6-金屬基復(fù)合材料

第六章金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體，以高強(qiáng)度的第二相為增強(qiáng)體而制得的復(fù)合材料.6.1金屬基體材料金屬基復(fù)合材料常用的金屬基體：鋁及其合金、鎂及其合金、鈦及其合金、銅及其合金、鎳及其合金、不銹鋼和金屬間化合物。鈦基復(fù)合材料鋁基復(fù)合材料6.1金屬基體材料金屬與非金屬、金屬與金屬之間形成的化合物稱金屬間化合物。例：鈦鋁、鎳鋁等。高溫合金主要是鎳基、鐵基合金。

鋼鐵以外的金屬及合金稱為有色金屬，密度低于4.5×103kg/m3的金屬稱為輕金屬。有色金屬及其合金具有很多鋼鐵材料不具備的特殊性能，致使在航空、航天、航海、機(jī)電、儀表等工業(yè)中起到重要作用。一、鋁及鋁合金〔一〕純鋁〔1〕質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高除了鎂和鈹以外，它是工程金屬中最輕的。〔2〕具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，導(dǎo)電性僅次于銀和銅，居于第三位?！?〕耐腐蝕性好鋁和氧的親和力很大，在室溫中即能與空氣中的氧化合，外表生成一層薄而致密并與基體牢固結(jié)合的氧化膜。

〔4〕鋁具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，極好的塑性，適于冷熱加工成形。用于制作鋁箔、導(dǎo)線及配制合金?！?〕高純度鋁牌號(hào)L0，純鋁牌號(hào)L1—L7

工業(yè)純鋁的強(qiáng)度和硬度都很低〔二〕鋁合金

鋁中參加合金元素，配制成各種成分的鋁合金，是提高純鋁強(qiáng)度的有效途徑。

〔二〕鋁合金

1.鋁合金的分類

鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。

變形鋁合金，是指合金經(jīng)熔化后澆成鑄錠，再經(jīng)壓力加工〔鍛造、扎制、擠壓等〕制成板材、帶材、棒材、管材、線材以及其它各種型材，要求具有較高的塑性和良好的工藝成型性能。

鑄造鋁合金，是將熔融的合金液直接澆入鑄型中獲得成型鑄件，要求合金應(yīng)具有良好的鑄造性能。如：流動(dòng)性好、收縮小、抗熱裂性高。塑性較差，但流動(dòng)性好，適于鑄造。2.變形鋁合金防銹鋁合金硬鋁合金超硬鋁合金鍛鋁合金〔1〕防銹鋁合金主要是Al—Mn系及Al—Mg系合金。性能特點(diǎn)是具有優(yōu)良的耐蝕性、塑性和焊接性。牌號(hào)：LF〔2〕硬鋁合金Al—Cu—Mg系，由于該合金強(qiáng)度和硬度高，故稱為硬鋁，又稱杜拉鋁。牌號(hào)：LY

〔3〕超硬鋁合金Al—Zn—Mg—Cu系，其強(qiáng)度超過硬鋁，是變形鋁合金中強(qiáng)度最高的一類鋁合金，故稱超硬鋁合金。牌號(hào)：LC

〔4〕鍛鋁合金Al—Mg—Si—Cu系，有良好的熱塑性，適合加工外形復(fù)雜的鍛件，故稱為鍛鋁。牌號(hào)：LD

鑄造鋁合金參加的合金元素主要有Si、Mg、Mn、Ni、Cr、Zn、RE等。3.鑄造鋁合金鑄造鋁合金可分為Al—Si系、Al—Cu系、Al—Mg系、Al—RE系和Al—Zn系五類。Al—Si系應(yīng)用最為廣泛。3.鑄造鋁合金〔1〕Al—Si系鑄造鋁合金是工業(yè)上使用最廣泛的鑄造鋁合金，具有很好的流動(dòng)性，補(bǔ)縮能力強(qiáng)，熱裂傾向小。Al—Si系鑄造鋁合金又稱硅鋁明，僅由Al、Si兩組元組成的二元合金稱為簡(jiǎn)單硅鋁明。通常用于制造形狀復(fù)雜、強(qiáng)度要求不高的鑄件，如內(nèi)燃機(jī)缸體。在合金中參加Cu、Mg、Mn等合金元素，構(gòu)成了復(fù)雜硅鋁明。硅鋁明〔2〕Al—Cu系鑄造鋁合金是以Al—Cu為基的二元或多元合金。鑄造性能不好，耐蝕性及比強(qiáng)度也較一般優(yōu)質(zhì)硅鋁明為低。大局部已為其它鋁合金所代替?！?〕Al—Mg系鑄造鋁合金是密度最小、耐蝕性最好、強(qiáng)度最高的鑄造鋁合金，且抗沖擊和切削加工性能良好，但鑄造工藝性能和耐熱性能較差。該系鑄造鋁合金常用于承受沖擊載荷、振動(dòng)載荷和耐海水或大氣腐蝕、形狀較簡(jiǎn)單的零件。

〔4〕Al—Zn合金是最廉價(jià)的一類鑄造鋁合金，較高強(qiáng)度，無特別突出的優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是耐蝕性較差。鈦及其合金由于具有比強(qiáng)度高、耐熱性好、耐蝕性能優(yōu)異等突出優(yōu)點(diǎn)，自1952年正式作為結(jié)構(gòu)材料使用以來開展極為迅速，在航空工業(yè)和化學(xué)工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用?；瘜W(xué)性質(zhì)十分活潑，缺點(diǎn)是在真空或惰性氣體中進(jìn)行生產(chǎn)，本錢高，價(jià)格貴。

二、鈦及鈦合金鈦基復(fù)合材料二、鈦及鈦合金〔一〕純鈦鈦是一種銀白色的金屬，密度小，熔點(diǎn)高，高的比強(qiáng)度和比剛度，較高的高溫強(qiáng)度。鈦的熱膨脹系數(shù)很小，熱應(yīng)力較小，導(dǎo)熱性差，切削、磨削加工性能較差。在空氣中，容易形成薄而致密的惰性氧化膜，在氧化性介質(zhì)中的耐蝕性優(yōu)良，在海水等介質(zhì)中也具有極高的耐蝕性；鈦在不同濃度的酸〔HF除外〕以及堿溶液和有機(jī)酸中，也具有良好的耐蝕性。純鈦具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在882.5℃以上直至熔點(diǎn)具有體心立方晶格，稱為β—Ti。在882.5℃以下具有密排六方晶格，稱為α—Ti。鈦中常見的雜質(zhì)有O、N、C、H、Fe、Si等元素，按雜質(zhì)的含量不同，工業(yè)純鈦可分為TA1、TA2、TA3三個(gè)牌號(hào)。“T〞為“鈦〞字的漢語(yǔ)拼音字頭，數(shù)字為順序號(hào)，數(shù)字越大，雜質(zhì)越多，強(qiáng)度越高，塑性越低。工業(yè)純鈦長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)300℃，可制成板材、棒材，線材等。可直接用于飛機(jī)、船舶、化工等行業(yè)，如熱交換器、制鹽廠的管道。

〔二〕鈦合金

鈦合金分為α型鈦合金β型鈦合金α+β型鈦合金以TA、TB和TC表示其牌號(hào)三、銅及銅合金在自然界中既以礦石的形式存在，又以純金屬的形式存在。其應(yīng)用以純銅為主。銅及銅合金的產(chǎn)品中，80%是以純銅被加工成各種形狀供給的?！惨弧臣冦~呈紫紅色，又稱紫銅。屬重金屬范疇，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。最顯著的特點(diǎn)是導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，僅次于銀。高的化學(xué)穩(wěn)定性，在大氣、淡水中具有良好的抗蝕性，在海水中的抗蝕性較差。純銅具有立方面心結(jié)構(gòu)，極優(yōu)良的塑性，可進(jìn)行冷熱壓力加工。工業(yè)純銅中常含有0.1%～0.5%的雜質(zhì)，如鉛、鉍、氧、硫、磷等。純銅的代號(hào)以漢語(yǔ)拼音字頭“T〞加數(shù)字表示，數(shù)字越大，雜質(zhì)的含量越高，工業(yè)純銅分為四種：T1、T2、T3、T4?！捕炽~合金銅合金分為黃銅、白銅和青銅三大類。黃銅是Cu—Zn合金；白銅是Cu—Ni合金；早期的青銅是銅與錫的合金。現(xiàn)代把除鋅和鎳以外的其它元素為主要合金元素的銅合金統(tǒng)稱為青銅。

1.黃銅

因銅加鋅后呈金黃色而得名。簡(jiǎn)單的Cu—Zn合金稱為普通黃銅。在普通黃銅中參加Al、Sn、Pb、Si、Mn、Ni等元素可制成特殊黃銅。普通黃銅代號(hào)以“黃〞字的漢語(yǔ)拼音字頭“H〞加數(shù)字表示，數(shù)字代表銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

特殊黃銅代號(hào)以“H〞+主加元素符號(hào)+銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)+主加元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示。如HMn58—2

青銅是銅合金中綜合性能最好的合金，Cu—Sn合金?，F(xiàn)代工業(yè)把Cu—Al、Cu—Be、Cu—Pb、Cu—Si等銅合金也稱為青銅，通常在青銅合金前面冠以主要合金元素的名稱，如錫青銅、鋁青銅、鈹青銅、硅青銅等。青銅的代號(hào)以“青〞字漢語(yǔ)拼音的字頭“Q〞加主要合金元素的名稱及含量表示。鑄造青銅在代號(hào)前面加“Z〞。2.青銅〔1〕錫青銅錫青銅鑄造流動(dòng)性較差，合金線收縮率小，適于鑄造形狀復(fù)雜，尺寸要求精確對(duì)致密度要求不太高的鑄件。

錫青銅具有良好的耐蝕性、耐磨性，廣泛用于制造蒸汽鍋爐、海船的零構(gòu)件。

鋁青銅是銅與鋁形成的合金，鋁的含量應(yīng)控制在WAl＜12%。適宜冷加工的鋁青銅其鋁含量一般WAl5%～7%，鋁含量WAl7%～12%時(shí)宜于熱加工和鑄造。鋁青銅是應(yīng)用最廣泛的青銅，有更高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性以及抗大氣、海水腐蝕的能力；用來制造耐磨、耐蝕零件。

〔2〕鋁青銅〔3〕鈹青銅

鈹青銅是銅合金中性能最好的一種，具有高的強(qiáng)度、彈性、耐磨、耐蝕及耐低溫等特性，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性能優(yōu)良。鈹青銅是工業(yè)上用來制造高級(jí)彈簧、膜片等彈性元件的重要材料，還可用于制作耐磨、耐蝕零件，航海羅盤儀中的零件及防爆工具等。

白銅是鎳含量WNi＜50%的Cu—Ni合金。白銅可分為簡(jiǎn)單白銅和特殊白銅。Cu—Ni二元合金稱為簡(jiǎn)單白銅，其代號(hào)以“白〞字的漢語(yǔ)拼音字頭“B〞加鎳含量表示。如：B5，B19和B30在簡(jiǎn)單白銅合金的根底上添加其它合金元素的銅鎳合金稱為特殊白銅，其代號(hào)以“B〞+特殊元素的化學(xué)符號(hào)+鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)+特殊合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示。如：康銅〔錳白銅〕BMn40-1.5

3.白銅

白銅的特點(diǎn)是在各種腐蝕介質(zhì)中具有高的化學(xué)穩(wěn)定性，優(yōu)良的冷、熱加工性能。用于制造蒸汽和海水環(huán)境中工作的精密儀器、儀表零件、冷凝器和熱交換器。四、鎂及鎂合金〔一〕純鎂純鎂的密度最小，只有1.74g/cm3,是工業(yè)用金屬中最輕的一種。純鎂的熔點(diǎn)650±1℃,在熔化時(shí)極易氧化甚至燃燒。鎂具有密排六方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，滑移系數(shù)小，故鎂的塑性變形能力比鋁差，但在高溫具有一定的塑性變形能力。

純鎂的強(qiáng)度不高，大致與鋁差不多。鎂具有很高的化學(xué)活潑性，在室溫下形成氧化鎂薄膜，由于氧化鎂薄膜很脆，且不如氧化鋁那么致密，故在潮濕的空氣中，特別是在鹽水中的抗腐蝕性很差。純鎂的機(jī)械性能比較差，不適宜用作結(jié)構(gòu)材料，為了提高強(qiáng)度，可以在鎂中參加一些合金元素，制成鎂合金。

常用的合金元素有鋁、錳、鋯、稀土元素以及釷等元素。鎂合金和鋁合金一樣，也分為鑄造鎂合金和變形鎂合金。鑄造鎂合金的牌號(hào)采用“鑄〞、“鎂〞二字的漢語(yǔ)拼音字頭“Z〞、“M〞加序號(hào)表示，如ZM1、ZM2等；變形鎂合金有用“鎂〞、“變〞二字的漢語(yǔ)拼音字頭“M〞、“B〞加序號(hào)表示，如MB1、MB2等?！捕虫V合金〔1〕鎂-錳系合金改善鎂的抗蝕性。但是單純的鎂-錳合金機(jī)械性能不高，參加少量的鈰，可得到較高的室溫機(jī)械性能和高溫強(qiáng)度。常用鎂合金有：〔2〕鎂-鋁-鋅系合金強(qiáng)度高，可以熱處理強(qiáng)化，并具有良好的鑄造性能。但抗蝕性不如鎂-錳合金好，屈服強(qiáng)度和耐熱性低。主要用于熱擠壓棒材，形狀復(fù)雜的的鍛件和受力較大的飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)零件。〔3〕鎂-鋅-鋯系合金近期開展起來的。熱塑性變形能力較大，故可用作高強(qiáng)度鑄造合金和變形合金。〔4〕耐熱高強(qiáng)度鎂合金耐熱、高強(qiáng)度、高耐腐以及優(yōu)良的工藝性。如含釷的鎂合金在300℃下的蠕變極限超過了所有鎂合金。

6.2.1金屬基復(fù)合材料的種類1.按基體分類按基體材料分類：—鋁基復(fù)合材料—鎂基復(fù)合材料—鈦基復(fù)合材料—高溫合金基復(fù)合材料—金屬間化合物基復(fù)合材料6.2.1金屬基復(fù)合材料的種類(1)鋁基復(fù)合材料在金屬基復(fù)合材料中應(yīng)用最廣的一種，具有易加工性，價(jià)格低廉.(2)鎳基復(fù)合材料主要用于制造高溫下工作的零部件.(3)鈦基復(fù)合材料鈦具有比任何其它的結(jié)構(gòu)材料更高的比強(qiáng)度.鋁基復(fù)合材料〔戰(zhàn)斗機(jī)〕鋁基復(fù)合材料圓柱鋁基復(fù)合材料6.2.1金屬基復(fù)合材料的種類2.按增強(qiáng)體分類—纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料—顆粒、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料環(huán)件

6.2.2金屬基復(fù)合材料的根本性能1.高比強(qiáng)度、高比模量纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量明顯高于金屬基體；顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的比強(qiáng)度雖無明顯增加，但比模量明顯提高。橫向模量和剪切模量，金屬基復(fù)合材料遠(yuǎn)高于聚合物基復(fù)合材料。6.2.2金屬基復(fù)合材料的根本性能2.導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能金屬基體在金屬基復(fù)合材料中占有很高的體積百分比,一般在60%以上,仍保持金屬具有的良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性.6.2.2金屬基復(fù)合材料的根本性能3.熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好所用增強(qiáng)體碳纖維、碳化硅纖維、硼纖維、晶須等具有很小的熱膨脹系數(shù).4.良好的高溫性能金屬基體的高溫性能比聚合物高很多，增強(qiáng)纖維、晶須、顆粒在高溫下具有很高的強(qiáng)度和模量.6.2.2金屬基復(fù)合材料的根本性能5.耐磨性好6.良好的疲勞性能和斷裂韌性良好的界面結(jié)合狀態(tài)可有效傳遞載荷,阻止裂紋的擴(kuò)展，提高材料的斷裂韌性.7.不吸潮，不老化，氣密性好

6.2.3金屬基體在復(fù)合材料中的作用1.固結(jié)增強(qiáng)體2.傳遞和承受載荷3.賦予復(fù)合材料一定形狀，保證復(fù)合材料具有一定的可加工性.4.復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度、密度、耐高溫、耐介質(zhì)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能均與基體的相應(yīng)性質(zhì)密切相關(guān).金屬基體的體積比

金屬基體在復(fù)合材料中占有很大的體積比.(1)連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體約占50%--70%(2)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體約占90%--25%，多數(shù)為80%--90%(3)短纖維，晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中基體占70%以上，一般為80%--90%6.3金屬基復(fù)合材料制備工藝1〕固態(tài)法2〕液態(tài)法3〕其它6.3金屬基復(fù)合材料制備工藝固態(tài)法是指在制造金屬基復(fù)合材料的過程中，基體根本上處于固態(tài).固態(tài)法包括粉末冶金法、固態(tài)熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、熱擠壓法、熱拉拔法、爆炸焊接法等.6.3金屬基復(fù)合材料制備工藝液態(tài)法是指金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固態(tài)的增強(qiáng)體復(fù)合的制造方法.液態(tài)法包括真空壓力浸漬法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、共噴沉積法、熱噴涂法等.6.3金屬基復(fù)合材料制備工藝其它方法包括原位自生成、物理氣相沉積、化學(xué)鍍、電鍍、復(fù)合鍍等.連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝碳纖維硼纖維SiC纖維氧化鋁纖維鋁合金——固態(tài)、液態(tài)法鎂合金——固態(tài)、液態(tài)法鈦合金——固態(tài)法高溫合金——固態(tài)法金屬間化合物——固態(tài)法不連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝顆粒晶須短纖維鋁合金—固態(tài)、液態(tài)、原位生長(zhǎng)、噴射成型法鎂合金——液態(tài)法鈦合金——固態(tài)、液態(tài)法、原位生長(zhǎng)法高溫合金——原位生長(zhǎng)法金屬間化合物——粉末冶金、原位生長(zhǎng)法

1.固態(tài)法

(1)粉末冶金法粉末冶金工藝：首先采用超聲波或球磨等方法將金屬粉末與增強(qiáng)體混勻，然后冷壓預(yù)成型，得到復(fù)合抷件，最后通過熱壓燒結(jié)致密化獲得復(fù)合材料成品.此法可用于制造顆粒，短切纖維，晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料.1.固態(tài)法粉末冶金工藝優(yōu)點(diǎn):增強(qiáng)體的體積含量不受限制制件尺寸可以在較大范圍內(nèi)變化粉末冶金工藝缺點(diǎn):制造本錢高受壓機(jī)噸位和工作臺(tái)面尺寸限制1.固態(tài)法(2)固態(tài)熱壓法固態(tài)熱壓法工藝:在較長(zhǎng)時(shí)間高溫及一定塑性變形下，依靠金屬粉末〔或箔〕之間和金屬粉末〔或箔〕與增強(qiáng)體之間接觸部位原子間的相互擴(kuò)散進(jìn)行復(fù)合.固態(tài)熱壓法用于較粗直徑的纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料.熱壓成型機(jī)1.固態(tài)法(3)熱等靜壓法熱等靜壓法工藝:在高壓容器內(nèi)裝置加熱器，將金屬基體(粉末或箔)與增強(qiáng)材料(纖維、晶須、顆粒)按一定比例混合排布放入金屬包套中，抽氣密封后裝入熱等靜壓裝置中加熱，加壓，得到金屬基復(fù)合材料.1.固態(tài)法熱等靜壓法的優(yōu)點(diǎn):產(chǎn)品組織均勻致密，無縮孔、氣孔等缺陷，形狀、尺寸精確，性能均勻.熱等靜壓法的缺點(diǎn):設(shè)備投資大、工藝周期長(zhǎng)、本錢高.1.固態(tài)法(4)熱軋法、熱擠壓法、熱拉拔法通過熱軋、擠壓、拉拔制成板材、管材、型材、棒材.鋁基復(fù)合材料〔擠壓〕1.固態(tài)法(5)爆炸焊接法爆炸焊接法工藝:利用炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力，使材料發(fā)生塑性變形，在基體中和基體與增強(qiáng)體的接觸處產(chǎn)生焊接而成型復(fù)合材料.爆炸焊接法爆炸焊接法的優(yōu)點(diǎn):組分材料之間界面發(fā)生反響的可能性小.可制造形狀復(fù)雜的零件和大尺寸的板材.

2.液態(tài)法

(1)真空壓力浸漬法真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體共同作用下，將液態(tài)金屬壓入增強(qiáng)材料的預(yù)制件縫隙中制備金屬基復(fù)合材料.2.液態(tài)法

(2)擠壓鑄造法擠壓鑄造法:通過施加外壓使液態(tài)金屬滲入增強(qiáng)材料的預(yù)制件縫隙中制備金屬基復(fù)合材料的方法.擠壓鑄造法是液態(tài)法中最重要的一種方法，它的本錢低，增強(qiáng)材料及其預(yù)制件不需進(jìn)行外表預(yù)處理.2.液態(tài)法

(3)液態(tài)金屬攪拌鑄造法液態(tài)金屬攪拌鑄造法:將顆粒直接參加到基體金屬熔體中，通過攪拌使顆粒均勻分散，然后澆鑄成錠抷或鑄件的方法制造顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料.2.液態(tài)法

(4)共噴沉積法共噴沉積法:液態(tài)金屬基體通過特殊的噴嘴在惰性氣體氣流的作用下霧化成細(xì)小的液態(tài)金屬流，同時(shí)將增強(qiáng)顆粒參加，共同噴向成型模具的襯底上，凝固形成金屬基復(fù)合材料.共噴沉積法示意圖

該工藝具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：〔1〕高致密度，可