复合材料制备与加工3说课讲解

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1、复合材料制备与加工,第三章 金属复合材料的制备与加工,3.1 粉末冶金复合,粉末冶金 (P/M Powder Metallurgy),粉末高速钢,粉末热等静压法,粉末烧结法,铸锻法,3.1 粉末冶金复合 粉末冶金（Powder Metallurgy，略为P/M）复合法适合于分散强化型复合材料（颗粒、晶须或纤维强化型复合材料）的制备与成形, 其基本原理与工艺过程与常规的粉末冶金法相同。 粉末冶金复合法包括烧结成形法（近终形烧结、或烧结后直接机加工成零部件）、烧结制坯塑性加工成形法等。 对于颗粒弥散强化金属基复合材料，按照强化颗粒是预先加入基体粉末之中，还是在烧结过程中利用高温下的化学反应获得的，

2、粉末冶金复合法又可分为强化颗粒掺入复合法（常规复合法）与原生复合法。,3.1.1 粉末冶金复合法的特点,优点： 基体金属（合金）的成份可以自由选择。 可以采用一些只有采用快速凝固法才能制得的粉末合金做基体材料。 强化颗粒的种类、尺寸可以较自由地选择, 还可以同时选用几种不同的颗粒做强化相（多种颗粒混杂强化）。 强化颗粒添加量的范围广。 较容易实现强化颗粒的均匀分散（除微细颗粒）。,缺点： (1)工艺较复杂, 成本高； (2)固化方法主要采用烧结、热压、挤压等方法, 制品的尺寸与形状受限制； (3)除采用原生复合法外, 由于颗粒的凝聚作用, 微细强化颗粒（1m以下）的均匀分散通常很困难，颗粒与基

3、体之间的界面不如铸造复合法好（颗粒表面的污染不易被除去而带入基体中）。,3.1.2 粉末冶金复合的工艺过程,(1) 原料 基体金属与强化颗粒均为粉末状原料。 从提高强化效果, 增加强化颗粒含量的要求来看, 希望基体金属粉末与强化颗粒越细越好。 但如上所述, 颗粒越细, 其凝聚性越大, 且单位重量(或体积)的颗粒数迅速增加。所以, 要使1m以下的微细强化颗粒均匀分散于基体之中反而很困难。 通常, 基体金属粉末的平均粒度为十几数十m, 而强化颗粒的平均粒度为几十几m。,(2) 混合 通常采用高能量球磨机等进行混合, 这种方法也称为机械合金化法（Mechanical Alloying: MA）,是I

4、NCO公司的J.S.Benjamin为研制飞机发动机涡轮叶片用Ni基超合金（Ni-Y2O3）而开发的。 为了防止混合过程中粉末的发热、氧化, 混合容器的外周采用水冷, 而内部则通入惰性或还原性气体进行保护。搅拌轮的转速一般为每分数百转, 搅拌时间视基体金属与强化颗粒的种类、尺寸（粒度）、添加量等而定, 在1小时至数十小时之间。,(3) 压粉（压密、压型） 金属粉末与强化颗粒均匀混合后, 除采用真空热压烧结固化的工艺外, 一般均需对粉末混合体进行压密处理, 通过压型模或金属包套赋予压粉体以一定的形状, 同时提高其初始密度。 对于在常压下烧结直接制取制品的情形, 需要施加较高的压粉压力, 以获得较

5、高的初始密度, 减少后续烧结过程中的收缩。 (4) 脱气 脱气处理的目的是为了除去粉末、颗粒表面的水分与吸附气体, 防止烧结后材料内部产生气孔、松疏等现象。 当采用热压（hot press）烧结, 或直接采用热塑性变形烧结时, 需要进行专门的脱气处理。当采用真空热压烧结时, 在真空热压机内首先进行预脱气处理, 然后压密、脱气、烧结三者同时进行。,(5) 压粉坯的致密化 根据需要, 可在烧结之前对粉末坯施以冷等静压（CIP）处理, 或轧制、挤压变形, 以达到致密化的目的。 (6) 烧结 烧结的方式有: 常压烧结、热压烧结、真空热压烧结、热等静压（HIP）烧结、热塑性变形烧结等多种方式。 由于金属

6、在烧结温度下容易氧化, 所以常压烧结多在保护性气氛下烧结。 从烧结后的制品性能来看, 以热塑性变形烧结法最好, 热等静压法次之, 常压烧结最差。塑性变形（挤压、锻造、轧制）可以破坏粉末表面的氧化膜, 压合材料内部的孔隙, 有利于烧结的进行, 提高其致密度与性能。,(7) 塑性加工 塑性加工又称为二次加工。金属基复合材料的特点之一, 是在热加工温度条件下具有较好的变形性能。塑性加工的目的之一, 是如上所述的提高复合材料的性能; 其另一目的是为了赋予材料一定的形状。例如, 通过挤压加工可以获得断面形状较为复杂的型材。,3.1.3 原生复合法,利用烧结高温下的化学反应, 在烧结体内直接生成强化颗粒。

7、 由内部氧化反应制取Al2O3颗粒强化铜基复合材料是1950年开发的。其基本原理是在Al固溶Cu合金粉末中加入CuO粉末, 通过反应 2Cu-Al3 CuO5 CuAl2O3 制备粒径0.0030.012m、颗粒间隔为0.050.1m的非常细小的Al2O3颗粒强化铜基复合材料。 获得如此细小、均匀颗粒弥散强化复合材料是常规的P/M法、铸造法（I/M法: Ingot Metallurgy）所无法实现的。,氧化物弥散强化铜基复合材料,氧化物弥散强化铜基复合材料，是在铜基体中引入热稳定性极高、呈弥散分布的第二相粒子，以阻碍位错运动和抑制再结晶，从而使基体强度，特别是高温强度得到大幅度提高的一种复合材

8、料。 常用的氧化物弥散相有Al2O3, Zr2O3, Y2O3, CaO, SiO2, MgO, TiO2和Cr2O3等，其中Al2O3是最常用的弥散相。 Al2O3/Cu复合材料不仅保持了铜基体的高导电性和导热性，而且具有优越的高温性能和抗蚀性，因而Al2O3/Cu复合材料的研制和开发成为铜合金材料研究的热点。,氧化物弥散强化铜基复合材料,第一个提出用内氧化法来制备弥散强化铜的人是Smith. 随后Rhine和Meijering等相继改进，使弥散强化铜综合性能有了大幅度提高。弥散强化铜被广泛应用于大型微波管结构和导电材料，转换开关和点焊机电极等方面。 我国对Al2O3/Cu复合材料的研究起步

9、较晚，现在很多高校和科研单位及企业都在进行这种材料的研究，但大部分仍处于试验阶段。,内氧化法制备Al2O3/Cu复合材料的工艺流程,Cu-Al合金粉末制备: 首先熔炼Cu-Al固溶合金，然后采用水雾化法或氮气雾化法雾化熔体成粉末; 氧导入粉末: 将制成的粉末与氧源混合，氧源主要由Cu2O粉组成； 内氧化粉末: 把混合粉末加热到高温并控制氧分压，Cu2O分解，生成的氧扩散到Cu-Al合金粉末中，由于Al比Cu易生成氧化物，因此合金中的Al被优先氧化成Al2O3; 氢气中还原多余氧: 合金中的Al全部被氧化后，在氢气氛中将粉末进行加热，还原粉末中的过量氧; 后续粉末冶金成形: 将还原后的金属粉末采

10、用压制成形、烧结、挤压等粉末冶金手段制成所需要的型材。,3.1.4 纤维强化金属基复合材料,烧结法既可以用于短纤维（含晶须）强化金属基复合材料的成形, 也可以用于长纤维强化复合材料的成形。当强化相为短纤维或晶须时, 烧结法的工艺过程基本上与强化相为颗粒时相同。当强化相为长纤维时, 其烧结成形过程如图3.3所示。,3.2 铸造凝固成形,3.2.1 铸造成形法 (一) 掺入铸造复合法 在熔化金属中加入陶瓷颗粒, 经均匀搅拌后浇入铸模中使其凝固, 获得铸造制品或二次加工(塑性加工)用坯料。 除加入强化用陶瓷颗粒, 并需充分搅拌使颗粒均匀分散外, 其余的工艺操作与常规的金属铸造方法没有差别。所以, 铸

11、造成形法可以利用现有设备实现大批量生产, 降低生产成本。 该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广, 其代表性的复合材料首推Alcan公司的DuralcanTM牌铝基复合材料。铸造成形法的关键技术是陶瓷颗粒的添加方法与条件, 而有关这方面的数据与资料的报道很少。主要原因是各公司对此均采取高度保密态度, 不予公开。,铸造成形法的主要缺点是基体金属与强化颗粒的组合受限制。 因为: (1) 强化颗粒与熔融基体金属之间容易产生化学反应。 例如, 在熔融铝合金中加入SiC、Al2O3陶瓷颗粒时, 由于SiC颗粒的热力学不稳定性, 容易发生（3-3）式的反应： 4Al+3SiCAl4C33Si (3-3)

12、为了抑制上式的反应, 要求基体金属是含Si较高的合金。 尽管Al2O3在纯铝熔体中是稳定的, 但当熔体中含有Mg时, 则会产生（3-4）式所示的反应： 3Mg+4Al2O33MgAl2O3+2Al (3-4) 为了抑制上式的反应, 希望基体金属是Mg含量尽可能低的铝合金。,(2) 强化颗粒通常不容易被均匀地分散于象铝及铝合金一类的合金熔体中。 一般地说, 陶瓷颗粒与铝合金的润湿性很差, 容易产生颗粒吸附于坩埚表面, 或凝聚在一起、浮于熔体表面、沉淀于底部等现象。 为了使颗粒均匀地分散于基体之中, 需进行强力搅拌。对于细小颗粒, 随着颗粒添加量的增加, 熔体的粘性增加, 搅拌难度增加, 而增加搅

13、拌力会使表面的氧化层、气体容易混入熔体之中。反之, 粗大的颗粒容易产生重力偏析。 因此, 虽与陶瓷颗粒的种类有关, 通常选用较大尺寸的颗粒, 粒度为1020m左右; 颗粒的含量则以不超过20 vol%为宜。,(3) 陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。 其对策之一是提高铸造时的凝固速度。,(二) 原生复合法 将生成强化颗粒的原料加入到熔融基体金属之中, 利用高温下的化学反应生成强化相, 然后通过浇铸成形。 可以生产铝、钛、铜、铅等金属与硼化物、碳化物、氮化物等的复合材料。铸造后多采用挤压、锻造等方法进行成形。TiB2强化铝基复合材料原生复合法的原理如下式所示。 2BTiAlTiB2Al

14、(3-5) 或 Al-Ti2Al-BTiB23Al (3-6),原生复合法的特点是: 颗粒与基体材料之间的结合状态良好（颗粒表面无氧化、无油污等）, 有利于粒子的细化（0.251.5m）和均匀弥散, 提高颗粒含量（可达40%左右）, 获得高性能的复合材料。,3.2.2 含浸凝固法,将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体(称为预成形体)含浸于熔融基体金属之中, 让基体金属浸透预成形体后, 使其凝固以制备复合材料。,根据含浸、凝固时是否施加外力, 含浸凝固法又分为加压含浸法与非加压含浸法。,加压含浸法是将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体(称为预成形体)含浸于熔融基体金属之中, 让基体金属浸

15、透预成形体后, 使其凝固以制备复合材料。 加压压力可高达50100 MPa, 且压力保持到凝固结束为止。加压含浸方法很早以来即受到重视, 已在柴油发动机耐磨活塞、高尔夫球杆头部材料等方面获得实用。,含浸法的优点： 适合于强化相与熔融基体金属之间润湿性很差的复合材料的制备; 有利于提高强化相的含量, 可高达3080%; 强化相与熔体金属的接触时间短, 有利于抑制强化相与熔融金属之间的反应; 当采用长纤维作强化相时, 可先将纤维整齐排列成一定的形状, 容易实现长纤维的三向排列(采用三向纤维织网的预成形体); 不会产生铸造法中强化相偏析的现象。,含浸法的缺点： 用颗粒作强化相时预成形体的制备较困难,

16、 通常采用晶须、短纤维制备预成形体; 熔体金属不容易浸透, 大尺寸复合材料的成形较困难; 加压含浸时预成形体易产生变形乃至压溃； 不适合于强化相含量低的复合材料的制备。,3.2.3 连续铸造法,连续铸造法适合于用长纤维作强化相的复合材料的成形。分下拉法与上拉法两种。 优点是可以连续制备棒、管及断面形状较为简单的型材,且加工成本较低; 缺点是为避免产生化学反应, 纤维种类受到限制, 基体金属一般只限于熔点较低的材料。,3.2.4 反向凝固法,反向凝固（Inversion Casting）工艺是由德国人于1989年发展的一种薄带连铸工艺。,利用薄带作为母带, 以一定的拉速穿过反向凝固器, 由于母带的温度远远低于钢液的温度, 在母带表面附近形成足够大的过冷度, 钢液从母带表面开始凝固生长。配置在反向凝固器上方的一对轧辊, 同时起到拉坯、对带钢表面进行平整和促进凝固层与母带之间的焊合（压力作用下）的作用。 由于坯料的凝固生长是从内向外进行的, 故而称为反向凝固法。,主要工艺要点： (1) 母带表面应