金属基复合材料-肖晨.

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1、1 金属基复合材料金属基复合材料 肖晨肖晨 1572213715722137 2 内内 容容 p 金属基复合材料的定义及特性 p 金属基复合材料的使用要求 p 金属基复合材料的发展和分类 p 金属基复合材料的制备工艺 3 金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高 的比强度与比刚度； 与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性； 与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。 金属基复合材料及其特性金属基复合材料及其特性 金属基复合材料（MMC）是以金属或合金为基体以金属或合金为基体，以以 金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的非 均

2、质混合物，共同点是具有连续的金属基体。 4 构件的使用性能要求 是选择金属基体材料最 重要的依据，也是其发 展的动力。 金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求 v在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸稳 定性是最重要的性能要求。 作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金镁 合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、 硼纤维等组成石墨/镁、石墨/铝、硼/铝复合材料。 5 1963年，NASA制备出钨丝增强Cu基复合材料，是纤维增 强金属基复合材料的研究起点，SiC/Al,Al2O3/Al； 1978年B/Al复合材料在哥伦比亚航天飞机上应用； 1964年，Kraft通

3、过共晶合金定向凝固制备出金属基复 合材料，界面结合良好，Ni-Ni3Al，Ni-Ni3Si； 20世纪80年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重颗 粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料，在汽车、体育用 品等领域得到应用； 90年代后期，电子产品和技术迅速发展，低膨胀、高强 度和高导热性的金属基复合材料在电子产品得到应用； 近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。 金属基复合材料的发展金属基复合材料的发展 6 金属基复合材料的分类金属基复合材料的分类 pp铝基复合材料铝基复合材料 pp镁基复合材料镁基复合材料 pp钛基复合材料钛基复合材料 pp镍基复合材料镍基复合材料 pp铜基复合材料铜基复合

4、材料 基体 pp颗粒增强金属基复合颗粒增强金属基复合 材料材料 pp短纤维、晶须增强金短纤维、晶须增强金 属基复合材料属基复合材料 pp长纤维强金属基复合长纤维强金属基复合 材料材料 pp层状复合材料层状复合材料 增强体 7 铝及铝合金铝及铝合金 铝基复合材料是金属基复合材料中发展最快发展最快、应应 用得最广用得最广的一种。 金属铝为面心立方面心立方结构，无同素异构体，密度为 钢的1/3左右，具有良好的塑性和韧性塑性和韧性，以及易加易加 工性工性、工程可靠性工程可靠性及价格低廉价格低廉等优点，在工程上 广泛应用。 工业纯铝： 塑性优异，适用各种形式的冷、热加工； 导电、导热性能好，代替铜制作导

5、线； 强度不高，不适合做承力大的结构材料。 8 根据各种方法的基本特点，把金属基复合材 料的制备工艺分为四大类： (1) (1) 固态法：固态法：扩散结合扩散结合和粉末冶金；和粉末冶金； (2) (2) 液态法：铸造法、压铸法、液态法：铸造法、压铸法、半固态复合半固态复合 铸造铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法等；、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法等； (3) (3) 喷射与喷涂沉积法；喷射与喷涂沉积法； (4) (4) 原位复合法：共晶合金定向凝固法、直原位复合法：共晶合金定向凝固法、直 接金属氧化法、反应自生成法。接金属氧化法、反应自生成法。 金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料的制备工

6、艺 9 常用的金属基复合材料制备工艺常用的金属基复合材料制备工艺 10 扩散结合扩散结合 扩散结合也称扩散粘接法或扩散焊接法，是加压焊接 的一种，包括热压法和热等静压法。 在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或不 相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。 扩散结合是在较长时间的高温及不大的塑性变形作用 下依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。 扩散结合的过程：粘接表面之间的最初接触，由于加 热和加压使表面发生变形、移动、表面膜破坏；发生界 面扩散和体扩散，使接触面密着粘接；热扩散界面最终 消失，粘接过程完成。 扩散结合成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料 的传统工艺方法。 11

7、a)金属箔复合法 b)金属无纬带重叠法 c)表面镀有金属的纤维结合法 扩散结合法示意图扩散结合法示意图 12 采用搅拌法制备金属基复合材料时 ，常常会由于强烈搅拌将气体或表面 金属氧化物卷入金属熔体中；同时当 颗粒与金属基体湿润性差时，颗粒难 以与金属基体复合，而且颗粒在金属 基体中由于比重关系而难以得到均匀 分布，影响复合材料性能。 半固态复合铸造主要是针对搅拌法搅拌法 的缺点的缺点而提出的改进工艺。这种方法 是将颗粒加入处于半固态的金属基体 中，通过搅拌使颗粒在金属基体中均 匀分布，并取得良好的界面结合，然 后浇注成型或将半固态复合材料注入 模具中进行压铸成型。 半固态复合铸造半固态复合铸

8、造 13 是将金属熔体的温度控制在液相线与固相线液相线与固相线之间，通过 搅拌使部分树枝状结晶体树枝状结晶体破碎成固相颗粒，熔体中的固相颗 粒是一种非枝晶结构非枝晶结构，可以防止半固态熔体粘度的增加。 当加入预热后的增强颗粒增强颗粒时，因熔体中含有一定量的固固 相金属颗粒相金属颗粒，在搅拌中增强颗粒受阻增强颗粒受阻而滞留在半固态金属熔 体中，增强颗粒不会结集和偏聚结集和偏聚而得到一定的分散。 强烈的搅拌作用促进搅拌作用促进增强颗粒与金属熔体的接触、润湿润湿 。 浇注时金属基复合材料是处于半固态，直接浇注成型或 压铸成型所得的铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密 。 半固态复合铸造主要应用于颗

9、粒增强金属基复合材料。 短纤维、晶须在加入时容易结团或缠结在一起，虽经搅拌也 不易分散均匀。 半固态复合铸造的特点半固态复合铸造的特点 14 半固态复合铸造工艺中，金属基体熔体的熔体的 温度温度应使熔体达到30%-50%固态； 搅拌速度搅拌速度应不产生湍流以防止空气裹入， 并使熔体中枝晶破碎枝晶破碎形成固态颗粒，降低熔体的粘 度，从而有利于增强颗粒的加入。 主要控制工艺参数主要控制工艺参数 15 通过纤维或纤维预制件浸 渍熔融态金属而制成金属基 复合材料的方法。 工艺效率较高、成本较低 ，适用于制成板材、线材和 棒材等。 加工时，可以抽真空，利 用渗透压迫使熔融金属浸透 到纤维的间隙中，也可以

10、在 熔融的金属一侧用惰性气体 或外载荷施加压力的方法实 现渗透。 熔融金属浸渗法熔融金属浸渗法 16 将增强材料制成预制体预制体，置于氧化铝容器内。 将基体金属坯料置于可渗透的增强材料预制体的增强材料预制体的 上部或下部。 氧化铝容器、预制体和基体金属坯料均装入可通 入流动氮气的加热炉加热炉中。 通过加热，基体金属熔化基体金属熔化，并自发渗透进入网络 状增强材料预制体增强材料预制体中。 浸渗法的工艺过程浸渗法的工艺过程 17 无压渗透工艺能明显降低金属基复合材料的制造成本无压渗透工艺能明显降低金属基复合材料的制造成本 ，复合材料的刚度显著高于基体金属，但强度较低。，复合材料的刚度显著高于基体金

11、属，但强度较低。 例如以55-60%Al2O3或SiC预制成零件的形状，放入同样形 状的刚玉陶瓷槽内刚玉陶瓷槽内，将含有3%-10%Mg的铝合金铝合金（基体）坯 坯 料料放置在增强材料预制体增强材料预制体上，在流动的氮气气氛下，加热 至800-1000，铝合金熔化并自发渗入预制体内。 由于氮气与铝合金氮气与铝合金发生反应，在金属基复合材料的显微 组织中还有AlN。控制氮气流量氮气流量、温度温度以及渗透速度渗透速度，可以 控制AIN的生成量。AlN在铝基复合材料铝基复合材料中起到提高复合材 料刚度刚度，降低热膨胀系数热膨胀系数的作用。 采用这种方法制备的AlAl 2 2O O3 3 /Al/Al

12、的刚度的刚度是铝合金基体的两倍 ，而SiC/Al的刚度也达到钢的水平，但强度水平较低。 无压浸渗法无压浸渗法 18 加压熔浸装置 19 纤维束连续熔浸装置及制品种类纤维束连续熔浸装置及制品种类 20 将基体金属基体金属在坩埚中熔化 后，在压力作用下通过喷咀 送入雾化器，在高速惰性气 体射流的作用下，液态金属液态金属 被分散为细小的液滴被分散为细小的液滴，形成 所谓“雾化锥雾化锥” ； 通过一个或多个喷咀喷咀向“雾 化锥”喷射入增强颗粒增强颗粒，使之 与金属雾化液滴金属雾化液滴一齐在基板 （收集器）上沉积，并快速 凝固形成颗粒增强金属基复 合材料。 喷射沉积法喷射沉积法 21 原位自生成法原位自

13、生成法 1) 共晶合金定向凝固法 2) 直接金属氧化法（DIMOXTM） 3) 反应自生成法（XDTM） 22 增强材料以共晶的形式以共晶的形式从基 体中凝固析出，通过控制冷凝 方向，在基体中生长出排列整 齐的类似纤维的条状或片层状 共晶增强材料共晶增强材料。 要求合金成分为共晶或接近 共晶成分，以及有包晶或偏晶 反应的两相结合。 共晶合金定向凝固法共晶合金定向凝固法 工艺过程：合金原料在真空或惰性气体中通过感应加热熔 化，控制冷却方向，进行定向凝固，析出的共晶相沿凝固方 向整齐排列，连续相为基体，类似纤维的条状或片层状的分 散相为增强体。 23 DIMOXTM是一种可以制备金属基复合材料和陶

14、瓷基复合材料 的原位复合工艺原位复合工艺。DIMOXTM法根据是否有预成型体预成型体又可分为唯 唯 一基体法一基体法和预成型体法预成型体法，两者原理相同。 唯一基体法是唯一基体法是制备金属基复合材料的原材料中原材料中没有填充物 （增强材料预成型体）和增强相，只是通过基体金属的氧化基体金属的氧化 或氮化或氮化来获取复合材料。 利用唯一基体法唯一基体法，制备Al2O3/Al。 通过铝液的氧化铝液的氧化来获取Al2O3增强相。通常铝合金表面迅速氧化 ，形成一种内聚、结合紧密的氧化铝膜氧化铝膜，这层氧化铝膜使得氧无法 进一步渗透，从而阻止了膜下的铝进一步氧化。但是在DIMOXTM工艺 中，熔化温度熔化

15、温度上升到900-1300，远超过铝的熔点660。通过进 一步加入促进氧化反应的合金元素促进氧化反应的合金元素Si和Mg，使熔化金属通过显微通 道渗透到氧化层外边渗透到氧化层外边，并顺序氧化，即铝被氧化，但铝液的渗透通 铝液的渗透通 道道未被堵塞。 直接金属氧化法（直接金属氧化法（DIMOXDIMOXTM TM） ） 24 利用唯一基体法工艺，可以根据氧化程度来控制增强 相的含量。 如果工艺过程在所有金属被氧化之前停止的话，则所 制备的复合材料就是致密互连的Al2O3陶瓷基复合材料， 其中含有5%-30%的Al。 除了可以直接氧化外，还可以直接氮化。通过DIMOXTM 工艺还可以获得AlN/Al，ZrN/Al和TiN/Ti等金属基或陶 瓷基复合材料。 当DIMOXTM工艺采用增强材料预成型体时，由于增强材 料预成型体是透气的，金属基体可以通过渗透的氧或氮 顺序氧（氮）化形成基体。 直接金属氧化法（直接金属氧化法（DIMOXDIMOXTM TM） ） 25 是新近发展起来的技术，主要用于制造金属间化合物 复合材料。 在反应自生成法中，增强材料是由加入基体中的相应 元素之间的反应，或者合金熔体中的某种组分与加入的 元素或化合物之间反应生成的。 XDTM材料包括Al、Ti、Fe、Cu、Pb和Ni基复合材料， 还可以是TiAl、Ti3Al和NiAl等金属化合物基复合材