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1、材料成型原理在铝基复合材料凝固过程中的应用摘要：材料加工原理包括液态成形（铸造） 、连接成型（焊接） 、塑性成形（锻造） 、粉末成形（粉末冶金）及切削成形仍是现代材料成形的主要方法。液态成形是将液态金属浇入铸型后，经凝固和冷却后获得具有一定形状和性能的铸件和铸锭的加工方法。连接成形方法有熔化焊、压焊、钎焊及铆焊。熔化焊，包括近代的激光焊，是当代主要的焊接方法。塑性成形是金属在热态或者冷态时，于外力作用下使其产生塑性变形而达到具有一定形状的产品的加工方法。粉末成形是冶金学的一个分支，是将金属粉末或非金属粉末经模压烧结而成产品的加工方法，粉末是经熔化和凝固而成的。材料成形的最终目的是高效、低耗、无
2、污染地制造出高性能的符合人类不断增长要求的产品。铝基复合材料的加工需要以上的各种材料加工方法，本文结合本人所做实验的简单说明材料加工原理在铝基复合材料加工成型方面的应用。关键词：材料成形原理，铝基复合材料，加工一、复合材料的概念和性能特点复合材料(Composite materials)，是由基体与另外一种或多种不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷
3、、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。1复合材料是一种混合物，在很多领域都发挥了很大的作用，可代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。混杂复合材
4、料。2由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。二、颗粒增强铝基复合材料的发展和应用颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度和比刚度、耐磨、耐疲劳、低的热膨胀系数、高的微屈服强度、良好的尺寸稳定性和导热性等优异的力学性能和物理性能，以及材料的可设计性、并可用传统金属材料加工方法加工成形等特点，是最具广阔发展前景的金属基复合材料之一，可广泛应用予航空航天、军事、汽车、电子、体育运动等领域。因此，从上世纪 80 年代初开始，世界各国竞相研
5、究开发这类材料，从材料的制备工艺、微观组织、力学性能与断裂韧性等角度进行了许多基础性研究工作，取得了显著成效。目前，各国相继进入了颗粒增强铝基复合材料的应用研发阶段，在美国和欧洲发达国家，该类复合材料的工业应用已逐步开始，并且被列为 2l 世纪新材料应用开发的重要方向。由于铝基复合材料是由基体铝或者铝合金与另外一种或者几种不同物质以不同方式组合而成，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了
6、飞速发展。三、SiC 颗粒增强铝基复合材料的制备国内外关于颗粒增强铝基复合材料的制造方法，按照增强颗粒的加入方式可分为强制加入和原位生成两种方法。对于电子封装用高体积分数铝基复合材料制备工艺有多种，国内比较成熟的有粉末冶金法、压力铸造法、浸渗法（真空浸渗、真空压力浸渗）等。粉末冶金法是将陶瓷粉末和基体合金（如铝合金）粉末按照一定配比混合，在一定形状的磨具中加压成型，制成毛坯，然后在真空中加热、加压使其烧结到一起成为零件。这种工艺可以制成形状比较复杂的零件，成形精度较高，从而减少后期的机械加工。缺点是原材料以及设备成本和工艺成本较高，材料致密度较低，气密性较差，由于加热时间较长，往往存在界面反应
7、压力浸渗法是指将液态金属在一定压力下浸渗到增强体预制块空隙中，并在压力下凝固获得复合材料的方法，常用来作高体积分数的铝基复合材料。工艺概述：先把预制块预热到一定温度，然后将其放到预热的铸型中，浇入液态金属并加压使液态金属浸渗到预制体的空隙中，保压直到凝固完毕，从铸型中取出即可获得复合材料。 （工艺流程图如图 1 所示）图 1 压力浸渗法制备金属基复合材料流程图1-预制件 2-铸型 3-出气孔 4-金属液 5-压头无压浸渗法是 Aghaianian 等于 1989 年在直接金属氧化工艺的基础上发展而来的一种制备复合材料的新工艺将基体合金放在可控气氛的加热炉中加热到基体合金液相线以上温度，在不加压
8、力和没有助渗剂的参与下，液态铝或其合金借自身的重力作用自动浸渗到颗粒层或预制块中，最终形成所需的复合材料。4我们实验室采用的就是真空压力浸渗法，我们采用的真空压力浸渗法在坩埚底部放上预制件，上面放上金属基体，然后用真空对坩埚抽真空，真空度达到-200KPa，然后升温炉体，温度升到 700铝液全部熔化后，再对坩埚加压，压强达到 10-40MPa。由此得到的复合材料的致密性最好，因为他是在抽过真空以后又在压力下浸渗进去，克服了无压浸渗和粉末冶金的致密性不高和气密性差的缺点。四、SiC 颗粒增强铝基复合材料的加工为了制成实用的铝基复合材料构件，需要对铝基复合材料进行二次成型加工和切削加工。由于增强物
9、的加入给复合材料的二次加工带来了很大的困难，颗粒增强铝基复合材料增强物硬度高、耐磨，使这种复合材料的切削加工十分困难，对于纤维增强铝基复合材料构件一般在复合过程中完成成型过程，辅以少量的切削加工和连接即成构件。而对于短纤维、晶须、颗粒增强铝基复合材料，则可采用铸造、塑性成形、焊接、切削加工等二次加工制成实用的铝基复合材料构件从四方面研究铝基复合材料加工一、 铸造成形性能铸造成形成本较低，便于一次形成复杂工件，所需设备相对简单，能适应规模生产，是近年来研究较多、发展较快的复合材料成形方法。常用的有色金属铸件的铸造方法均可用来制造颗粒增强铝基复合材料铸件，但是由于增强颗粒的加入改变了金属熔体的粘度
10、，流动性等性质，高温时还可能发生增强颗粒与基体金属之间的化学反应、颗粒的沉降等问题，因此在选择工艺方法和参数时必须考虑金属基复合材料的特点，对现有铸造工艺作必要地改进目前铸造成形方法按增强材料和金属液基体的混合方式不同，可分为搅拌铸造:可分为液态机械搅拌法和半固态机械搅拌法；正压铸造：分为挤压铸造和离心铸造；负压铸造：真空吸铸法和自浸透法。铸造成形的技术问题：1.增强颗粒与基体金属熔体的润湿性由于增强颗粒与基体的润湿性较差我们可以采取以下措施：金属基题中加入Mg、Li 等合金降低表面张力，改善润湿性；对增强颗粒表面进行预处理，去除表面污染物，改善颗粒与基体的润湿性。2.增强颗粒分布均匀性在铸造
11、法中增强颗粒一般与基体密度相差较大，且两者互不润湿因而容易出现上浮，下沉的情况。解决办法：提高金属熔体的粘度，减小增强颗粒的粒径使颗粒上浮、下沉的速度变小，从而使组织均匀、性能提高。3.复合材料的凝固过程增强体的存在使温度场和浓度场、晶体生长的热力学和动力学过程发生变化。在非平衡凝固条件下，这些变化将对复合材料的组织性能有着明显的影响。二、 焊接性能目前对于复合材料的连接是这种先进材料的难题，限制它走向大规模化的障碍。目前对于铝基复合材料的连接技术包括，1.熔化焊连接（电弧焊、高能束焊、电阻焊、电容储能焊） ，2.钎焊，3.固相连接（摩擦焊、扩散连接） 。熔化焊作为应用范围广、 使用成本低的常
12、用焊接方法用于铝基复合材料的焊接, 获得了一定的成功,但连续纤维增强铝基复合材料熔化焊时的高温会使纤维溶解,大大降低了接头的强度,所以一般不予采用。颗粒增强铝基复合材料熔化焊也存在如下问题:1) 熔化状态下熔池粘度高, 妨碍熔化母材和填充金属的充分混合;2) 熔池凝固过程中发生增强相偏析,产生部分无增强颗粒的铝合金,严重影响接头性能的连续性;3) 高温下材料(尤其是粉末冶金法制备的铝基复合材料) 吸留气体析出, 造成焊接热影响区裂纹或焊缝气孔4) 基体与增强相发生过分界面反应。铝基复合材料熔化焊中,在 SiC/ Al MMCs 中, Al 和 SiC 间将发生如下反应:5对接头性能的危害有两方
13、面1、 是脆性相,降低接头断裂韧性；2、焊缝在湿度大的条件下， 与水反应生成乙炔, 进一步降低接头使用性能。钎焊加热温度低,不涉及基体金属的熔化,可减轻基体- 增强相界面反应、 降低增强体的破坏程度、显著减少热变形和实现异种金属连接, 因而引起研究者的关注。钎焊一般采用搭接接头，连续纤维增强的铝基复合材料实际上将复合材料的焊接转化为基体材料焊接问题，比较容易实现。非连续增强铝基复合材料钎焊难度大，主要原因如下：1) 增强相的存在, 严重阻碍了钎料在母材表面的润湿与铺展,使得基体- 基体、基体- 增强相、增强相- 增强相之间的连接难以实现；2) 铝合金本身钎焊性不良。铝基复合材料采用的铝合金基体
14、中除 LD2 软、 硬钎焊性良好外,其它铝合金软、 硬钎焊性均较差；3) 钎焊温度要严格控制。存在钎焊温度最佳值使接头拉伸强度最高。低于该温度、接头剪切强度低、高于该温度,发生界面反应，损伤时效硬化基体的性能。另外钎焊接头熔点和强度偏低,搭接接头形式也限制了其实际应用。对 SiC 增强铝基复合材料而言， SiC 与铝合金的钎焊问题还没有解决，尚需进一步研究。固相连接避免了复合材料的熔化, 减少了以上所述熔化焊中存在的问题,成为铝基复合材料焊接较为适用的方法。但实现固相焊需要对材料施加较大的压力, 易造成复合材料增强相本身或增强相与母材的接合界面的破坏。铝基复合材料焊接通常采用摩擦焊和扩散焊。如
15、图表 1 是各种焊接过程优点与缺点的对比34CAl 34CAl表 1 各种焊接过程优点与缺点的对比三、机械加工性能铝基复合材料由于 SiC 的存在，给切削加工带来很大的困难，颗粒增强铝基复合材料由于增强体均很坚硬，本身就是磨料，在加工过程对刀具的磨损十分严重。因此，复合材料的加工困难，加工成本高也是复合材料发展的障碍之一。为了寻找有效的加工方法，人们研究开发了一些新的加工方法，如激光束加工、电火花加工、超声波加工等，也研究了各种刀具新材料。目前比较有效的是金刚石、聚晶金刚石、金刚石薄膜刀具。金刚石和聚晶金刚石刀具在 500m/min 的切削速度下能有效地加工 SiC 铝基复合材料零件。选用聚晶
16、金刚石刀具进行车削、钻孔等加工，刀具寿命长，加工精度高，成本低。铝基复合材料塑性变形特点1.屈服强度低2.受拉伸应力时，宏观上表现为脆性断裂，但在微观上却发生大量的塑性变形3.塑性变形能力与其所受应力状态关系很大就是因为铝基复合材料具有这样的塑性变形特点，所以说，铝基复合材料的塑性加工很困难，也少有文献介绍铝基复合材料的塑性加工的过程参考文献：1倪增磊 王爱琴等 铝基复合材料的制备方法J 材料热处理技术2樊建中，桑吉梅等 颗粒增强铝基复合材料的研制、应用与发展J 铝加工高新技术文集3袁广江 章文峰 王殿斌 桂满昌 吴洁君 SiC 颗粒增强铝基复合材料制备及机加性能研究J 复合材料学报4吕一中 颗粒增强金属基复合材料的无压浸渗新工艺J 昆明冶金高等专科学校学报5张少卿 崔岩 王美炫 宋颖刚 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗反应机理探讨J 材料工程/ 2001 年 12 期
