粉末冶金金屬基復(fù)合材料虛擬設(shè)計與制備

1、粉末冶金金屬基復(fù)合材料虛擬設(shè)計與制備Research on the virtual designing and preparation of metal matrix composites synthesized by PM項(xiàng)目組：席生岐 趙廣社 郗雨林 李曉軍 曹利強(qiáng) 張文興 柴東朗 主要內(nèi)容和意義：復(fù)合材料的一大特點(diǎn)在于組織和性能的可設(shè)計性。本項(xiàng)目以粉末冶金法制備金屬基復(fù)合材料為研究對象，在對其界面微結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)虛擬設(shè)計與制備，確保制備復(fù)合材料界面微結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)異，優(yōu)化并控制制造工藝過程，降低金屬基復(fù)合材料在生產(chǎn)制造成本，提高成品率，使粉末冶金金屬基復(fù)合材料盡早得到廣泛應(yīng)

2、用。預(yù)期研究目標(biāo)：在建立金屬基復(fù)合材料界面的模型基礎(chǔ)上，借助計算機(jī)利用該模型和相關(guān)判據(jù)進(jìn)行柔性界面設(shè)計。完成具有輕質(zhì)（<2.0g/cm3）高強(qiáng)高韌金屬基復(fù)合材料的設(shè)計并制備出材料。利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)計算機(jī)仿真的虛擬材料試驗(yàn)，建立虛擬實(shí)驗(yàn)臺，進(jìn)行材料性能預(yù)報。立論依據(jù)：金屬基復(fù)合材料(Metal Matrix Composite)，簡稱(MMC)是以金屬及其合金為基體，與一種或幾種金屬或非金屬增強(qiáng)相人工合成的復(fù)合材料。作為結(jié)構(gòu)材料，它不但具有一系列與其基體金屬或合金相似的特點(diǎn)，而且在比強(qiáng)度、比模量及高溫性能方面甚至超過其基體金屬及合金，在航空、航天工業(yè)和汽車工業(yè)中有著廣闊應(yīng)用前景【】。雖然金

3、屬基復(fù)合材料應(yīng)用范圍的逐步擴(kuò)大，但還存在著諸多問題，如在提高材料的強(qiáng)度的同時，大幅度降低了材料的延伸率；零部件在出現(xiàn)的內(nèi)部損傷超出容限范圍后如何使之愈合，各種材料優(yōu)化方案的評判問題等，而解決這些目前尚未或亟待解決復(fù)合材料中的個性和共性的關(guān)鍵科學(xué)問題則愈發(fā)顯得迫切，特別是在以下兩方面的研究對于金屬基復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。l 金屬基復(fù)合材料的界面細(xì)觀力學(xué)大多數(shù)金屬基復(fù)合材料，在熱力學(xué)上是非平衡體系，也就是說增強(qiáng)材料與基體界面存在化學(xué)勢梯度。這意味著增強(qiáng)材料與基體之間只要存在有利的動力學(xué)條件，就可能發(fā)生增強(qiáng)材料與基體之間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)。增強(qiáng)材料與基體界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在界面上生成新的化

4、合物層，也就是界面層。金屬基復(fù)合材料的界面研究一直未取得重大突破，界面反應(yīng)的控制尚未找到有效的手段；基體界面增強(qiáng)體三者對材料性能影響規(guī)律及三者間的優(yōu)化配合尚需進(jìn)一步探討【】。本研究擬利用自主提出的“界面功耗”模型【】，緩解增強(qiáng)粒子鄰域的“應(yīng)變”約束，從而實(shí)現(xiàn)界面的柔性設(shè)計，有效提高金屬基復(fù)合材料的塑韌性。該問題的解決對制備高性能復(fù)合材料，有效發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)異性能將有著深遠(yuǎn)的理論意義和廣泛的實(shí)際應(yīng)用價值。 l 信息技術(shù)與材料科學(xué)的結(jié)合信息技術(shù)在材料開發(fā)、制備及應(yīng)用相結(jié)合主要是指利用計算機(jī)技術(shù)解決材料中存在的問題。主要內(nèi)容包括成分設(shè)計與優(yōu)化（建立一套專家系統(tǒng)）、制備的過程控制（實(shí)現(xiàn)材料制備的自動

5、化或半自動化，減少人為因素對材料性能的影響）、材料性能檢測的計算機(jī)仿真（虛擬試驗(yàn)）以及材料中現(xiàn)象（界面、損傷和愈合等）模型的建立與問題解決的一攬子方案等【】。材料與信息技術(shù)的結(jié)合將徹底改變目前傳統(tǒng)的材料研究模式（嘗試法），根據(jù)界面細(xì)觀力學(xué)研究成果，把大量的試驗(yàn)工作轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M研究，所作的試驗(yàn)主要是針對優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證，從而免去大量的材料試驗(yàn)和工藝研究，大大縮短從材料開發(fā)到應(yīng)用的周期。這將大大減少不可逆自然資源在研究開發(fā)中的浪費(fèi)，同時也加快了材料工業(yè)化應(yīng)用的步伐，對促進(jìn)我國的國民經(jīng)濟(jì)和加強(qiáng)國防建設(shè)有著不可估量的影響。復(fù)合材料的一大特點(diǎn)在于組織和性能的可設(shè)計性。粉末冶金法制備金屬基復(fù)合材料也可以根據(jù)

6、所設(shè)計的金屬基復(fù)合材料的性能要求設(shè)計選擇基體和增強(qiáng)體。和其它金屬基復(fù)合材料制備工藝相比較，粉末冶金法制備金屬基復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn)【】：首先，可以根據(jù)所設(shè)計的金屬基復(fù)合材料的性能要求，使增強(qiáng)材料(纖維、顆粒或晶須)與基體金屬粉末以任何比例混合，纖維含量最高可達(dá)75，顆粒含量可達(dá)50以上，這在液態(tài)法中是無法達(dá)到的。其次，熱等靜壓或燒結(jié)溫度低于金屬熔點(diǎn)，因而引起的增強(qiáng)材料與金屬全體界面反應(yīng)少，減小了界面反應(yīng)對復(fù)合材料性能的不利影響。同時可以通過熱等靜壓或燒結(jié)時的溫度、壓力和時間等工藝參數(shù)來控制界面反應(yīng)。 第三，粉末冶金制備的金屬基復(fù)合材料可以通過傳統(tǒng)的金屬加工方法進(jìn)行二次加工，可以得到所需形狀的復(fù)

7、合材料部件的毛坯。但粉末冶金法和擴(kuò)散結(jié)合一樣，工藝過程比較復(fù)雜，增加了工藝的復(fù)雜性和成本。然而由于粉末冶金法制備金屬基復(fù)合材料的上述優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)、外仍然在致力發(fā)展粉末冶金法生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料。本研究仍采用粉末冶金工藝來制備金屬基復(fù)合材料，在對其界面微結(jié)構(gòu)認(rèn)識基礎(chǔ)上，借助現(xiàn)代有限元計算機(jī)仿真分析程序，通過計算機(jī)虛擬設(shè)計與制備，確保制備復(fù)合材料界面微結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)異。參考文獻(xiàn)：研究目標(biāo)、內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題（一）本項(xiàng)目的研究目標(biāo)本項(xiàng)目的目標(biāo)為完成金屬基復(fù)合材料虛擬設(shè)計與制備技術(shù)和相關(guān)共性科學(xué)問題的研究，利用信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)材料制備的仿真設(shè)計與虛擬材料試驗(yàn)。研究目標(biāo)為：l 建立金屬基復(fù)合材料界面的模型

8、，利用計算機(jī)有限元計算進(jìn)行界面細(xì)觀力學(xué)分析，提出相關(guān)柔性界面判據(jù)。l 完成具有輕質(zhì)高強(qiáng)高韌金屬基復(fù)合材料的設(shè)計。l 實(shí)現(xiàn)材料試驗(yàn)過程的計算機(jī)仿真。建立一套完整的專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對金屬基復(fù)合材料的設(shè)計及優(yōu)化。l 利用粉末冶金技術(shù)制備出高性能金屬基復(fù)合材料。（二）主要研究內(nèi)容 （1）金屬基復(fù)合材料的界面設(shè)計l 對基體和增強(qiáng)體的界面進(jìn)行細(xì)觀力學(xué)分析及建立界面本構(gòu)方程l 研究界面的物理及化學(xué)特性，界面反應(yīng)條件l 進(jìn)行具有高的臨界界面功耗的柔性界面設(shè)計（2）先進(jìn)金屬基復(fù)合材料的制備及其性能研究l 材料試驗(yàn)過程的計算機(jī)仿真（虛擬試驗(yàn)）研究l 輕質(zhì)高強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料的制備及性能研究l 根據(jù)不同性能要求，利

9、用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對基體成分、增強(qiáng)體含量、熱處理工藝等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計擬解決的關(guān)鍵問題：1、 界面細(xì)觀力學(xué)有限元分析計算。2、 粉末冶金鋁基、鎂基復(fù)合材料制備工藝過程中的“氧化”防止。研究思路、技術(shù)路線及可行性分析1） 研究選用粉末冶金法制備試驗(yàn)所需各種材料。技術(shù)路線為：成分設(shè)計原料預(yù)處理一般混料法制粉機(jī)械合金化法制粉制坯設(shè)計真空燒結(jié)可控氣氛燒結(jié)空氣中燒結(jié)微波燒結(jié)冷成型熱成型制樣設(shè)計后續(xù)處理l 按本項(xiàng)目研究內(nèi)容要求設(shè)計材料成分和組成。l 檢測對比一般混料法和機(jī)械合金化法粉體原料所制坯料的質(zhì)量及在不同燒結(jié)方法中燒結(jié)質(zhì)量。l 利用自制設(shè)備（高溫顯微鏡）觀察研究燒結(jié)過程中粉體各組元的熔化、擴(kuò)散及燒結(jié)反

10、應(yīng)相生成情況。以此研究和優(yōu)化燒結(jié)工藝。l 利用冷熱成型法制材，研究不同變形度、不同成型溫度對不同構(gòu)成材料的組織性能的影響。2) 建立金屬基復(fù)合材料的界面模型力學(xué)界面：利用固體力學(xué)方法研究增強(qiáng)體粒子、韌性粒子與基體的界面處應(yīng)力、應(yīng)變分布及應(yīng)力、應(yīng)變速率間斷面；建立界面的本構(gòu)方程。利用彈塑性有限元法計算分析不同分布、不同形態(tài)增強(qiáng)體的應(yīng)力、位移場。物理冶金界面：利用熱力學(xué)分析材料制備過程中增強(qiáng)體基體界面處大的成分、反應(yīng)及界面幾何形態(tài)對材料中各元素分布狀態(tài)的影響，各元素在界面處的偏聚與貧化。l 依以上理論分析及所建立的模型進(jìn)行微梯度設(shè)計和韌性界面設(shè)計。l 建立粒子增韌模型，研究金屬基復(fù)合材料增韌途徑。3) 材料性能檢測與性能優(yōu)化的計算機(jī)仿真結(jié)合對所制備復(fù)合材料的性能測試，對基體成分、增強(qiáng)體含量、熱處理工藝等利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行性能優(yōu)化設(shè)計。對復(fù)合材料試樣，利用有限元分析法仿真