在此过程中SiC颗粒被加入到雾化锥中,雾化器沿沉积基体径向方向不断扫描,随后雾化液滴以及被捕获的SiC颗粒逐层沉积在经过预热的沉积基体上,形成沉积坯料。他们的研究结果为:(1)利用新型的移动坩埚自动化控制喷射沉积环坯制备技术及装置,研究了大尺寸铝基复合材料环坯的制备规律,讨论了喷射沉积工艺参数对沉积坯形成过程的影响,得到了最佳工艺参数:导流管直径D=3.8mm,雾化气体压力p=0.8MPa,喷射高度H=200mm,SiC颗粒输送压力p返=0.5MPa,制备出了不同硅含量的铝基复合材料环坯,其尺寸为ue7881200mm×ue788600mm×100mm,形状良好,沉积坯组织均匀、初晶硅尺寸在5μm以下,增强颗粒分布均匀,增强颗粒的体积分数约为15%。铝基复合材料的硬度和抗拉强度随硅含量的增加而提高,热处理可以进一步提高材料的力学性能。(2)针对大尺寸铝基复合材料环坯的致密化要求以及尺寸特征,基于坯件多次小变形累积实现大变形的思想,发展了一种新型的楔形压制致密化技术及装置,研究了楔压工艺参数对致密化过程及材料性能的影响。楔压致密化处理后,喷射沉积坯料中的孔隙得到消除,SiC颗粒与基体间的界面结合得到改善,故材料的力学性能得到大幅度的提高。(3)MM1000摩擦磨损试验结果表明:随着铝基复合材料基体合金中硅含量的增加,摩擦副的磨损率大幅度降低,当w(Si)分别为9%,12%和20%时,铝基复合材料的磨损率分别为11.1×10-5mm3/J、6.7×10-5mm3/J和3.6×10-5mm3/J,配副的合成闸片的磨损率分别为1.43×10-3mm3/J、1.13×10-3mm3/J和0.97×10-3mm3/J,摩擦副的摩擦因数保持在0.31~0.34之间;热处理工艺可以明显提高Al-20%Si/15%SiCp复合材料的耐磨性能,将其磨损率降低到2.0×10-5mm3/J,闸片的磨损率降到0.5×10-3mm3/J,而摩擦因数在0.32左右Al-20%Si/15%SiCp复合材料经楔压致密化处理后,摩擦副的摩擦因数为0.34,磨损率进一步降低,铝基复合材料和闸片的磨损率分别为1.5×10-5mm3/J和0.58×10-5mm3/J;楔压Al-20%Si/15%SiCp复合材料/合成闸片的摩擦副表现出较低的速度和压力依赖性,并且其摩擦磨损性能优于铸铁/合金闸片摩擦副。铝基复合材料的磨损机制为:因犁沟效应使摩擦层产生塑性变形,因塑性变形而在局部区域内微孔隙或弱界面结合处形成大量微小裂纹,裂纹在应力作用下不断长大并向塑性变形层内部扩展,裂纹的最终大小以及扩展深度受材料性能的影响,并最终根据裂纹的大小和扩展深度使材料表现出层状剥离、块状剥落以及增强颗粒的剥落和破碎等几种磨损机制,同时伴有氧化磨损。(4)在国内,首次采用喷射沉积+楔压致密化工艺制备出了铝基复合材料制动盘试样,其尺寸大小与实际使用的制动盘相同,并与自制的合成闸片试样配对进行了1∶1台架试验,