复合材料成型技术

• 液一固相铸轧复合技术 • 液一固相铸轧复合技术是将液态金属连续 浇铸在基带上，使液态金属在半凝固状态 与固态基带同时进入轧机进行加工变形， 以实现基材与复材良好的冶金结合。利用 液一固相铸轧复合铝/不锈钢板如图1.6所示。
• 喷射沉积复合技术 • 喷射沉积复合技术最早是由英国OPsery金属 有限公司开发，如图1.7所示。该技术可以 生产各种形状的连铸坯，在喷射成型时， 每个雾化液滴高速率凝固和随后高速固态 冷却以及液滴的撞击作用使其形成细的、 无宏观偏析、等轴的沉积显微组织。该方 法的优点在于其生产效率高，能实现大规 模、连续化生产。
层状复合材料的复合机理简介
• 双金属复合机理极为复杂，尽管长期以来 人们为此做了大量的研究探索工作，但迄 今为止，许多机理仍未被人们所揭示和了 解。许多学者提出了不同的结合机理，这 些理论促进了复合材料生产的发展。反过 来，复合材料生产工艺的不断改进又促使 复合理论日趋完善。下面将对金属固相复 合的机理进行综合评述:
• 谢苗诺夫提出了金属结合的能量观点。他认为两 种金属相互接触时，即使金属原子接近到了晶格 参数的数量级，如果原子还没有具备实现结合的 最低能量是不能结合的。该理论运用了原子激活 的观点，认为只有获得足够能量而被激活的原子 之间接触到一定距离后才可能形成实现金属间结 合的金属键。但是，该理论也有缺陷:导致金属原 子能量增加的加工硬化并没有促进金属之间的结 合，反而使金属间的结合能力变差。
• 金属键理论 • M.s.Burtno通过对金属复合的研究提出了金属键理论。他认为实现金 属结合的唯一要求是使两种金属的原子足够靠近以使原子间的引力发 挥作用。任何一个固相金属体内的单个原子之间都有这种引力的作用， 同种金属原子之间有这种作用，不同种金属原子之间也有这种作用。 当两种金属原子不断靠近时，它们之间的吸引力将增加，当两原子间 距达到大约正常原子间距的两倍时，引力达到最大值，继续靠近时， 吸引力将减小，并且当达到正常原子间距时，吸引力变为零。相邻原 子则以平衡间距稳定排列，同时两金属原子的外层自由电子成为共同 的自由电子而以金属键结合在一起，实现了金属间的结合。他认为， 所有的复合技术都是依靠这种复合作用完成的，这是实现金属间结合 的化学基础。这一理论普遍被人们接受，但是它不适用于解释某些低 温复合领域中的问题。
金属层状复合材料的应用
层状复合材料的特点在于能够充分发 挥和合理利用各种金属的特殊物理、力学 性能，大大节约稀贵金属以降低成本。通 过对层板组分的合理的选择以及适当的加 工工艺，可以获得满足不同需要的层状金 属复合材料。目前，层压复合材料已广泛 应用于交通、建筑、化工、核能、电力、 海洋工程等多种行业。
金属层状复合材料的特性和应用
• 金属层状复合材料的特性 金属层状复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、 化学性能不同的金属层牢固结合在一起而获得的一种新型 材料。通过科学的选择材料组元，合理的设计复层结构， 可以满足不同的应用需要。通过材料设计，金属层状复合 材料比较容易实现以下性能: • (l)具有高比强度、比模量。 • (2)具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常 工作。 • (3)耐磨、导热性好、热膨胀小、尺寸稳定。 • (4)成本低廉，适用于批量生产。
• 扩散理论 • 卡扎柯夫提出了金属结合的扩散理论，他认为在实现金属 结合的变形过程中，由于变形热的作用使金属接触区温度 升高，而使得金属原子受到激活，在界面附近形成一个很 薄的互扩散区而实现了金属之间的结合。扩散的作用是使 两金种属原子相互作用的机会增加，因而促进了两种金属 之间的结合。该理论从金属学角度对异种金属界面结合进 行了解释，这是其先进的方面，但是它没有考虑到金属接 触表面的激活过程和相互扩散对整个接触区形成结合过程 的限制，它不能解释事实存在的当扩散区厚度达到一定程 度时、随后扩散区厚度增加复合材料界面结合性能降低的 现象。
金属复合材料成型技术
金属基复合材料发展的历史背景
• 二十世纪以来，随着科学技术的进步和新技术、新产业的出现， 特别是二战后高、精、尖技术的迅速崛起和发展，世界各国对工程材 料的需求越来越广泛，对材料性能也提出了越来越苛刻的要求。在这 种情况下，传统的、单一的金属材料，或受自然资源的局限，或因综 合性能不足，其应用领域受到了很大的限制，已越来越不能满足高新 技术的发展要求。20世纪80年代以后，金属基复合材料被广泛应用于 火箭制造、兵器工业、航空航天等科技尖端领域。近些年来，随着社 会经济的发展，人们对能源和资源的消耗量日益增多，许多矿产资源 日渐枯竭，广泛使用节能环保的绿色复合材料已经成为社会生活的发 展潮流，世界各国也将研究和制备新型复合材料作为材料科学领域一 个重要的发展方向川。现在，金属基复合材料在石油、机械、化工、 造船、建筑、电力、电子及家用电器、日常生活用品等许多领域得到 更加广泛的应用。为节约能源和资源，减轻产品重量、提高产品的性 能，产品的生产者和消费者也急需科研工作者开发研制出种类更多、 成本更低、性能更优的新型材料来满足生产和使用的要求。所以开发 研制新型金属基复合材料具有十分紧迫的现实意义，也必将带来显著 的经济效益和社会效益。
• 金属基复合材料根据其特点可以分为三大 类: 层状复合材料 颗粒复合材料 纤维复合材料
金属层状复合材料的定义和性能要求
• 金属层状复合材料的定义 层压型复合材料是金属基复合材料中的一种，根 据国际标准化组织的定义:层状复合材料是由两种 或两种以上物理和化学性质不同的物质层合而成 的一种多相固体材料。层状复合材料各组元层保 持各自的相对独立性，但其性能并不是组元材料 性能的简单叠加，而是有着重要的改进。合理选 择不同的组元层，可以使该材料具有多种优异性 能，以满足抗磨损、抗腐蚀、抗冲击及高导热性、 导电性等多种特殊的应用要求。
• 浇铸复合法 • 浇铸复合法也被称为铸模法，该方法的生产工艺 为:将基板置于盛有金属液的铸模中，液态金属凝 固后形成复合板坯，然后对此板坯进行轧制获得 所需规格的复合板，如图所示。这种方法应用较 早，也属于固一液相复合技术。浇铸复合法工艺 简单，成本低，可以实现批量生产，但是由于复 层金属与基体金属的熔点不同，在两者的结合部 位容易产生熔损，因此难以得到质量优良的复合 板材。
• 爆炸十轧制复合 • 爆炸复合法生产较薄和对表面要求较高的层状金 属复合板比较困难。轧制复合法可以生产不同厚 度和表面质量较高的层状复合板，但复合板的宽 度受到轧机能力的限制。在综合这两种生产方法 的优缺点后，可以采用爆炸+轧制的方法，先用爆 炸复合制备较厚的复合板坯，再采用热轧或冷轧 工艺轧制所需厚度的复合板。这种方法兼有爆炸 复合和轧制复合法生产的优点，增加了生产的灵 活性。其缺点是生产率及成材率都比较低，产品 质量较差，无法实现大规模、连续化生产。
• 再结晶理论 • 1953年，Join.M.ParkS根据金属在变形量很大时， 再结晶温度会显著下降的事实提出了金属结合的 再结晶理论。他认为，同相复合时产生金属复合 的主要过程是接触区的再结晶过程。也就是说， 在两金属的共同变形过程中，由于变形热的作用， 接触区会出现局部高温而使两金属边界的晶格原 子重新排列，形成同属于两种金属的共同晶体， 使得相互接触的两种金属结合在一起。这种理论 非常适用于对在热处理过程中复合材料组织变化 进行解释，但是它并不适合于结合过程本身，并 且对有些低温复合现象无法解释。
• 我国对金属层状复合材料的研究起始于20世纪60年代初， 主要生产方式有爆炸复合法、爆炸+轧制(冷轧、热轧)复合 法、包浇(固一液结合)+轧制复合法等。其中“包浇十轧制 法”在重钢五厂实验并成功生产过，但后来由于技术经济 条件制约而停止生产。热轧复合法在上钢三厂生产过，但 产品质量水平与国外产品有一定的差距，主要表现在界面 结合较差，结合面抗剪强度较低以及复层金属厚度不均等。 现阶段我国双金属复合板的生产中，爆炸+轧制复合法己 经比较成熟。但是爆炸复合法工艺繁杂，生产效率低，难 以实现大规模、连续化生产，而且工作环境恶劣，噪音大， 污染环境。现在用爆炸复合法生产的复合板产品价格较高， 而且在板形、结合质量方面与国外同类产品还有一定的差 距。
• 爆炸复合 • 爆炸复合法投资少、成本低，不需要复杂的大型 设备，只要有爆炸场地即可生产。爆炸复合通过 强大的爆破力作用实现不同金属原子的紧密结合， 通过金属键形成牢固的焊接界面，实现基层和复 层牢固的冶金结合。 • 爆炸复合法主要适用于单张面积较大、板厚较厚 的双层或多层复合板的生产，如不锈钢/钢、不锈 钢/铝、钦/钢、钦/铜等。爆炸复合仅限于制造平 板，而且由于起爆位置、间距、装药形式以及爆 轰波传播方式的不同，易导致复合率的降低，难 以达到较高的复合质量。
• 电磁连铸法 • 电磁连铸法是借助水平电磁场生产复合钢坯的连 铸工艺。水平磁场安装在结晶器下部，两种化学 成分不同的钢水同时分别通过长、短浸入式水口 注入水平磁场的上、下部位。水平磁场作用在钢 流上的制动力(洛仑兹力)抑制了两种钢液的混合。 而且水平磁场成为一个分界线，依靠磁流体力作 用把结晶器熔池分成上、下两部分。通过水冷铜 结晶器的冷却作用，上部熔池的钢液凝固成为复 合钢坯的外层。下部熔池的钢液在外壳的内部凝 固成为复合钢坯的内芯。
• 反向凝固法Baidu Nhomakorabea• 反向凝固法利用冷轧或热轧带作为母带以一定的 速度从凝固器内的金属液中穿过，金属液在母带 表面凝固形成新生相。母带穿出凝固器金属液时， 新相层和母带己牢固的结合在一起，形成了一定 厚度的铸带。利用在凝固器上方的平整辊对铸带 进行平整初轧，从而得到表面平整、厚度均匀的 薄带，如图所示。该方法工艺简单，产品质量高， 利于环保，但是操作难度大。
金属层状复合材料的制备方法
• （1）轧制复合 • 轧制复合法是借助大的压下量轧制两层或多层金 属和合金，依靠原子间金属键的相互吸引力而使 组元层结合起来的一种复合技术。根据轧制复合 时是否加热可以分为热轧复合和冷轧复合。这种 方法一般包括三个步骤:表面处理、轧制复合和扩 散退火。轧制复合可以进行成卷连续生产，各金 属组元层的厚度均匀，产品尺寸精确，性能稳定， 生产效率高、成本低，易于实现大规模工业化生 产。
• 金属层状复合材料的性能要求 近些年来，随着科学技术的进步，特别是高精尖技术的发展，对复合 材料的品种和性能提出了更高的要求。要求复合材料性能好、寿命长、 安全可靠，具有更高的强度、韧性和更小的比重;有时还需要复合材料 具有优良的的耐热性和耐腐蚀性，而且价格低，能够节约稀贵金属。 要在单一的金属材料上实现以上的性能要求有时十分困难，甚至不能 实现。通过几种物理性能相异材料的相互复合，实现以上功能并不困 难。层压型复合材料作为复合材料中的一种，可以满足以下要求: • (1)性能互补:如将高硬度材料与高韧性材料层状复合后制成性能互补 的复合板。 • (2)表面保护作用:用耐热、耐腐蚀、耐磨的材料作复合板的表层起到 保护作用。 • (3)利用材料物理性能的差异:如利用热膨胀系数不同的材料制作热敏 元件。 • (4)经济作用:稀贵金属与廉价金属复合以节约稀贵元素或贵金属。
金属层状复合材料的研究现状
• 1956年美国率先提出金属层压复合的三步工艺，即:表面 处理—轧制复合—退火强化处理，这项技术使双金属室温 固相复合得到了迅速的发展。 • 前苏联对层压复合材料的研究始于20世纪30年代，主要采 用轧制法、铸造法、爆炸法、扩散焊法等方法生产铝、钦、 钢等金属与合金的复合材料，尤其在冷轧复合方面的研究 比较深入。 • 英、法、德等发达国家对复合材料的研究也有相当的水平， 其中英国伯明翰大学在20世纪五、六十年代对固相复合进 行了较为系统的研究，取得了很多成果。 • 日本在复合材料方面的研究起步较晚，但其发展十分迅速， 近年来已成为从事金属复合研究最多的国家之一。特别是 20世纪90年代以后，对不锈钢与铝的复合研究更是取得了 很多成果，而且申请了多项专利，尤其在阶梯式加热复合 及温轧复合方面取得了令人瞩目的研究成果。