《現(xiàn)代復(fù)合材料》課件第五章金屬基復(fù)合材料(MMC)

1、第五章 金屬基復(fù)合材料(MMC)第一節(jié) 概 述 一、MMC的沿革與發(fā)展二、MMC的分類1、按增強(qiáng)材料形態(tài)分類纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒和晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料2、按金屬基體分類鋁基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料鎂基復(fù)合材料高溫合金復(fù)合材料金屬間化合物復(fù)合材料第二節(jié) 金屬基體一、鋁及鋁合金鋁的基本特點(diǎn)：熔點(diǎn)660 ，密度2.7g/cm3具有面心立方結(jié)構(gòu)所以其塑性優(yōu)異，適合各種形式的冷、熱加工導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，約為銅的60左右化學(xué)活性高，在大氣中鋁表面與氧形成一層薄而又致密的氧化鋁膜，防止鋁繼續(xù)氧化強(qiáng)度低鋁合金的分類鋁合金的熱處理：淬火和時(shí)效鋁合金的力學(xué)性能二、鈦及鈦合金鈦的特點(diǎn)：熔點(diǎn)1678 ，密度4.5

2、1g/cm3重量輕、比強(qiáng)度高。純鈦的強(qiáng)度可通過(guò)冷作硬化和合金化而得到顯著的提高如50的冷變形可使強(qiáng)度提高60，適當(dāng)合金化和熱處理，則抗拉強(qiáng)度可達(dá)12001400MPa，含有氫、碳、氧、鐵和鎂等雜質(zhì)元素的工業(yè)純鈦抗拉強(qiáng)度可提高到700MPa，并仍能保持良好的塑性和韌性。高溫性能優(yōu)良。合金化后的耐熱性顯著提高，可以作為高溫結(jié)構(gòu)材料使用，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片等，長(zhǎng)期使用最高溫度已達(dá)540 在大氣和海水中有優(yōu)異的耐蝕性在硫酸、鹽酸、硝酸相氫氧化納等介質(zhì)中都很穩(wěn)定導(dǎo)電與導(dǎo)熱性差.導(dǎo)熱系數(shù)只有銅的1l 7和鋁的l10，比電阻為銅的25倍常用鈦合金的性能三、鎂及鎂合金特點(diǎn)：密度1.74g/cm3由于

3、其密度低，比強(qiáng)度、比剛度較高， 鎂具有密排六方結(jié)構(gòu)，室溫和低溫塑性較低，但高溫塑性好可進(jìn)行各類形式的熱變形加工。減震性能好，能承受較大的沖擊振動(dòng)負(fù)荷四、金屬間化合物具有反常的溫度強(qiáng)度效應(yīng)脆性很大第三節(jié) MMC制備工藝根據(jù)各種制備方法的基本特點(diǎn)，金屬基復(fù)合材料的制備工藝分為四大類，即(1)固態(tài)法；(2)液態(tài)法；(3)噴涂與噴射沉積法；(4)原位復(fù)合法。 一、固態(tài)法1擴(kuò)散結(jié)合在一定溫度的壓力下，把新鮮清潔表面的相同或不相同的金屆，通過(guò)表面原子的互相擴(kuò)散而連接在一起。工藝流程關(guān)鍵步驟纖維的排布；復(fù)合材料的疊臺(tái)和真空封裝；熱壓纖維排布采用有機(jī)粘接劑。將增強(qiáng)纖維的單絲或多絲的條帶分別浸潰加熱后易揮發(fā)的有

4、機(jī)粘接劑，按復(fù)合材料的設(shè)計(jì)要求的間距排列在全屬基體的薄板或箔上，形成預(yù)制件采用帶槽的薄板或箔片，將纖維排布在其中采用等離子噴涂。即先在金屬基體箔片上用排布好一層纖維，然后再噴涂一層與基體金屬相同的金屬纖維表面經(jīng)化學(xué)或物理處理，在基體金屬熔池中充分地浸漬形成金屬基復(fù)合絲疊合與封裝為了防止復(fù)合材料在熱壓中的氧化，疊合好的復(fù)合材料坯科應(yīng)真空封裝于金屬模套中。為了便于復(fù)合材料在熱壓后與金屬模套的分離，在金屬模套的內(nèi)壁徐上云母粉類的涂料以利分離，注意不能涂與金屬基體發(fā)生反應(yīng)的涂料。熱壓在真空或保護(hù)氣氛下直接放入熱壓模或平板進(jìn)行熱壓合熱壓工藝參數(shù)主要為：熱壓溫度、壓力和時(shí)間擴(kuò)散結(jié)合的優(yōu)缺點(diǎn)：工藝相對(duì)復(fù)雜，

5、纖維排布、疊合以及封裝手工操作多，成本高。能按照復(fù)合材料的鋪層要求排布。在熱壓時(shí)可通過(guò)控制工藝參數(shù)的辦法來(lái)控制界面反應(yīng)2粉末冶金適用于連續(xù)、長(zhǎng)纖維增強(qiáng)也可用于短纖維、顆粒或晶須增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料長(zhǎng)纖維增強(qiáng)：將纖維和金屬粉末按比例混合，密封在容器中，然后進(jìn)行熱等靜壓其它增強(qiáng)相粉末冶金的優(yōu)點(diǎn)工藝過(guò)程溫度低，可以控制界面反應(yīng)增強(qiáng)材料(纖維、顆粒或晶須)與基體金屬粉末可以任何比例混合，纖維含量最高可達(dá)75，顆粒含量可達(dá)50以上對(duì)浸潤(rùn)性和密度差的要求較小采用熱等靜壓工藝時(shí)，其組織細(xì)化、細(xì)密、均勻，一般不會(huì)產(chǎn)生偏析、偏聚等缺陷，可使空隙和其它內(nèi)部缺陷得到明顯改善，從而提高復(fù)合材料的性能可以用傳統(tǒng)的加工方

6、法進(jìn)行二次加工粉末冶金的缺點(diǎn)工藝過(guò)程比較復(fù)雜，金屬基體必須制成金屬粉末，增加了工藝的復(fù)雜性和成本在制備鋁基復(fù)合材料時(shí)，還要防止鋁金屬粉末引起的爆炸二、液態(tài)法1壓鑄 壓鑄成型(Squeeze casting)，是指在壓力的作用下，將液態(tài)或半液態(tài)金屬基復(fù)合材料或金屬以一定速度充填壓鑄模型腔或增強(qiáng)材料須制體的孔隙中，在壓力下快速凝固成型而制備金屬基復(fù)合材料的工藝方法。普通壓鑄工藝過(guò)程將包含有增強(qiáng)材料的金屬熔體倒入預(yù)熱模具中后迅速加壓，壓力約為70l00MPa，使液態(tài)金屬基復(fù)合材料在壓力下凝固。待復(fù)合材料完全固化后頂出，即制得所需形狀及尺寸的金屬基復(fù)合材料的坯料或壓鑄件。增強(qiáng)材料預(yù)制體的壓鑄工藝過(guò)程將

7、熔融金屬注入裝有增強(qiáng)材料(長(zhǎng)、短纖維，顆?；蚓ы?的預(yù)制件模具中，并在壓力下使之滲入預(yù)制件的間隙，在高壓下迅速凝固成金屬基復(fù)合材料壓鑄法的優(yōu)點(diǎn)其組織細(xì)化、無(wú)氣孔，可以獲得比一般金屬模鑄件性能優(yōu)良的壓鑄件。工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，材料的質(zhì)量高且穩(wěn)定易于工業(yè)化生產(chǎn)。2半固態(tài)復(fù)合鑄造將顆粒加入處于半固態(tài)的金屬基體中，通過(guò)攪拌使顆粒在金屬基體中均勻分布，并取得良好的界面結(jié)合，然后澆注成型或?qū)牍虘B(tài)復(fù)合材料注入摸具進(jìn)行壓鑄成型。3熔滲將增強(qiáng)材料制成多孔預(yù)制體，置基體金屬熔體的上方或內(nèi)部，利用毛細(xì)力的使熔體作用滲入預(yù)制中。也可將預(yù)制體和基體金屬坯料裝入一可通入流動(dòng)氮?dú)獾募訜釥t中。通過(guò)加熱，基體金屬熔化，自發(fā)

8、滲透入網(wǎng)絡(luò)狀增強(qiáng)材料預(yù)制體中三、噴涂與噴射沉積噴涂沉積主要應(yīng)用于纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的須制層的制備，也可以獲得復(fù)合層狀復(fù)合材料的坯料。噴射沉積則主要用于制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。噴射與噴涂沉積工藝的最大特點(diǎn)是增強(qiáng)材料與基體金屬的潤(rùn)濕性要求低；增強(qiáng)材料與熔融金屬基體的接觸時(shí)間短，界面反應(yīng)量少。噴涂沉積制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)，纖維的分布均勻，獲得的薄單層纖維增強(qiáng)預(yù)制層可以很容易地通過(guò)擴(kuò)散結(jié)合工藝形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形狀和板材。噴涂與噴射沉積工藝，可以與各種陶瓷纖維或顆粒復(fù)合，即基體金屬的選擇范圍廣。1、噴涂沉積 噴涂沉積(spray deposition)主要原理是以等離子體或電弧加熱金屬粉

9、末或金屬線、絲，甚至增強(qiáng)材料的粉末，通過(guò)噴涂氣體噴涂沉積到沉積基板上。2、噴射沉積（Ospray） 將基體金屬熔煉后，在壓力作用下通過(guò)噴咀送入霧化器，在高速惰性氣體外流的作用下液態(tài)金屬被分散為細(xì)小的液滴，形成“霧化錐”，同時(shí)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)噴咀向“霧化錐”噴入增強(qiáng)顆粒，使之與金屬液滴一齊在一基板上沉積并快速凝固形成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。四、原位復(fù)合1共晶合金定向凝固原理： 共晶合金定向凝固時(shí)，參與共晶反應(yīng)的兩相同時(shí)以棒狀(纖維狀)或?qū)悠瑺钜?guī)則排列生成。2直接金屬氧化法唯一基體法：將金屬熔體（鋁和鈦）加熱到較高的溫度，向其中通入反應(yīng)性氣體（氧氣或氮?dú)猓?，加入促使氧化反?yīng)的合金元素Si和Mg，使熔

10、化金屬通過(guò)顯微通道滲透到氧化層外邊，并順序氧化，即鋁被氧化，但液鋁的滲透通道未被堵塞多孔預(yù)成型體氧化法3.反應(yīng)生成法利用各種金屬粉末、液體與非金屬粉末或氣體反應(yīng)生成金屬或金屬間化合物基體的復(fù)合材料。Ti + C + Al = Al + TiC Ti + B + Al = Al + TiB2 Ti +C + Ni + Al = Ni3Al + TiC 第四節(jié) MMC界面一、MMC界面類型與界面結(jié)合1金屬基復(fù)合材料界面類型界面層的形貌Cf/Ni中Ni向碳纖維擴(kuò)散層Bf/6Al-4Ti-V 中的界面反應(yīng)層 2金屬基復(fù)合材料界面結(jié)合(1)機(jī)械結(jié)合 屬于無(wú)溶解又不互相反應(yīng)的第I類界面。主要依靠增強(qiáng)材料與

11、基體表面的摩擦力而結(jié)合。研究表明，經(jīng)過(guò)表面蝕的增強(qiáng)材料所構(gòu)成的復(fù)合材料的強(qiáng)度要高23倍。但是這種界面結(jié)合僅限于受載應(yīng)力平行于增強(qiáng)材料表面時(shí)才能承載。(2)浸潤(rùn)與溶解結(jié)合基體與增強(qiáng)相之間發(fā)生潤(rùn)濕，并伴隨一定程度的相互溶解而產(chǎn)生的種結(jié)合，其界面是第II類。一般增強(qiáng)材料與基體有一定的潤(rùn)濕性，在浸潤(rùn)后產(chǎn)生局部的互溶才有一定結(jié)合力。如果互相溶解嚴(yán)重，以至于損傷了增強(qiáng)材料，則會(huì)改變?cè)鰪?qiáng)材料的結(jié)構(gòu)，削弱了增強(qiáng)材料的性能，從而降低復(fù)臺(tái)材料的性能。(3)化學(xué)反應(yīng)結(jié)合 大多數(shù)金屬基復(fù)合材料，在熱力學(xué)上是非平衡體系，也就是在增強(qiáng)材料與基體界面存在化學(xué)勢(shì)梯度。增強(qiáng)材料與基體之間只要存在有利的動(dòng)力學(xué)條件，就可能發(fā)生擴(kuò)散

12、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合物層，也就是界面層。這種結(jié)合形式就形成了第III類界面。這是主要的結(jié)合方式。適度的反應(yīng)層可以增加界面的強(qiáng)度，但生成過(guò)量的脆性層有害。(4)混合結(jié)合在一定的溫度和應(yīng)力條件下，第I類界面可能緩慢向第II類和第III類界面轉(zhuǎn)變。二、MMC界面穩(wěn)定性對(duì)界面的要求要求其在制備過(guò)程中獲得良好的界面與結(jié)合，并且不削弱增強(qiáng)材料要求其在使用過(guò)程中，尤其是在高溫長(zhǎng)時(shí)間使用條件下，能夠保持這種良好的界面與結(jié)合，以保持其性能的穩(wěn)定性1.界面溶解與析出具有第II類界面的復(fù)合材料在制備過(guò)程和高溫使用過(guò)程中，增強(qiáng)材料與金屬基體在界面會(huì)發(fā)生互相溶解，也可能發(fā)生溶

13、解后析出現(xiàn)象，因此采取適當(dāng)?shù)拇胧┦乖鰪?qiáng)材料減少發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的溶解，就可以提高復(fù)合材料的性能穩(wěn)定性。界面溶解的防止涂覆加入合金元素減小溶解度粉末冶金制備的w絲Ni復(fù)合材料，在1100左右使用50小時(shí)后，鎢絲發(fā)生溶解，造成鎢絲直徑僅為原來(lái)的60%，大大影響鎢絲的增強(qiáng)作用。為此，可采用鎢絲涂覆阻擋層或在鎳基合金中添加少量臺(tái)金元素，如鈦和鋁，可以起到一定的防止鎢絲溶入鎳基臺(tái)金的作用。界面析出的危害Cf/Ni復(fù)合材料，在600高溫下，在界面碳先溶入鎳，而后又析出，析出的碳是石墨結(jié)構(gòu)，密度增大而在界面留下空隙，給鎳提供了滲入碳纖維擴(kuò)散聚集的位置，而且隨溫度的提高鎳滲入量增加，嚴(yán)重?fù)p傷了碳纖維，使其強(qiáng)度嚴(yán)重

14、下降2界面反應(yīng) 界面反應(yīng)是影響具有第III類界面的復(fù)合材料界面穩(wěn)定性的化學(xué)因素。當(dāng)界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成大量脆性化合物時(shí)，就會(huì)削弱增強(qiáng)材料的增強(qiáng)作用，尤其是在高溫使用條件下，這種界面反應(yīng)的不穩(wěn)定性會(huì)造成復(fù)合材料的脆性破壞。界面反應(yīng)的地點(diǎn)基體與反應(yīng)產(chǎn)物界面層之間的邊界上反應(yīng)產(chǎn)物界面層與增強(qiáng)材料之間的邊界上上述兩種邊界上同時(shí)產(chǎn)生界面反應(yīng)的形式(1)連續(xù)界面反應(yīng) 反應(yīng)物的量(或界面層厚度)會(huì)隨溫度的變化和時(shí)間的長(zhǎng)短發(fā)生變化(2)交換式反應(yīng) 當(dāng)增強(qiáng)材料與含有兩種以上元素的金屬基體之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物后，反應(yīng)產(chǎn)物還會(huì)與其它基體元素發(fā)生交換反應(yīng)，產(chǎn)生界面的不穩(wěn)定硼纖維增強(qiáng)合鋁較高的鈦合金(Ti一

15、8A11Mo一1V) 首先是含鋁的鈦合金與硼反應(yīng)： Ti(Al) + B = (Ti,Al)B2 形成的(Ti，A1)B2界面反應(yīng)產(chǎn)物與鈦繼續(xù)進(jìn)行交換反應(yīng)： (Ti,Al)B2+Ti = TiB2 + Ti(Al) 這樣，界面反應(yīng)物中的鋁又會(huì)重新富集于基體合金一側(cè)，甚至形成Ti 3Al金屬間反應(yīng)物(3)暫穩(wěn)態(tài)界面的變化 暫穩(wěn)態(tài)界面的變化一般是由于增強(qiáng)材料表面局部氧化所造成的。在硼纖維增強(qiáng)鋁中，由于硼纖維上吸附有氧，并與之生成BO2，當(dāng)這層氧化物在擴(kuò)散結(jié)合時(shí)末受到破壞，但它是不穩(wěn)定的。在一定溫度下，由于鋁與氧親和力強(qiáng)，可以還原BO2，生成Al2O3，這種界面結(jié)合亦稱之為氧化結(jié)。在長(zhǎng)期熱效應(yīng)的作用

16、下，界面上的BO2氧化膜會(huì)發(fā)生球化，界面結(jié)合狀態(tài)發(fā)生變化。三、MMC界面浸潤(rùn)與界面反應(yīng)控制1.增強(qiáng)材料的表面處理 增強(qiáng)材料的表面性質(zhì)的類型：第一類增強(qiáng)材料的表面能很低，極不容易被基體熔體所潤(rùn)濕，但又能與某些金屬基體發(fā)生強(qiáng)烈的界面反應(yīng)。這類增強(qiáng)材料主要有碳纖維與氧化鋁類纖維、顆粒和晶須。第二類增強(qiáng)材料較易于被基體所潤(rùn)濕，也能與某些金屬基體反應(yīng)，但比第一類穩(wěn)定得多，主要有碳化硅和碳化硼類增強(qiáng)材料。日前尚未發(fā)現(xiàn)既能滿足潤(rùn)濕要求，又不與金屬基體發(fā)生界面反應(yīng)的惰性增強(qiáng)材料。增強(qiáng)材料的表面處理表面涂覆涂覆的作用改善增強(qiáng)材料與基體的潤(rùn)濕性和粘著性防止增強(qiáng)材料與基體之間的擴(kuò)散、滲透和反應(yīng)減輕增強(qiáng)材料與基體之間

17、的熱應(yīng)力集中 2金屬基體改性 在某些金屬基復(fù)合材料體系中，采用基體合金中添加某些合金元素以改善增強(qiáng)材料與基體之間的浸潤(rùn)條件或有效控制界面反應(yīng)的方法為基體改性?；w改性方法：第一種是控制界面反應(yīng)。加入改性合金元素應(yīng)使界面發(fā)生反應(yīng)時(shí)的反應(yīng)速度常數(shù)盡可能小，以保持第III類界面的穩(wěn)定性。第二種是改善界面浸潤(rùn)性。添加可與增強(qiáng)材料表面進(jìn)行一定程度界面反應(yīng)，從而形成一層很薄的反應(yīng)層的合金元素，提高增強(qiáng)材料的表面能，以增加其與基體的潤(rùn)濕性；或者在基體中添加的合金元素盡可能不與增強(qiáng)材料表面發(fā)生界面反應(yīng)，但可降低基體液相的表面能。合金元素對(duì)硼纖維界面反應(yīng)速度常數(shù)的影響沒(méi)有影響 稀釋劑明顯降低通過(guò)基體改性增強(qiáng)潤(rùn)濕

18、性Al2O3f與Al的潤(rùn)濕角: 660 180 980 60Al2O3f與Al-4.5Cu-3Mg的完全潤(rùn)濕，生成MgOAl2O3尖晶石Al2O3f與Al-23Li的完全潤(rùn)濕，生成LiAlO2 第五節(jié)MMC的性能1高比強(qiáng)度、比模量2高韌性和高沖擊性能 基體中的裂紋頂端的最大應(yīng)力接近基體的抗拉強(qiáng)度，而低于纖維的斷裂應(yīng)力時(shí)，裂紋或在界面擴(kuò)展鈍化，或因基體的塑性剪切變形而鈍化，從而改善了復(fù)合材料的斷裂韌性 3.對(duì)溫度變化和熱沖擊的敏感性低4.表面耐久性好，表面缺陷敏感性低表面堅(jiān)實(shí)耐久，尤其是顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料?？梢宰鳛楣こ虡?gòu)件中的耐磨件使用。在陶瓷基復(fù)合材料中，由于腐蝕或擦傷等引起的小裂紋

19、可使其強(qiáng)度劇烈降低。這是由于陶瓷的彈性模量高，但塑性和韌性低，不能象金屬基復(fù)合材料中的基體那樣可以借助塑性變形來(lái)使缺口或裂紋鈍化，而造成應(yīng)力集中，引起破壞。聚合物基復(fù)合材料基體的強(qiáng)度和硬度與金屬基體相比部相當(dāng)?shù)停癫羵?、磨損等對(duì)其表面都有顯著影響。5導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好6良好的熱匹配性有些纖維，如硼纖維與基合金的熱膨脹系數(shù)接近，在硼纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料中熱應(yīng)力可以降至很低。碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)后，可使復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)接近零。這樣，復(fù)合材料在重量上比鋁輕，但強(qiáng)度和剛度卻有很大的提高，而且不會(huì)因溫度差造成變形。7性能再現(xiàn)性好及制備工藝可借鑒金屬材料二、纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的性能 1強(qiáng)度與模量（FRMMC）FRMMC的強(qiáng)度和模量高，耐高溫性能好，但斷裂應(yīng)變與金屬基體相比要低得多，只有0.010.02。因此在沿纖維軸向拉伸時(shí)(縱向)，對(duì)于脆性纖維增強(qiáng)MMC的抗拉強(qiáng)度會(huì)偏離復(fù)合混