第五章 金属基复合材料成型技术

第五章 金属基复合材料成型技术
• 5.1概述 • 金属基复合材料制造技术是影响金属基复合 材料迅速发展和广泛应用的关键问题。金属基复 合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决 于其制造方法和工艺。然而，金属基复合材料的 制造相对其他基复合材料还是比较复杂和困难。 这是由于金属熔点较高，需要在高温下操作；同 时不少金属对增强体表面润湿性很差，甚至不润 湿，加上金属在高温下很活泼，易与多种增强体 发生反应。目前虽然已经研制出不少制造方法和 工艺，但仍存在一系列问题。所以开发有效的制 造方法一直是金属基复合材料研究中最重要的课 题之一。
PVD法纤维/基体复合丝原理图
5.3.5共喷沉积技术
• 共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料 的有效方法，1969年由A．R．E．siager发明， 随后由Ospmy金属有限公司发展成工业生产规模 的制造技术，现可以用来制造铝、铜、镍、铁、 金属间化合物基复合材料。 • 共喷沉积工艺过程，包括基体金属熔化、液态金 属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积 和凝固等工序。主要工艺参数有：熔融金属温度， 惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度，沉 积底板温度等。这些参数都对复合材料的质量有 重要的影响。不同的金属基复合材料有各自的最 佳工艺参数组合，必须十分严格地加以控制。
压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个： ①熔融金属的温度 ②模具预热温度 ③使用的最大压力 ④加压速度 在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，一般压力不低于 50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜，一般为1~3cm/s。对于铝基复合材 料，熔融金属温度一般为700~800℃，预制件和模具预热温度一般可控制在 500~800℃，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。采用压 铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、无气孔，可以获得比一般金 属模铸件性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺 设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。
高温合金—原位生长法 金属间化合物—粉末冶金、原位生长法
常用的金属基复合材料制备工艺
5.2固态制备方法
• （1）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： 1）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控。热等静 压或烧结温度低于金属熔点，因而由高温引起的增强材料 与金属基体的界面反应少，减小界面反应对复合材料性能 的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的温度、压 力和时间等工艺参数来控制界面反应。 2）可根据要求设计复合材料的性能。可根据性能要求， 使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末以任何 比例混合，纤维含量最高可达75%，颗粒含量可达50%以 上，这是液态法无法达到的。
粉末冶金法主要缺点 ① 工艺过程比较复杂，成本较高； ② 金属基体必须制成粉末，增如了工艺的 复杂性和成本； ③ 在制备铝基复合材料时，还要防止铝粉 引起的爆炸。
（2）真空热压扩散结合
在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或不相同的金属，通过表面 原子的互相扩散而连接在一起。因而，扩散结合也成为一种制造连续纤维增 强金属基复合材料的传统工艺方法。 扩散结合工艺中，增强纤维与基体的结合主要分为三个关键步骤： ① 纤维的排布； ② 复合材料的叠合和真空封装； ③ 热压。 特点： 工艺相对复杂，工艺参数控制要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操作 多，成本高。 扩散结合是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的惟一可行的工艺。 在扩散结合工艺中，增强纤维与基体的湿润问题容易解决，而且在热压时可 通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。 因此，在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工艺。
无压浸渗法制备Al2O3（f）/Al复合材料工艺原理示意图
无压渗透工艺能较明显降低金属基复合材料的制造成 本，但复合材料的强度较低，而其刚度显著高于基体金属。 例如以55~60%Al2O3或SiC预制成零件的形状，放入同 样形状的刚玉陶瓷槽内，将含有3%~10%Mg的铝合金 （基体）坯料放置在增强材料预制体上，在流动的氮气气 氛下，加热至800~1000℃，铝合金熔化并自发渗入预制 体内。由于氮气与铝合金发生反应，在金属基复合材料的 显微组织中还有AlN。控制氮气流量、温度以及渗透速度， 可以控制AIN的生成量。AIN在铝基复合材料中起到提高 复合材料刚度，降低热膨胀系数的作用。 采用这种方法制备的Al2O3/Al的刚度是铝合金基体 的两倍，而SiC/Al的刚度也达到钢的水平，但强度水平较 低。
2）半固态复合铸造
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，然后浇注成型或将半固态复合材料注入模具中进行压铸成型。 是针对搅拌法的缺点而提出的改进工艺。 半固态复合铸造的原理 ① 是将金属熔体的温度控制在液相线与固相线之间，通过搅拌使部分树枝 状结晶体破碎成固相颗粒，熔体中的固相颗粒是一种非枝晶结钩，可以防止半固 态熔体粘度的增加。 ② 当加入预热后的增强颗粒时，因熔体中含有一定量的固相金属颗粒，在 搅拌中增强颗粒受阻而滞留在半固态金属熔体中，增强颗粒不会结集和偏聚而得 到一定的分散。 ③ 同时强烈的机械搅拌也使增强颗粒与金属熔体直接接触，促进润湿。 主要控制工艺参数 ① 金属基体熔体的温度应使熔体达到30%~50%固态； ② 搅拌速度应不产生湍流以防止空气裹入，并使熔体中枝晶破碎形成 固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒的加入。
注意
1）通常采用搅拌法制备金属基复合材料时，常常会由于强烈搅拌将气 体或表面金属氧化物卷入金属熔体中； 2）当颗粒与金属基体湿润性差时，颗粒难以与金属基体复合，而且颗 粒在金属基体中由于比重关系而难以得到均匀分布，影响复合材料 性能。 3）由于浇注时金属基复合材料是处于半固态，直接浇注成型或压铸成 型所得的铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。 4）半固态复合铸造主要应用于颗粒增强金属基复合材料，因短纤维、晶 须在加入时容易结团或缠结在一起，虽经搅拌也不易分散均匀，因而 不易采用此法来制备短纤维或晶须增强金属基复合材料。
3）利于增强相与金属基体的均匀混合。可降低增强材料与基体互
相湿润的要求，也降低了增强材料与基体粉未的密度差的要求，使
颗粒或晶须均匀分布在金属基复合材料的基体中。 4）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；采用热等静压
工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺
陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到明显改善，从而提高复合材料的 性能。
5.1.1 金属基复合材料制备工艺的分类
• 根据各种方法的基本特点，把金属基复合材料的 制备工艺分为四大类： 1）固态法：粉末冶金法、真空热压扩散结合、热 等静压、模压成型、超塑性成型 / 扩散结合。 2）液态法：真空压铸、半固态铸造、液态浸渗、 反压铸造。 3）表面复合法：喷射成型、等离子喷涂成型。 4）原位生长法（原位复合法）
5.3.5液态金属雾化
雾化后金属液滴的尺寸一般在10300 μ m ，呈非对称性分布。金属液滴 的大小和分布主要决定于金属熔体的性 质、喷嘴的形状和尺寸、喷射气流的参 数等。液态ห้องสมุดไป่ตู้属在雾化过程中形成的液 滴在气流作用下迅速冷却，大小不同的 液滴的冷却速度不同，液滴越小冷却速 度越快，小于5 μ m的液滴的冷却速度 可高达106K／ s。态金属雾化后最细小 的液滴迅速冷却凝固，大部分液滴处于 半固态 (表面已经凝固、内部仍为液体 ) 或液态。为了使颗粒增强材料与基体金 属复合良好，要求液态金属雾化后液滴 的大小有一定的分布，使大部分金属液 滴在到达沉积表面时保持半固态或液态， 在沉积表面形成厚度适当的液态金属薄 层，以利于填充到颗粒之间的孔隙，获 得 均 匀 致 密 的 复 合 材 料 。
5.3.4液态金属浸渍技术
液态金属浸渍法是用液态金属连续浸渍长纤维而得到
复合材料预制品(带、丝等)的一种法，所以又称为连铸法。
由于纤维在液态金属中容易分散、复合完全，网此特别适 用于一束多丝、直径细的连续长纤维。为了改善液态金属 对纤维的润湿性这一制备过程的关键问题，纤维在复合前 必须进行表面涂覆处理，涂上润湿层，或用其他方法(如
热等静压制备金属基复合材料管材示意图
（4）挤压成型 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。
5.3.3液态法铸造成型
• 液态法亦称为熔铸法，是目前制备颗粒、 晶须和 短纤维增强金属基复合材料的主要工艺方法。该 法的主要特点是金属基体在制备复合材料时均处 于液态。与固态法相比，液态法的工艺及设备相 对简便易行，与传统金属材料的成型工艺，如铸 造、压铸等方法非常相似，制备成本较低，因此 液态法得到较快的发展。其中又包括压铸、半固 态复合铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法 等。
在基体中加合金元素、采用超声波等)改善润湿性。有时
还要考虑纤维与液态金属在高温接触时发生化学反应的问 题。
对石墨纤维进行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。
等离子喷涂纤维 / 基体箔材先驱（预制）带（板）
PVD法纤维/基体复合丝
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上，形成纤维/基体复合丝。
⑶热等静压技术
• 热等静压法是一种先进的材料成形技术，可用于制造形状 复杂的金属基复合材料零件。
•
热等静压法工作原理：在高压容器内旋转加热炉，将金 属基体(粉末或箔)与增强物(纤维、晶须、颗粒)按一定比 例，分散混合放入金属包套中，抽气密封后装入热等静压 装置中加热、加压 (一般用 氩气作压力介质)，在高温高压 (100～200MPa)下复合成金属基复合材料零件。高达100～200MPa。在高温高压下 金属基体与增强物复合良好，组织细密，形状、尺寸精确， 特别适合于制造钛基、金属间化合物超合金基的复合材料。 该工艺适宜于制 造管、柱、筒状零件，例如美国航天飞 机用的B/Al管柱、火箭导弹的构件均用此法制造。
5）利于净成型或近净成型，二次加工性能好; 粉未冶金法制备的金
属基复合材料可通过传统的金属加工方法进行二次加工。可以得到 所需形状的复合材料构件的毛坯。
•
粉末冶金既可用于连续长纤维增
强，又可用于短纤维、颗粒或晶 须增强的金属基复合材料。在粉 未冶金法中，长纤维增强金属基
复合材料分两步进行。
首先是将预先设计好的一定体 积百分比的长纤维和金属基体粉末 混装于容器中，在真空或保护气氛 下预烧结。 然后将预烧结体进行热等静压 加工。 一般情况下，采用粉未冶金工 艺制备的长纤维增强金属基复合材 料中，纤维的体积百分含量为40% ~ 60%，最多可达75%。
原位生长法原位复合法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固态液态法原位生长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52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
（3）无压浸渗法
美国Lanxide公司开发的一种新工艺。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。然后一齐均装入可通入流 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。 工艺过程如下： ① 是将增强材料制成预制体，置于氧化铝容器内。 ② 再将基体金属坯料置于可渗透的增强材料预制体上 部。 ③ 氧化铝容器、预制体和基体金属坯料均装入可通入 流动氮气的加热炉中。 ④ 通过加热，基体金属熔化，并自发渗透进入网络状 增强材料预制体中。
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
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
短纤维
钛合金—固态、液态法、原位生长法
1）压铸法 压铸成型是指在压力作用下将液态或半液态金属基复合材料或金属以一定 速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的孔隙中，在压力下快速凝固成型而制 备金属基复合材料的工艺方法。
压铸成型法的具体工艺： 首先将包含有增强材料的金属熔体倒入预热摸具中后，迅速加压，压力约 为70~100MPa，使液态金属基复合材料在压力下凝固。待复合材料完全固化 后顶出，即制得所需形状及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸件。