第6章 金属基复合

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温度
变形量
预热 温度
轧制比
表5-3为 25%SiCp/Al复合 材料经过16:1挤 压后，经过三道 轧制后的致密度。
表5-4为25％ SiCp/Al复合材 料经过16：1挤 压后，在预热温 度分别为350℃ 和450℃进行的 不同轧下量轧制 后的致密度。
对挤压比为25:1 的15％SiCp/Al 复合材料预热 350℃和500℃进 行轧制后拉伸强 度分布为230MPa 和245MPa。
σb MPa
338 359 379 460 420 430 517 503 503 610 630 560 601 643 735
伸长率% 7.5 5.4 2.1 7.0 5.0 4.0 3.3 2.3 1.0 5～7 2～4 3 2 2 －
E GPa
81 87 98 98 105 115 84 92 101 100 116 105 95 90 105
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。 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。
将颗粒加入半固态的 金属熔体中，然后将半固 态复合材料注入模具进行 压铸成型。 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。 当加入预热后的增强 颗粒时，在搅拌中增强颗 粒受到金属颗粒阻碍而滞 留在半固态熔体中减少集 结和偏聚，同时搅拌可促 进颗粒与金属基体的接触 和润湿。
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θ<90º ，颗粒被捕捉
θ>90º 颗粒被排斥 ,
σSP，σPL，σSL分别代表固相/颗粒、颗粒/液相、固相/液相之间的界面能， 三者有如下关系 :
cos ( PL SP ) / SL
当σPL＞σSP时，θ＜90°，颗粒被凝固界面捕捉,结合更稳定。 当σPL＜σSP时，θ＞90°，颗粒将被凝固界面所排斥.
Al2O3p/6061Al
T6 T6 T6
SiCp/6061Al
T6 T6 T6
Al2O3p/2024Al
T6 T6 T6
SiCp/2024Al
T6 T6
SiCp/7075Al SiCp/7049Al SiCp/7090Al
T651 T6 T6
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表5-1
颗粒增强铝基复合材料的力学性能
图5-1是Duralcon公司生产的各种铸件。对于连续纤维增强 金属基复合材料零件的制造也可采用真空吸铸、真空压力铸造的 方法。如氧化铝纤维增强镁基复合材料，可选用真空铸造的方法 制造。图5-2为真空铸造法制造的连续纤维增强镁基复合材料零 件。 20 2013年7月31日星期三
6.2塑性成形
对于非连续增强金属基复合材料利用挤压、 模锻、超塑成形等工艺方法制造型材和零件也是 一种工业规模生产金属基复合材料零件的有效方 法。塑性成形是铝基复合材料主要后续加工方法。 其主要目的是致密化(消除孑L隙)，改变增强颗粒 分布或者获得指定形状。随着铝基复合材料应用 范围的逐渐扩大，塑性加工问题越来越引起了人 们的关注，探索其塑性成形就具有重要的现实意 义。目前对铝基复合材料的塑性成形方式主要有 拉拔、压缩、挤压及轧制等。
挤压形成的颗粒富集带
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表5-1和表5-2分别列出了铝基复合材料室温和高温的拉伸性能。
复合材料
状态 T6
体积分数 /%
10% 15% 20% 10％ 15％ 20％ 10％ 15％ 20％ 7.8％ 20％ 25％ 15％ 15％ 20％
σ0.2 MPa
296 319 359 405 420 430 483 476 483 400 490 405 556 598 665
第6章
金属基复合材料的成型加工
6.1铸造成型
铸造成形成本较低，便于一次形成复杂件， 所需设备相对简单，能适应规模生产，是近年来 研究较多、发展较快的复合材料成形方法。常用 的生产有色金属铸件的铸造方法均可用来制造颗 粒增强金属基复合材料(PRMMcs)铸件，但由于增 强颗粒的加入改变了金属熔体的粘度、流动性等 性质，高温时还可能发生增强颗粒与基体金属之 间的化学反应、颗粒的沉降等问题，因此在选择 工艺方法和参数时必须考虑金属基复合材料的特 点，对现有铸造工艺做必要的改进。
6.1.1铸造成形方法与特点
1．搅拌铸造成形 目前，搅拌铸造成形有两种：液态机械搅拌法与半固 态机械搅拌法。液态机械搅拌法是通过搅拌器的旋转运动 使增强材料均匀分布在液体中，然后浇注成形。此法所用 设备简单，操作方便，但增强颗粒不易与基体材料混合均 匀，且材料的吸气较严重。半固态搅拌法是利用合金在固 液温度区间经搅拌后得到的流变性质，将增强颗粒搅人半 固态熔液中，依靠半固态金属的粘性来阻止增强颗粒因密 度差而浮沉来制备复合材料。此法能获得增强颗粒均匀分 布的复合材料，但是只适应于有固液相温度区间的基体合 金材料。
SiCp/Al复合材料不同温度下的最大挤压力
温度/℃ 最大挤压力 /MPa 350 280 400 265 450 248 500 235
（3）挤压比 在热挤压中，不论是哪种挤压方式，其最大单位挤压 力和变形功都是随变形程度的增加而增大。变形程度可 以采用不同的方法来表示，采用比较多的是用断面收缩 率ε来表示。
铝基复合材料是在金属基复合材料中应用得最广的 一种。由于铝的基体为面心立方结构，因此具有良 好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工 程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创 造了有利的条件。
（1）润滑剂 润滑剂的作用是改变挤压坯料和模具之间的摩擦力。摩 擦力越小则由于坯料内外层材料流动不均匀所形成的附加拉应 力就越小。 （2）挤压温度 最佳挤压温度的选择应考虑以下因素：金属的塑性较好； 变形抗力尽可能小；型材具有最高强度；较高劳动生产率和较 低劳动成本。为了保持挤压制品的整体性，在挤压过程中，塑 性变形区的温度必须与SiCp/Al复合材料塑性最好的温度范围相 适应。随着复合材料坏料及模具预热温度的升高，挤压力显著 降低，如表5-6所示。温度每升高50℃，最大挤压力降低10～ 20MPa。
（5）SiC颗粒体积分数
图5-3是SiCp/Al复合材料经过相同挤压比25:1后SiC颗粒体 积分数对最大挤压力的影响曲线。从图中可以看出，最大挤压 力随着SiC颗粒体积分数的增加而增加。
复合材料中SiC颗粒的体积分数对最大挤压力的影响
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(6)热挤压对颗粒增强铝基复合材料组织和性能的影响 在挤压过程，金属基复合材料的显微组织除了会 发生纤维断裂外，在某些情况下还会形成平行于挤压 方向的“陶瓷富集带”(Ceramic Enriched Bands)， 如图所示。
为解决增强颗粒与金属基体润湿性差的问题， 可采取以下措施：
1
2
3
4
增强 颗粒 表面 涂层
金属基 体加 入某些 合金元 素
用某些 盐对增 强颗粒 进行预 处理
对增强 颗粒进 行超声 清洗或 预热处 理
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2. 增强颗粒分布均匀性
在外加增强颗粒制备PRMMC 的铸造法中，增 强颗粒的密度一般与基体金属相差较大,且两者互 不润湿，因而颗粒在金属基体中容易上浮、下沉 及偏聚。Stokes 质点上浮速度表达式为：
1.增强颗粒与金属熔体的润湿性
增强颗粒进入基体金属熔体，并能很好地分散，首要的条件是两者 必须相互润湿。以铝合金为例，常用的增强颗粒Al2O3、SiC 与Al 的润 湿性都比较差，它们的接触角θ大于90o 。而有些增强颗粒表面存在的 氧化物，由于其吸附气体、水分等，使得增强颗粒与金属基体的润湿性 变得更差。 增强颗粒在复合材料凝固过程中是被凝固界面排斥还是捕捉受很多因素的 影响，如颗粒与固相、液相之间的界面能，颗粒的大小及密度，液体的粘 度，热传导率，液体的对流，界面前沿的温度梯度等。 对于金属/陶瓷这样的高界面能系统，其界面能比低温下的水或有机溶液/ 颗粒系统的界面能大得多，此时界面能的作用占主导地位。 在重力下凝固及界面前无对流的条件下，当颗粒较小时（<0.5mm）可忽 略浮力的影响，结合凝固界面与颗粒相接触时的实际生长状态，提出了 下图所示的相互作用模型
6.2.2 金属基复合材料的高温压缩变形
复合材料高温压缩变形的特点存在明显的应变软化现象。 高温压缩变形的应力一应变曲线上有明显的峰值，即当压缩 变形量大到一定程度以后，开始出现应变软化现象。晶须 /Al复合材料高温压缩变形后，其组织结构的最明显特点是 晶须发生了有序分布，即晶须产生了垂直于压缩方向的定向 排列。压缩变形时所表现出的应变软化行为与晶须有序化有 关。即当晶须垂直于压缩方向排列时，晶须所承受的载荷下 降，于是表现出应变软化现象。
离心铸造成形技术 这是一种利用离心力将液态金属挤入增强材料间隙而使复合材 料成形的方法。松下润二用此方法制取Al-Si基石墨增强复合材料。 他们先将增强颗粒置于坩埚的底部，再装入固态金属材料。当金属 材料熔化后对金属施加离心力，使液体挤入增强颗粒的间隙中。
3.负压铸造成型
负压铸造成形有两种方法：真空吸铸法和自浸透法。这两 种方法都需要采用增强物预制体。真空吸铸法是将预制体放 入铸型后，将铸型一端浸入金属液中，而将铸型的另一端接 真空装置，使液态合金吸入预制体内的一种方法。
2.正压铸造成形
• 正压铸造成形可 按加压方式分为 挤压铸造和离心 铸造。挤压铸造 是按零件的形状 制作增强物预制 体，将预制体放 入铸型，在重力 下浇人液态金属 或合金，液体在 压头作用下渗入 预制块。
石墨—Al基复合材料制备工艺及性能 程晓敏[1] 周世权[2] [1]武汉汽车工业大学 [2]华中理工大学 采用搅熔复合及半固态模锻法，研究了石墨颗粒增强Ａｌ基复合材 料垢制备工艺，并对石墨－Ａｌ基复合材料的强度，冲击韧性和耐 磨性进行了试验研究，其结果表明，通过选择合适的工艺参数，可 以很好地解决石墨与Ａｌ浸润性差和石墨易漂浮偏析的问题，所得 石墨－Ａｌ基复合材料具有优良的抗摩擦磨损性能，是一种应用前 景广泛的新型减磨材料。