復(fù)合材料成形技術(shù)

1、復(fù)復(fù) 合合 材材 料料 成成 形形 技技 術(shù)術(shù)材材 料料 學(xué)學(xué) 李小李小 強(qiáng)強(qiáng)目錄目錄金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料的制備與制坯工藝金屬基復(fù)合材料的制備與制坯工藝 熱壓擴(kuò)散成形法熱壓擴(kuò)散成形法 金屬基復(fù)合材料的坯料的熱擠壓成型金屬基復(fù)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(fù)合材料金屬基復(fù)合材料復(fù)復(fù) 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(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的 一種多相固體材料。復(fù)復(fù) 合合 材材 料料 的的 種種 類類（1）聚合物基復(fù)合材料。其中含有熱固性樹脂基復(fù)合材料，熱塑性樹脂基和橡膠基復(fù)合材料。（2）金屬基復(fù)合材料

2、。其中含有輕金屬基，高熔點(diǎn)金屬基，金屬間化合物基復(fù)合材料。（3）無機(jī)非金屬基復(fù)合材料。其中含有陶瓷基，碳基，水泥基復(fù)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(fù)合材料的命名復(fù)合材料的命名基體增強(qiáng)體復(fù)合材料例：“25%SiCp/6061復(fù)合材料”表示在6061鋁合金基體中分散有25%SiC顆粒（體積分?jǐn)?shù)）增強(qiáng)體的復(fù)合材料。注：分散顆粒用下標(biāo)p表示，晶須或纖維用下標(biāo)w表示。復(fù)合材料的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用 金屬基復(fù)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(qiáng)度和比彈性模量高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能高、韌性和抗沖擊性能高、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，金屬

3、基復(fù)合材料成為首選結(jié)構(gòu)復(fù)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(qiáng)化的鋁基復(fù)合材料已在轎車發(fā)動機(jī)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(yīng)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(qiáng)顆粒按設(shè)計(jì)要求的比例進(jìn)行機(jī)械混合，然后再壓坯、燒結(jié)或直接用混合料進(jìn)行熱壓、熱軋、熱擠成型來制備金屬基基復(fù)合材料的方法。是較早用來制備鎂基復(fù)合材料的工藝。 粉末冶金的特點(diǎn) ：可控制增顆粒的體積分?jǐn)?shù) ，增強(qiáng)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(yīng)。該法工藝設(shè)備較

4、復(fù)雜，成本較高，不易制備形狀復(fù)雜的零件。 粉末冶金法粉末冶金法2 2 金屬基復(fù)合材料的制備與制坯工藝金屬基復(fù)合材料的制備與制坯工藝粉末冶金法強(qiáng)化材料金屬粉末混合預(yù)制成形燒結(jié)坯料高壓鑄造法：首先使晶須或顆粒（SiC）預(yù)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(qiáng)化材料預(yù)成形體普通鑄造法：把強(qiáng)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(jìn)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(jìn)行冷卻，冷卻介質(zhì)可以是油、空氣或水等，通過對

5、進(jìn)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(qiáng)化材料坯料3 熱壓擴(kuò)散成形法熱壓擴(kuò)散成形法熱壓擴(kuò)散成形法：在高溫下施加靜壓力，使纖維與基體擴(kuò)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(qiáng)方向的要求，將金屬基復(fù)合材料預(yù)制條帶及基體金屬箔或粉末布，經(jīng)剪裁、鋪設(shè)、疊層、組裝，在低于復(fù)合材料基體金屬熔點(diǎn)的溫度下加壓并保持一定時間；基體金屬產(chǎn)生蠕變與擴(kuò)散，使纖維與基體間形成良好的界面結(jié)合，得到復(fù)合材料制件。熱壓擴(kuò)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(fù)合結(jié)果。優(yōu)點(diǎn)：（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(jìn)行精確鋪排，制件質(zhì)量好。缺點(diǎn)：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(fù)合材料坯料的熱擠壓成形金屬基復(fù)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(yīng)用：通過熱擠壓的方法可將金屬基復(fù)合材料坯料加工成各種斷面形狀的制品，賦予復(fù)合材料各種斷面形狀的同時，也達(dá)到固化及提高材料致密度、強(qiáng)度、塑性等目的。熱擠壓成形的優(yōu)

7、點(diǎn)；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?fù)合材料，利用高溫?cái)D壓變形時強(qiáng)三向壓應(yīng)力和強(qiáng)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(dá)到強(qiáng)化效果。 為了利用取向性提高復(fù)合材料的強(qiáng)化效果，要求強(qiáng)化相的長徑比達(dá)到某一臨界值以上。合金鋼質(zhì)模具擠壓鋁基復(fù)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(fù)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(yīng)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(fù)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(jìn)行潤滑。擠壓條件對晶須或纖維強(qiáng)化復(fù)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?cái)D壓方向的定向排列程度增強(qiáng)，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(qiáng)復(fù)合材料，同樣隨著擠壓比的增大，復(fù)合材料抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)力，使晶須在變形中損傷與折斷減少，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)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(fù)荷下工作的，因此其抗