復合材料成形技術(shù)

1、復復 合合 材材 料料 成成 形形 技技 術(shù)術(shù)材材 料料 學學 李小李小 強強目錄目錄金屬基復合材料金屬基復合材料 金屬基復合材料的制備與制坯工藝金屬基復合材料的制備與制坯工藝 熱壓擴散成形法熱壓擴散成形法 金屬基復合材料的坯料的熱擠壓成型金屬基復合材料的坯料的熱擠壓成型 41235熱擠壓模具結(jié)構(gòu)熱擠壓模具結(jié)構(gòu)1 金屬基復合材料金屬基復合材料復復 合合 材材 料料 的的 定定 義義 由兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的 一種多相固體材料。復復 合合 材材 料料 的的 種種 類類（1）聚合物基復合材料。其中含有熱固性樹脂基復合材料，熱塑性樹脂基和橡膠基復合材料。（2）金屬基復合材料

2、。其中含有輕金屬基，高熔點金屬基，金屬間化合物基復合材料。（3）無機非金屬基復合材料。其中含有陶瓷基，碳基，水泥基復合材料。 金屬金屬 陶瓷及陶瓷及水泥水泥 聚合物聚合物 纖維纖維 晶須晶須 顆粒顆粒復合材料的命名復合材料的命名基體增強體復合材料例：“25%SiCp/6061復合材料”表示在6061鋁合金基體中分散有25%SiC顆粒（體積分數(shù)）增強體的復合材料。注：分散顆粒用下標p表示，晶須或纖維用下標w表示。復合材料的應用復合材料的應用 金屬基復合材料多以鋁及鋁合金、鎂及鎂合金和鈦及鈦合金作為基體，由于具有密度低、比強度和比彈性模量高、導電導熱性能高、韌性和抗沖擊性能高、耐磨性好等優(yōu)點，金屬

3、基復合材料成為首選結(jié)構(gòu)復合材料。其在宇航、汽車、電子、建筑工業(yè)中占有重要的位置。 例：碳化硅強化的鋁基復合材料已在轎車發(fā)動機汽缸內(nèi)套和活塞、摩托車剎車片、山地自行車鋼圈等耐磨材料和航天航空用儀表材料等方面獲得應用。電子工業(yè)電子工業(yè)汽車工業(yè)汽車工業(yè)航空航天工業(yè)航空航天工業(yè) 簡稱PM法，是利用粉末冶金原理，將基體粉末與增強顆粒按設計要求的比例進行機械混合，然后再壓坯、燒結(jié)或直接用混合料進行熱壓、熱軋、熱擠成型來制備金屬基基復合材料的方法。是較早用來制備鎂基復合材料的工藝。 粉末冶金的特點 ：可控制增顆粒的體積分數(shù) ，增強體在基體中分布均勻；制備溫度較低 ，一般不會發(fā)生過量的界面反應。該法工藝設備較

4、復雜，成本較高，不易制備形狀復雜的零件。 粉末冶金法粉末冶金法2 2 金屬基復合材料的制備與制坯工藝金屬基復合材料的制備與制坯工藝粉末冶金法強化材料金屬粉末混合預制成形燒結(jié)坯料高壓鑄造法：首先使晶須或顆粒（SiC）預成形體,然后將該成形體和合金熔液倒入金屬模內(nèi)固化,再在1000大氣壓的高壓下鑄造,生產(chǎn)出供擠壓用的坯錠(坯錠直徑可大到200毫米）。高壓鑄造法坯料高壓鑄造金屬熔體強化材料預成形體普通鑄造法：把強化材料和金屬粉末混合后，再加熱熔化，之后把金屬熔體引入到一個鑄模里進行冷卻從而得到坯料。鑄造模具采用一套流體或水冷卻系統(tǒng)對水冷金屬鑄型或者模樣板進行冷卻，冷卻介質(zhì)可以是油、空氣或水等，通過對

5、進入管道的流體溫度和流量等的調(diào)節(jié)，可以控制冷卻速度。普通鑄造法直接水冷鑄造混合金屬粉末強化材料坯料3 熱壓擴散成形法熱壓擴散成形法熱壓擴散成形法：在高溫下施加靜壓力，使纖維與基體擴散結(jié)合在一起的方法。具體工藝：按照制件形狀、纖維體積密度及增強方向的要求，將金屬基復合材料預制條帶及基體金屬箔或粉末布，經(jīng)剪裁、鋪設、疊層、組裝，在低于復合材料基體金屬熔點的溫度下加壓并保持一定時間；基體金屬產(chǎn)生蠕變與擴散，使纖維與基體間形成良好的界面結(jié)合，得到復合材料制件。熱壓擴散結(jié)合工藝的重要物理參數(shù)（1）溫度：溫度提高，有利于纖維和基體的焊合。（2）壓力：增大壓力，有利于纖維和基體的焊合。（3）時間：延長加壓時

6、間，有利于纖維和基體的焊合。（4）氣氛：在惰性氣體或真空條件下，可減少纖維與基體金屬在高溫下的氧化，有利于得到較好的復合結(jié)果。優(yōu)點：（1）工藝參數(shù)易于精確控制； （2）纖維在制件中的空間位置可按構(gòu)件受力情況進行精確鋪排，制件質(zhì)量好。缺點：由于模型加壓的單向性，使該工藝限于制作形狀較為簡單的板材、某些型材或葉片。4 金屬基復合材料坯料的熱擠壓成形金屬基復合材料坯料的熱擠壓成形普通熱加工方法：熱擠壓、拉拔、軋制、鍛造、熱等靜壓等。熱擠壓的應用：通過熱擠壓的方法可將金屬基復合材料坯料加工成各種斷面形狀的制品，賦予復合材料各種斷面形狀的同時，也達到固化及提高材料致密度、強度、塑性等目的。熱擠壓成形的優(yōu)

7、點；后續(xù)加工生產(chǎn)靈活性大，有利于獲得管、棒、線、空心或?qū)嵭男筒?。而對于粉末冶金法制備的復合材料，利用高溫擠壓變形時強三向壓應力和強剪切變形作用，可以破壞粉末表面的氧化膜，改善粉末顆粒之間的接觸狀態(tài)，壓合內(nèi)部的空洞和孔隙，提高制品的致密度與性能。熱擠壓加工粉末冶金或鑄造制得的坯料（晶須或纖維）： 利用擠壓加工時基體金屬的塑性流動，可增加晶須或短纖維的沿流動方向的取向，從而達到強化效果。 為了利用取向性提高復合材料的強化效果，要求強化相的長徑比達到某一臨界值以上。合金鋼質(zhì)模具擠壓鋁基復合材料時產(chǎn)生的缺陷：（1）容易產(chǎn)生黏?，F(xiàn)象。（2）制品表面產(chǎn)生粗糙、條紋等缺陷。原因:復合材料坯料凹模摩擦力宏觀裂

8、紋坯料表面晶須凹模摩擦力坯料表面拉應力表面裂紋措施： （1）采用無死角擠壓、包覆擠壓、陶瓷模擠壓等方法有利于減少擠壓時的黏?，F(xiàn)象，有效降低復合材料表面摩擦力，并能提高擠壓速度。 （2）為降低摩擦力，擠壓前在坯料與凹模及擠壓筒間均采用油劑石墨進行潤滑。擠壓條件對晶須或纖維強化復合材料的性能的影響：（1）擠壓比：一般擠壓比在430之間，隨擠壓比的增大，擠壓制品中晶須或纖維沿擠壓方向的定向排列程度增強，但過大的擠壓比會使晶須或纖維折斷程度也增大。對于顆粒相增強復合材料，同樣隨著擠壓比的增大，復合材料抗拉強度和延伸率亦隨之增大。（2）擠壓溫度：一般擠壓溫度低于固相線溫度20100，并隨強化相含量的增加而增加。在較低溫度范圍內(nèi)，提高擠壓溫度有利于晶須或纖維的定向排列，有利于松弛應力，使晶須在變形中損傷與折斷減少，復合材料的抗拉強度明顯上升。在較高溫度范圍內(nèi)，提高擠壓溫度可降低變形力，但對晶須或纖維的定向排列影響不大，并使擠壓件表面質(zhì)量下降。（3）擠壓速度：擠壓速度通常要求很低，極限擠壓速度一般為3120mm/min。熱擠壓模具： 由于熱擠壓模具是在高溫和高負荷下工作的，因此其抗