顆粒增強復合材料制備

1、本科畢業(yè)論文（設計）題目：紅柱石增強鋁合金復合材料制備與性能姓名：廖麗云學號：07080406院（系）：材料科學與工程學院專業(yè)：金屬材料工程指導教師：閻峰云第一章文獻綜述1.1 顆粒增強鋁基復合材料研究1.1.1 概述金屬鋁基復合材料在20世紀80年代和90年代得到迅速發(fā)展，目前仍是材料領(lǐng)域的研究熱點之一。金屬基復合材料具有耐高溫、耐磨損、導電導熱性好、不吸濕、不放氣、尺寸穩(wěn)定、不老化等許多特點，在航空航天領(lǐng)域占有重要地位，目前已經(jīng)發(fā)展的有鋁基、鎂基、鈦基、高溫合金基、銅基等多種材料，其中以鋁基發(fā)展最快并且成為當前金屬基復合材料發(fā)展和研究工作的主流。這是因為鋁基復合材料具有密度低、基體合金選擇

2、范圍廣、可熱處理性好、制備工藝靈活多樣等許多優(yōu)點。鋁基復合材料具有很大的應用潛力，并且已有部分鋁基復合材料成功進入商業(yè)化生產(chǎn)階段。采用顆粒增強制備鋁基復合材料成本相對較低，原材料資源豐富，制備工藝簡單。選擇適當?shù)脑鰪婎w粒與基體組合可制備出性能優(yōu)異的復合材料，具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬啊？梢灶A料，在現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展和技術(shù)水平的高要求下，顆粒增強鋁基復合材料必將以其獨特優(yōu)勢在工業(yè)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。但同時也應看到，顆粒增強鋁基復合材料在未來的時間里要取得更進一步發(fā)展，并列人規(guī)?；a(chǎn)的行列，還需要進行更多的探索和實踐。因此，進一步加強理論研究，建立完整的理論模型，不斷進行實踐探索，將是今后的工作

3、重點1o01.1.2顆粒增強鋁基復合材料的特性1 .模量與塑性增強體的加入在提高鋁基復合材料強度和模量的同時，降低了塑性。文九巴等人采用鑄造法制備出Al/Al3Ti復合材料，抗拉強度比純Al基體提高77.5%,硬度提高132%,而延伸率較純鋁略有下降。王文明等人以SiCp/6066A復合材料為例研究了顆粒增強鋁基復合材料彈性模量的影響因素，發(fā)現(xiàn)界面性能對復合材料的彈性模量影響顯著，細觀結(jié)構(gòu)的影響不明顯2o2 .耐磨性高的耐磨性是顆粒增強鋁基復合材料的特點之一。馬東輝對顆粒增強鋁基復合材料及其基體與40Cr鋼摩擦材料組成的摩擦副的摩擦磨損特性進行了對比試驗研究，研究表明復合材料具有較穩(wěn)定的摩擦系

4、數(shù)、低的磨損率3。王寶順等人研究了大范圍(15%55%qSiCp(45、63mm)/Al復合材料與半金屬剎車材料配副的摩擦磨損性能。其結(jié)果表明.顆粒體積分數(shù)對復合材料摩擦系數(shù)的影響顯著，而顆粒尺寸對復合材料摩擦系數(shù)影響不大4。3 .疲勞與斷裂韌性顆粒增強鋁基復合材料的疲勞強度和疲勞壽命一般比基體金屬高，這與剛度及強度的提高有關(guān)，而斷裂韌性卻下降。影響鋁基復合材料疲勞性能和斷裂的主要因素有：增強物與基體的界面結(jié)合狀態(tài)、基體與增強物本身的特性和增強物在基體中的分布等。界面結(jié)合狀態(tài)良好.可以有效地傳遞載荷，并阻止裂紋擴展，提高材料的斷裂韌性。CHENZhenzhon等人利用粉末冶金技術(shù)制備了10%的

5、SiC增強Al203,SiC的平均顆粒尺寸為5mi研究了SiC顆粒對疲勞裂紋擴展的影響。結(jié)果表明，很少的顆粒出現(xiàn)在斷裂表面，即使在高的AK區(qū)域里也幾乎沒有出現(xiàn)。這就說明裂紋的擴展主要是在基體的內(nèi)部，而避開了SiC顆粒，這是因為顆粒的強度較高和牢固的顆粒/基體界面的結(jié)合5。4 .熱性能增強體和基體之間的熱膨脹失配在任何復合材料中難以避免，但可通過控制增強體和基體的含量以及增強體在基體中的分布來減小熱失配。張建云等人的研究指出，在溫度低于200。C時，SiCp/Al復合材料的線膨脹系數(shù)隨溫度的升高有一定程度的增大，但高于200。C時增幅較大6。張強等人的實驗結(jié)果也表明，SiCp/Al復合材料的熱膨

6、脹系數(shù)隨溫度的上升而增大，在300。C左右達到最大，隨后隨著溫度的上升而下降7。在200°C范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)在5.6X10-6-7.5X10-6。C之間8。這說明SiCp/A1復合材料的熱膨脹系數(shù)較小，能與電子元件基良好匹配。導熱性是另一個重要的熱性能。于家康等模擬研究了SiC顆粒尺寸及界面熱導率對SiCp/A1復合材料有效熱導率的影響。結(jié)果表明，當界面熱導率一定、且界面厚度與顆粒尺寸之比不變時，顆粒尺寸對復合材料的熱導率幾乎沒有影響；復合材料的熱導率隨界面熱導率的增加而增大并且當界面熱導率較小時增大更快9o5 .阻尼性能阻尼性能是材料在機械振動過程中在周期性加載和波傳播條件下消耗

7、應變能的一個量度。當材料的阻尼性能在結(jié)構(gòu)應用中被有效利用時，它可以有效地降低噪聲和減小振動。于思榮等人采用熔體直接發(fā)泡法制備了SiCp/ZL104泡沫復合材料，并進行了阻尼性能和機理的分析。結(jié)果表明，SiCp/ZL104泡沫復合材料的損耗因子隨SiCp含量的增加和SiCp粒度的減小而增大，即阻尼就越大10。楊會智對噴射共沉積工藝制備的6013A1/SiCp/Gr復合材料，研究了5種熱處理制度下材料的阻尼性能。結(jié)果表明：此材料在不同熱處理制度下，溫度高300C,內(nèi)耗值均大于0.01;150c以下，不同熱處理制度試樣的內(nèi)耗值基本相同，在150c270c溫度范圍內(nèi)，阻尼能力的大小順序為：爐冷水淬-9

8、0C淬火空冷原樣-195C淬火1101.1.3顆粒增強鋁基復合材料的制備方法粉末冶金法、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法和噴射沉積法是制備顆粒增強鋁基復合材料的幾種常用方法。1 .粉末冶金法粉末冶金法是最早開發(fā)用于制備顆粒增強金屬基復合材料的工藝，具體工藝是先將金屬粉末或預合金粉末和增強相均勻混合，制得混合坯料，經(jīng)不同的固化技術(shù)制成錠塊，再通過擠壓、軋制、鍛造等二次加工制成型材。粉末冶金法的優(yōu)點是增強體的加入量可以任意調(diào)節(jié)，成分比例準確，體積分數(shù)控制方便，復合材料組織中位錯密度高，因而材料強度大。缺點是原材料和設備成本高，制造出的復合材料的內(nèi)部組織出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，孔洞率較大，因此必須對復合材料進行二次塑

9、性加工，以提高其綜合力學性能；工藝比較復雜，而且都必須在密封、真空或保護氣氛下進行，設備及生產(chǎn)成本較高；所制零件的結(jié)構(gòu)和尺寸均受限制12,13o2 .攪拌鑄造法攪拌鑄造法就是將增強體顆粒加人到基體金屬液中，通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌器使液固相混合均勻，然后澆人金屬鑄型。攪拌鑄造法制備復合材料的過程中，由于增強體顆粒與鋁液濕潤性差，因此實現(xiàn)增強體顆粒均勻分布較為困難，同時，增強體顆粒極易與鋁溶液發(fā)生嚴重化學反應，因此界面結(jié)合較差。止匕外，添加的增強體顆粒的大小通常應大于10仙mi體積含量一般為20%左右。與其他方法相比，該方法制備的復合材料性能較差14。3 .擠壓鑄造法擠壓鑄造法是將增強體顆粒預制件放人

10、經(jīng)過精密加工的石墨澆鑄模內(nèi)，預熱到一定溫度，加人熔化的鋁合金液，在壓力作用下先滲入模壁間隙中，繼而滲入預制件中，最后去壓，冷卻。該工藝預制件的預熱溫度、鋁合金液的滲人溫度、壓力大小、冷卻速度是關(guān)鍵工藝參數(shù)。該法施加壓力可以較大，生產(chǎn)時間縮短，滲透可以在幾分鐘完成，工藝的穩(wěn)定性好，但是該方法在生產(chǎn)形狀復雜的零件方面受到很大限制14。4 .噴射沉積法噴射共沉積技術(shù)是20世紀80年代逐漸成熟的一種新的粉末冶金技術(shù)，具具體工藝過程如下：將鋁合金在培竭中熔化，加壓流經(jīng)霧化器后被高速氣體分散成極其細小的微滴，微滴高速冷卻后沉積到基板上，便可得到理想的快凝材料；若同時通過一個或幾個噴嘴射人增強粒子并使之與霧

11、化液滴一起沉積在基板上，這樣便制得了復合材料。該工藝綜合了粉末冶金和快速凝固的特點，可以實現(xiàn)制粉和材料復合一步完成?？紤]了傳統(tǒng)噴射共沉積制備大尺寸坯的困難，陳振華等人發(fā)明了一種新型的培竭移動式噴射共沉積方法。該方法主要特點是霧化噴嘴和地竭一起移動，沉積坯的直徑取決于霧化噴嘴移動距離。熔體同樣通過噴嘴霧化成液滴(內(nèi)含一部分固相顆粒)沉積在基板上，通過基板的旋轉(zhuǎn)和下降的復合運動，使沉積坯成形。新的共沉積方法解決了國際上制備大尺寸沉積坯的難題，目前用Ig法已能制800mm<1000mm沉積坯。這種大尺寸坯具有高的冷速(103K/s104K7s),顆粒增強相均勻，基體為微晶狀態(tài)等特點，具擠壓坯和

12、鍛造坯力學性能優(yōu)異15o綜上所述，顆粒增強鋁基復合材料的制備方法各有千秋，實際應用時.可根據(jù)材料的性能要求及設備條件選擇適宜的制備方法鋁基復合材料的制備工藝.1.1.4顆粒增強鋁基復合材料的應用狀況由于顆粒增強鋁基復合材料具有一系列優(yōu)異的力學性能和物理性能，因此其應用領(lǐng)域非常廣泛。航天航空、軍事、汽車、電子、體育等領(lǐng)域都是這種材料大顯身手的地方。1 .航空航天領(lǐng)域16顆粒增強鋁基復合材料具有的優(yōu)異性能，使其在航空航天領(lǐng)域的應用很廣泛。在美國國防部“T田em”項目支持下，DW復合材料公司與洛克希德馬丁公司及空軍合作，將粉末冶金法制備的碳化硅顆粒增強鋁基(6092A1)復合材料用于F-16戰(zhàn)斗機的

13、腹鰭，代替了原有的2214鋁合金蒙皮，剛度提高50%,使壽命由原來的幾百小時提高到設計的全壽命約8000h,壽命提高17倍。F18“大黃蜂”戰(zhàn)斗機上采用碳化硅顆粒增強鋁基復合材料作為液壓制動器缸體，與替代材料鋁青銅相比，不僅重量減輕、熱膨脹系數(shù)低，而且疲勞極限提高1倍以上。顆粒增強鋁基復合材料在N4、EC120直升機以及波音777大型客機上也得到了應用。2O世紀9O年代末，電子級高體分(60%70%)碳化硅顆粒/鋁基復合材料，作為新型輕質(zhì)電子封裝及熱控元件在一系列為世人所矚目的先進航空航天器上獲得正式應用。其中，采用無壓滲透法制備的碳化硅顆粒/鋁基復合材料工程應用的實例最多、影響也最大。例如，

14、在F22“猛禽”戰(zhàn)斗機的遙控自動駕駛儀、發(fā)電單元、飛行員頭部上方顯示器、電子計數(shù)測量陣列等關(guān)鍵電子系統(tǒng)上，碳化硅顆粒/鋁基復合材料替代包銅的鋁及包銅的殷鋼作為印刷電路板板芯，取得了減重70%的顯著效果。由于此種材料的熱導率可高達180W/(m-K),從而降低了電子模塊的工作溫度，減少了冷卻的需要。該種材料在航空航天中的應用還包括：歐洲“臺風”戰(zhàn)斗機、EA6B“徘徊者”預警機、ALE50型誘餌吊艙等航空器，以及摩托羅拉鉞星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探測器等航天器。2 .汽車領(lǐng)域17在汽車制造方面，幾乎所有的歐美汽車制造廠，都在研究采用金屬基復合材料制造制動盤、制動鼓。美國已將鋁基復合材料應

15、用于剎車輪，使其重量減輕了30%60%,且導熱性大大改善。Martain公司將TiC顆粒增強復合材料用于汽車活塞等部件，達到了減重和減小摩擦的目的。3 .電子領(lǐng)域18作為電子材料，LEC公司生產(chǎn)的SiCp/A1復合材料1996年應用于GM電動汽車和EV1客車上，替代了Cu/W合金。1997年用該材料制作IRIDIUMO的系統(tǒng)部件，應用于Motorola公司發(fā)射的衛(wèi)星上，并決定以后70多顆衛(wèi)星均使用該材料。這一應用是電子級顆粒增強鋁基復合材料發(fā)展的新的里程碑。鋁基復合材料還用于制造自行車、醫(yī)療器具、運動器械等其他高性能要求的零部件。尤其現(xiàn)在研究較多的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料性能優(yōu)異，作為功能材

16、料，可望在機械、冶金、建材、電力等工業(yè)部門得到更廣泛的應用19。1.1.5顆粒增強鋁基復合材料的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀201 .國外發(fā)展現(xiàn)狀從80年代初開始，國外投入大量財力致力于顆粒增強鋁基復合材料的研究。相繼開發(fā)了粉末冶金、攪拌熔鑄、壓力鑄造和噴射沉積4種主要的制備技術(shù)，解決了增強體顆粒在基體中的分布均勻性和基體與增強體之間界面結(jié)合兩大技術(shù)難題，并系統(tǒng)地研究了顆粒分布均勻性、界面結(jié)構(gòu)及性能、材料斷裂特征及物理性能特點等一系列問題。材料性能水平和性能穩(wěn)定性很快達到了工業(yè)應用水平。2 .國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)在材料的組織性能、復合材料界面等方面的研究工作己接近國外先進水平。在材料制備技術(shù)方面已基本掌握了粉末

17、冶金、攪拌鑄造、壓力鑄造及共噴沉積4種主要制備方法，并逐漸完善了材料的制備技術(shù)和工藝的穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)對顆粒增強鋁基復合材料的研究逐步從實驗室轉(zhuǎn)向應用開發(fā)階段，并已取得突破。為了進一步推動國內(nèi)顆粒增強鋁基復合材料的實用化和產(chǎn)業(yè)化-國內(nèi)已建成了國家級的中試基地和實驗室.重點發(fā)展了顆粒增強鋁基復合材料工業(yè)制備技術(shù)，并已形成年產(chǎn)上百噸的生產(chǎn)能力。3 .2粉末冶金技術(shù)概述粉末冶金是一種制取金屬粉末，以及采用成形和燒結(jié)工藝將金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)制成材料或制品的工藝技術(shù)，由于粉末冶金的生產(chǎn)工藝與陶瓷的生產(chǎn)工藝在形式上類似，這種工藝方法又被稱為金屬陶瓷法。1.2.1 粉末冶金工藝的基

18、本工序:(1)原料粉末的制取和物料準備；(2)成形一將金屬粉末制成所需形狀和尺寸的坯塊，并使其具有一定強度和密度；(3)燒結(jié)一將坯塊在物料主要組元熔點以下的溫度進行燒結(jié)，使制品具有最終的物理、化學和力學性能。燒結(jié)是粉末冶金工藝中的關(guān)鍵性工序。粉末的一個重要特點是它的表面與體積之比大。粉末冶金學就是研究金屬粉末的加工過程，包括粉末的制造，粉末的特征以及金屬粉末轉(zhuǎn)變成為有用工件的過程。這個過程改變了粉末的形狀、性能以及他的結(jié)構(gòu)組織而成為最終的產(chǎn)品。1.2.2 .粉末冶金的發(fā)展粉末冶金技術(shù)歷史很悠久，早在公元3000年前，埃及人已經(jīng)使用鐵粉。公元300年，印度德里鐵柱是用大約6.5t還原鐵粉制成的。

19、公園18世紀粉末冶金技術(shù)才得到真正有價值的應用。在俄國和英國，為了生產(chǎn)白金實驗室裝置的需要，發(fā)展了化學沉淀粉末和新的凝固方法，避免了采用高溫的工藝路線，克服了當時在高溫處理方面的困難?，F(xiàn)代粉末冶金發(fā)展中三個重要標志：(1)克服了難熔金屬(如鴇、鋁等)熔鑄過程中產(chǎn)生的困難。(2)20世紀30年代用粉末冶金方法制取多孔含油軸承取得成功，繼而粉末冶金鐵基機械零件的發(fā)展，充分發(fā)揮了粉末冶金少切削甚至無切削的優(yōu)點。(3)向更高級的新材料、新工藝發(fā)展。40年代，新型材料如金屬陶瓷、彌散強化材料；60、70年代，粉末高速鋼、粉末超合金相繼出現(xiàn)；利用粉末冶金鍛造及熱等靜壓已能制造高強度的零件。1.2.3.粉末

20、冶金的優(yōu)點和缺點1 .優(yōu)點：(1)粉末冶金方法能生產(chǎn)用普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊性能的材料；控制制品的孔隙度；能利用金屬和金屬、金屬和非金屬的組合效果，生產(chǎn)各種特殊性能的材料。如鴇、銅假合金型的電觸頭材料、金屬和非金屬組成的摩擦材料等；能生產(chǎn)各種復合材料。例如生產(chǎn)由難熔化合物和金屬組成的硬質(zhì)合金和金屬陶瓷、彌散強化復合材料、纖維強化復合材料等復合材料。(2)粉末冶金方法生產(chǎn)的某些材料，與普通熔煉法相比，性能優(yōu)越；高合金粉末冶金材料的性能比熔鑄法生產(chǎn)的好。例如：粉末高速鋼、粉末超合金可避免成分的偏析，保證合金具有均勻的組織和穩(wěn)定的性能，同時，這種合金具有細晶粒組織使熱加工性大為改善；生產(chǎn)難熔金

21、屬材料或制品，一般要依靠粉末冶金法。例如：鴇、鑰等難熔金屬，即使用熔煉法能制造，但比粉末冶金的制品的晶粒要粗，純度要低。從制取材料方面來看，粉末冶金方法能生產(chǎn)具有特殊性能的結(jié)構(gòu)材料、功能材料和復合材料。 從制造機械零件方面來看，粉末冶金法制造機械零件是一種少切屑、無切屑的新工藝，可以大量減少機加工量，節(jié)約金屬材料，提高勞動生產(chǎn)率。 總之，粉末冶金法既是一種能生產(chǎn)具有特殊性能材料的技術(shù)，又是一種制造廉價優(yōu)質(zhì)機械零件的工藝。一般來說，粉末冶金方法的經(jīng)濟效果只有在大規(guī)模生產(chǎn)時才能表現(xiàn)出來。因為粉末成形所需要的模具制作加工比較困難，而且較為昂貴。但是有時為了使材料或制品具有某些獨特的性能，也可以進行小批量生產(chǎn)。2.缺點：粉末冶金工藝的不足之處是粉末成本較高，制品的大小和形狀收到一定的限制，燒結(jié)件的韌性較差等。但是，隨著粉末冶金技術(shù)的發(fā)展，新工藝不斷出現(xiàn)與完善，這些不足正被逐步客服中。1.2.4. 粉末冶金的應用粉末冶金材料制品的應用范圍十分