不同金属基复合材料的制造方法.ppt

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1、金属基复合材料,江苏大学 材料科学与工程学院,1,第3章 金属基复合材料的设计,3.1 金属基复合材料的可设计性3.2 基体材料选择3.3 增强体材料选择3.4 力学性能设计3.5 物理性能设计,课程回顾,2,思考题,1、在要求耐热耐磨的服役条件下使用的金属基复合材料应选择怎样的基体材料，为什么？2、如何保证金属基功能复合材料性能的稳定性？,3,第4章 金属基复合材料的制造技术,4.1 概述4.2 固态制造技术4.3 液态制造技术4.4 原位合成法4.5 表面复合技术,4,4.1 概述 金属基复合材料制造技术是影响金属基复合材料迅速发展和广泛应用的关键问题。金属基复合材料的性能、应用、成本等在

2、很大程度上取决于金属基复合材料的的制造方法和工艺。金属基复合材料的制造相对比较复杂和困难。这是由于金属熔点较高，需要在高温下操作；不少金属对增强体表面润湿性很差，甚至不润湿；金属在高温下很活泼，易与多种增强体发生反应。目前虽然已经研制出不少制造方法和工艺，但仍存在一系列问题。研究发展有效的金属基复合材料制造方法一直是金属基复合材料研究中最重要的问题之一。不同金属基复合材料的制造方法、原理及特点。,5,固态法是在基体金属处于固态情况下，与增强材料混合组成新的复合材料的方法。其中包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、挤压和拉拔法、爆炸焊接法等。,液态法是在基体金属处于熔融状态下，与增强材料混

3、合组成新的复合材料的方法。其中包括：真空压力浸渍法。挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、热喷涂法等。,新型制造方法包括：原位自生成法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和电镀法及复合镀法等。,固态制造技术,液态制造技术,新型制造技术,金属基复合材料制造方法大致分为三种,4.1.1 金属基复合材料制造方法的类型,6,4.1.2 制造技术应具备的条件,1）使增强材料均匀地分布金属基体中，满足结构和强度要求,2）能使复合材料界面效应、混杂效应或复合效应充分发挥,3）能够充分发挥增强材料对基体金属的增强、增韧效果,4）设备投资少，工艺简单易行，可操作性强；便于实现批量生产,5）能制

4、造出接近最终产品的形状、尺寸，减少或避免后加工工序,7,4.1.3 金属基复合材料制造的关键性技术 由于金属所固有的物理和化学特性，其加工性能不如树脂好，在制造金属基复合材料时还需解决一些关键技术问题。1）加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应。在加工过程中，为了确保基体的浸润性和流动性，需要采用很高的加工温度（往往接近或高于基体的熔点）。解决的方法是：尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应时间降低至最低程度；通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快；采用扩散粘接法可有效地控制温度并缩短时间。,8,2）增强材料与基体浸润性差是金属基复合材料制造的又一问题。绝大多数的金属基复合材料

5、如：碳/铝、碳/镁、碳化硅/铝、氧化铝/铜等，基体对增强材料浸润性差，有时根本不发生润湿现象。解决的方法是：加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强材料的浸润性，常用的合金元素有：钛、锆、铌、铈等；对增强材料进行表面处理，涂敷一层可抑制界面反应的涂层，可有效改善其浸润性，表面涂层涂覆方法较多，如化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶和电镀或化学镀等。,9,3）按结构设计需求，使增强材料按所需方向均匀地分布于基体中也是金属基复合材料制造中的关键技术之一。增强材料的种类较多，如短纤维、晶须、颗粒等，也有直径较粗的单丝，直径较细的纤维束等。在尺寸形态、理化性能上也有很大差异，使其均匀地、或按设计强

6、度的需要分布比较困难。解决的方法是：对增强材料进行适当的表面处理，使其浸渍基体速度加快；加入适当的合金元素改善基体的分散性；施加适当的压力，使其分散性增大。,10,4.2 固态制造技术固态制造技术主要包括：粉末冶金、热压、热等静压、热轧、热挤压、热拉和爆炸焊接技术等。4.2.1 粉末冶金技术粉末冶金是最早用来制造金属基复合材料的方法。早在1961年Kopenaal等人就利用粉末冶金法制造纤维体积含量为2040的碳-铝复合材料，但由于性能很低，也无有效措施加以提高，这种方法已不用来制造长纤维增强复合材料，而主要用于制造颗粒或晶须增强金属基复合材料。,11,1）工艺过程及注意事项 粉末冶金技术主要

7、用于制造颗粒或晶须增强金属基复合材料。用粉末冶金法可以制造复合材料坯料，供挤压、轧制、锻压、旋压等二次加工后制成零部件，也可直接制成复合材料零件。美国的DWA公司用此法制造了不同成分的铝合金基体和不同颗粒（晶须）含量的复合材料及各种零件、管材、型材和板材，它们具有很高的比强度、比模量和耐磨性，已用于汽车、飞机、航天器等。,12,粉末冶金法也被用来制造钛基、金属间化合物基复合材料。例如，含TiC颗粒10的TiC/Ti-6Al-4V复合材料，其650的高温弹性模量提高于15，使用温度可提高100。基体粉末和颗粒（晶须）增强材料的混合均匀以及基体粉末的防止氧化是整个工艺的关键，必须采取有效措施。与搅

8、拌铸法相比，在粉末冶金法中颗粒（晶须）的含量不受限制，尺寸也可以在较大范围内变化，但材料的成本较高，制造大尺寸的零件和坯料有一定困难。,13,2）工艺适应性 该工艺适于制造SiCP/Al、SiCW/Al、Al2O3/Al、TiB2/Ti等金属基复合材料零部件、板材或锭坯等。常用的增强材料有：SiCP、Al2O3、SiCW、B4CP等颗粒、晶须及短纤维等。常用的基体金属有：Al、Cu、Ti等。,14,4.2.2 热压和热等静压技术 热压法和热等静压法亦称扩散粘接法，是加压焊接的一种，因此有时也称扩散焊接法。它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。扩散粘接过程

9、可分为三个阶段：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（通常是氧化膜）破坏；随着时间的进行发生界面扩散和体扩散，使接触面粘接；由于热扩散结合界面最终消失，粘接过程完成。影响扩散粘接过程的主要参数是温度、压力和一定温度及压力下维持的时间，其中温度最为重要，气氛对产品质量也有影响。,15,1）热压技术 热压工艺通常要求先将纤维与金属基体制成复合材料预制片，然后将预制片按设计要求裁剪成所需的形状、叠层排布（纤维方向），根据对纤维体积分数的要求，在叠层时添加基体箔，将叠层放入模具内，进行加热加压，最终制得复合材料或零件。为保证热压产品的质量，加热加压过程可在真空或惰性气氛中

10、进行。但也可在大气中进行。也有用纤维织物与基体箔直接进行热压制造复合材料及零件的。,16,2）热等静压技术 热等静压法也是热压的一种，用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用。在高压容器内设置加热器，将金属基体（粉末或箔）与增强材料（纤维、晶须、颗粒）按一定比例混合或排布后，或用预制片叠层后放入金属包套中，抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压，复合成金属基复合材料。热等静压装置的温度可在几百度到2000范围内选择，工作压力可高达100200MPa。,17,18,3）工艺适用性（1）热压技术 热压技术适用于制造B/Al、SiC/Al、SiC/TiC/Al、C/Mg等复合材料零部件，管

11、材和板材等。常用的增强材料有：B、SiC、C和W等。常用的基体金属有：Al、Ti、Cu、耐热合金等。（2）热等静压技术 此技术适用于制造B/Al、SiC/Ti管材。常用的增强材料有：B、SiC、W等。常用的基体金属有：Al、Ti和超合金等。,19,4.2.3 热轧、热挤压和热拉技术热轧法、热挤压法和热拉法都是金属材料中成熟的塑性成型加工工艺，在此用于制造复合材料。热轧法主要用来将已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材。也可将由金属箔和连续纤维组成的预制片制成板材，如铝箔与硼纤维、铝箔与钢丝。为了提高粘接强度，常在纤维上涂银、镍、铜等涂层，轧制进为了防止氧化常用钢板包

12、覆。与金属材料的轧制相比，长纤维金属箔轧制时每次的变形量小、轧制道次多。对于颗粒或晶须增强金属基复合材料板材，先经粉末冶金或热压成坯料，再经热轧成复合材料板材。适用的复合材料有SiCP/Al、SiCW/Cu、Al2O3W/Al、Al2O3W/Cu等。,20,热挤压和热拉主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管材、型材、棒材等。经挤压、拉拔后复合材料的组织变得均匀、缺陷减少或消除，性能明显提高，短纤维和晶须还有一定的择优取向，轴向拉伸强度提高很多。热挤压和热拉对制造金属丝增强金属基复合材料是很有效的方法，具体做法是在基体金属坯料上钻长孔，将增强金属制成棒放入

13、基体金属的孔中，密封后进行热挤压或热拉，增强金属棒变成丝。也可以将颗粒或晶须与基体金属粉末混匀后装入金属管中，密封后直接热挤压或热拉成复合材料管材或棒材。,21,4.2.4 爆炸焊接技术 爆炸焊接法是利用炸药爆炸产生的强大脉冲应力，通过使碰撞的材料发生塑性变形、粘接处金属的局部扰动以及热过程使材料焊接起来。如果用金属丝作增强材料，应将其固定或编织好以防其移位或卷曲。基体和金属丝在焊前必须除去表面的氧化膜和污物。爆炸焊接用底座对材料质量的优劣起着重要作用，底座材料的密度和隔声性能应尽可能与复合材料接近。用放在碎石层或铁屑层上的金属板作底座可得到高质量的平整的复合板。爆炸焊接的特点是作用时间短，材

14、料的温度低，不必担心发生界面反应。用爆炸焊接可以制造形状复杂的零件和大尺寸的板材，需要时一次作业可得多块复合板。此法主要用来制造金属层合板和金属时增强金属基复合材料，例如钢丝增强铝、钼丝或钨丝增强钛、钨丝增强镍等复合材料。,22,4.3 液态制造技术 液态制造技术包括真空压力浸渍技术、挤压铸造技术、液态金属搅拌铸造技术、液态金属浸渍技术、共喷沉积技术和热喷涂技术等、液态制造技术也是金属基复合材料主要的制造技术。4.3.1 真空压力浸渍技术 真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体共同作用下，将液态金属压入增强材料中制成预制件，再制备金属甚复合材料制品。其兼备真空吸铸和压力铸造的优点。熔体进入预制件

15、有三种方式，即底部压入式、顶部注入式和顶部压入式。浸渍炉由耐高压的壳体、熔化金属的加热炉、顶制件预热炉、坩埚升降装置、真空系统、控制系统、气体加压系统和冷却系统组成。,23,1)工艺过程 凝固在压力下进行，复合材料及其制品一般无铸造缺陷。,24,25,2）真空压力浸渍技术的特点（1）适用面广，可用于多种金属基体和连续纤维、短纤维、晶须和颗粒等增强材料的复合，增强材料的形状、尺寸、含量基本上不受限制。（2）可直接制成复合零件，特别是形状复杂的零件，基本上无需进行后继加工。（3）浸渍在真空中进行、压力下凝固，无气孔、疏松、缩孔等铸造缺陷，组织致密，材料性能好。（4）工艺简单、参数易于控制，可根据增

16、强材料和基体金属的物理化学特性，严格控制温度、压力等参数，避免严重的界面反应。（5）真空压力浸渍法的设备比较复杂，工艺周期长、投资大，制造大尺寸的零件要求大型设备。,26,3）工艺适应性 该工艺适于制造C/Al、C/Cu、C/Mg、SiCP/Al、(SiCW+SiCP)/Al等复合材料零部件、板材、锭坯等。常用的增强材料为：各种纤维、晶须、颗粒等增强材料。常用的基体金属为：Al、Mg、Cu、Ni等及其合金。,27,4.3.2 挤压铸造技术 挤压铸造技术是利用压机将液态金属强行压入增强材料的预制件中以制造复合材料的一种方法。其过程是先将增强材料制成一定形状的预制件，经干燥预热后放入模具中，浇注入

17、熔融金属，用压头加压，压力为70100MPa，液态金属在压力下浸渗入预制件中，并在压力下凝固，制成接近最终形状和尺寸的零件，或供用塑性成型法二次加工的锭坯。,28,4.3.3 液态金属搅拌铸造技术 液态金属搅拌铸造法是一种适合于工业规模生产颗粒增强金属基复合材料的主要方法，工艺简单，制造成本低廉。基本原理是将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中，然后浇铸成锭坯、铸件等。液态金属搅拌法制造颗粒增强金属基复合材料尚存在一些困难，主要困难有：一是为了提高增强效果要求加入尺寸细小的颗粒，1030m之间的颗粒与金属熔体的润湿性差，不易进入和均匀分散在金属熔体中，易

18、产生团聚；二是强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量吸入空气。必须采取有效的措施来改善金属熔体对颗粒的润湿性，防止金属的氧化和吸气等。,29,1）注意事项与措施（1）在金属熔体中添加合金元素 合金元素可以降低金属熔体的表面张力。例如在铝熔体中加入钙、镁、锂等元素可以明显降低熔体的表面张力，提高对陶瓷颗粒的润湿性，有利于陶瓷颗粒在熔体中的分散，提高其复合效率。（2）颗粒表面处理 比较简单有效的方法是将颗粒进行高温热处理，使有害物质在高温下挥发脱除。有些颗粒，如SiC，在高温处理过程中发生氧化，在表面生成SiO2薄层，可以明显改善熔融铝对颗粒的润湿性。（3）复合过程的气氛控制 由于液态金属氧化生成

19、的氧化膜阻止金属与颗粒的混合和润湿，吸入的气体又会造成大量气孔，严重影响复合材料的质量，因此要采用真空、惰性气体保护防止熔体氧化和吸气。（4）有效的机械搅拌 强烈的搅动可使液态金属以高的剪切速度流过颗粒表面，能有效改善金属与颗粒之间的润湿性，促进颗粒在液态金属中的均匀分布。通常采取高速旋转的机械搅拌或超声波搅拌来强化搅拌过程。,30,2）搅拌工艺方法 液态金属搅拌铸造法根据工艺特点从所选用的设备可分为旋涡法、Duralcon法、复合铸造法三种。（1）旋涡法 旋涡法的基本原理是利用高速旋转的搅拌器的桨叶搅动金属熔体，使其强烈流动，并形成以搅拌器转轴为对称中心的旋涡，将颗粒加到旋涡中，依靠旋涡的负

20、压抽吸作用，颗粒进入金属熔体中。旋涡法的主要工序有基体金属熔化、除气、精炼、颗粒预处理、旋涡搅拌法控制的主要工艺参数是搅拌复合工序的搅拌速度、搅拌时基体金属熔体的温度、颗粒加入速度等。搅拌速度一般控制在5001000r/min，温度一般选在基体金属液相线温度以上100。搅拌器通常为螺旋桨形。旋涡搅拌法工艺简单，成本低。主要用来制造含较粗颗粒（直径50100m）的耐磨复合材料，如Al2O3-Al-Mg，ZrO2-Al-Mg，Al2O3-Al-Si，SiC-Al-Si，SiC-Al-Mg，石墨铝等复合材料。,31,（2）Duralcon法 液态金属搅拌法是20世纪80年代中期由Alcon公司研究开

21、发的一种颗粒增强铝、镁、锌基复合材料的方法无旋涡搅拌法。这种方法现已成为一种工业规模的生产方法，可以制造高质量的SiCp/Al，Al2O3/Al等复合材料。（3）复合铸造法 复合铸造法也用采用机械搅拌将颗粒混入金属熔体中，其特点是搅拌在半固态金属中进行，而不在完全液态的金属中进行。这种方法可以用来制造颗粒细小、含量高的颗粒增强金属基复合材料，也可用来制造晶须、短纤维复合材料。存在的主要问题是基体合金体系的选择受限较大。要求必须选择同样的体系和温度，才能析出大量的初晶相，并达到4060（质量分数）的含量。,32,4.3.4 液态金属浸渍技术 液态金属浸渍法是用液态金属连续浸渍长纤维，得到复合材料

22、预制品（带、丝等）的一种方法，所以又称为连铸法。由于在液态金属中容易分散、复合完全，因此特别适用于一束多丝、直径细的连续长纤维。为了改善熔融金属对纤维的润湿性这一过程的关键问题，纤维在复合前必须进行表面涂覆处理，涂上润湿层，或用其他方法（如在基体中加合金元素、用超声波等）改善润湿性。视不同的体系而定，有时也要考虑纤维与液态金属在高温接触时发生过度的化学反应问题。,33,4.3.4.1 纤维增强材料的表面处理 用液态金属法制备碳（石墨）-铝、-镁复合材料的核心问题是对碳（石墨）纤维进行表面处理，经处理后的纤维能与液态铝、镁自发浸润，当纤维束经过金属熔池时，金属自发浸渍到纤维束中，形成复合带（丝）

23、。在除胶炉中碳（石墨）纤维经高温处理除去在纤维制造过程中涂的胶，若炉温低于450，除胶可在空气中进行，如炉温高于450，为了防止纤维的氧化，必须在保护性气氛中除胶。在预处理炉中，碳（石墨）纤维除进一步除胶、脱除残留胶外，还用化学气相沉积炉的废气进行预处理，为下一步的化学气相沉积做准备。预处理炉的温度控制在700，用氩气保护。,34,4.3.4.2 化学气相沉积技术 化学气相沉积炉是液态金属浸渍法的核心设备，在此炉中纤维用BCl3、TiCl4处理，在表面生成Ti-B涂层。BCl3在常温下为气体，TiCl4在25的蒸气压约为907Pa，因此在寒冷的季节必须加热，以提高其蒸气压，保证在气相中的浓度。

24、BCl3和TiCl4气体以氩气为载气，以一定的流量进入化学气相沉积炉，氩气在整个密封系统中成为保护气体，沉积炉中还需加入少量的锌和海绵钛，温度控制为700。在化学气相沉积炉中可能发生下列反应：TiCl4（v）+2Zn（v）2ZnCl2（v）+Ti（a）（4-1）BCl3（v）+Ti（v）TiCl3（v）+B（a）（4-2）2BCl3（v）+4Ti（a）TiB2（s）+3TiCl2（s）（4-3）,35,在熔化炉将基体金属熔化、保温，温度控制在高于基体熔点50100。为了防止金属氧化，熔化炉中的熔体最好置于惰性气体保护气氛中，如果使经化学气相沉积后的碳纤维在液面下进入熔体，不与表面上的氧化物接触

25、，也可不用惰性气体保护。涂覆好的纤维在进入熔化炉前一直处于氮气保护下，一旦进入熔化炉与熔融金属接触，熔体立即自发浸渍到纤维束中，与每根纤维很好复合，得到复合丝或带，由收丝筒收集，作随后的二次加工用。如果表面处理后纤维与空气接触，便将失去作用，即能促进润湿的表面涂层将失效，因而纤维不再能与基体复合。,36,4.3.4.3 浸渍技术1、纤维表面处理技术1）Ti-B处理法：Ti-B处理剂可用于T50、T55、T300、P55、P100、P120等多种碳（石墨）纤维的处理，也适用于1100，A201、2024、356、5083、5154、6061等铝（合金），AZ31、AZ91、ZE41、QE22、E

26、Z33等镁（合金），以及铜（合金）、铅（合金）等基体，复合纤维的强度很高，可达理论值的90100。2）液钠处理法：液钠法是将碳纤维在He气氛保护下相继通过Na、Sn、Al三种熔体，制造碳-铝复合丝（带），熔体温度分别为Na-（55020），Sn-（60020），Al-高于熔点或液相线2050。纤维束在熔体中的停留时间，对于单束纤维1min即可，对于多束的带则需10min左右。3）镀层法：碳纤维表面的金属和化合物涂层可用电镀、化学镀、化学气相沉积等方法得到。2、基体金属的处理法 在基体合金中添加的合金元素，主要是能与碳纤维作用，生成稳定碳化物，这些碳化物既能改善润湿性，又能起反应的阻挡层作用。,

27、37,4.3.5 共喷沉积技术 共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料的有效方法，1969年由A.R.E.Siager发明，随后由Ospray金属有限公司发展成工业生产规模的制造技术，现可用来制造铝、铜、镍、铁、金属间化合物基复合材料。共喷沉积工艺过程包括基体金属熔化、液态金属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积和凝固等工序。主要工艺参数：熔融金属温度，惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度、沉积底板温度等。这些参数都对复合材料的质量有重要的影响。不同的金属基复合材料有各自的最佳工艺参数组合，必须十分严格地加以控制。,38,图4-9 雾化沉积工艺示意图,39,1）液态金属雾化 液态金属

28、雾化是共喷沉积法制备金属基复合材料的关键工艺过程，它决定了液态金属雾化液滴的大小和尺寸分布、液滴的冷却速度雾化后金属液滴的尺寸一般在10300m，呈非对称性分布。2）特点（1）适用面广 可用于铝、铜、镍、钴等有色金属基体，也可用于铁、金属间化合物基体（2）生产工艺简单、效率高 与粉末冶金法相比没有繁杂的制粉、研磨、混合、压型、烧结等工序，而是快速一次复合成坯料，雾化速率可达25200kg/min，沉淀凝固迅速。,40,（3）冷却速度快 金属液滴的冷却速度可高达103106K/s，所得复合材料基体金属的组织与快速凝固相近，晶粒细、无宏观偏析、组织均匀。（4）颗粒分布均匀 在严格控制工艺参数的条件

29、下颗粒在基体中的分布均匀。（5）复合材料中的气孔率较大 气孔率在25之间，但经挤压处理后可消除气孔，获得致密材料。,41,4.3.6 热喷涂技术1）等离子喷涂过程 等离子喷涂是利用等离子弧的高温将基体熔化后喷射到工件（增强材料）上，冷却并沉积下来的一种复合方法。2）关键技术 喷涂过程中的关键是得到致密的与纤维粘接良好的基体涂层和避免基体的氧化。3）适用性 等离子喷涂法适用于直径较粗的纤维单丝，例如用化学气相沉积法得到的硼纤维和碳化硅纤维，它是制造这两种纤维增强铝、钛基复合材料预制片的大规模生产方法。,42,第4章 金属基复合材料的制造技术,4.1 概述4.2 固态制造技术4.3 液态制造技术4.4 原位合成法4.5 表面复合技术,43,本讲思考题,1、制造金属基复合材料需解决的关键技术问题有哪些，如何加以解决？2、金属基复合材料液态制造技术有哪些？试举一种说明其工作流程及存在的问题。,44,谢谢大家！,45,