金属基复合材料

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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。
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:
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:
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。
业化生产。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
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)。
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9-15 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9-2 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
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:
图9-17 无压浸渗法(Lanxide法)工 艺原理示意图
状增强材料预制体中。
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。
= 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) 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。
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。
碳纤维 硼纤维 SiC纤维 氧化纤维
铝合金 —— 固态、液态法 镁合金 —— 固态、液态法 钛合金 —— 固态法 高温合金 —— 固态法 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
颗粒 晶须 短纤维
铝合金 — 固态、液态、原位生长、喷射成型法 镁合金 —— 液态法 钛合金 —— 固态、液态法、原位生长法 高温合金 —— 原位生长法 金属间化合物 —— 粉末冶金、原位生长法
Al4C3生成。 图 9-6
熔池法纤维 / 基体复合丝示意图
3、固态法(连续增强相金属基复合材料制备工艺)
图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。
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:
由于在复合材料制备过程中需
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
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
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。
图9-13 压铸法制备工艺示意图
4 - 2 半固态复合铸造(Semisolid Slurry Casting)
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、均匀、内部缺陷明显改善;利 于净成型或近净成型,二次加工性能好。
但工艺流程较长,成本较高是这种工艺的缺点。
金属基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
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
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,从而提高 复合材料的性能。
3 – 3 模压成型(Mold Forming)
图 9-12 固态法制备工艺的主要参数关系示意图
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)
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,在压力下快速 凝固成型。
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