《復合材料》課件-第五章 鈦基復合材料-鎂基復合材料

鈦及其合金具有高強度、低密度、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的耐高溫和耐蝕性等性能，是高性能結構材料的首選材料。鈦基復合材料(TMCs)具有比鈦合金更高的比強度和比模量、極佳的耐疲勞和抗蠕變性能、以及優(yōu)異的高溫性能和耐蝕性能，它克服了原鈦合金耐磨性和彈性模量低等缺點?？沙尚托螤顝碗s的零部件，減少了廢料和機加工損耗?？捎米鞲邷亍⒏邏?、酸、堿、鹽等條件下的結構材料。5.5鈦基復合材料TMCS基體的選擇：（高溫下的抗氧化性能）①TiAl(γ)基合金②α鈦合金③Ti3Al(α2)④工業(yè)純鈦⑤Ti2NbAl基合金（良好的塑性抗氧化性）

工業(yè)純鈦不宜作纖維增強TMCs的基體，因為它與增強體特別是SiC纖維有強烈的反應。Bf/Ti-6Al-4V，經(jīng)850℃100h后界面反應增強體表面涂覆，能顯著降低Bf與基體Ti的界面反應產物，起到了控制Bf/Ti復合材料的作用。同時Bf表面涂層還提高了復合材料的高溫抗氧化性。Bf表面處理后對硼纖維/鈦的界面反應的影響增強類型①顆粒增強鈦基復合材料體積分數(shù)為：5~20%②連續(xù)纖維增強鈦基復合材料體積分數(shù)為：30~40%①顆粒增強鈦基復合材料增強體：

SiC、TiC、TiB2、TiB等顆粒制備方法：熔鑄法；

固相法：粉末冶金并應用原位反應技術，采用真空高溫活化燒結、真空熱壓及等靜壓等特殊工藝。為什么要采用原位反應技術？因為所有的強化劑與活性的Ti基都會發(fā)生界面反應而形成一種或是多種化合物。熔鑄法制備鈦合金基復合材料裝置示意圖氬氣保護性能

各向同性提高方面：硬度、耐磨性、剛度、高溫強度好降低方面：塑性、斷裂韌性、耐疲勞性能、室溫強度與基體相近或更差。①室溫下，TiC增強的TMCS的拉伸強度與基體相近，SiC顆粒增強TMCS拉伸強度比基體還低。②在高溫下，顆粒增強TMCS拉伸強度均比基體高。③基體的斷裂伸長率均大于顆粒增強TMCS，這表示此復合材料的塑性與基體相比下降。TiC和SiC顆粒增強鈦基復合材料的力學性能應用：超高音速宇航飛行器和先進航空發(fā)動機Ti-47Al-2V-7%TiB2作用導彈翼片汽車工業(yè)航空發(fā)動機葉輪②連續(xù)纖維增強鈦基復合材料增強體：

SiC、TiC、SiC包覆硼纖維、耐高溫的金屬纖維。制備方法：復合難度大，只能采用固相法合成，后用熱等靜壓、真

空熱壓鍛造方法壓實成形。制備方法：交替疊軋法、等離子噴涂、高速物理氣相沉積法表5-14連續(xù)纖維增強TMCs的制備方法復合方法工藝及制備方法優(yōu)點缺點交替疊軋法纖維-基體-纖維交替排列，加熱并加壓使其致密經(jīng)濟纖維分布不均勻，纖維間接觸易產生疲勞裂紋等離子噴涂法用真空等離子體將金屬粉漿注入高速旋轉的編織纖維，堆垛壓實。纖維分布均勻，界面反應小，利于成型基體組織不均勻，易損傷纖維，合金成分不可控高速物理氣相沉積單根纖維涂一層基體粉，疊起來熱壓成型纖維分布均勻，無聚集，纖維體積含量高合金成分不可控電子束蒸涂同上涂層速度高金屬利用率低三極管濺射同上金屬利用率高沉積速度低磁控濺射同上金屬利用率高沉積速度低性能：各向異性很強，橫向拉伸強度僅為縱向的30~45%，縱向拉伸強度比基體高得多?？v向：提高彈性模量、拉伸、蠕變強度橫向：性能低于基體材料，這是由于載荷是由基材和基材與強化劑界面來承擔。應用：航天航空事業(yè)，汽車工業(yè)材料項目或財政資助應用SiCp/Ti-basedalloy美國綜合高性能發(fā)動機技術和高速民用運輸機項目，英國材料戰(zhàn)略局的科技遠景規(guī)劃風扇葉片，壓氣機盤和排氣嘴和轉軸等，飛機蒙皮和剛性件供麥道公司，英國航天飛機的縱梁蒙皮，美國航天飛機機身結構連續(xù)SiCf/Ti-6Al-4V美國先進研究計劃和國家航空航天局資助，英國航天局結構材料中心汽輪機及其它航空結構件，航空汽輪機部件連續(xù)SiCf/Ti-22Al-23Nb美懷特實驗室的計劃美空軍資助宇航飛機和先進戰(zhàn)斗機的渦輪部件連續(xù)SiCf/Ti-6Al-4V勞斯萊斯股份有限公司超音速飛機蒙皮連續(xù)SiCf/Ti-22Al-10Nb-3V-1Mo德國與以色列科學合作項目資助先進航空器5.6鎂基復合材料鎂及鎂合金是密度最小的復合材料之一（1.738g/cm3），鋁的66%左右，比強度和比剛度高。

基體的選擇：因純鎂的強度較低，性能不高，不適于作為鎂基復合材料的基體，一般需要添加合金元素，主要有Al、Zn、Li、Ag、Zr、Mn、Ni和稀土金屬等。利用固溶強化、沉淀強化和細晶強化等作用提高強度。Mn---提高耐腐蝕性Zr---細化晶粒，提高抗熱裂傾向稀土---類似Zr，同時改善鑄造、焊接、耐熱和消除應力。Li---降低密度，改善塑性增強體：Al2O3×？3Mg+Al2O3＝2Al+3MgO降低結合強度2Mg+SiO2=Si+2MgO2Mg+Si=Mg2Si(沉淀，危害界面結合強度)因此，鎂基復合材料中較少采用Al2O3作為增強體。碳纖維×？

C不與純鎂反應，卻與鎂合金中的Al、Li等反應。生成立Al4C3、Li2C2等化合物，損傷碳纖維。需在碳纖維表面進行涂層，C-Si-O梯度涂層處理。B4C√？B4C與純鎂不反應，但顆粒表面的玻璃態(tài)B2O3與Mg發(fā)生界面反應：4Mg(L)+B2O3(L)=MgB2(S)+3MgO(S)

液相的產生使得潤濕性增加，不但不降低界面的結合強度，還有利于復合材料具有優(yōu)良的力學性能。SiC在復合材料的制備及高溫固溶處理中都沒有發(fā)現(xiàn)界面化學反應。因此，SiC和B4C纖維、晶須或顆粒是鎂基復合材料合適的增強活力體。

為進一步提高增強體與基體合金的潤濕性，增加界面結合強度，保護增強體免受基體合金液侵蝕，尋找合適的增強體涂層，或采用原位反應合成方法產生增強體---對于活潑的Mg-Li基復合材料尤為重要。制備方法：擠壓鑄造法（1）制備預制塊攪拌鑄造法制備鎂合金復合材料示意圖攪拌鑄造法：粉末冶金法：粉末冶金工藝流程鎂熔體噴嘴霧化室沉積底盤SiCp送粉裝置抽風口噴射沉積法：表5-17

幾種主要鎂合金材料制備方法制備工藝增強體類型優(yōu)

點缺

點擠壓鑄造短纖維、晶須、顆粒工藝簡單、成本低、易于批量生產;鑄造缺陷少;界面結合良好;復合材料力學性能較高難以直接制備形狀復雜的零件;增強體體積分數(shù)有一定限制粉末冶金顆粒增強體分布均勻;體積分數(shù)任意可調工藝設備復雜;小批量成本高;不安全攪拌鑄造晶須、顆粒設備簡單;生產效率高鑄造氣孔較多;顆粒分布不均勻,易偏聚噴射沉積短纖維、晶須、顆?；w合金晶粒度小;近無界面反應復合材料致密度不高;界面屬機械結合,強度不高性能：提高方面：硬度、彈性模量降低方面：延伸率表5-18、表5-19表5-18SiC（晶須、顆粒）增強鎂合金復合材料的力學性能熔煉法表5-19硼的長纖維增強鎂合金基復合材料的力學性能SiCp／Mg復合材料不同溫度的力學性能材料溫度℃σ0.2MPaσbMPaδ%EGPa15.1%SiCp／AZ9121207.9235.91.153.919.6%SiCp／AZ9121212.1231.00.757.425.4%SiCp／AZ9121231.7245.00.765.125.4%SiCp／AZ91177159.6176.41.556.025.4%SiCp／AZ9126053.268.63.6-20%SiCp／AZ9125+壓延251.0336.05.779.0在同一溫度下，SiCp體積含量增加，復合材料的屈服強度、拉伸強度、彈性模量都有所提高，伸長率則有所下降。對于同一含量增強相而言，隨著溫度的升高，屈服強度、拉伸強度、彈性模量都有所降低，伸長率有所提高，說明溫度對這種材料的性能有較大的影響。對鑄態(tài)復合材料進行壓延，可使其力學性能大大提高，壓延之所以能達到這種效果是由于經(jīng)過壓延陶瓷顆粒增強相在基體內分布更加均勻，消除了氣孔、縮松等缺陷。與基體合金AZ91相比,SiCW/AZ91的屈服強度、拉伸強度和彈性模量均大大提高,而伸長率下降。材料Vf/%σ0.2/MPaσb/MPa伸長率/%E/GPaAZ9101022056.0046SiCW/AZ91(酸性磷酸鋁粘結劑)212403701.1286SiCW/AZ91(硅膠粘結劑)212363320.8280SiCW/AZ91222233251.0881采用不同粘結劑的SiCW/AZ91鎂基復合材料的拉伸性能應用：

密度小、比強度大、比剛度高、尺寸穩(wěn)定和優(yōu)良的鑄造性能，正成為現(xiàn)代高新技術領域中最有希望采用的一種復合材料，其綜合性能優(yōu)于鋁基復合材料。鎂合金摩托車車輪鎂合金汽車車輪筆記本電腦外殼全新的寶馬3系L6鎂鋁合金發(fā)動機，世界第一臺鎂合金發(fā)動機發(fā)動機的重量比采用鋁材減輕了30%，油耗減少了16%。由于鎂過于脆弱，不是制造要承受發(fā)動機巨大壓力的汽缸筒的理想材料，因此他們設計鋁質的芯，這個芯構成一個核，周圍再裹以鎂質的外殼。同樣采用這種“鎂外殼鋁內膽”的方法的部件還包括汽缸套、水冷套以及所有必須承受壓力的螺栓連接件。正因如此復雜，使得鑄造全新鎂合金技術手段顯得非常重要，工程師們甚至采用了太空研究中的超聲技術，來檢查零件中鎂和鋁的最佳配比。最終的結果是：復合鎂合金的曲軸箱的重量比全鋁曲軸箱的重量輕了10公斤，新發(fā)動機僅重161公斤，是全世界同一性能等級的六缸發(fā)動機中重量最輕的。ME20

鎂合金板ZK60鎂合金鑄錠ME20

鎂合金半連續(xù)鑄棒福建坤孚股份有限公司-武平5.7鎳基復合材料基體：純鎳、鎳鉻合金、鎳鋁合金Ni3Al合金的屈服強度具有反常的溫度關系，在600℃左右達到最大。NiAl合金具有高熔點、低密度及極佳的抗氧化性能。耐熱一最具有前途的應用一燃氣渦輪發(fā)動機的葉片增強體：Al2O3、SiC顆粒、晶須、纖維TiC和TiB2顆粒W絲制備方法例如：Al2O3f/Ni3Al復合材料、Al2O3f/NiCr復合材料的制備工藝Al2O3纖維涂覆Y2O3(~1m厚)涂覆W(~0.5m厚)電鍍鎳層(~0.5m厚)纖維排布在鎳基合金薄板之間真空加壓擴散結合法Al2O3f/Ni