复合材料课件第五章 钛基复合材料-镁基复合材料

由于镁过于脆弱，不是制造要承受发动机巨大压力的 汽缸筒的理想材料，因此他们设计铝质的芯，这个芯 构成一个核，周围再裹以镁质的外壳。同样采用这种 “镁外壳铝内胆”的方法的部件还包括汽缸套、水冷 套以及所有必须承受压力的螺栓连接件。正因如此复 杂，使得铸造全新镁合金技术手段显得非常重要，工 程师们甚至采用了太空研究中的超声技术，来检查零 件中镁和铝的最佳配比。
增强体： SiC、TiC、TiB2、TiB等颗粒 制备方法： 熔铸法；
固相法：粉末冶金并应用原位反应技术，采用真空高温活化烧 结、真空热压及等静压等特殊工艺。
为什么要采用原位反应技术？
因为所有的强化剂与活性的Ti基都会发生界面反应而形成一种 或是多种化合物。
氩气保护
熔铸法制备钛合金基复合材料装置示意图
应用
美国综合高性能发 动 机
技术和高速民用运输机项 目，英国材料战略局 的 科
技远景规划
风扇叶片，压气机盘和排 气嘴和转轴等，飞机蒙皮 和刚性件供麦道公司，英 国航天飞机的纵梁蒙皮，
美国航天飞机机身结构
美国先进研究计划和国家 航空航天局资助，英国航
天局结构材料中心
汽轮机及其它航空结构件， 航空汽轮机部件
美怀特实验室的计划 美空军资助
宇航飞机和先进战斗机的 涡轮部件
劳斯莱斯股份有限公司
超音速飞机蒙皮
德 国与以色列科学合作项 目资助
先进航空器
5.6 镁基复合材料
镁及镁合金是密度最小的复合材料之一（1.738g/cm3）， 铝的66%左右，比强度和比刚度高。
基体的选择： 因纯镁的强度较低，性能不高，不适于作为镁基复合材 料的基体，一般需要添加合金元素，主要有Al、Zn、Li、 Ag、Zr、Mn、Ni和稀土金属等。利用固溶强化、沉淀强 化和细晶强化等作用提高强度。
碳纤维 × ？ C 不与纯镁反应，却与镁合金中的Al、Li等反应。 生成立Al4C3、Li2C2等化合物，损伤碳纤维。
需在碳纤维表面进行涂层，C-Si-O梯度涂层处理。
B4C √ ？ B4C与纯镁不反应，但颗粒表面的玻璃态B2O3与Mg发
生界面反应：
4Mg(L) + B2O3(L) = MgB2(S) + 3MgO(S) 液相的产生使得润湿性增加，不但不降低界面的结合 强度，还有利于复合材料具有优良的力学性能。
SiC在复合材料的制备及高温固溶处理中都没有发 现界面化学反应。
因此，SiC和B4C纤维、晶须或颗粒是镁基复合材料 合适的增强活力体。
为进一步提高增强体与基体合金的润湿性，增加界 面结合强度，保护增强体免受基体合金液侵蚀，寻 找合适的增强体涂层，或采用原位反应合成方法产 生增强体---对于活泼的Mg-Li基复合材料尤为重要。
❖可用作高温、高压、酸、碱、盐等条件下的结构材料。
TMCS 基体的选择： （高温下的抗氧化性能） ①TiAl(γ)基合金 ②α钛合金 ③Ti3Al(α2) ④工业纯钛 ⑤Ti2NbAl基合金（良好的塑性抗氧化性）
工业纯钛不宜作纤维增强TMCs的基体，因为它与 增强体特别是SiC纤维有强烈的反应。
Bf/Ti-6Al-4V，经850℃100h 后界面反应
❖到目前为止，对Ni3Al合金基体强化效果最好的增强体是TiC颗粒。
TiC增强镍基复合材料和屈服强度与基体相似，具有反 常温度关系。 复合材料的弹性模量优于基体，但延伸率、塑性下降。
镍基复合材料的应用前景 在燃气轮机，航天等领域已经取得了较大的进展，较为成熟。 金属间化合物基复合材料一新的高温复合材料领域。
表 5-14 连续纤维增强TMCs的制备方法
复合方法
工艺及制备方法
优点
缺点
交替叠轧法
纤维-基体-纤维交 替排列，加热并 加压使其致密
经济
纤维分布不均匀， 纤维间接触易产 生疲劳裂纹
等离子喷涂法
用 将 高 纤
真 金 速 维
，旋空 属 堆转等 粉 垛的离 浆 压编子 注实织体 入。纤 界 于成维 面型分 反
应用： 超高音速宇航飞行器和先进航空发动机 Ti-47Al-2V-7%TiB2作用导弹翼片 汽车工业
航空发动机叶轮
②连续纤维增强钛基复合材料
增强体： SiC、TiC、 SiC包覆硼纤维、耐高温的金属纤维。 制备方法：
复合难度大，只能采用固相法合成，后用热等静压、真 空热压锻造方法压实成形。 制备方法：交替叠轧法、等离子喷涂、高速物理气相沉积法
温度℃ σ0.2MPa σbMPa δ%
E GPa
15.1% SiCp／AZ91
21
19.6% SiCp／AZ91
21
25.4% SiCp／AZ91
21
207.9 212.1 231.7
235.9 1.1 53.9 231.0 0.7 57.4 245.0 0.7 65.1
25.4% SiCp／AZ91
Al2O3纤维
涂覆Y2O3 (~1m厚)
涂覆W (~0.5m厚)
电镀镍层 (~0.5m厚)
纤维排布在镍 基合金薄板之间
真空加压 扩散结合法
Al2O3f/Ni3Al复合材料
镍基复合材料的性能
图5-3 Al2O3/Ni3Al，Ni3Al基体（真空热压+热挤压） 以及铸造Ni3Al的比屈服强度和温度的关系
横向：性能低于基体材料，这是由于载荷是由基材 和基材与强化剂界面来承担。
应用：航天航空事业，汽车工业
材料
SiCp/Ti-based alloy
连续SiCf/Ti-6Al-4V
连续SiCf/Ti-22Al23Nb
连续SiCf/Ti-6Al-4V 连续SiCf/Ti-22Al-
10Nb-3V-1Mo
项目或财政资助
颗粒
基体合金晶粒度小;近 无界面反应
复合材料致密度不 高;界面属机械结 合,强度不高
性能： 提高方面： 硬度、弹性模量
降低方面： 延伸率 表5-18、表5-19
表5-18 SiC（晶须、颗粒）增强镁合金复合材料的力学性能
熔炼法
表5-19 硼的长纤维增强镁合金基复合材料的力学性能
材料
SiCp／Mg复合材料不同温度的力学性 能
Mn ---提高耐腐蚀性 Zr ---细化晶粒，提高抗热裂倾向 稀土---类似Zr，同时改善铸造、焊接、耐热和消除应力。 Li ---降低密度，改善塑性
增强体：
Al2O3 × ？ 3Mg + Al2O3 ＝ 2Al + 3MgO 降低结合强度 2Mg + SiO2 = Si + 2MgO 2Mg + Si =Mg2Si(沉淀，危害界面结合强度) 因此，镁基复合材料中较少采用Al2O3 作为增强体。
最终的结果是：复合镁合金的曲轴箱的重量比全铝曲 轴箱的重量轻了10公斤，新发动机仅重161公斤，是全 世界同一性能等级的六缸发动机中重量最轻的。
福建坤孚股份有限公司-武平
ZK60 镁合金铸锭
ME20 镁合金半连续铸棒
ME20 镁合金板
5.7 镍基复合材料
耐热一最具有前途的应用一燃气涡轮发动机的叶片
应用：
密度小、比强度大、比刚度高、尺寸稳定和优良的 铸造性能，正成为现代高新技术领域中最有希望采 用的一种复合材料，其综合性能优于铝基复合材料。
镁合金摩托车车轮
镁合金汽车车轮
笔记本电脑外壳
全新的宝马3系L6镁铝合金发动机，世界第一台镁 合金发动机
发动机的重量比采用铝材减轻了30%，油耗减少 了16%。
177
25.4% SiCp／AZ91
260
159.6 53.2
176.4 1.5 56.0
68.6 3.6
-
20% SiCp／AZ91
25+压延 251.0
336.0 5.7 79.0
在同一温度下，SiCp体积含量增加，复合材料的屈服强度、拉伸 强度、弹性模量都有所提高，伸长率则有所下降。对于同一含量
基体： 纯镍、镍铬合金、镍铝合金
Ni3Al合金的屈服强度具有反 常的温度关系，在600℃左 右达到最大。
NiAl合金具有高熔点、低密 度及极佳的抗氧化性能。
增强体： Al2O3、SiC 颗粒、晶须、纤维 TiC和TiB2颗粒 W丝
制备方法
❖ 例如： Al2O3f/Ni3Al复合材料、 Al2O3f/NiCr复合材料的 制备工艺
增强体表面涂覆，能显著降低Bf与基体Ti的界面反应产物， 起到了控制Bf/Ti复合材料的作用。同时Bf表面涂层还提高了 复合材料的高温抗氧化性。
Bf表面处理后对硼纤维/钛的界面反应的影响
增强类型
①颗粒增强钛基复合材料 体积分数为：5~20% ②连续纤维增强钛基复合材料 体积分数为：30~40%
①颗粒增强钛基复合材料
增强相而言，随着温度的升高，屈服强度、拉伸强度、弹性模量
都有所降低，伸长率有所提高，说明温度对这种材料的性能有较
大的影响。对铸态复合材料进行压延，可使其力学性能大大提高
，压延之所以能达到这种效果是由于经过压延陶瓷颗粒增强相在 基体内分布更加均匀，消除了气孔、缩松等缺陷。
采用不同粘结剂的SiCW/AZ91镁基复合材料的拉伸性 能
5.5 பைடு நூலகம்基复合材料
❖钛及其合金具有高强度、低密度、低热膨胀系数、优良的耐 高温和耐蚀性等性能，是高性能结构材料的首选材料。
❖钛基复合材料(TMCs)具有比钛合金更高的比强度和比模量、 极佳的耐疲劳和抗蠕变性能、以及优异的高温性能和耐蚀性能， 它克服了原钛合金耐磨性和弹性模量低等缺点。
❖可成型形状复杂的零部件，减少了废料和机加工损耗。
材料
AZ91
Vf/%
0
SiCW/AZ91(酸性 21 磷酸铝粘结剂)
SiCW/AZ91(硅胶 21 粘结剂)
SiCW/AZ91
22
σ0.2/MPa
102 240
236
223
σb/MPa
205 370
332
325
伸长率/%
6.00 1.12
E/GPa
46 86
0.82
80
1.08
81
与基体合金AZ91相比, SiCW/AZ91的屈服强度、拉伸 强度和弹性模量均大大提高,而伸长率下降。
布 应
均 小
匀 ，
， 利
基体组织不均匀， 易损伤纤维，合 金成分不可控
高速物理气相沉 积
单根纤维涂一层 纤维分布均匀，
基体粉，叠起来 无聚集，纤维体
热压成型
积含量高
合金成分不可控
电子束蒸涂
同上
涂层速度高
金属利用率低
三极管溅射 磁控溅射
同上 同上
金属利用率高 金属利用率高
沉积速度低 沉积速度低
性能： 各向异性很强，横向拉伸强度仅为纵向的30~45%， 纵向拉伸强度比基体高得多。 纵向：提高弹性模量、拉伸、蠕变强度
搅拌铸造
晶须、 颗粒
工艺简单、成本低、 易于批量生产;铸造缺 陷少;界面结合良好;
复合材料力学性能较 高
难以直接制备形状 复杂的零件;增强 体体积分数有一定 限制
增强体分布均匀;体积 分数任意可调
工艺设备复杂;小 批量成本高;不安 全
铸造气孔较多;颗 设备简单;生产效率高 粒分布不均匀,易
偏聚
短纤维、 喷射沉积 晶须、
制备方法：
挤压铸造法
（1）制备预制块
搅拌铸造法：
搅拌铸造法制备镁合金复合材料示意图
粉末冶金法： 粉末冶金工艺流程
SiCp 送粉装置
喷射沉积法：
镁熔体 喷嘴 雾化室 沉积底盘
抽风口
表5-17 几种主要镁合金材料制备方法
制备工艺 增强体类型
优点
缺点
短纤维、 挤压铸造 晶须、
颗粒
粉末冶金 颗粒
性能 各向同性 提高方面： 硬度、耐磨性、刚度、高温强度好
降低方面： 塑性、断裂韧性、耐疲劳性能、室温强度与基体相
近或更差。
TiC和SiC颗粒增强钛基复合材料的力学性能
①增室强温T下M，CST拉iC伸增强强度的比T基MC体S的还拉低。伸强度与基体相近，SiC颗粒 ②在高温下，颗粒增强TMCS拉伸强度均比基体高。 ③料基的体塑的性断与裂基伸体长相率比均下大降于。颗粒增强TMCS，这表示此复合材