金属基复合材料.ppt
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1、金属基复合材料(MMC),材料学院 朱正吼,一、金属基复合材料概述,1、金属基复合材料的分类 1 - 1、按增强材料分类: 纤维增强金属基复合材料 颗粒、晶须增强金属基复合材料 1 - 2、按基体材料分类: 铝基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 高温合金基复合材料 金属间化合物基复合材料,2、金属基复合材料的研究重点,2、金属基复合材料的研究重点 1)不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能; 2)增强相/基体的界面优化、界面设计; 3)制备工艺的研究,以提高复合材料的性能和降低成本; 4)新型增强剂的研究开发; 5)复合材料的扩大应用。,二、金属基复合材料的制备工艺,1、金属基
2、复合材料制备工艺概述 1 - 1 金属基复合材料制备工艺的研究内容以及选择原则: 1)基体与增强剂的选择,基体与增强剂的结合: 增强剂与基体之间应具有良好的物理相容性和化学相容性。另外,如果在复合材料中使用高强度的纤维,就必须寻找具有高断裂功的基体材料。在这方面,固态法制备方法更好一些,因铸造合金一般具有较低的断裂韧性。 2)界面的形成及机制,界面产物的控制及界面设计; 3)增强剂在基体中的均匀分布: 在选择制备方法时,应选择那些使得增强剂更均匀、均质排布(分布)的方法。在这方面,液态法与固态法相比较差。4)制备工艺方法及参数的选择和优化; 5)制备成本的控制和降低,工业化应用的前景。,金属基
3、复合材料制备工艺的分类:,金属基复合材料制备工艺的分类: 1)固态法:真空热压扩散结合、超塑性成型 / 扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。 2)液态法:液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。 3)喷射成型法:等离子喷涂成型、喷射成型。 4)原位生长法。,1 - 2、连续增强相金属基复合材料的制备工艺,铝合金 固态、液态法 碳纤维 镁合金 固态、液态法 硼纤维 钛合金 固态法 SiC纤维 高温合金 固态法 氧化铝纤维 金属间化合物 固态法,1 - 3、不连续增强相金属基复合材料的制备工艺,铝合金 固态、液态、原位生长、喷射成型法 颗粒 镁合金 液态法 晶须 钛合金 固态、液态法、原位生长
4、法 短纤维 高温合金 原位生长法 金属间化合物 粉末冶金、原位生长法,2、 先驱(预制)丝(带、板)的制备,2 - 1 纤维/(基体箔材)聚合物粘结剂先驱(预制)带(板)(图9-1): 缠绕鼓(基体箔材)纤维定向定间距缠绕涂敷聚合物粘结剂定位。 图9-1 纤维 / 聚合物粘结剂先驱(预制)带(板),2 - 2 等离子喷涂纤维 / 基体箔材先驱(预制)带(板):,纤维定向定间距缠绕 等离子喷涂基体粉末定位(图9-2)。 图9-2 等离子喷涂纤维 / 基体箔材先驱(预制)带(板)示意图,2 -3 PVD法纤维/基体复合丝,图 9-3 PVD法纤维/基体复合丝原理图,2 -3 PVD法纤维/基体复合
5、丝,采用磁控溅射等物理气相沉积(PVD)手段将基体金属均匀沉积到纤维表面(图9-3、4)上,形成纤维/基体复合丝。使用这种复合丝制备复合材料时,主要是基体与基体之间的扩散结合,有利于材料界面的改善;同时通过控制基体沉积层的厚度可控制纤维的体积比。,图 9-4 PVD法纤维表面金属基体沉积层,2 - 4 粉末法纤维/基体复合丝,首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体粉末/聚合物粘接剂胶体,然后将纤维通过带有一定孔径毛细管的胶槽,在纤维表面均匀地涂敷上一层基体粉末胶体,干燥后形成一定直径的纤维/基体粉末复合丝。复合丝的直径取决于胶体的粘度、纤维走丝速度以及胶槽的毛细管孔径等。 由于在复合材料
6、制备过程中需要预先彻底除去复合丝中的聚合物粘接剂胶体,因此要求聚合物粘接剂具有在真空状态的低温下能够完全挥发的特性。,图9-5 粉末法纤维/基体复合丝示意图,2 - 6 熔池法纤维 / 基体复合丝,图 9-6 熔池法纤维 / 基体复合丝示意图,这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。 由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。 如图9-6所示,对纤维进行Ti-B或(液态)金属钠表面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性,防止过量的脆性相Al4C3生成。,3、固态法(连续增强相金属基复合材料制备工艺),图
7、9-6 真空热压扩散结合工艺流程示意图 扩散结合是制备连续纤维金属基复合材料的传统工艺。在一定温度下的压力下,把均匀排布在新鲜清洁表面的基体箔片或(复合)先驱丝通过基体金属表面原子的相互扩散而连接在一起(图9-6)。扩散结合在真空中进行。其关键是热压工艺参数的控制,包括温度、压力和时间。其压力应有一定下限,防止压力不足金属不能充分扩散包围纤维而形成“眼角”空洞缺陷。,3 2 热等静压(HIP),图9-8 热等静压制备金属基复合材料管材示意图 热等静压工艺是扩散结合的一种手段。采用热等静压工艺时,所得制品组织细化、致密、均匀,一般不会产生偏析、偏聚等缺陷,可使孔隙和其它内部缺陷得到明显改善,从而
8、提高复合材料的性能。,3 3 模压成型(Mold Forming),图 9-9 模压成型制备金属基复合材料示意图 模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合,最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各种型材(图9-9)。,3-4 超塑性成型/ 扩散结合 (SPF / DB),超塑性:材料在低负载作用下,拉伸变形时不发生缩颈,也不发生断裂,延伸率可达 100% 到 2000% 的现象。塑性流变和应变速度的关系如下: = K (e ) m 式中 :流变应力;e:应变速度;K:常数;m:应变速度敏感指数,衡量超塑性的重要参数。 影响超塑性的因素: 1
9、) 形变速度:10 -4 10 -1 /分 2) 温度: 0. 5T m ,达到相变临界点以下的某一温度可得到最大的m值和延伸率。 3) 晶粒度: 稳定、等轴、复相直径为0.5 5 m的细晶粒。,3-4 超塑性成型/ 扩散结合 (SPF / DB),图 9-10 超塑性成型/ 扩散结合法制备金属基复合材料叶片示意图,3-5 粉末(冶金)法(Slurry Powder Metallurgy),为了解决使用金属箔材成本高以及难以获得Ti-Al金属间化合物箔材的问题,发展了粉末(冶金)(Slurry Powder Metallurgy)工艺。,粉末(冶金)法,首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成
10、基体粉末/聚合物粘接剂胶体,可将胶体轧制成基体粉末薄带(箔);也可将纤维按一定间距排好,用粉末胶体固定,干燥后制成粉末/纤维预制片;也可按粉末法纤维/基体复合丝的制备方法制成复合丝。然后使用真空扩散结合工艺制成复合材料制品(图9-11)。 这种方法是一种低成本的工艺,其关键是聚合物粘接剂能够完全挥发,否则聚合物残留物将留在复合材料的界面,严重影响复合材料的性能。因此选择具在较低体积比的情况下有足够粘度,而且在真空状态的低温下能够完全挥发的聚合物粘接剂是至关重要的。,图9-11 粉末(冶金)法制备金属基复合材料示意图,3 - 6 固态法制备工艺方法及参数的选择和优化固态法工艺的主要参数:,图 9
11、-12 固态法制备工艺的主要参数关系示意图,1) 温度、时间: D = D0 exp (- Q / RT) D:扩散系数;Q:扩散激活能。 X = k t 1/2 X:反应层厚度; k:反应速度常数。 2) 压力:促进结合面的接触及在一定温度下的金属基体的塑性流动。 3) 结合面的清洁度:,4、 液态法(非连续增强相金属基复合材料制备工艺 4 - 1 压铸法(Squeeze Casting),图9-13 压铸法制备工艺示意图,4 - 1 压铸法(Squeeze Casting),图9-13 压铸法制备工艺示意图,在压力的作用下,将液态或半液态金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中
12、,在压力下快速凝固成型。 主要工艺因素有熔融金属的温度、模具预热温度、压力和加压速度等。 在采用增强剂预制体时,压力不低于50MPa,速度一般为1 3cm/s。 P = MG / j P :施加压力; MG :熔体/气氛界面能;j :熔体金属前沿曲率半径。,4 - 2 半固态复合铸造(Semisolid Slurry Casting),将颗粒加入半固态的金属熔体中,通过搅拌使颗粒在基体中分布均匀,并取得良好的界面结合,然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。 半固态复合铸造时金属熔体的温度控制在液相线和固相线之间,通过搅拌,使部分树枝状结晶体破碎成固态颗粒。这种固态颗粒是非晶结构,防止半固态
13、熔体的粘度增加。 当加入预热后的增强颗粒时,因熔体中含有一定量的金属颗粒,在搅拌中增强颗粒受阻而滞留在半固态熔体中而不会结集和偏聚,同时搅拌可促进颗粒与金属基体的接触、反应和润湿。 此工艺控制的参数主要是:1)熔体的温度应使熔体达到3050 %的固态;2)搅拌速度应不产生湍流,使枝晶破碎成固态颗粒,降低熔体的粘度以利于增强颗粒的加入。,图9-15 半固态复合铸造原理图,4 -3 喷射成型法(Ospray,Spray Co-deposition),喷射沉积工艺是一种80年代逐渐成熟的将粉末冶金工艺中混合与凝固两个过程相结合的新工艺。 如图9-16所示,该工艺过程是将基体金属在坩埚中熔炼后,在压力
14、作用下通过喷嘴送入雾化器,在高速惰性气体射流的作用下,液态金属被分散为细小的液滴,形成“雾化锥”;同时通过一个或多个喷嘴向“雾化锥”喷射入增强颗粒,使之与金属雾化液滴一齐在一基板(收集器)上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。,图 9-16 喷射成型法示意图,4 -3 喷射成型法(Ospray,Spray Co-deposition),该工艺具有其独特的优点: (1)高致密度,可达到理论的95-98% 。 (2)快速凝固,冷却速度达103-106K / 秒,金属晶粒和组织细化,成分均 匀,很少或没有界面反应; (3)具有通用性和产品多样性。 (4)工艺流程短,工序简单,效率高,有利于工业
15、化生产。铝基复合材料单坯可达250公斤。,4 - 4 无压浸渗法(Lanxide法),美国Lanxide公司开发的一种新工艺。 如图9-17所示,将增强材料制成预制体,放置于由氧化铝制成的容器中。再将基体金属坯料置于增强材料预制体上部。然后一齐装入可通入流动氮气的加热炉中。通过加热,基体金属熔化,并自发浸渗入网络状增强材料预制体中。,图9-17 无压浸渗法(Lanxide法)工艺原理示意图,4 - 4 无压浸渗法(Lanxide法),以制备Al2O3/Al复合材料为例,将增强剂预制体放入同样形状的陶瓷槽中,铝合金坯料放在预制体上。 在流动氮气的气氛下,加热至800 1000C时,铝合金熔化并自
16、发渗入预制体内,氮气与铝反应生成AlN。控制氮气流量、温度和渗透速度,可控制AlN的生成量。 AlN起到提高复合材料刚度、降低热膨胀系数的作用,但强度较低。这是一个低成本的制备工艺。,5、 粉末冶金法(非连续增强相金属基复合材料制备工艺),图9-18 粉末冶金法制备非连续增强相金属基复合材料制备流程图,5、 粉末冶金法(非连续增强相金属基复合材料制备工艺),粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料常采用的工艺。其优点如下: 与液相法相比,制备温度低,界面反应可控;可根据要求设计复合材料的性能;利于增强相与金属基体的均匀混合(对增强相与金属基体的密度和润湿性要求不高)。 其组织致密、细化
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