材料化學(xué) 課件 10-3.1金屬基復(fù)合材料制備

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金屬基復(fù)合材料制備11.3金屬基復(fù)合材料制備11.3.1金屬基復(fù)合材料概述概念：金屬基復(fù)合材料（MetalMatrixComposite）是以金屬及其合金為基體，與其他金屬或非金屬增強(qiáng)相進(jìn)行復(fù)合的復(fù)合材料。金屬基體包括：鋁基、鎂基、鈦基、鎳基、金屬間化合物基等特性：金屬基復(fù)合材料具有把金屬基體優(yōu)越的塑性和成型性與增強(qiáng)體的承載能力及把金屬基體高熱傳導(dǎo)性與增強(qiáng)體低熱膨脹系數(shù)結(jié)合起來的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度；與樹脂基復(fù)合材料相比，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性與耐熱性；與陶瓷基復(fù)合材料相比，具有高韌性和高沖擊性能11.3.2金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)11.3.2.1

金屬基復(fù)合材料制備需考慮的條件A.制造過程中應(yīng)使增強(qiáng)材料按設(shè)計要求均勻分布于金屬基體中B.避免制備工藝不當(dāng)造成增強(qiáng)材料和金屬基體原有性能的下降C.合理選擇工藝參數(shù)，避免制備過程中發(fā)生各種不利界面反應(yīng)D.制造設(shè)備投資少，工藝簡單，可操作性強(qiáng)，方法應(yīng)適合于批量生產(chǎn)，盡可能滿足近終成型的要求，減少或避免后加工工序11.3金屬基復(fù)合材料制備11.3.2.2

金屬基復(fù)合材料制備方法圖11.11金屬基復(fù)合材料制備方法1固態(tài)制備方法(SolidStateFabrication)

金屬基體與增強(qiáng)材料均處于固態(tài)，其溫度控制在基體合金的液相線與固相線之間；

加工溫度較低，不發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，能較好地控制界面的熱力學(xué)和動力學(xué)

固態(tài)制備方法特點(diǎn)

固態(tài)制備工藝：主要有粉末冶金法、擴(kuò)散結(jié)合法（熱壓法）、熱等靜壓法、熱軋法和拉拔法等11.3金屬基復(fù)合材料制備固態(tài)制備方法：是指在金屬基復(fù)合材料制備過程中，基體處于固態(tài)的制備方法。它是先將金

屬粉末或金屬箔與增強(qiáng)體（顆粒、晶須等）以一定的含量、分布混合排列，

再經(jīng)加熱、加壓，將基體和增強(qiáng)體粘結(jié)在一起（1）粉末冶金法(PowderMetallurgyTechniques)圖11.12

粉末冶金法制備金屬基復(fù)合材料工藝流程圖

概念：是用于制備、成型非連續(xù)增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料的一種傳統(tǒng)固態(tài)工藝方法，它是基于增強(qiáng)相共存下的金屬

粉體熱熔焊接工藝。該方法利用粉末冶金原理，將基體粉末和增強(qiáng)材料按設(shè)計要求在適當(dāng)條件下均勻混合

后經(jīng)熱壓制成型工藝過程：主要包括混合、固化和壓制三個過程（1）粉末冶金法(PowderMetallurgyTechniques)●

主要用于制造顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)金屬基復(fù)合材料。一方面可以制造復(fù)合材料的坯料；另一方面可直接

制成尺寸、形狀準(zhǔn)確的復(fù)合材料零件，可減少后續(xù)加工●

常用增強(qiáng)材料：SiCp、SiCw、Al2O3等顆粒、晶須及短纖維；常用基體金屬有：Al、Cu、Ti等優(yōu)點(diǎn)：

增強(qiáng)體與基體合金粉末有較寬的選擇范圍；顆粒的體積分?jǐn)?shù)可以任意調(diào)整，不受顆粒的尺寸與形狀

限制；可以實(shí)現(xiàn)制件的少或無切削或近靜成型基體合金粉末和顆粒（晶須）的混合均勻程度及基體粉末防止氧化的問題是整個工藝的關(guān)鍵缺點(diǎn)：

制造工序繁多，工藝復(fù)雜；制造成本較高；內(nèi)部組織不均勻，存在明顯的增強(qiáng)相富集區(qū)和貧乏

區(qū)；不易制備形狀復(fù)雜、尺寸大的制件（2）擴(kuò)散粘接法(DiffusionBonding)概念：在較長時間的高溫及一定的塑性變形作用下，依靠接觸部位原子間的相互擴(kuò)散進(jìn)行復(fù)合的方法，亦稱熱壓

法或擴(kuò)散焊接法，是制備纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要方法基本原理：將增強(qiáng)纖維按設(shè)計要求與基體金屬制成復(fù)合材料預(yù)制片；將預(yù)制片裁剪成所需形狀、疊層排布，放入熱壓

模具中，在高溫高壓下，

熱壓成型，制成復(fù)合材料零件圖11.13

擴(kuò)散粘結(jié)法工藝流程圖圖11.14

SiC纖維/Al基復(fù)合材料微觀組織

影響擴(kuò)散粘結(jié)的工藝因素：溫度、壓力、保持時間和氣氛等

擴(kuò)散粘結(jié)過程：

粘接表面接觸→界面擴(kuò)散和體擴(kuò)散→界面消失(1)預(yù)制片的制備：等離子噴涂法、液態(tài)金屬浸漬法和箔粘結(jié)法等等離子噴涂法：先將粗纖維（硼纖維、碳化硅單絲等）纏繞在圓筒上，纖維之間保持一定的距離，然后放在低真空噴涂裝置中噴涂基體金屬形成含有增強(qiáng)纖維的預(yù)制片液態(tài)金屬浸漬法：采用液態(tài)金屬浸漬纖維制成復(fù)合絲或帶，再將復(fù)合絲或帶按設(shè)計要求排列成復(fù)合片，供進(jìn)一步熱壓箔粘結(jié)法：先將纖維用有機(jī)粘結(jié)劑黏貼在金屬箔上，或?qū)⒔饘俨瓑撼刹y狀，將纖維放在波紋中。兩片箔將纖維夾在其中組成預(yù)制片(2)熱壓過程：

熱壓過程在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行;

溫度的確定是接近或稍低于基體金屬固相線溫度；

壓力依據(jù)熱壓溫度選擇，一般，熱壓溫度高選用壓力小，熱壓溫度低則選用壓力大，但壓力過

大，溫度過低，均會使纖維受損傷，一般控制在10MPa以下；

熱壓時間一般為10~20min

熱壓法應(yīng)用：熱壓法是目前制造直徑較粗的硼纖維、碳纖維增強(qiáng)鋁基、鈦基復(fù)合材料的主要方法；也是制造鎢絲/超合金、鎢絲/銅等復(fù)合材料的主要方法之一。其產(chǎn)品主要用于航天發(fā)動機(jī)葉片等（3）

熱等靜壓法(HotIsostaticPressing)概念：是熱壓法的一種，用惰性氣體加壓，工件在各個方向上受到均勻壓力的作用。工藝過程：將金屬基體(粉末或箔)與增強(qiáng)體(纖維、晶須、顆粒)按一定比例排布后，或用預(yù)制片疊層后放入金屬包套內(nèi)，抽氣密封后裝入熱等靜壓裝置中加熱加壓（氬氣介質(zhì)），得到金屬基復(fù)合材料圖11.15

Bf/Al管復(fù)合材料制造工藝流程（3）

熱等靜壓法(HotIsostaticPressing)工藝有三種：

先升壓后升溫：其特點(diǎn)是無需將工件壓力升到最終所要求的最高壓力，隨著溫度的升高，氣體膨脹，壓力不斷

升高達(dá)到所需壓力，這種工藝適合于用金屬包套工件的制造

先升溫后升壓：此工藝對于用玻璃包套制造復(fù)合材料比較適合，因?yàn)椴Ａг谝欢囟认萝浕?，加壓時不會發(fā)生

破裂，又可有效傳遞壓力

同時升溫升壓：這種工藝適合于低壓成型、裝入量大、保溫時間長的工件制造工藝參數(shù)：

溫度：一般選擇溫度低于熱壓溫度，以防止嚴(yán)重的界面反應(yīng)，在幾百到2000C范圍內(nèi)選擇；壓力：根據(jù)基體金屬在高溫下變形的難易程度而定，一般高于擴(kuò)散粘結(jié)壓力，在100~200MPa,對于易變形的金屬，相應(yīng)的壓力選擇低一些，對于難變形的金屬，選擇高些；保溫保壓時間：主要依據(jù)工件的大小確定，工件越大，保溫時間越長，一般為30min到數(shù)小時（3）

熱等靜壓法(HotIsostaticPressing)優(yōu)點(diǎn)：

產(chǎn)品組織均勻致密，無縮孔、氣孔等缺陷；產(chǎn)品形狀、尺寸精確，性能均勻缺點(diǎn)：設(shè)備投資大，工藝周期長，成本高應(yīng)用：

熱等靜壓適用于多種復(fù)合材料的管、筒、柱及形狀復(fù)雜零件的制造，特別適用于鈦、金屬間化合物、超

合金基復(fù)合材料的制備（4）熱軋法、熱擠壓和熱拉法變形法就是利用金屬具有塑性成型的工藝特點(diǎn)，通過熱軋、熱拉、熱擠壓等加工手段，使復(fù)合好的顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)一步加工成型。特點(diǎn)：由于是在固態(tài)下進(jìn)行加工，速度快，纖維與基體作用時間短，纖維損傷?。坏己玫慕缑娼Y(jié)合不能保證，且因高應(yīng)力易造成纖維破壞（4）熱軋法、熱擠壓和熱拉法

熱軋法：主要用來將已經(jīng)復(fù)合好的金屬基復(fù)合材料坯錠進(jìn)一步加工成板材。也可將金屬箔和連續(xù)纖維組成的預(yù)制片軋成板材。該方法主要是完成金屬基體與增強(qiáng)體之間的粘結(jié)。為了提高粘結(jié)強(qiáng)度，通常在纖維表面涂上銀、銅等涂層，經(jīng)過反復(fù)加熱和軋制最終制成復(fù)合材料

熱軋法制造C/Al復(fù)合材料：將鋁箔與涂銀纖維交替鋪層，然后將其在基體的固相點(diǎn)附近軋制。也可以用等離子噴涂法做成預(yù)制帶，疊層后熱軋；

Be/Al復(fù)合材料：是先將Be絲纏繞在鈦箔上，用等離子噴涂9091Al合金或用粘結(jié)劑固定，然后疊層熱軋制與金屬材料軋制相比，長纖維-金屬箔軋制時每次的變形量小，軋制道次多；

對于顆?；蚓ы氃鰪?qiáng)的金屬基復(fù)合材料，先經(jīng)粉末冶金或熱壓成坯，再軋制成復(fù)合材料例如：SiCp/Al、SiCw/Cu、Al2O3w/Al、

Al2O3w/Cu（4）熱軋法、熱擠壓和熱拉法

熱擠壓和熱拉法：主要用于顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料坯料的進(jìn)一步加工，制成各種形狀的管材、型材、棒材等，對制造金屬絲增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是很有效的方法。經(jīng)過擠壓、拉拔后，復(fù)合材料的組織變得均勻，缺陷減少或消除，性能明顯提高，短纖維、晶須還有一定的擇優(yōu)取向，縱軸拉伸強(qiáng)度顯著提高

熱拉法與熔浸法組合：將用熔浸法制成的預(yù)浸線封入真空不銹鋼型中，通過加熱到一定溫度，再經(jīng)拉模拉拔，可制造出復(fù)合棒或管；

拉拔溫度應(yīng)取金屬基體的固相線附近，由于此時金屬基體的塑性變形阻力小，可以將纖維的機(jī)械損傷控制在最小的限度內(nèi)，同時減少拉拔力；

拉拔主要是為了消除預(yù)成型體內(nèi)的空隙，使其致密化利用變形壓力加工制造復(fù)合材料時，若加大金屬基體的塑性變形，纖維與基體將在界面處產(chǎn)生很大的應(yīng)力，容易造成界面的剝離，纖維表面損傷甚至破壞，且在復(fù)合材料中將產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，影響復(fù)合材料性能；

對于熱拔法，與其他變形壓力加工相比，該方法可以將基體金屬的塑性變形控制在比較小的程度，在拉拔過程中，由于纖維主要受到拉的作用，幾乎沒有彎曲應(yīng)力，將避免纖維的斷裂和界面的剝離（5）爆炸焊接法概念：是采用炸藥的爆炸為能源，由于炸藥的高速引爆和沖擊作用下，在瞬間使兩塊金屬板在碰撞點(diǎn)產(chǎn)生高應(yīng)變，使材料發(fā)生塑性變形，在基體中，和基體與增強(qiáng)體的接觸處產(chǎn)生焊接形成復(fù)合材料。爆炸焊接前，應(yīng)將金屬絲等編織或固定好，基體與金屬絲必須除去表面氧化膜和污物。工藝特點(diǎn)：

加載壓力和界面高溫作用時間短，基體與增強(qiáng)體界面反應(yīng)可能性小，焊合區(qū)的厚度在幾十微米級；

復(fù)合界面無明顯擴(kuò)散層，不會產(chǎn)生脆性的金屬間化合物，產(chǎn)品性能穩(wěn)定；

可制造形狀復(fù)雜的零件和大尺寸的板材，還可以一次作業(yè)制備多塊復(fù)合材料板