復合材料制備與加工3課件

復合材料制備與加工復合材料制備與加工第三章金屬復合材料的制備與加工

3.1粉末冶金復合

粉末冶金(P/MPowderMetallurgy)第三章金屬復合材料的制備與加工3.1粉末冶金復合粉復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件粉末高速鋼粉末熱等靜壓法粉末燒結(jié)法鑄鍛法粉末高速鋼粉末熱等靜壓法粉末燒結(jié)法鑄鍛法3.1粉末冶金復合

粉末冶金（PowderMetallurgy，略為P/M）復合法適合于分散強化型復合材料（顆粒、晶須或纖維強化型復合材料）的制備與成形,其基本原理與工藝過程與常規(guī)的粉末冶金法相同。粉末冶金復合法包括燒結(jié)成形法（近終形燒結(jié)、或燒結(jié)后直接機加工成零部件）、燒結(jié)制坯＋塑性加工成形法等。對于顆粒彌散強化金屬基復合材料，按照強化顆粒是預先加入基體粉末之中，還是在燒結(jié)過程中利用高溫下的化學反應獲得的，粉末冶金復合法又可分為強化顆粒摻入復合法（常規(guī)復合法）與原生復合法。3.1粉末冶金復合3.1.1粉末冶金復合法的特點優(yōu)點：基體金屬（合金）的成份可以自由選擇?？梢圆捎靡恍┲挥胁捎每焖倌谭ú拍苤频玫姆勰┖辖鹱龌w材料。強化顆粒的種類、尺寸可以較自由地選擇,還可以同時選用幾種不同的顆粒做強化相（多種顆粒混雜強化）。強化顆粒添加量的范圍廣。較容易實現(xiàn)強化顆粒的均勻分散（除微細顆粒）。3.1.1粉末冶金復合法的特點優(yōu)點：缺點：

(1)工藝較復雜,成本高；

(2)固化方法主要采用燒結(jié)、熱壓、擠壓等方法,制品的尺寸與形狀受限制；

(3)除采用原生復合法外,由于顆粒的凝聚作用,微細強化顆粒（1m以下）的均勻分散通常很困難，顆粒與基體之間的界面不如鑄造復合法好（顆粒表面的污染不易被除去而帶入基體中）。缺點：3.1.2粉末冶金復合的工藝過程3.1.2粉末冶金復合的工藝過程

(1)原料

基體金屬與強化顆粒均為粉末狀原料。從提高強化效果,增加強化顆粒含量的要求來看,希望基體金屬粉末與強化顆粒越細越好。但如上所述,顆粒越細,其凝聚性越大,且單位重量(或體積)的顆粒數(shù)迅速增加。所以,要使1m以下的微細強化顆粒均勻分散于基體之中反而很困難。通常,基體金屬粉末的平均粒度為十幾～數(shù)十m,而強化顆粒的平均粒度為幾～十幾m。(1)原料

(2)混合

通常采用高能量球磨機等進行混合,這種方法也稱為機械合金化法（MechanicalAlloying:MA）,是INCO公司的J.S.Benjamin為研制飛機發(fā)動機渦輪葉片用Ni基超合金（Ni-Y2O3）而開發(fā)的。為了防止混合過程中粉末的發(fā)熱、氧化,混合容器的外周采用水冷,而內(nèi)部則通入惰性或還原性氣體進行保護。攪拌輪的轉(zhuǎn)速一般為每分數(shù)百轉(zhuǎn),攪拌時間視基體金屬與強化顆粒的種類、尺寸（粒度）、添加量等而定,在1小時至數(shù)十小時之間。(2)混合(3)壓粉（壓密、壓型）

金屬粉末與強化顆粒均勻混合后,除采用真空熱壓燒結(jié)固化的工藝外,一般均需對粉末混合體進行壓密處理,通過壓型?；蚪饘侔踪x予壓粉體以一定的形狀,同時提高其初始密度。對于在常壓下燒結(jié)直接制取制品的情形,需要施加較高的壓粉壓力,以獲得較高的初始密度,減少后續(xù)燒結(jié)過程中的收縮。(4)脫氣

脫氣處理的目的是為了除去粉末、顆粒表面的水分與吸附氣體,防止燒結(jié)后材料內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、松疏等現(xiàn)象。當采用熱壓（hotpress）燒結(jié),或直接采用熱塑性變形燒結(jié)時,需要進行專門的脫氣處理。當采用真空熱壓燒結(jié)時,在真空熱壓機內(nèi)首先進行預脫氣處理,然后壓密、脫氣、燒結(jié)三者同時進行。(3)壓粉（壓密、壓型）(5)壓粉坯的致密化

根據(jù)需要,可在燒結(jié)之前對粉末坯施以冷等靜壓（CIP）處理,或軋制、擠壓變形,以達到致密化的目的。(6)燒結(jié)燒結(jié)的方式有:常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、真空熱壓燒結(jié)、熱等靜壓（HIP）燒結(jié)、熱塑性變形燒結(jié)等多種方式。由于金屬在燒結(jié)溫度下容易氧化,所以常壓燒結(jié)多在保護性氣氛下燒結(jié)。從燒結(jié)后的制品性能來看,以熱塑性變形燒結(jié)法最好,熱等靜壓法次之,常壓燒結(jié)最差。塑性變形（擠壓、鍛造、軋制）可以破壞粉末表面的氧化膜,壓合材料內(nèi)部的孔隙,有利于燒結(jié)的進行,提高其致密度與性能。(5)壓粉坯的致密化

(7)塑性加工

塑性加工又稱為二次加工。金屬基復合材料的特點之一,是在熱加工溫度條件下具有較好的變形性能。塑性加工的目的之一,是如上所述的提高復合材料的性能;其另一目的是為了賦予材料一定的形狀。例如,通過擠壓加工可以獲得斷面形狀較為復雜的型材。(7)塑性加工3.1.3原生復合法

利用燒結(jié)高溫下的化學反應,在燒結(jié)體內(nèi)直接生成強化顆粒。

由內(nèi)部氧化反應制取Al2O3顆粒強化銅基復合材料是1950年開發(fā)的。其基本原理是在Al固溶Cu合金粉末中加入CuO粉末,通過反應

2Cu-Al＋3CuO→5Cu＋Al2O3

制備粒徑0.003～0.012m、顆粒間隔為0.05～0.1m的非常細小的Al2O3顆粒強化銅基復合材料。獲得如此細小、均勻顆粒彌散強化復合材料是常規(guī)的P/M法、鑄造法（I/M法:IngotMetallurgy）所無法實現(xiàn)的。3.1.3原生復合法利用燒結(jié)高溫下的化學反應,在燒結(jié)氧化物彌散強化銅基復合材料氧化物彌散強化銅基復合材料，是在銅基體中引入熱穩(wěn)定性極高、呈彌散分布的第二相粒子，以阻礙位錯運動和抑制再結(jié)晶，從而使基體強度，特別是高溫強度得到大幅度提高的一種復合材料。常用的氧化物彌散相有Al2O3,Zr2O3,Y2O3,CaO,SiO2,MgO,TiO2和Cr2O3等，其中Al2O3是最常用的彌散相。Al2O3/Cu復合材料不僅保持了銅基體的高導電性和導熱性，而且具有優(yōu)越的高溫性能和抗蝕性，因而Al2O3/Cu復合材料的研制和開發(fā)成為銅合金材料研究的熱點。氧化物彌散強化銅基復合材料氧化物彌散強化銅基復合材料，是在銅氧化物彌散強化銅基復合材料第一個提出用內(nèi)氧化法來制備彌散強化銅的人是Smith.隨后Rhine和Meijering等相繼改進，使彌散強化銅綜合性能有了大幅度提高。彌散強化銅被廣泛應用于大型微波管結(jié)構(gòu)和導電材料，轉(zhuǎn)換開關(guān)和點焊機電極等方面。我國對Al2O3/Cu復合材料的研究起步較晚，現(xiàn)在很多高校和科研單位及企業(yè)都在進行這種材料的研究，但大部分仍處于試驗階段。氧化物彌散強化銅基復合材料內(nèi)氧化法制備Al2O3/Cu復合材料的工藝流程Cu-Al合金粉末制備:首先熔煉Cu-Al固溶合金，然后采用水霧化法或氮氣霧化法霧化熔體成粉末;氧導入粉末:將制成的粉末與氧源混合，氧源主要由Cu2O粉組成；內(nèi)氧化粉末:把混合粉末加熱到高溫并控制氧分壓，Cu2O分解，生成的氧擴散到Cu-Al合金粉末中，由于Al比Cu易生成氧化物，因此合金中的Al被優(yōu)先氧化成Al2O3;氫氣中還原多余氧:合金中的Al全部被氧化后，在氫氣氛中將粉末進行加熱，還原粉末中的過量氧;后續(xù)粉末冶金成形:將還原后的金屬粉末采用壓制成形、燒結(jié)、擠壓等粉末冶金手段制成所需要的型材。內(nèi)氧化法制備Al2O3/Cu復合材料的工藝流程復合材料制備與加工3課件3.1.4纖維強化金屬基復合材料

燒結(jié)法既可以用于短纖維（含晶須）強化金屬基復合材料的成形,也可以用于長纖維強化復合材料的成形。當強化相為短纖維或晶須時,燒結(jié)法的工藝過程基本上與強化相為顆粒時相同。當強化相為長纖維時,其燒結(jié)成形過程如圖3.3所示。3.1.4纖維強化金屬基復合材料燒結(jié)法既可以用于短纖維3.2鑄造凝固成形

3.2.1鑄造成形法(一)摻入鑄造復合法

在熔化金屬中加入陶瓷顆粒,經(jīng)均勻攪拌后澆入鑄模中使其凝固,獲得鑄造制品或二次加工(塑性加工)用坯料。除加入強化用陶瓷顆粒,并需充分攪拌使顆粒均勻分散外,其余的工藝操作與常規(guī)的金屬鑄造方法沒有差別。所以,鑄造成形法可以利用現(xiàn)有設備實現(xiàn)大批量生產(chǎn),降低生產(chǎn)成本。該方法在鋁基復合材料的制備方面應用較廣,其代表性的復合材料首推Alcan公司的DuralcanTM牌鋁基復合材料。鑄造成形法的關(guān)鍵技術(shù)是陶瓷顆粒的添加方法與條件,而有關(guān)這方面的數(shù)據(jù)與資料的報道很少。主要原因是各公司對此均采取高度保密態(tài)度,不予公開。3.2鑄造凝固成形3.2.1鑄造成形法復合材料制備與加工3課件

鑄造成形法的主要缺點是基體金屬與強化顆粒的組合受限制。因為:(1)強化顆粒與熔融基體金屬之間容易產(chǎn)生化學反應。例如,在熔融鋁合金中加入SiC、Al2O3陶瓷顆粒時,由于SiC顆粒的熱力學不穩(wěn)定性,容易發(fā)生（3-3）式的反應：

4Al+3SiC→Al4C3＋3Si(3-3)

為了抑制上式的反應,要求基體金屬是含Si較高的合金。盡管Al2O3在純鋁熔體中是穩(wěn)定的,但當熔體中含有Mg時,則會產(chǎn)生（3-4）式所示的反應：

3Mg+4Al2O3→3MgAl2O3+2Al(3-4)

為了抑制上式的反應,希望基體金屬是Mg含量盡可能低的鋁合金。鑄造成形法的主要缺點是基體金屬與強化顆粒的組合受限制。

(2)強化顆粒通常不容易被均勻地分散于象鋁及鋁合金一類的合金熔體中。一般地說,陶瓷顆粒與鋁合金的潤濕性很差,容易產(chǎn)生顆粒吸附于坩堝表面,或凝聚在一起、浮于熔體表面、沉淀于底部等現(xiàn)象。為了使顆粒均勻地分散于基體之中,需進行強力攪拌。對于細小顆粒,隨著顆粒添加量的增加,熔體的粘性增加,攪拌難度增加,而增加攪拌力會使表面的氧化層、氣體容易混入熔體之中。反之,粗大的顆粒容易產(chǎn)生重力偏析。因此,雖與陶瓷顆粒的種類有關(guān),通常選用較大尺寸的顆粒,粒度為10～20m左右;顆粒的含量則以不超過20vol%為宜。

(2)強化顆粒通常不容易被均勻地分散于象鋁及鋁合金

(3)陶瓷顆粒容易與溶質(zhì)原子一起在枝晶間產(chǎn)生偏析。其對策之一是提高鑄造時的凝固速度。(3)陶瓷顆粒容易與溶質(zhì)原子一起在枝晶間產(chǎn)生偏析。(二)原生復合法

將生成強化顆粒的原料加入到熔融基體金屬之中,利用高溫下的化學反應生成強化相,然后通過澆鑄成形。

可以生產(chǎn)鋁、鈦、銅、鉛等金屬與硼化物、碳化物、氮化物等的復合材料。鑄造后多采用擠壓、鍛造等方法進行成形。TiB2強化鋁基復合材料原生復合法的原理如下式所示。

2B＋Ti＋Al→TiB2＋Al (3-5)或 Al-Ti＋2Al-B→TiB2＋3Al (3-6)

(二)原生復合法原生復合法的特點是:

顆粒與基體材料之間的結(jié)合狀態(tài)良好（顆粒表面無氧化、無油污等）,有利于粒子的細化（0.25～1.5m）和均勻彌散,提高顆粒含量（可達40%左右）,獲得高性能的復合材料。原生復合法的特點是:3.2.2含浸凝固法

將預先制備的含有較高孔隙率的強化相成形體(稱為預成形體)含浸于熔融基體金屬之中,讓基體金屬浸透預成形體后,使其凝固以制備復合材料。

根據(jù)含浸、凝固時是否施加外力,含浸凝固法又分為加壓含浸法與非加壓含浸法。3.2.2含浸凝固法將預先制備的含有較高孔隙率的強化相

加壓含浸法是將預先制備的含有較高孔隙率的強化相成形體(稱為預成形體)含浸于熔融基體金屬之中,讓基體金屬浸透預成形體后,使其凝固以制備復合材料。加壓壓力可高達50～100MPa,且壓力保持到凝固結(jié)束為止。加壓含浸方法很早以來即受到重視,已在柴油發(fā)動機耐磨活塞、高爾夫球桿頭部材料等方面獲得實用。加壓含浸法是將預先制備的含有較高孔隙率的強化相成形體含浸法的優(yōu)點：

①適合于強化相與熔融基體金屬之間潤濕性很差的復合材料的制備;②有利于提高強化相的含量,可高達30～80%;③強化相與熔體金屬的接觸時間短,有利于抑制強化相與熔融金屬之間的反應;④當采用長纖維作強化相時,可先將纖維整齊排列成一定的形狀,容易實現(xiàn)長纖維的三向排列(采用三向纖維織網(wǎng)的預成形體);⑤不會產(chǎn)生鑄造法中強化相偏析的現(xiàn)象。含浸法的優(yōu)點：含浸法的缺點：

①用顆粒作強化相時預成形體的制備較困難,通常采用晶須、短纖維制備預成形體;②熔體金屬不容易浸透,大尺寸復合材料的成形較困難;③加壓含浸時預成形體易產(chǎn)生變形乃至壓潰；④不適合于強化相含量低的復合材料的制備。含浸法的缺點：3.2.3連續(xù)鑄造法

連續(xù)鑄造法適合于用長纖維作強化相的復合材料的成形。分下拉法與上拉法兩種。優(yōu)點是可以連續(xù)制備棒、管及斷面形狀較為簡單的型材,且加工成本較低;缺點是為避免產(chǎn)生化學反應,纖維種類受到限制,基體金屬一般只限于熔點較低的材料。

3.2.3連續(xù)鑄造法連續(xù)鑄造法適合于用長纖維作強化相3.2.4反向凝固法

反向凝固（InversionCasting）工藝是由德國人于1989年發(fā)展的一種薄帶連鑄工藝。

利用薄帶作為母帶,以一定的拉速穿過反向凝固器,由于母帶的溫度遠遠低于鋼液的溫度,在母帶表面附近形成足夠大的過冷度,鋼液從母帶表面開始凝固生長。配置在反向凝固器上方的一對軋輥,同時起到拉坯、對帶鋼表面進行平整和促進凝固層與母帶之間的焊合（壓力作用下）的作用。由于坯料的凝固生長是從內(nèi)向外進行的,故而稱為反向凝固法。3.2.4反向凝固法反向凝固（Invers主要工藝要點：

(1)母帶表面應進行充分的預處理,防止油污、雜質(zhì)混入鋼液之中;(2)母帶金屬與復合金屬的匹配,防止凝固層與母帶之間生成脆性化合物;(3)凝固層（復合層）厚度、復合層與母帶之間的過渡層（熔合層）的厚度與鋼液溫度、拉坯速度的工藝參數(shù)密切相關(guān),需要正確掌握其相互之間的關(guān)系。主要工藝要點：3.3噴射成形（噴射沉積）

噴射成形（Sprayforming）法是將金屬液滴以半熔融狀態(tài)堆積于基板上,制備急冷凝固預成形體。

利用噴射成形原理制備顆粒強化金屬基復合材料的方法有兩種：①添加法（Inertsprayforming）；②反應（原生）法（Reactive(In-situ)Sprayforming）3.3噴射成形（噴射沉積）噴射成形（Sp顆粒添加噴射成形法的特點:

(1)強化顆粒與熔融金屬的接觸時間短,界面反應受到很大程度的抑制,因而基體金屬與強化顆粒的組合自由度比鑄造法大。但是,成型體中強化顆粒的分布狀態(tài)仍因基體與顆粒的組合不同而受到影響。

(2)與常規(guī)的粉末冶金法（燒結(jié)法）相比,較容易制取管、棒、板等形狀的大尺寸試樣,也可以制備連續(xù)的和不連續(xù)的梯度材料復合材料。

(3)噴射沉積法制備的復合材料為快速凝固組織,基體顆粒細小、均勻,但在塑性、致密性方面較差。故常對噴射沉積制備的錠坯進行擠壓、旋壓等后續(xù)加工,以改變其塑性和致密度。顆粒添加噴射成形法的特點:反應噴射沉積法生成陶瓷顆粒的反應有如下三類：

(1)液-汽反應。如

Fe-Al＋(O2+N2)→Fe-Al＋Al2O3＋N2 (3-8) Lawley等人采用含氧5～12%的氮氣將Fe-2%Al熔融合金霧化,使其生成Al2O3,獲得非常細小的Al2O3彌散強化鐵基復合材料的預成型體。

(2)液-液反應。如

Cu-Ti＋Cu-B→Cu＋TiB2

(3-12)Lee等人將Cu-Ti合金與Cu-B合金熔融體同時噴霧,制得TiB2彌散銅基復合材料。

(3)液-固反應。在將熔融金屬霧化的同時,吹入固體顆粒使其生成陶瓷顆粒。如

STNLS-Ti＋CrxN→STNLS＋TiN (3-13)

可以制得20nm左右的TiN彌散強化奧氏體不銹鋼。反應噴射沉積法生成陶瓷顆粒的反應有如下三類：3.4軋制復合

軋制復合分為粉末軋制復合法和塊（帶）材軋制復合法（接合復合法）兩大類。前者用于顆粒彌散強化強化金屬基復合材料的成形,后者用于層狀復合材料的成形。3.4軋制復合軋制復合分為粉末軋制復合法和塊（帶3.4.1粉末軋制法一、包套軋制法

將粉末混合后進行壓粉（初步成形）、包套、除氣、軋制、燒結(jié)、后續(xù)加工（包括再軋制和進一步的熱處理）,最終獲得所需性能制品。這里軋制被用作相當于常規(guī)粉末冶金方法中的致密化手段。由于軋制變形中產(chǎn)生較大的附加剪切變形作用,因而與各種壓縮致密法相比,軋制法的致密效果要好得多,尤其是采用孔型軋制時,其致密化效果僅次于擠壓法。這種方法也是各種高溫超導材料線材化的常用方法，例如銀包套氧化物高溫超導線材。3.4.1粉末軋制法一、包套軋制法二、粉末直接軋制法

將粉末混合后直接進行軋制,然后進行燒結(jié)和后續(xù)加工,省去了包套軋制中的壓粉、包套、除氣等工序。

粉末直接軋制法具有如下兩個主要優(yōu)點:(1)簡化了生產(chǎn)工藝,且可以實現(xiàn)連續(xù)成形;(2)可以直接實現(xiàn)多層復合成形。二、粉末直接軋制法粉末直接軋制法具有如下兩個主要優(yōu)點:

單層帶材成形時,利用兩輥直接對粉末進行軋制。為了將混合粉末正確導入兩輥之間的壓縮變形區(qū),需要使用導衛(wèi)板,并在軋輥的兩端附加側(cè)向約束系統(tǒng)。為了保證軋輥表面狀態(tài)保持一定,利于粉末的致密和提高軋材表面質(zhì)量,需要配置輥面清理系統(tǒng)。成形多層帶時,各層的原料在被壓實之前即產(chǎn)生接觸,部分粉末顆粒在成形過程中容易相互被壓入對方一側(cè),因而界面將呈犬齒交錯狀,這有利于提高燒結(jié)后界面的接合強度。單層帶材成形時,利用兩輥直接對粉末進行軋制。為了將混合3.4.2塊（帶）材軋制復合法一、雙金屬復合板

不同的金屬在一定的溫度、壓力作用下通過變形接合（焊合）成一體。3.4.2塊（帶）材軋制復合法一、雙金屬復合板

當界面較清潔時,一般只需百分之幾的壓下率即可實現(xiàn)有效接合,獲得高性能的復合界面。軋制坯的制備主要有如圖所示的兩種方式。(一)熱軋復合

當界面較清潔時,一般只需百分之幾的壓下率即可實現(xiàn)有效接

圖(a)為單一復合坯的情形，適合于兩種金屬在變形抗力、厚度尺寸相差不太大的情形;

圖(b)為組合復合坯的情形，適合于復合層與基體板材在厚度或變形抗力上相差較大的情形。在保持內(nèi)部為真空的條件下將組合坯的四周焊合成一體。為了便于在復合后將上下復合板分開,需在兩組復合坯之間涂覆耐熱化合物,以防止軋制時產(chǎn)生焊合。然后對復合坯進行加熱軋制,直至所需厚度。圖(a)為單一復合坯的情形，適合于兩種金屬在變形抗力、厚

熱軋復合法的缺點在于:

當被復合的材料為鋁、鈦等活性金屬時,易在界面生成脆性金屬間化合物;由于坯料的長度受限制,軋制后切頭剪邊部分所占比例較大,對成品率影響較大。

熱軋復合法的缺點在于:(二)冷軋、溫軋復合

與熱軋復合相比,冷軋復合時界面接合較困難。但由于無加熱所帶來的界面氧化,不易在界面生成化合物,無需真空焊接等坯料前處理工藝措施,因而金屬組合的自由度大,適應面廣。軋制前先將接合面的油脂、氧化物除去,然后將被復合的材料疊在一起進行軋制即可實現(xiàn)接合。為了獲得較好的界面接合,軋制壓下率通常需要在70%以上。(二)冷軋、溫軋復合與熱軋復合相比,冷軋復合時界面接

由于冷軋復合的前處理與軋制均較容易實現(xiàn)連續(xù)作業(yè),故可使用卷狀坯料(板卷),以提高生產(chǎn)率與成品率。但冷軋復合時的界面幾乎沒有擴散效果,要達到完全接合很困難，因此,往往在冷軋復合后施以擴散熱處理,提高復合材料的界面接合強度。此外,對于冷軋接合較困難的材料,亦可在軋制復合前進行適當?shù)募訜?即采用溫軋復合的辦法。由于冷軋復合的前處理與軋制均較容易實現(xiàn)連續(xù)作業(yè),故可使復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件

爆炸成形是一種高能高速成形,其瞬時接合壓力可高達104MPa以上,因而可使界面兩側(cè)的原子達到很近的距離,加上接合過程中伴隨有塑性變形,有利于界面接合。雖然焊接過程中伴隨有高溫的產(chǎn)生,但由于復合在很短的時間內(nèi)完成,能很好地抑制活性金屬之間的化學反應。(三)爆炸焊接-冷軋成形法爆炸成形是一種高能高速成形,其瞬時接合壓力可高達104

基板平放在沙土堆上,復層板通過軟質(zhì)支撐呈一定角度（1-3）支撐在基板上方,復板與基板之間的間隔(利于形成沖擊)大約與復板的厚度相等即可。炸藥均勻堆放在復板上面,通過引爆在起爆端的雷管,利用爆炸的巨大沖擊力以及爆炸位置的迅速和連續(xù)傳播,在很短的時間（通常為零點幾秒）內(nèi)即可完成整個焊接復合過程?；迤椒旁谏惩炼焉?復層板通過軟質(zhì)支撐呈一定角度（1-二、減振鋼板以減振鋼板為主要代表的減振板材是在兩層金屬之間復合一層粘彈性樹脂(高分子材料),以達到吸收振動能量,減少結(jié)構(gòu)件噪音之目的。基本原理是:振動時的薄板彎曲在中間樹脂層內(nèi)引起剪切變形,分子之間產(chǎn)生粘性摩擦,將振動能量轉(zhuǎn)換成熱能而起到使薄板的彈性振動快速衰減的作用。二、減振鋼板減振鋼板的應用：

1）改善薄板部件的共振性。

汽車零部件一類薄板部件的噪音主要是由于其共振所引起的。過去的對策主要是采用隔音的方法,不利于部件的輕量化與生產(chǎn)的低能耗化,是一種消極的對策。減振材料則是針對噪音發(fā)生的根源采取積極的措施,致力于使材料本身具有"減振"功能。因此,減振鋼板在過去30余年的時間內(nèi)取得了較大的發(fā)展。減振鋼板的應用：減振鋼板的應用：

2）新型建筑結(jié)構(gòu)材料。

鋼軌、鐵橋、鋼制樓梯、走廊等噪音源，是因為金屬撞擊而引起的,使受撞擊后材料內(nèi)部的彈性振動盡快衰減，是減少撞擊噪音的根本對策。減振鋼板是同時具有高比強度、大尺寸等常規(guī)鋼板特性與良好的柔軟性、低噪音等木材特性的新型建筑結(jié)構(gòu)材料。在工業(yè)化發(fā)達國家,減振鋼板已在屋面材料、公寓樓梯與走廊、學校體育館地板以及鋼制家具等方面得以實用化。減振鋼板的應用：減振鋼板的成形根據(jù)中間層樹脂的形態(tài)不同,其成形方法可分為兩種。

1）稀釋樹脂涂覆、壓接法適合于采用常溫下粘結(jié)性很強的樹脂成形塊狀減振鋼板,將塊狀鋼板清洗、干燥后,在其復合面上涂覆一層經(jīng)稀釋了的樹脂,再經(jīng)干燥后疊合,在輥式壓力機上壓合即得減振鋼板。減振鋼板的成形

2）樹脂膜夾層連續(xù)復合法采用具有熱熔化接合性樹脂膜和板卷進行連續(xù)復合。2）樹脂膜夾層連續(xù)復合法復合材料制備與加工3課件三、鋁-塑復合板

類似于減振鋼板的結(jié)構(gòu),鋁-塑復合板以鋁板或鋁箔為面料,以聚乙烯或聚氯乙烯為芯料,經(jīng)預處理、輥壓等工藝進行復合。作為新型建筑、裝飾材料,鋁-塑復合板具有重量輕、機械強度高、隔音隔熱效果好、防火、防水,以及良好的耐沖擊、耐候性等,且外表美觀、使用方便、利于施工。主要用于賓館、酒樓、高檔公寓、商場的戶外裝修以及柜臺、家具等室內(nèi)裝修，還可以用于客車、火車、輪船等的間隔材料,以及機械、儀器、電器設備等。三、鋁-塑復合板3.5擠壓成形

3.5.1概述

采用擠壓法可成形的金屬復合材料分為兩大類：一類為分散（彌散）強化型復合材料，即通常所說的金屬基復合材料；另一類為層狀復合材料，如各種鋁包鋼線、雙金屬管等包覆材料，復合板、夾層板等層狀復合材料，以及其它特殊復合材料。3.5擠壓成形3.5.1概述(a)鋁包鋼線(b)雙金屬管(c)特殊層狀復合材料

層狀復合材料的例子

(a)鋁包鋼線(b)復合材料制備與加工3課件擠壓桿擠壓墊坯料擠壓筒擠壓模模支撐牌坊擠壓桿擠壓墊坯料擠壓筒擠壓模模支撐牌坊建筑用擠壓鋁型材

廣泛用于住宅、商廈等公共建筑的門、窗和內(nèi)外裝修。建筑用擠壓鋁型材廣泛用于住宅、商廈等公共建筑的門、窗鐵路車輛用擠壓鋁型材擠壓型材組裝構(gòu)成的旅客列車車身新干線7000系車輛用典型材料：中空鋁型材（雙層蒙皮），寬0.6m，長25m。鐵路車輛用擠壓鋁型材擠壓型材組裝構(gòu)成的新干線7000系車輛用3.5.2金屬基復合材料擠壓

一般采用粉末冶金法、高壓鑄造法或普通鑄造法制取坯料，然后通過擠壓的方法加工成各種斷面形狀的制品。與其它的熱塑性變形加工方法相比，采用熱擠壓（正擠壓、反擠壓或靜液擠壓等）方法進行后續(xù)加工生產(chǎn)靈活性大，有利于獲得管、棒、線、空心或?qū)嵭男筒?。而對于粉末冶金法制備的復合材料，利用高溫擠壓變形時強三向壓應力和強剪切變形作用，可以破壞粉末表面的氧化膜，改善粉末顆粒之間的接觸狀態(tài)，壓合內(nèi)部的空洞和孔隙，提高制品的致密度與性能。3.5.2金屬基復合材料擠壓一般采用粉末冶金法

此外，在粉末冶金法制備復合材料的工藝中，為了減少制備工序、降低生產(chǎn)成本，并克服后述的擠壓加工較困難的缺點，也可由預制坯不經(jīng)燒結(jié)而直接進行熱擠壓成形。金屬基復合材料的變形抗力很高，給擠壓加工帶來很大困難，在擠壓方法、擠壓設備與工藝參數(shù)的選擇時需要予以特別考慮。

此外，在粉末冶金法制備復合材料的工藝中，為了減少制備

采用粉末冶金或鑄造法制備的坯料中，晶須或短纖維呈無序分布狀態(tài)。利用擠壓加工時基體金屬的塑性流動，可增加晶須或短纖維的取向性，從而提高復合材料的強化效果。為了利用取向性提高復合材料的強化效果，要求強化相的長徑比達到某一臨界值以上。但另一方面，由于擠壓金屬流動的不均勻性，強化相的長徑比過大時，容易產(chǎn)生損傷和折斷，影響強化效果。因此，在采用短纖維作強化相時，應選擇合適的纖維長度。采用粉末冶金或鑄造法制備的坯料中，晶須或短纖維呈無序分布3.5.3雙金屬管擠壓

3.5.3.1復合坯料擠壓法擠壓前將成形內(nèi)外層用的兩個空心坯組裝成一個復合坯，然后進行擠壓。為了提高界面接合強度，需將內(nèi)外層坯料的接觸界面清洗干凈。同時，為了防止坯料加熱過程中產(chǎn)生氧化而影響界面的接合，需要在復合坯組裝后采用焊接或包套的方法對坯料兩端端面上內(nèi)外層的之間的縫隙進行密封。3.5.3雙金屬管擠壓3.5.3.1復合坯料擠壓法優(yōu)點：

擠壓時的延伸變形將使界面上產(chǎn)生較大比例的新生表面,同時?？赘浇鼣D壓變形區(qū)內(nèi)的高溫、高壓條件非常有利于界面原子的擴散，從而達到冶金接合（或稱金屬學接合）。缺點：

1）由于擠壓時金屬流動不均勻，容易造成擠壓管材沿長度方向內(nèi)外層壁厚不均勻。

2）當內(nèi)外層坯料的變形抗力相差較大時，容易產(chǎn)生外形波浪、界面呈竹節(jié)狀甚至較硬層產(chǎn)生破斷的現(xiàn)象，因而金屬的組合受到很大限制。優(yōu)點：復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件3.5.3.2多坯料擠壓法能很好地克服常規(guī)復合坯料擠壓法的缺點，適合于雙金屬管的成形。3.5.3.2多坯料擠壓法復合材料制備與加工3課件3.5.4包覆材料擠壓

3.5.4.1單芯包覆材料

用于導電或電器元件的線材占主要多數(shù)。在利用銅、鋁的優(yōu)秀導電、導熱性，鋁的低密度的同時，通過復合賦予線材以特殊的物理性能(如低線膨脹系數(shù))或高強度、高剛性、耐蝕耐磨性等。

單芯包覆材料的成形主要采用擠壓，或擠壓后再進行拉拔的方法。3.5.4包覆材料擠壓3.5.4.1單芯包覆材料3.5.4.1單芯包覆材料

一、普通擠壓復合法（芯材變形）是單芯包覆材料成形的最基本的方法，最大優(yōu)點是生產(chǎn)工藝比較簡單，且因為變形量大，加之熱擠壓時變形區(qū)內(nèi)高溫高壓的作用，復合制品的界面比較容易實現(xiàn)冶金接合。由于擠壓流動不均勻性的特點，擠壓制品沿長度方向包覆比（包覆層的厚度與制品直徑之比，或包覆層的斷面積與制品橫斷面積之比）不均勻嚴重。當內(nèi)外層材料的變形抗力或塑性流動性能相差較大時，還容易產(chǎn)生波浪、竹節(jié)、斷芯、包覆層破斷、內(nèi)外層之間鼓泡、表面皺紋等缺陷，選用具有合適模角的擠壓模，在坯料與擠壓筒壁之間進行潤滑等措施，可以減輕或減少缺陷的形成，擴大擠壓成形范圍。3.5.4.1單芯包覆材料確定擠壓工藝時，需要注意如下問題：

(1)保證坯料界面干潔，防止坯料復合后放置過程中或加熱過程中產(chǎn)生界面氧化。

(2)采用較大的擠壓比，保證界面在變形過程中產(chǎn)生足夠的新生面。

(3)控制擠壓溫度以防止在界面上形成金屬間化合物。

(4)對于雖不易形成化合物，但接合性能較差的金屬組合，也可以在復合界面之間添加有利于提高接合強度的過渡金屬層。確定擠壓工藝時，需要注意如下問題：二、靜液擠壓法由擠壓軸施加的擠壓力通過黏性介質(zhì)作用到坯料上而實現(xiàn)擠壓。由于坯料與擠壓筒壁、坯料與擠壓墊片之間不產(chǎn)生直接接觸，且坯料與擠壓模之間的潤滑狀態(tài)良好，從而大大改善了金屬流動的均勻性。采用靜液擠壓法有利于克服常規(guī)的正向擠壓法成形復合材料時容易產(chǎn)生的各種擠壓缺陷，尤其是沿制品長度方向包覆層厚度不均勻的問題。二、靜液擠壓法

由于復合是在高壓、芯材與包覆層同時產(chǎn)生塑性變形的條件下進行的，可以獲得高質(zhì)量的復合界面。此外，與常規(guī)的擠壓方法相比，靜液擠壓可以在室溫或較低的溫度下實現(xiàn)大變形擠壓，因而適合于在高溫下容易形成金屬間化合物的復合材料的成形。對復合層厚度的均勻性以及復合界面的接合強度要求較高的包覆材料，大多采用靜液擠壓的方法進行成形。

靜液擠壓法成形包覆材料的主要缺點是，生產(chǎn)效率低，成本高，不適合于復雜斷面形狀材料的包覆。與常規(guī)的正向擠壓法一樣，所定擠壓溫度下芯材與包覆材的變形抗力不能相差太大，否則容易產(chǎn)生波浪、竹節(jié)、芯材或包覆層破斷等缺陷。由于復合是在高壓、芯材與包覆層同時產(chǎn)生塑性變形的條件下進三、連續(xù)擠壓法（Conform:Continuousextrusionforming）依靠槽輪的摩擦將原料鋁桿連續(xù)咬入,可以實現(xiàn)連續(xù)和較高速度的包覆。適合于芯材無變形的連續(xù)包覆成形，如用作架空高壓線的鋁包鋼線和電車輸電導線等。在實現(xiàn)包覆成形過程中，金屬的流動特點與側(cè)向擠壓包覆法基本相同，模具配置與設計應考慮的主要問題也相同。三、連續(xù)擠壓法（Conform:Continuousex四、帶張力擠壓法在擠壓機的前方對包覆制品施加張力，以實現(xiàn)低包覆率（包覆層厚度很小）擠壓，通常用于在成形溫度下芯材的強度遠遠高于包覆材的強度這樣一類包覆制品的成形。包括普通正向擠壓、分流模擠壓、側(cè)向擠壓三種主要形式。四、帶張力擠壓法五、多坯料擠壓包覆法特點：

(1)可在普通正向擠壓機上成形；

(2)在高溫下進行包覆時，多坯料擠壓成形過程中芯材與包覆層處于高溫狀態(tài)下的接觸時間很短（與連續(xù)擠壓法相當），有利于抑制異種金屬之間的反應；

(3)可以簡單地進行多心包覆；

(4)通過調(diào)節(jié)芯材包覆套的高度，可在很廣的芯材屈服強度與包覆材流動應力比（記為YSR）的范圍內(nèi)實現(xiàn)芯材無變形包覆；

(5)較容易地實現(xiàn)大斷面、復雜形狀斷面型材的無變形包覆。

缺點是工模具結(jié)構(gòu)及擠壓操作與常規(guī)擠壓法相比要復雜一些。

五、多坯料擠壓包覆法3.5.4.2多芯包覆材料（低溫超導復合線）

典型的擠壓多芯包覆材料是低溫超導復合線材，一般為由幾百乃至上千根直徑為十幾至數(shù)十微米超導纖維復合在一起而成。

超導材料可分為金屬系與氧化物系兩大類，前者為低溫超導材料，后者為高溫超導材料。

由于電場、磁場的作用致使超導導體移動而產(chǎn)生的摩擦熱，電流與磁場分布變化所引起的超導導線發(fā)熱，均有可能引起超導狀態(tài)的破壞而成為常導體。為了防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要采用電阻小、熱傳導性能良好的銅或鋁進行包覆，以便在有局部發(fā)熱時，其熱量能被迅速逸散掉。為了確保上述散熱效果，希望超導導體本身成為細小纖維，每一根纖維均能用銅或鋁包覆起來，然后再將包覆纖維復合成多芯復合導線。因此，多芯復合線材的成形技術(shù)對低溫超導線材的制備與使用十分重要。

3.5.4.2多芯包覆材料（低溫超導復合線）一、Nb-Ti多芯復合超導線材

Nb-Ti與其它的合金、化合物系低溫超導材料相比，其超導性能并不算高。但Nb-Ti合金與銅的復合加工性能良好，機械強度與韌性高，因而成為當今主要的實用低溫超導材料，大約占將近90%的比例。一、Nb-Ti多芯復合超導線材Nb-Ti多芯復合線的加工工藝過程：首先將電弧爐熔制的Nb-Ti鑄坯擠壓或軋制成圓棒狀，對表面進行研磨、清洗后插入經(jīng)過清洗的銅管內(nèi)進行拉拔成形，制得六角形的Cu包覆Nb-Ti復合棒。然后將復合棒切斷成一定尺寸長度，經(jīng)矯直、表面研磨與清洗加工后，以緊密堆積方式排列于Cu圓筒內(nèi)，采用電子束焊接法將兩端封閉，制成復合擠壓坯。采用靜液擠壓法將復合坯擠壓成直徑為50-80mm的多心復合棒。擠壓多芯復合棒經(jīng)反復拉拔、退火處理拉制成所需斷面尺寸的線材。Nb-Ti多芯復合線的加工工藝過程：復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件二、Nb3Sn多芯復合超導線材

Nb3Sn的超導性能遠高于Nb-Ti合金，但由于Nb3Sn是一種化合物系脆性材料，其實用受到很大限制，只在高磁場（10T以上）用超導線圈等方面有少量實際應用。為了解決脆性化合物的成形性能很差的問題，Nb3Sn一類超導線材的代表制備工藝是：首先采用非化合物的金屬或合金作原料，通過擠壓、拉拔等成形方法制得多芯復合線材，然后通過熱處理生成所需化合物，賦予復合線材超導特性。二、Nb3Sn多芯復合超導線材

其工藝過程為：用青銅（含錫13wt%左右的Cu-Sn合金）與Nb的復合棒組合成復合坯料，采用靜液擠壓制備復合多芯棒材；為了防止在成形過程中生成化合物，擠壓需在較低溫度下進行；上述過程反復2～3次并施以拉拔伸線，以獲得所需尺寸的多芯復合線材；然后通過熱處理（700℃左右）生成超導物質(zhì)（如Nb3Sn）。其工藝過程為：用青銅（含錫13wt%左右的Cu-Sn合金包覆敷碎片擠壓法制備TiNi絲包覆敷碎片擠壓法制備TiNi絲復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件3.5.5其它層狀復合材料擠壓

鋼絲增強6063鋁合金管的分流模擠壓復合將12根直徑2mm的硬鋼線呈對稱排列復合到外徑60.8mm、壁厚2.2mm的6063合金管中，可得到比常規(guī)的6063鋁合金管抗拉強度、抗彎強度、壓縮失穩(wěn)強度提高45-50%以上的復合管，而其單重僅增加不到15%。

3.5.5其它層狀復合材料擠壓鋼絲增強6063鋁合金管

剛性滑接復合導線的分流模擠壓成形擠壓時鋼帶通過分流橋進入模芯，然后在焊合腔內(nèi)與鋁合金壓合，從模孔擠出。為了改善金屬的流動、利于模具設計、提高壓接效果，通常采用一次成形2根復合導線的方式。剛性滑接復合導線的分流模擠壓成形

采用多坯料擠壓法可以成形左右部分（而不是厚度方向）為不同材料的復合板材、翼緣部與立股部為異種材料的復合型材。這一類的復合材料雖然尚處在研究的初期階段，但有希望在特種導電材料（如高速列車輸電線材）、特殊用途的結(jié)構(gòu)材料等方面獲得應用。

采用多坯料擠壓法可以成形左右部分（而不是厚度方向）為不同3.6拉拔成形

拉拔成形主要用于兩個方面,一是雙金屬管的復合,二是對采用擠壓法成形的雙金屬管、包覆棒材進一步加工,以獲得細長尺寸制品。3.6拉拔成形拉拔成形主要用于兩個方面,一是雙金屬管3.6.1拉拔復合法

利用具有不同變形抗力的材料在塑性變形后會產(chǎn)生殘余應力的特點而實現(xiàn)機械接合的一種方法,分縮管拉拔法與擴管拉拔法兩種。3.6.1拉拔復合法利用具有不同變形抗力的材料在塑性變3.6.2包覆材的拉拔加工

采用普通擠壓法與靜液擠壓法通常只能成形直徑較大的復合棒材,為了制備各種小尺寸的復合線材,一般需要進行后續(xù)拉拔加工。3.6.2包覆材的拉拔加工采用普通擠壓法與靜液擠壓3.7液壓擴管

適合于變形抗力相差較大的雙金屬管成形。

初始狀態(tài)時內(nèi)層管的外徑Do小于外層管的內(nèi)徑Di，加壓時首先是內(nèi)層管被擴徑,直至與外層管接觸，Do＝Di，內(nèi)外層管之間的間隙消失。然后繼續(xù)增壓使外層管的外徑產(chǎn)生一定程度的變形，達到Do＝Di＝D'，并保持一定時間后卸壓，通過控制內(nèi)外層管坯的材質(zhì),使得外層管內(nèi)徑的彈性恢復量Di'－D'大于內(nèi)層管外徑的彈性恢復量Do'－D'，借助于外層管的收縮力（抱緊力）而實現(xiàn)復合。

3.7液壓擴管適合于變形抗力相差較大的雙金屬管成形。3.8其它復合方法

擴散法的優(yōu)點是基體與纖維之間不易產(chǎn)生反應,因而基體與纖維的組合自由度較大；缺點是纖維與基體之間的潤濕性常成為問題,制品性能均勻性不易控制等。3.8.1層疊熱壓法一、擴散接合法

將金屬箔或薄板與纖維交替排列，或?qū)螌永w維復合板疊在一起，然后升溫、加壓,使基體金屬與纖維、基體金屬與基體金屬之間產(chǎn)生擴散而達到結(jié)合的目的。3.8其它復合方法擴散法的優(yōu)點是基體與纖維之間不易產(chǎn)二、熔融金屬結(jié)合法在真空或惰性氣體中,使金屬熔化浸透到排列整齊的纖維束之間而制得復合材料。

優(yōu)點是基體與纖維的潤濕性好,纖維體積率高,制品性能的均勻性良好；其缺點是熔融金屬與纖維易產(chǎn)生化學反應,工藝與設備較復雜等?？芍苽溆腥缬钪骘w船機架空心結(jié)構(gòu)件等高性能材料。

二、熔融金屬結(jié)合法優(yōu)點是基體與纖維的潤濕性好,纖維體積3.8.2熔融金屬噴涂纏繞法

該方法的具體工藝因制品形狀的不同而異。制備連續(xù)纖維強化圓管時,可直接將熔融金屬（如熔融鋁）噴涂在纖維（如SiC）上，然后將復合纖維卷取到卷筒上,再通過熱壓而制得圓管。3.8.2熔融金屬噴涂纏繞法該方法的具體工藝因制品

如需要成形形狀較為復雜的部件，則可將纖維纏繞到圓筒上,然后噴涂熔融金屬制備復合板材,然后再對板材進行二次成形，以獲得所需形狀的部件。如需要成形形狀較為復雜的部件，則可將纖維纏繞到圓筒上,3.8.3兩相合金變形復合法

兩相合金是指在一定組成范圍或全組成范圍內(nèi)，一種金屬既不溶（或幾乎不溶）于另一種金屬,也不生成金屬間化合物的一類合金。

兩相合金在熔化后由液態(tài)開始冷卻的過程中,熔點較高的金屬A（第二相金屬）首先凝固,然后當溫度達到較低熔點金屬B的凝固點時,金屬B開始凝固直至合金的凝固結(jié)束。因此,兩相合金在組織上為復合材料型結(jié)構(gòu),第二相金屬以顆粒狀或樹枝狀分散于金屬基體之中。

3.8.3兩相合金變形復合法兩相合金是指在一定組成范圍復合材料制備與加工復合材料制備與加工第三章金屬復合材料的制備與加工

3.1粉末冶金復合

粉末冶金(P/MPowderMetallurgy)第三章金屬復合材料的制備與加工3.1粉末冶金復合粉復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件復合材料制備與加工3課件粉末高速鋼粉末熱等靜壓法粉末燒結(jié)法鑄鍛法粉末高速鋼粉末熱等靜壓法粉末燒結(jié)法鑄鍛法3.1粉末冶金復合

粉末冶金（PowderMetallurgy，略為P/M）復合法適合于分散強化型復合材料（顆粒、晶須或纖維強化型復合材料）的制備與成形,其基本原理與工藝過程與常規(guī)的粉末冶金法相同。粉末冶金復合法包括燒結(jié)成形法（近終形燒結(jié)、或燒結(jié)后直接機加工成零部件）、燒結(jié)制坯＋塑性加工成形法等。對于顆粒彌散強化金屬基復合材料，按照強化顆粒是預先加入基體粉末之中，還是在燒結(jié)過程中利用高溫下的化學反應獲得的，粉末冶金復合法又可分為強化顆粒摻入復合法（常規(guī)復合法）與原生復合法。3.1粉末冶金復合3.1.1粉末冶金復合法的特點優(yōu)點：基體金屬（合金）的成份可以自由選擇。可以采用一些只有采用快速凝固法才能制得的粉末合金做基體材料。強化顆粒的種類、尺寸可以較自由地選擇,還可以同時選用幾種不同的顆粒做強化相（多種顆?；祀s強化）。強化顆粒添加量的范圍廣。較容易實現(xiàn)強化顆粒的均勻分散（除微細顆粒）。3.1.1粉末冶金復合法的特點優(yōu)點：缺點：

(1)工藝較復雜,成本高；

(2)固化方法主要采用燒結(jié)、熱壓、擠壓等方法,制品的尺寸與形狀受限制；

(3)除采用原生復合法外,由于顆粒的凝聚作用,微細強化顆粒（1m以下）的均勻分散通常很困難，顆粒與基體之間的界面不如鑄造復合法好（顆粒表面的污染不易被除去而帶入基體中）。缺點：3.1.2粉末冶金復合的工藝過程3.1.2粉末冶金復合的工藝過程

(1)原料

基體金屬與強化顆粒均為粉末狀原料。從提高強化效果,增加強化顆粒含量的要求來看,希望基體金屬粉末與強化顆粒越細越好。但如上所述,顆粒越細,其凝聚性越大,且單位重量(或體積)的顆粒數(shù)迅速增加。所以,要使1m以下的微細強化顆粒均勻分散于基體之中反而很困難。通常,基體金屬粉末的平均粒度為十幾～數(shù)十m,而強化顆粒的平均粒度為幾～十幾m。(1)原料

(2)混合

通常采用高能量球磨機等進行混合,這種方法也稱為機械合金化法（MechanicalAlloying:MA）,是INCO公司的J.S.Benjamin為研制飛機發(fā)動機渦輪葉片用Ni基超合金（Ni-Y2O3）而開發(fā)的。為了防止混合過程中粉末的發(fā)熱、氧化,混合容器的外周采用水冷,而內(nèi)部則通入惰性或還原性氣體進行保護。攪拌輪的轉(zhuǎn)速一般為每分數(shù)百轉(zhuǎn),攪拌時間視基體金屬與強化顆粒的種類、尺寸（粒度）、添加量等而定,在1小時至數(shù)十小時之間。(2)混合(3)壓粉（壓密、壓型）

金屬粉末與強化顆粒均勻混合后,除采用真空熱壓燒結(jié)固化的工藝外,一般均需對粉末混合體進行壓密處理,通過壓型?；蚪饘侔踪x予壓粉體以一定的形狀,同時提高其初始密度。對于在常壓下燒結(jié)直接制取制品的情形,需要施加較高的壓粉壓力,以獲得較高的初始密度,減少后續(xù)燒結(jié)過程中的收縮。(4)脫氣

脫氣處理的目的是為了除去粉末、顆粒表面的水分與吸附氣體,防止燒結(jié)后材料內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、松疏等現(xiàn)象。當采用熱壓（hotpress）燒結(jié),或直接采用熱塑性變形燒結(jié)時,需要進行專門的脫氣處理。當采用真空熱壓燒結(jié)時,在真空熱壓機內(nèi)首先進行預脫氣處理,然后壓密、脫氣、燒結(jié)三者同時進行。(3)壓粉（壓密、壓型）(5)壓粉坯的致密化

根據(jù)需要,可在燒結(jié)之前對粉末坯施以冷等靜壓（CIP）處理,或軋制、擠壓變形,以達到致密化的目的。(6)燒結(jié)燒結(jié)的方式有:常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、真空熱壓燒結(jié)、熱等靜壓（HIP）燒結(jié)、熱塑性變形燒結(jié)等多種方式。由于金屬在燒結(jié)溫度下容易氧化,所以常壓燒結(jié)多在保護性氣氛下燒結(jié)。從燒結(jié)后的制品性能來看,以熱塑性變形燒結(jié)法最好,熱等靜壓法次之,常壓燒結(jié)最差。塑性變形（擠壓、鍛造、軋制）可以破壞粉末表面的氧化膜,壓合材料內(nèi)部的孔隙,有利于燒結(jié)的進行,提高其致密度與性能。(5)壓粉坯的致密化

(7)塑性加工

塑性加工又稱為二次加工。金屬基復合材料的特點之一,是在熱加工溫度條件下具有較好的變形性能。塑性加工的目的之一,是如上所述的提高復合材料的性能;其另一目的是為了賦予材料一定的形狀。例如,通過擠壓加工可以獲得斷面形狀較為復雜的型材。(7)塑性加工3.1.3原生復合法

利用燒結(jié)高溫下的化學反應,在燒結(jié)體內(nèi)直接生成強化顆粒。

由內(nèi)部氧化反應制取Al2O3顆粒強化銅基復合材料是1950年開發(fā)的。其基本原理是在Al固溶Cu合金粉末中加入CuO粉末,通過反應

2Cu-Al＋3CuO→5Cu＋Al2O3

制備粒徑0.003～0.012m、顆粒間隔為0.05～0.1m的非常細小的Al2O3顆粒強化銅基復合材料。獲得如此細小、均勻顆粒彌散強化復合材料是常規(guī)的P/M法、鑄造法（I/M法:IngotMetallurgy）所無法實現(xiàn)的。3.1.3原生復合法利用燒結(jié)高溫下的化學反應,在燒結(jié)氧化物彌散強化銅基復合材料氧化物彌散強化銅基復合材料，是在銅基體中引入熱穩(wěn)定性極高、呈彌散分布的第二相粒子，以阻礙位錯運動和抑制再結(jié)晶，從而使基體強度，特別是高溫強度得到大幅度提高的一種復合材料。常用的氧化物彌散相有Al2O3,Zr2O3,Y2O3,CaO,SiO2,MgO,TiO2和Cr2O3等，其中Al2O3是最常用的彌散相。Al2O3/Cu復合材料不僅保持了銅基體的高導電性和導熱性，而且具有優(yōu)越的高溫性能和抗蝕性，因而Al2O3/Cu復合材料的研制和開發(fā)成為銅合金材料研究的熱點。氧化物彌散強化銅基復合材料氧化物彌散強化銅基復合材料，是在銅氧化物彌散強化銅基復合材料第一個提出用內(nèi)氧化法來制備彌散強化銅的人是Smith.隨后Rhine和Meijering等相繼改進，使彌散強化銅綜合性能有了大幅度提高。彌散強化銅被廣泛應用于大型微波管結(jié)構(gòu)和導電材料，轉(zhuǎn)換開關(guān)和點焊機電極等方面。我國對Al2O3/Cu復合材料的研究起步較晚，現(xiàn)在很多高校和科研單位及企業(yè)都在進行這種材料的研究，但大部分仍處于試驗階段。氧化物彌散強化銅基復合材料內(nèi)氧化法制備Al2O3/Cu復合材料的工藝流程Cu-Al合金粉末制備:首先熔煉Cu-Al固溶合金，然后采用水霧化法或氮氣霧化法霧化熔體成粉末;氧導入粉末:將制成的粉末與氧源混合，氧源主要由Cu2O粉組成；內(nèi)氧化粉末:把混合粉末加熱到高溫并控制氧分壓，Cu2O分解，生成的氧擴散到Cu-Al合金粉末中，由于Al比Cu易生成氧化物，因此合金中的Al被優(yōu)先氧化成Al2O3;氫氣中還原多余氧:合金中的Al全部被氧化后，在氫氣氛中將粉末進行加熱，還原粉末中的過量氧;后續(xù)粉末冶金成形:將還原后的金屬粉末采用壓制成形、燒結(jié)、擠壓等粉末冶金手段制成所需要的型材。內(nèi)氧化法制備Al2O3/Cu復合材料的工藝流程復合材料制備與加工3課件3.1.4纖維強化金屬基復合材料

燒結(jié)法既可以用于短纖維（含晶須）強化金屬基復合材料的成形,也可以用于長纖維強化復合材料的成形。當強化相為短纖維或晶須時,燒結(jié)法的工藝過程基本上與強化相為顆粒時相同。當強化相為長纖維時,其燒結(jié)成形過程如圖3.3所示。3.1.4纖維強化金屬基復合材料燒結(jié)法既可以用于短纖維3.2鑄造凝固成形

3.2.1鑄造成形法(一)摻入鑄造復合法

在熔化金屬中加入陶瓷顆粒,經(jīng)均勻攪拌后澆入鑄模中使其凝固,獲得鑄造制品或二次加工(塑性加工)用坯料。除加入強化用陶瓷顆粒,并需充分攪拌使顆粒均勻分散外,其余的工藝操作與常規(guī)的金屬鑄造方法沒有差別。所以,鑄造成形法可以利用現(xiàn)有設備實現(xiàn)大批量生產(chǎn),降低生產(chǎn)成本。該方法在鋁基復合材料的制備方面應用較廣,其代表性的復合材料首推Alcan公司的DuralcanTM牌鋁基復合材料。鑄造成形法的關(guān)鍵技術(shù)是陶瓷顆粒的添加方法與條件,而有關(guān)這方面的數(shù)據(jù)與資料的報道很少。主要原因是各公司對此均采取高度保密態(tài)度,不予公開。3.2鑄造凝固成形3.2.1鑄造成形法復合材料制備與加工3課件

鑄造成形法的主要缺點是基體金屬與強化顆粒的組合受限制。因為:(1)強化顆粒與熔融基體金屬之間容易產(chǎn)生化學反應。例如,在熔融鋁合金中加入SiC、Al2O3陶瓷顆粒時,由于SiC顆粒的熱力學不穩(wěn)定性,容易發(fā)生（3-3）式的反應：

4Al+3SiC→Al4C3＋3Si(3-3)

為了抑制上式的反應,要求基體金屬是含Si較高的合金。盡管Al2O3在純鋁熔體中是穩(wěn)定的,但當熔體中含有Mg時,則會產(chǎn)生（3-4）式所示的反應：

3Mg+4Al2O3→3MgAl2O3+2Al(3-4)

為了抑制上式的反應,希望基體金屬是Mg含量盡可能低的鋁合金。鑄造成形法的主要缺點是基體金屬與強化顆粒的組合受限制。

(2)強化顆粒通常不容易被均勻地分散于象鋁及鋁合金一類的合金熔體中。一般地說,陶瓷顆粒與鋁合金的潤濕性很差,容易產(chǎn)生顆粒吸附于坩堝表面,或凝聚在一起、浮于熔體表面、沉淀于底部等現(xiàn)象。為了使顆粒均勻地分散于基體之中,需進行強力攪拌。對于細小顆粒,隨著顆粒添加量的增加,熔體的粘性增加,攪拌難度增加,而增加攪拌力會使表面的氧化層、氣體容易混入熔體之中。反之,粗大的顆粒容易產(chǎn)生重力偏析。因此,雖與陶瓷顆粒的種類有關(guān),通常選用較大尺寸的顆粒,粒度為10～20m左右;顆粒的含量則以不超過20vol%為宜。

(2)強化顆粒通常不容易被均勻地分散于象鋁及鋁合金

(3)陶瓷顆粒容易與溶質(zhì)原子一起在枝晶間產(chǎn)生偏析。其對策之一是提高鑄造時的凝固速度。(3)陶瓷顆粒容易與溶質(zhì)原子一起在枝晶間產(chǎn)生偏析。(二)原生復合法

將生成強化顆粒的原料加入到熔融基體金屬之中,利用高溫下的化學反應生成強化相,然后通過澆鑄成形。

可以生產(chǎn)鋁、鈦、銅、鉛等金屬與硼化物、碳化物、氮化物等的復合材料。鑄造后多采用擠壓、鍛造等方法進行成形。TiB2強化鋁基復合材料原生復合法的原理如下式所示。

2B＋Ti＋Al→TiB2＋Al (3-5)或 Al-Ti＋2Al-B→TiB2＋3Al (3-6)

(二)原生復合法原生復合法的特點是:

顆粒與基體材料之間的結(jié)合狀態(tài)良好（顆粒表面無氧化、無油污等）,有利于粒子的細化（0.25～1.5m）和均勻彌散,提高顆粒含量（可達40%左右）,獲得高性能的復合材料。原生復合法的特點是:3.2.2含浸凝固法

將預先制備的含有較高孔隙率的強化相成形體(稱為預成形體)含浸于熔融基體金屬之中,讓基體金屬浸透預成形體后,使其凝固以制備復合材料。

根據(jù)含浸、凝固時是否施加外力,含浸凝固法又分為加壓含浸法與非加壓含浸法。3.2.2含浸凝固法將預先制備的含有較高孔隙率的強化相

加壓含浸法是將預先制備的含有較高孔隙率的強化相成形體(稱為預成形體)含浸于熔融基體金屬之中,讓基體金屬浸透預成形體后,使其凝固以制備復合材料。加壓壓力可高達50～100MPa,且壓力保持到凝固結(jié)束為止。加壓含浸方法很早以來即受到重視,已在柴油發(fā)動機耐磨活塞、高爾夫球桿頭部材料等方面獲得實用。加壓含浸法是將預先制備的含有較高孔隙率的強化相成形體含浸法的優(yōu)點：

①適合于強化相與熔融基體金屬之間潤濕性很差的復合材料的制備;②有利于提高強化相的含量,可高達30～80%;③強化相與熔體金屬的接觸時間短,有利于抑制強化相與熔融金屬之間的反應;④當采用長纖維作強化相時,可先將纖維整齊排列成一定的形狀,容易實現(xiàn)長纖維的三向排列(采用三向纖維織網(wǎng)的預成形體);⑤不會產(chǎn)生鑄造法中強化相偏析的現(xiàn)象。含浸法的優(yōu)點：含浸法的缺點：

①用顆粒作強化相時預成形體的制備較困難,通常采用晶須、短纖維制備預成形體;②熔體金屬不容易浸透,大尺寸復合材料的成形較困難;③加壓含浸時預成形體易產(chǎn)生變形乃至壓潰；④不適合于強化相含量低的復合材料的制備。含浸法的缺點：3.2.3連續(xù)鑄造法

連續(xù)鑄造法適合于用長纖維作強化相的復合材料的成形。分下拉法與上拉法兩種。優(yōu)點是可以連續(xù)制備棒、管及斷面形狀較為簡單的型材,且加工成本較低;缺點是為避免產(chǎn)生化學反應,纖維種類受到限制,基體金屬一般只限于熔點較低的材料。

3.2.3連續(xù)鑄造法連續(xù)鑄造法適合于用長纖維作強化相3.2.4反向凝固法

反向凝固（InversionCasting）工藝是由德國人于1989年發(fā)展的一種薄帶連鑄工藝。

利用薄帶作為母帶,以一定的拉速穿過反向凝固器,由于母帶的溫度遠遠低于鋼液的溫度,在母帶表面附近形成足夠大的過冷度,鋼液從母帶表面開始凝固生長。配置在反向凝固器上方的一對軋輥,同時起到拉坯、對帶鋼表面進行平整和促進凝固層與母帶之間的焊合（壓力作用下）的作用。由于坯料的凝固生長是從內(nèi)向外進行的,故而稱為反向凝固法。3.2.4反向凝固法反向凝固（Invers主要工藝要點：

(1)母帶表面應進行充分的預處理,防止油污、雜質(zhì)混入鋼液之中;(2)母帶金屬與復合金屬的匹配,防止凝固層與母帶之間生成脆性化合物;(3)凝固層（復合層）厚度、復合層與母帶之間的過渡層（熔合層）的厚度與鋼液溫度、拉坯速度的工藝參數(shù)密切相關(guān),需要正確掌握其相互之間的關(guān)系。主要工藝要點：3.3噴射成形（噴射沉積）

噴射成形（Sprayforming）法是將金屬液滴以半熔融狀態(tài)堆積于基板上,制備急冷凝固預成形體。

利用噴射成形原理制備顆粒強化金屬基復合材料的方法有兩種：①添加法（Inertsprayforming）；②反應（原生）法（Reactive(In-situ)Sprayforming）3.3噴射成形（噴射沉積）噴射成形（Sp顆粒添加噴射成形法的特點:

(1)強化顆粒與熔融金屬的接觸時間短,界面反應受到很大程度的抑制,因而基體金屬與強化顆粒的組合自由度比鑄造法大。但是,成型體中強化顆粒的分布狀態(tài)仍因基體與顆粒的組合不同而受到影響。

(2)與常規(guī)的粉末冶金法（燒結(jié)法）相比,較容易制取管、棒、板等形狀的大尺寸試樣,也可以制備連續(xù)的和不連續(xù)的梯度材料復合材料。

(3)噴射沉積法制備的復合材料為快速凝固組織,基體顆粒細小、均勻,但在塑性、致密性方面較差。故常對噴射沉積制備的錠坯進行擠壓、旋壓等后續(xù)加工,以改變其塑性和致密度。顆粒添加噴射成形法的特點:反應噴射沉積法生成陶瓷顆粒的反應有如下三類：

(1)液-汽反應。如

Fe-Al＋(O2+N2)→Fe-Al＋Al2O3＋N2 (3-8) Lawley等人采用含氧5～12%的氮氣將Fe-2%Al熔融合金霧化,使其生成Al2O3,獲得非常細小的Al2O3彌散強化鐵基復合材料的預成型體。

(2)液-液反應。如

Cu-Ti＋Cu-B→Cu＋TiB2

(3-12)Lee等人將Cu-Ti合金與Cu-B合金熔融體同時噴霧,制得TiB2彌散銅基復合材料。

(3)液-固反應。在將熔融金屬霧化的同時,吹入固體顆粒使其生成陶瓷顆粒。如

STNLS-Ti＋CrxN→STNLS＋TiN (3-13)

可以制得20nm左右的TiN彌散強化奧氏體不銹鋼。反應噴射沉積法生成陶瓷顆粒的反應有如下三類：3.4軋制復合

軋制復合分為粉末軋制復合法和塊（帶）材軋制復合法（接合復合法）兩大類。前者用于顆粒彌散強化強化金屬基復合材料的成形,后者用于層狀復合材料的成形。3.4軋制復合軋制復合分為粉末軋制復合法和塊（帶3.4.1粉末軋制法一、包套軋制法

將粉末混合后進行壓粉（初步成形）、包套、除氣、軋制、燒結(jié)、后續(xù)加工（包括再軋制和進一步的熱處理）,最終獲得所需性能制品。這里軋制被用作相當于常規(guī)粉末冶金方法中的致密化手段。由于軋制變形中產(chǎn)生較大的附加剪切變形作用,因而與各種壓縮致密法相比,軋制法的致密效果要好得多,尤其是采用孔型軋制時,其致密化效果僅次于擠壓法。這種方法也是各種高溫超導材料線材化的常用方法，例如銀包套氧化物高溫超導線材。3.4.1粉末軋制法一、包套軋制法二、粉末直接軋制法

將粉末混合后直接進行軋制,然后進行燒結(jié)和后續(xù)加工,省去了包套軋制中的壓粉、包套、除氣等工序。

粉末直接軋制法具有如下兩個主要優(yōu)點:(1)簡化了生產(chǎn)工藝,且可以實現(xiàn)連續(xù)成形;(2)可以直接實現(xiàn)多層復合成形。二、粉末直接軋制法粉末直接軋制法具有如下兩個主要優(yōu)點:

單層帶材成形時,利用兩輥直接對粉末進行軋制。為了將混合粉末正確導入兩輥之間的壓縮變形區(qū),需要使用導衛(wèi)板,并在軋輥的兩端附加側(cè)向約束系統(tǒng)。為了保證軋輥表面狀態(tài)保持一定,利于粉末的致密和提高軋材表面質(zhì)量,需要配置輥面清理系統(tǒng)。成形多層帶時,各層的原料在被壓實之前即產(chǎn)生接觸,部分粉末顆粒在成形過程中容易相互被壓入對方一側(cè),因而界面將呈犬齒交錯狀,這有利于提高燒結(jié)后界面的接合強度。單層帶材成形時,利用兩輥直接對粉末進行軋制。為了將混合3.4.2塊（帶）材軋制復合法一、雙金屬復合板

不同的金屬在一定的溫度、壓力作用下通過變形接合（焊合）成一體。3.4.2塊（帶）材軋制復合法一、雙金屬復合板

當界面較清潔時,一般只需百分之幾的壓下率即可實現(xiàn)有效接合,獲得高性能的復合界面。軋制坯的制備主要有如圖所示的兩種方式。(一)熱軋復合

當界面較清潔時,一般只需百分之幾的壓下率即可實現(xiàn)有效接

圖(a)為單一復合坯的情形，適合于兩種金屬在變形抗力、厚度尺寸相差不太大的情形;

圖(b)為組合復合坯的情形，適合于復合層與基體板材在厚度或變形抗力上相差較大的情形。在保持內(nèi)部為真空的條件下將組合坯的四周焊合成一體。為了便于在復合后將上下復合板分開,需在兩組復合坯之間涂覆耐熱化合物,以防止軋制時產(chǎn)生焊合。然后對復合坯進行加熱軋制,直至所需厚度。圖(a)為單一復合坯的情形，適合于兩種金屬在變形抗力、厚

熱軋復合法的缺點在于:

當被復合的材料為鋁、鈦等活性金屬時,易在界面生成脆性金屬間化合物;由于坯料的