復(fù)合材料學(xué)之五

5金屬基復(fù)合材料的制法及特性1概述制造金屬基復(fù)合材料時(shí)必須注意的問(wèn)題：1）纖維與基體金屬的潤(rùn)濕性、結(jié)合性和反應(yīng)性，即相容性問(wèn)題。2）纖維分布狀態(tài)的控制。3）制造過(guò)程中纖維因熱學(xué)、力學(xué)方面的原因造成的損傷和劣化。4）纖維和基體金屬的膨脹及制造時(shí)承受的殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。5）纖維質(zhì)量的穩(wěn)定性。6）適于工業(yè)化生產(chǎn)，便于質(zhì)量控制的制造方法。增強(qiáng)處理的預(yù)處理1）纖維制品往往不是單纖維，而是呈束或紗狀，還有呈織物狀的，也有短纖維或晶須狀的，應(yīng)根據(jù)使用目的選擇下的狀態(tài)。2）有的纖維或顆粒或短纖維可以直接與金屬?gòu)?fù)合成型，有的則需要改善兩者的潤(rùn)濕性和結(jié)合性，控制界面反應(yīng)，故要對(duì)纖維進(jìn)行表面處理。3）為了保證纖維的有序排布，要把纖維與基體金屬做成預(yù)制帶或預(yù)浸線(xiàn)，然后再根據(jù)使用要求進(jìn)行裁剪、層合、制成預(yù)成形體。4）對(duì)于短纖維、晶須合顆粒增強(qiáng)材料，還必須解決如何加入及防止它們?cè)诮饘僖褐猩细?、下沉或凝聚等?wèn)題，使其能在基體金屬中均勻分布。經(jīng)過(guò)以上預(yù)處理后才能復(fù)合成形。2纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的復(fù)合成形1）預(yù)制帶的制作在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制造中往往先制成預(yù)制帶，再根據(jù)需要的纖維排列方向和分布狀態(tài)，再把預(yù)制帶按纖維的取向和規(guī)定的厚度進(jìn)行層合、加溫加壓成形制成預(yù)成形體，其優(yōu)點(diǎn)：可以自由改變層合的方法得到所希望的性能。預(yù)制帶包括：半固化帶、噴涂帶、PVD帶和單層帶半固化帶：用于較粗纖維增強(qiáng)如B/Al復(fù)合材料制造，把硼纖維以一定間隔單向排列再鋁箔上，再用樹(shù)脂固定單層帶是在金屬箔上開(kāi)槽，把纖維下到槽里，再再上面放同樣的金屬箔，它是一種有纖維夾層的金屬箔。噴涂帶是用噴涂金屬將排布好的纖維固定在金屬箔上，粗纖維和細(xì)纖維都行。2）預(yù)浸線(xiàn)的制作預(yù)浸線(xiàn)是將纖維束通過(guò)金屬液，使金屬液滲到纖維之間，然后擠出多余的金屬液并同時(shí)進(jìn)行固化而制成。右圖為連續(xù)擠拉法制造預(yù)浸線(xiàn)的示意圖，這種方法已被用于SiC纖維與Al的預(yù)浸線(xiàn)的連續(xù)制造上。除熔浸連續(xù)擠拉，還可以采用電鍍法、真空沉積法制備預(yù)制帶和預(yù)浸線(xiàn)是用固相擴(kuò)散結(jié)合法和液相法制造復(fù)合材料過(guò)程的中間制品，它可以直接使用，也可以先做成預(yù)成體后再用于復(fù)合材料的成形。3）增強(qiáng)纖維的排布方式及形態(tài)增強(qiáng)纖維的排布形態(tài)總的來(lái)說(shuō)可以分為：?jiǎn)蜗蚺挪肌⒍S排布及三維排布。將預(yù)制帶層合或纖維、預(yù)浸線(xiàn)按要求的排布形態(tài)編好即可制成預(yù)成形體，制成預(yù)成形體后，還要經(jīng)過(guò)復(fù)合成形的過(guò)程才能制成復(fù)合材料制品。復(fù)合成形有兩種方法：固態(tài)復(fù)合成形（固相擴(kuò)散結(jié)合法）液態(tài)復(fù)合成形（熔融金屬浸滲法）3固相擴(kuò)散結(jié)合法1）擴(kuò)散粘結(jié)：也稱(chēng)擴(kuò)散焊接，是再塑性變形不大時(shí)，利用接觸部位的原子再高溫下相互擴(kuò)散而使纖維和基體金屬結(jié)合在一起的。常用的技術(shù)有：A熱壓法：把預(yù)成形層合體在真空或惰性氣體中加熱、加壓而復(fù)合的方法。如B/Al復(fù)合材料的加熱溫度：773K，加壓10～70MPa，保壓時(shí)間0.5~1.5h。B熱等靜壓（HIP）法把預(yù)成形體密封在模盒中，再放在高溫高壓的壓力釜里復(fù)合成形的方法。因?yàn)榧拥膲毫κ庆o壓，可以用簡(jiǎn)單的模、夾具就能壓出復(fù)雜形狀的部件，與熱壓法相比，它可以進(jìn)行大型部件的復(fù)合成形，如直升飛機(jī)的部件。航天飛機(jī)上應(yīng)用的B/Al復(fù)合材料的管狀桁架就是這種方法做的。一架航天飛機(jī)用243根B/Al復(fù)合材料的管狀桁架，它的重量只是高強(qiáng)度鋁合金桁架的44％。2）形變壓力加工A熱軋：直接把纖維盒金屬箔材熱軋成復(fù)合材料，也可以把半固化帶、噴涂帶夾在不銹鋼板中熱軋。B熱拔：熱拔時(shí)可以基體金屬的塑性變形控制得比較小，而且在拉拔中纖維主要受拉，幾乎沒(méi)有彎曲應(yīng)力，可以避免纖維的斷裂盒界面剝離。下圖是熱拔法制造C/Al復(fù)合材料的示意圖，拉拔溫度應(yīng)取在基體金屬的固相線(xiàn)上下，由于這時(shí)基體金屬的塑性變形阻力很小，可將纖維的機(jī)械損傷控制在最小的限度。C擠壓法：用于加工連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)，基體金屬的塑性變形會(huì)使纖維與基體的界面承受彎曲應(yīng)力，容易造成界面剝離和纖維破斷。但是，對(duì)于短纖維、晶須和顆粒隨機(jī)分布的復(fù)合材料，熱擠壓加工時(shí)，纖維能隨基體金屬塑性流動(dòng)，并按擠出方向排布，即使產(chǎn)生彎曲應(yīng)力而使纖維破斷，如果纖維的縱橫比在臨界縱橫比以上，就能保持纖維的增強(qiáng)效果。用掃描電鏡觀察SiC/Al擠壓復(fù)合材料，證實(shí)了碳化硅晶須按擠出方向排布的。用氧化鋁短纖維與鋁合金在773K擠壓出的復(fù)合材料，在體積分?jǐn)?shù)為30％時(shí)，抗拉強(qiáng)度為421MPa，是基體強(qiáng)度的2倍。4爆炸焊接

利用炸藥爆炸的能量把兩層或兩層以上的金屬板或者預(yù)制帶結(jié)合在一起的一種加工方法。主要用于金屬層合板和金屬纖維增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料特點(diǎn)：1）結(jié)合力大2）能使其它方法無(wú)法結(jié)合的異種金屬結(jié)合在一起3）與焊接法相比，受到熱影響的區(qū)域小。4）可進(jìn)行多達(dá)幾十層層合材料的加工。3熔融金屬浸滲法（液相復(fù)合成形法）熔浸法要求纖維熱力學(xué)穩(wěn)定或者經(jīng)表面穩(wěn)定處理，并且與金屬液的潤(rùn)濕性良好。熔浸法有：大氣壓力下熔浸、真空熔浸、加壓熔浸和組合熔浸法。大氣壓力下連續(xù)熔浸：可以制造棒材、管材、板材以及復(fù)雜形狀的型材惰性氣體保護(hù)下熔浸，防止氧化。液體鑄造法：真空鑄造連續(xù)纖維繞線(xiàn)－粘結(jié)或半固化－預(yù)成形體－放入鑄模中－加熱500度除粘結(jié)劑－浸入液體－凝固－脫模高壓凝固鑄造：1）加壓后凝固，又叫擠壓鑄造、液態(tài)鍛造、鍛鑄法高壓凝固鑄造：2）把纖維或顆粒的預(yù)成形體預(yù)熱到金屬的凝固點(diǎn)以上放入鑄型內(nèi)，澆注后用壓頭加壓把金屬液壓入預(yù)成形體的間隙內(nèi)，保壓直到凝固完成。高壓鑄造法制造金屬基復(fù)合材料（MMC）的優(yōu)點(diǎn)：1）可以制造較復(fù)雜的異型的MMC零件2）由于金屬是處在熔融狀態(tài)下與纖維壓力復(fù)合的，纖維與金屬的結(jié)合十分牢固3）這種制成的復(fù)合材料便于二次加工壓鑄法：在壓力下把金屬液射到鑄模內(nèi)并在壓力下凝固的鑄造方法。5.3分散強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料的復(fù)合成形主要方法：1內(nèi)部氧化法1）把鋁在氧化性氣氛的球磨機(jī)內(nèi)磨成1微米微粉，微粉的表面形成了氧化鋁膜，將其燒結(jié)擠壓，就成了氧化鋁在鋁中分散的復(fù)合材料。2）把Cu－Al合金用氣體霧化法霧化成粉末，再使內(nèi)部氧化生成氧化鋁粒子，用擠壓法做成制品。2共沉析法用一些在基體金屬或合金熔點(diǎn)附近的高溫下也穩(wěn)定的金屬氧化物粒子，使其分散在基體金屬或合金內(nèi)，在高溫下也有強(qiáng)化效果。如鎳基耐熱合金由于強(qiáng)化粒子均勻析出在基體上而得到良好的耐熱性能，但是在合金熔點(diǎn)附近這些強(qiáng)化相會(huì)固溶于基體而使熱強(qiáng)度急劇下降。當(dāng)使用高溫穩(wěn)定的ThO2和Y2O3作分散粒子時(shí)，使它均勻分布在鎳基耐熱合金的基體內(nèi)，就可以提高鎳基耐熱合金的高溫性能。

3）機(jī)械合金化

應(yīng)用高性能球磨機(jī)，將原料粉末（金屬與金屬、金屬與陶瓷等）按一定比例混合，反復(fù)研磨。由于研磨過(guò)程的沖撞、壓軋，使金屬粉末和陶瓷粒子反復(fù)變形、粉碎和“粘合”而合金化和均勻化，再經(jīng)過(guò)熱擠壓或熱等靜壓制成復(fù)合材料制品。4）噴射彌散法按分散強(qiáng)化理論，材料的強(qiáng)度隨材料中細(xì)小分散粒子含量的增加而提高，固有可能利用均勻細(xì)小的非金屬夾雜物來(lái)提高材料的強(qiáng)度。如：用氬氣把細(xì)小的氧化物粒子強(qiáng)制噴射到金屬型澆注的鋼水流內(nèi)的噴射彌散法。利用噴射彌散法把粒子分散到金屬液中時(shí)，理想的粒子應(yīng)是熔點(diǎn)高，氧化物標(biāo)準(zhǔn)生成自由能低、穩(wěn)定性好、剛性系數(shù)大、密度適當(dāng)?shù)?。如：Al2O3、ZrO2、CeO2、WO3、ThO2、WC、TiC、CaS顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料復(fù)合成形法5.4顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的成形方法粉末冶金法熱軋法機(jī)械合金化法固態(tài)法液態(tài)法重力鑄造法壓鑄法離心鑄造法電磁場(chǎng)鑄造法噴霧鑄造法半固態(tài)復(fù)合鑄造法1）固態(tài)成形法（1）粉末冶金法如典型的WC-Co超硬質(zhì)合金就是用粉末冶金法生產(chǎn)，還有碳化硅－鋁復(fù)合材料（2）熱軋法用熱軋法制造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)，可將作為基體的各種金屬粉末等混入作為增強(qiáng)粒子的各種陶瓷顆粒，或?qū)⒎勰┗旌狭隙逊e在Al、低碳鋼或不銹鋼等金屬板材上，在保護(hù)性氣氛下加熱，使基體金屬粉末或板材加熱至半熔融狀態(tài)，保溫一定時(shí)間后進(jìn)行軋制，制成既有較高韌性，表面又耐磨、耐熱的表面復(fù)合材料。如：在鋼管中加入鑄鐵粉、碳化硅粉，加熱至半熔融狀態(tài)，軋制，切分成表面復(fù)合材料。2）液態(tài)復(fù)合法：它是將密度與液體金屬不同的顆粒等增強(qiáng)材料直接加入液體金屬進(jìn)行復(fù)合成形。如Mg/SiC，主要問(wèn)題：顆粒增強(qiáng)材料的加入和均勻分散（1）顆粒的加入方法A氣流噴入法：將顆粒增強(qiáng)材料用惰性氣體作載體噴入到金屬液中。B在澆注過(guò)程中加入金屬流中C塊狀加入：用增強(qiáng)顆粒和基體金屬粉末的混合塊往比重大的金屬液里添加時(shí)，不壓入是難以成功的，但可以把鋁粉和Cu或Ni涂覆過(guò)的石墨粉末混合物壓成塊加入到Al合金液體內(nèi)。（2)金屬液攪拌法A旋渦法：用葉輪使金屬液旋轉(zhuǎn)形成旋渦，將加入的顆粒及短纖維卷入金屬液內(nèi)。用于10微米以上的顆粒。B回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)攪拌混合：用攪拌葉片和坩鍋同時(shí)回轉(zhuǎn)的方法，可使顆粒在金屬液內(nèi)均勻分布。C超聲攪拌分散法：將顆粒材料等直接加熱到過(guò)熱溫度較低的金屬中進(jìn)行超聲波處理斌緩慢升溫直到顆粒完全分散于金屬液中。D電磁場(chǎng)攪拌法：（3）鑄造成形法A離心鑄造法：將顆粒材料加入到金屬液中，采用離心鑄造方法使相對(duì)密度打的顆粒向外側(cè)偏析，相對(duì)密度小的向內(nèi)側(cè)偏析，由此可制造出一側(cè)耐磨性或潤(rùn)滑性?xún)?yōu)良的表面復(fù)合材料。B電磁場(chǎng)鑄造法：利用磁性將金屬液中具有磁性的硬質(zhì)顆粒（如WC）吸引到金屬液表面鑄造成形而制造表面復(fù)合材料的方法。C噴霧鑄軋法它是將金屬液用噴霧法制成畏葸的液滴，同時(shí)把顆粒材料卷入噴霧氣流中，和霧花液滴混合后噴射到鑄型內(nèi)的方法。5.3半固態(tài)復(fù)合鑄造半固態(tài)鑄造是將固－液態(tài)金屬或合金漿液鑄造成形的方法。對(duì)正在凝固的金屬或合金進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，雖然隨著溫度的下降合金中固相組分不斷增加，當(dāng)增加到40～60％甚至更高時(shí)，這種合金仍象糊狀漿料一樣，具有良好的流動(dòng)性，并帶有粘性，即流變性，將其直接壓鑄成形，叫做半固態(tài)流變鑄造或流變鑄造。半固態(tài)觸變成形或鑄造：熔化－制備半固態(tài)漿料－鑄造－再加熱至半固態(tài)（固態(tài)狀態(tài)）－搬運(yùn)－壓力－凝固成形5.5定向凝固法定向凝固定向結(jié)晶，是使金屬或合金由液相中定向生長(zhǎng)晶體的一種方法。用于制造單晶、柱狀晶和自生復(fù)合材料。對(duì)于共晶合金，采用定向凝固方法，通過(guò)合理控制工藝參數(shù)，可使基體和增強(qiáng)相均勻相間，定向整齊排列。當(dāng)增強(qiáng)相按凝固方向長(zhǎng)成細(xì)長(zhǎng)的晶須時(shí)，就可得到晶須增強(qiáng)復(fù)合材料。這種復(fù)合材料有以下優(yōu)點(diǎn)：1）第二相是在結(jié)晶凝固過(guò)程中析出的，兩相界面結(jié)合牢固，界面強(qiáng)度高，利于應(yīng)力傳遞。同時(shí)避免了潤(rùn)濕、化學(xué)反應(yīng)和相容性問(wèn)題。2）由于兩相是在高溫接近熱力學(xué)平衡條件下緩慢生長(zhǎng)而成，兩界面處于低界面能狀態(tài)，具有良好的熱穩(wěn)定性。3）纖維分布均勻。如：Ni基與碳化物構(gòu)成的共晶合金性能超過(guò)常用合金的高溫合金，有“共晶高溫合金”之稱(chēng)。定向凝固的工藝方法定向凝固的主要工藝參數(shù)：1）凝固過(guò)程中固液界面前沿液相中的溫度梯度G2）固液界面向前推進(jìn)速度，即晶體凝固速度R。G/R是控制晶體長(zhǎng)大的重要判據(jù)，應(yīng)使：G/Rm(C-CE)/DT/D式中：m－液相線(xiàn)的斜率C-CE－對(duì)共晶成分CE的成分偏差D－液相中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散系數(shù)T－固液共存的溫度范圍定向凝固的方法：發(fā)熱劑法、功率降低法、快速凝固法、液體金屬冷卻法、液體流動(dòng)床法、