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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 作者简介:吴利英,女, 1966年生。工程师、现从事复合材料应用研究工作。已在航空制造技术 、 表面技术等杂志发表论文20余篇。 金属基复合材料的发展及应用 吴利英 高建军 靳武刚 (信息产业部电子第39研究所,西安710065) 摘 要 本文主要论述了金属基复合材料(MMCs)的类型、制备、发展、应用及其回收再生, 目前,在MMCs发展和应用中, SiC和Al2O3颗粒增强铝基复合材料仍占主要地位。本文着重介绍 了颗粒增强铝基
2、复合材料的性能及其成型加工特性。 关键词 金属基复合材料,成型加工颗粒,性能 Development and application of metal matrix composites Wu liying Gao jianjun Jin Wugang (The 39th Electronics Institute of MII ,Xian 710065) Abstract The types ,preparation ,development ,application and regeneration of metal matrix composites are introduced in
3、this paper. At present ,SiC and Al2O3grain reinforced aluminium composites are in the highest flight. The performance and machining characteristic of grain reinforced aluminium composites are introduced mainly in this paper. Key words metal matrix composites ,grain performance ,machining process 金属基
4、复合材料(MMCs)是以金属为基体的复 合材料,对它的研究起步于20世纪50年代末、60年 代初,该材料于70年代成功地应用于航天飞机上。 由于其制造成本占总成本的60 %70 % ,研究发展 高效、 省时、 低能耗、 设备简单、 能实现近似无余量成 型的工艺方法乃当务之急。尽管MMCs目前尚未 获得大规模应用,但它具有耐温较高、 抗磨性好、 力 学性能一般比基体金属高、 热膨胀系数比基体金属 小、 导热率较高、 以及所有性能均可在一定范围内加 以设计等特点1,并具有一定的二次加工性能,必定 存在着充分发挥其性能优势的应用领域。目前除了 航空航天及其他一些尖端技术领域,还用于民用工 业如汽车齿
5、轮、 活塞、 连杆及体育用品等,随着工艺 技术的提高而不断降低成本,MMCs将会凭其优异 的性能进入能发挥其优势的市场,它将有更加广阔 的应用前景2。 1 MMCs的类型及其应用 MMCs按增强体的形式可分为连续纤维增强、 非连续增强(短纤维或晶须、 颗粒增强)和片层叠合 等。目前在MMCs中仍以SiC和Al2O3颗粒增强铝 为主,其次为短纤维增强和连续纤维增强的MMCs。 颗粒增强型MMCs以其高耐磨、 高强度、 低成本等 优点受到广泛关注。目前已具备批量生产条件,具 有良好的发展及应用前景。 111 连续纤维增强MMCs 连续纤维增强MMCs由于必须先制成复合丝 或复合片等先驱体,工艺复杂
6、而成本高,因此与颗粒 增强MMCs相比,其商品化进程相对缓慢。B/ Al是 连续纤维增强MMCs得到实际应用的最好范例。 美国于20世纪60年代开始研究,70年代成功应用 于航天飞机轨道器上。用B/ Al管材制造的主骨架、 肋条桁架的支柱、 骨架稳定支架、 制动器支撑架等共 第30卷第10期化工新型材料Vol130 No110 2002年10月NEW CHEMICAL MATERIALSOct. 2002 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 89种243根150kg
7、 ,比最初设想的铝合金方案减轻 145kg ,相当于质量降低44 %。我国于70年代开始 以实验室规模研制B/ Al复合材料,目前与国际研究 水平比较接近,但在工程技术应用方面,与技术先进 国家相比还有较大的差距。 80年代以后,现代技术的进步推动了原材料、 复合材料成型工艺的发展。在原材料方面有采用先 进的CVD(化学气相沉积法)生产的表面带有能与 相应基体匹配的富碳涂层的各种SiC连续纤维(直 径140m) ,如TSM公司的SCS系列,其中用以增 强钛合金的为SCS - 6型;以及用CVD工艺生产的 TiB、TiC、SiC涂层的石墨纤维等。基体有铝基、 钛 基、 镍基、 金属间化合物基等,
8、- 21S高强度抗氧化 钛合金和Ti3Al及其衍生的钛铝金属间化合物为佳 品。 航空航天技术的发展,如能水平起降、 单级入 轨、 超音速巡航和可重复使用的航天飞机(NASP)的 发展等,成为80年代MMCs发展的巨大推动力。 为与NASP高性能发动机材料和NASP的机翼及机 身构件相配套,美国空军资助TSM公司建立了世界 第一条钛基MMCs的自动化生产线。又如,战术固 体导弹的发展,促进了以 SiC( 碳芯)连续纤维缠绕 的、 等离子喷涂铝基体的火箭发动机壳体的研制。 这种壳体具有钢的强度和刚度,却比铝合金壳体轻 11 % ,美国前几年已经点火试车成功。另外,卫星的 一些结构件如抛物面天线、
9、太空望远镜光学系统支 架等航天器构件也都采用了这种MMCs3。 在民用工业方面,台湾的自行车零件商已将铝 基编织碳纤维管制成各种高档自行车用的把横管和 鞍座立管,并已系列化和商品化4。先进民用运输 机的起落架可采用连续增强体MMCs ,以降低重量 和增强环境抗力。另外的潜在应用包括需要高温强 度的超音速飞机蒙皮和发动机结构件5。 112 非连续增强体MMCs 非连续增强体MMCs包括颗粒增强、 晶须增强 和短纤维增强MMCs。这种材料虽然其增强效应远 不及连续纤维,但它主要是可以弥补某些材料性能 的不足,如增加刚度、 耐磨性、 耐热性、 抗蠕变等,是 70年代以来成果显著、 推广应用最广的MM
10、Cs。其 中颗粒增强MMCs以其低成本、 良好的力学性能、 可二次加工性、 优异的尺寸稳定性等引起材料界的 广泛关注,成为金属基复合材料发展中极具吸引力 的发展方向。试验结果表明,颗粒尺寸越小,其对 MMCs的增强效果越大,并且在相同体积分数下,颗 粒越细,材料的热膨胀系数越小6。 近年来以SiC、Al2O3等硬质陶瓷颗粒、 纤维、 晶 须等增强的MMCs ,由于具有优异的耐磨性、 高强 度、 低密度而显示出在摩擦磨损领域很好的应用前 景7。 SiC颗粒成本低廉、 来源广泛,SiC颗粒增强铸 造铝基复合材料成本较低、 制造工艺简单、 容易规模 化生产,和普通铸造铝合金一样可重熔铸造成型。 业已
11、证明,它们可通过现有的各种铸造工艺如砂型、 金属型、 熔模铸造、 压铸、 消失模等方法生产复合材 料铸件。近年来人们对其进行了广泛的应用研究, 并获得了一些应用,国外已出现SiCp/ Al复合材料 的铸锭商品及其各种型材和构件。美、 日、 印度等国 已开发出SiCp/ Al合金复合材料的活塞、 连杆和缸 套等汽车内燃机零部件,SiCp、Al2O3颗粒增强MM2 Cs制造的制动盘已在日本的新干线和德国的ICE 高速列车上进行试验,它的最大特点是耐磨、 比重 小、 导热性好、 热容量大,是高速和超高速列车的理 想制动材料8。据报道美国Specialized公司加州分 公司以氧化铝陶瓷颗粒与6061
12、 - T6铝合金混合烧 结的一种MMCs ,制造自行车架,获得了空前的效 果。 它比纯铝合金制车架的强度和刚度提高了 70 % ,重量只有1118kg ,整车重量815kg。国内不少 研究单位虽在颗粒增强MMCs的力学性能、 失效方 式和界面理论等研究方面取得了一定的成果,但实 际开发应用方面的研究报道尚不多见9。 80年代中期,加拿大Alcan公司在美国的Du2 ralcan分公司发明了真空搅拌复合技术,SiC颗粒增 强铸造铝基复合材料的制备工艺取得了突破。该公 司可生产数十种不同类型的复合材料,具有年生产 1万吨复合锭的能力,生产的铸锭销售到世界100 多个应用厂家。复合铸锭的价格从开发的
13、25/ kg 降到5/ kg ,接近普通铝合金的115倍。国内在该 材料的制备方面也开展了不少工作,但多数局限在 实验水平,从复合质量和制备容量上与实际应用有 一定差距。北京航空材料研究所的桂满昌等采用真 空搅拌工艺,开展了40kg容量SiC颗粒增强铸造铝 基复合材料的制备研究,铸锭气孔率小于1 % ,从质 量和数量上满足了复合材料铸件批量性生产要求。 用该材料浇注了卫星遥感器熔模精密铸件和金属型 摩托车活塞铸件10。 第10期吴利英等:金属基复合材料的发展及应用33 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. A
14、ll rights reserved. 113 片层叠合MMCs 片层叠合MMCs是由纤维树脂预浸料和薄金 属板组成的层间复合材料。其中的ARALL (Aramid Fiber Aluminium Laminate)是一类具有优良性能的 新兴材料,于20世纪80年代问世11,它是由纤维 浸渍树脂基体后和薄铝合金板经过复杂的预处理过 程后交叠铺层再热压而形成的层间超混杂复合材 料。它将纤维复合材料和合金铝的良好性能溶为一 体12,具有高强度、 低密度、 抗冲击、 耐高温、 抗雷击 和耐老化等特性,应用前景广阔。目前国外在F - 27、F - 50和C - 17等飞机上进行了机翼下蒙皮、 机 身圆
15、筒段蒙皮和货舱门等的设计与试飞,并取得成 功。它也可以用于其他军工和民用产品上13。 2 MMCs的制备方法 连续纤维增强MMCs一般先作成预制物再复 合成型。预制物一般有:粉末布、 等离子喷涂无纬布 和增强丝与基体金属丝混合编织带等。复合工艺 有:液相熔铸法(以铝基MMCs为主)、 半固-半液 相热模压法和固态扩散连接法3。 非连续增强体MMCs经过30余年的研究和探 索,已开发了粉末冶金法、 搅拌铸造法、 半固态铸造 法、 压力浸渗法、 喷射沉积法等多种工艺。但上述工 艺存在材料制备过程复杂、 成本高以及增强颗粒与 基体润湿性差、 易发生界面反应等难以克服的缺 点14。在最近几年开发了几种
16、比较新颖而又有发 展前景的新工艺,如原位反应复合法、 无压浸渗法和 真空压力浸渍法。用原位反应复合法制作的钛基复 合材料,由于其优异的力学性能和耐热性能,在航 空、 航天和汽车工业中有较广泛的应用前景,而真空 压力浸渍法虽存在设备昂贵及工件尺寸有限的缺 点,但对小型制件而言,却有不少可取之处,除了增 强体的体积含量范围大、 制品质量好外,还可以实现 近似无余量成型,特别适合于复杂精密制件15。 3 颗粒增强铝基复合材料的性能及其加工特性 311 颗粒增强铝基复合材料的性能 SiC颗粒和铝合金制备成颗粒增强铝基复合材 料后,可获得一系列有用的物理性能和力学性能,其 中最主要的热膨胀系数、 导热率、 密度、 耐磨性及弹 性模量等。更引人注目的是,这些性能可在一定程 度上根据实际需要调整。 常用的铸造铝基复合材料的机械性能、 导热系 数、 热膨胀系数和耐磨性见表1表416。 表1 ZL101/ SiCp复合材料的机械性能 材料 拉伸强度 / MPa 屈服强度
