第5章 金屬基復(fù)合材料的成形加工

1、第第5 5章章 金屬基復(fù)合材料的金屬基復(fù)合材料的成形加工成形加工2022年5月27日星期五2本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容鑄造鑄造塑性成形塑性成形焊接焊接切削加工切削加工連接連接晶須晶須, ,顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料 了解金屬基復(fù)合材料成形加工技術(shù)的種類(lèi)、特點(diǎn)，掌握鋁基了解金屬基復(fù)合材料成形加工技術(shù)的種類(lèi)、特點(diǎn)，掌握鋁基復(fù)合材料的軋制塑性和擠壓塑性成形技術(shù)。復(fù)合材料的軋制塑性和擠壓塑性成形技術(shù)。基本要求基本要求: 5.1 5.1 鑄造成型鑄造成型5.1.1 5.1.1 鑄造成型方法與特點(diǎn)鑄造成型方法與特點(diǎn)按增強(qiáng)材料和金屬液體按增

2、強(qiáng)材料和金屬液體的混合方式不同的混合方式不同正正壓壓鑄鑄造造拌拌鑄鑄造造負(fù)負(fù)壓壓鑄鑄造造2022年5月27日星期五45.1.1.1 5.1.1.1 攪拌鑄造成型攪拌鑄造成型利用合金在固液溫度利用合金在固液溫度區(qū)間經(jīng)攪拌后得到的區(qū)間經(jīng)攪拌后得到的流變性質(zhì)，將增強(qiáng)顆流變性質(zhì)，將增強(qiáng)顆粒攪入半固態(tài)熔液中粒攪入半固態(tài)熔液中，依靠半固態(tài)金屬的，依靠半固態(tài)金屬的粘性阻止增強(qiáng)顆粒因粘性阻止增強(qiáng)顆粒因密度差而浮沉來(lái)制備密度差而浮沉來(lái)制備復(fù)合材料。復(fù)合材料。通過(guò)攪拌器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)攪拌器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使增強(qiáng)材料均勻分動(dòng)使增強(qiáng)材料均勻分布在液體中，然后澆布在液體中，然后澆注成型。此法所用設(shè)注成型。此法所用設(shè)備簡(jiǎn)單，操作

3、方便備簡(jiǎn)單，操作方便, ,但增強(qiáng)顆粒不易與基但增強(qiáng)顆粒不易與基體材料混合均勻，且體材料混合均勻，且材料的吸氣較嚴(yán)重。材料的吸氣較嚴(yán)重。攪拌鑄攪拌鑄造成型造成型2022年5月27日星期五5正壓鑄造成型可按加壓方式分為擠壓鑄造和離心鑄造。 5.1.1.2 5.1.1.2 正壓鑄造成型正壓鑄造成型離心鑄造法是在離心作用離心鑄造法是在離心作用下將金屬液體滲入增強(qiáng)材下將金屬液體滲入增強(qiáng)材料間隙形成復(fù)合材料的一料間隙形成復(fù)合材料的一種方法。種方法。擠壓鑄造是按零件的形狀擠壓鑄造是按零件的形狀制作增強(qiáng)物預(yù)制塊，將預(yù)制作增強(qiáng)物預(yù)制塊，將預(yù)制塊放入鑄型制塊放入鑄型, ,在重力下在重力下澆入液態(tài)金屬或合金，液澆入

4、液態(tài)金屬或合金，液體在壓頭作用下滲入預(yù)制體在壓頭作用下滲入預(yù)制塊。塊。2022年5月27日星期五65.1.1.3 5.1.1.3 負(fù)壓鑄造成型負(fù)壓鑄造成型將預(yù)制體放入鑄型后，將預(yù)制體放入鑄型后，將鑄型一端浸入金屬液將鑄型一端浸入金屬液中，而將鑄型的另一端中，而將鑄型的另一端接真空裝置，使液態(tài)合接真空裝置，使液態(tài)合金吸入預(yù)制體內(nèi)的一種金吸入預(yù)制體內(nèi)的一種方法。方法。破壞金屬液體表面的氧化破壞金屬液體表面的氧化層以改善液體與增強(qiáng)顆粒層以改善液體與增強(qiáng)顆粒的浸潤(rùn)性，借助預(yù)制體內(nèi)的浸潤(rùn)性，借助預(yù)制體內(nèi)的毛細(xì)管力作用使金屬液的毛細(xì)管力作用使金屬液體引入增強(qiáng)材料間隙。體引入增強(qiáng)材料間隙。自浸透法自浸透法真

5、空吸鑄法真空吸鑄法2022年5月27日星期五75.1.2 5.1.2 鑄造成型鑄造成型的技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)問(wèn)題 1.1.增強(qiáng)顆粒與金屬熔體的潤(rùn)濕性增強(qiáng)顆粒與金屬熔體的潤(rùn)濕性 2.2.增強(qiáng)顆粒分布均勻性增強(qiáng)顆粒分布均勻性 3.3.增強(qiáng)顆粒與基體金屬的界面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)顆粒與基體金屬的界面結(jié)構(gòu) 4.PRMMC 4.PRMMC 的凝固過(guò)程的凝固過(guò)程2022年5月27日星期五8 增強(qiáng)顆粒進(jìn)入基體金屬熔體，并能很好地分散，首要的條件是兩者增強(qiáng)顆粒進(jìn)入基體金屬熔體，并能很好地分散，首要的條件是兩者必須相互潤(rùn)濕。以鋁合金為例，常用的增強(qiáng)顆粒必須相互潤(rùn)濕。以鋁合金為例，常用的增強(qiáng)顆粒Al2O3、SiC 與與Al 的潤(rùn)的

6、潤(rùn)濕性都比較差，它們的接觸角濕性都比較差，它們的接觸角大于大于90o。而有些增強(qiáng)顆粒表面存在的氧。而有些增強(qiáng)顆粒表面存在的氧化物，由于其吸附氣體、水分等，使得增強(qiáng)顆粒與金屬基體的潤(rùn)濕性變化物，由于其吸附氣體、水分等，使得增強(qiáng)顆粒與金屬基體的潤(rùn)濕性變得更差。得更差。 1.1.增強(qiáng)顆粒與金屬熔體的潤(rùn)濕性增強(qiáng)顆粒與金屬熔體的潤(rùn)濕性增強(qiáng)顆粒在復(fù)合材料凝固過(guò)程中是被凝固界面排斥還是捕捉受很多因素的增強(qiáng)顆粒在復(fù)合材料凝固過(guò)程中是被凝固界面排斥還是捕捉受很多因素的影響，如顆粒與固相、液相之間的界面能，顆粒的大小及密度，液體的粘影響，如顆粒與固相、液相之間的界面能，顆粒的大小及密度，液體的粘度，熱傳導(dǎo)率，液體

7、的對(duì)流，界面前沿的溫度梯度等。度，熱傳導(dǎo)率，液體的對(duì)流，界面前沿的溫度梯度等。 對(duì)于金屬對(duì)于金屬/ /陶瓷這樣的高界面能系統(tǒng)，其界面能比低溫下的水或有機(jī)溶液陶瓷這樣的高界面能系統(tǒng)，其界面能比低溫下的水或有機(jī)溶液/ /顆粒系統(tǒng)的界面能大得多，此時(shí)界面能的作用占主導(dǎo)地位。顆粒系統(tǒng)的界面能大得多，此時(shí)界面能的作用占主導(dǎo)地位。 在重力下凝固及界面前無(wú)對(duì)流的條件下，當(dāng)顆粒較小時(shí)（在重力下凝固及界面前無(wú)對(duì)流的條件下，當(dāng)顆粒較小時(shí)（0.5mm0.5mm）可忽）可忽略浮力的影響，結(jié)合凝固界面與顆粒相接觸時(shí)的實(shí)際生長(zhǎng)狀態(tài)，提出了略浮力的影響，結(jié)合凝固界面與顆粒相接觸時(shí)的實(shí)際生長(zhǎng)狀態(tài)，提出了下圖所示的相互作用模型

8、下圖所示的相互作用模型 909090, , 顆粒被排斥顆粒被排斥當(dāng)當(dāng)PLPLSPSP時(shí)，時(shí)，9090，顆粒被凝固界面捕捉，顆粒被凝固界面捕捉, ,結(jié)合更穩(wěn)定。結(jié)合更穩(wěn)定。當(dāng)當(dāng)PLPLSPSP時(shí)，時(shí)，9090，顆粒將被凝固界面所排斥，顆粒將被凝固界面所排斥. . SP，PL，SL分別代表固相分別代表固相/顆粒、顆粒顆粒、顆粒/液相、固相液相、固相/液相之間的界面能，液相之間的界面能，三者有如下關(guān)系三者有如下關(guān)系 :cos()/PLSPSL2022年5月27日星期五101 12 23 34 42022年5月27日星期五11在外加增強(qiáng)顆粒制備在外加增強(qiáng)顆粒制備PRMMC PRMMC 的鑄造法中，增強(qiáng)

9、的鑄造法中，增強(qiáng)顆粒的密度一般與基體金屬相差較大顆粒的密度一般與基體金屬相差較大, ,且兩者互不且兩者互不潤(rùn)濕，因而顆粒在金屬基體中容易上浮、下沉及潤(rùn)濕，因而顆粒在金屬基體中容易上浮、下沉及偏聚。偏聚。Stokes Stokes 質(zhì)點(diǎn)上浮速度表達(dá)式為：質(zhì)點(diǎn)上浮速度表達(dá)式為：增強(qiáng)顆粒金屬液292rgv式中式中:金屬液的粘度金屬液的粘度, (pa, (pas) s) ； r r 增強(qiáng)顆粒半徑，增強(qiáng)顆粒半徑，m m； g g 重力加速度，重力加速度，9. 8 (m9. 8 (ms- 2) s- 2) ；密度，密度， (kg(kgm- 3) m- 3) 。2022年5月27日星期五123 3增強(qiáng)顆粒與

10、基體金屬的界面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)顆粒與基體金屬的界面結(jié)構(gòu)1 1增強(qiáng)體與基體互不反應(yīng)亦互不溶解增強(qiáng)體與基體互不反應(yīng)亦互不溶解2 2增強(qiáng)體與基體不反應(yīng)但能互相溶解增強(qiáng)體與基體不反應(yīng)但能互相溶解3 3增強(qiáng)體與基體互相反應(yīng)增強(qiáng)體與基體互相反應(yīng)-界面反應(yīng)物界面反應(yīng)物PRMMC 的界面問(wèn)題一直是本領(lǐng)域研究的重大技術(shù)問(wèn)題。PRMMC 的界面有3 種類(lèi)型：2022年5月27日星期五134. PRMMC 4. PRMMC 的凝固過(guò)程的凝固過(guò)程PRMMC PRMMC 的凝固過(guò)程由于增強(qiáng)體的存在其溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)、的凝固過(guò)程由于增強(qiáng)體的存在其溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)、晶體生長(zhǎng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程都會(huì)發(fā)生變化。在非平衡凝固條晶體生長(zhǎng)的熱力

11、學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程都會(huì)發(fā)生變化。在非平衡凝固條件下件下, , 這些變化均將對(duì)這些變化均將對(duì)PRMMC PRMMC 的組織和性能產(chǎn)生明顯影響。對(duì)增的組織和性能產(chǎn)生明顯影響。對(duì)增強(qiáng)體在凝固過(guò)程中常被凝固界面推移到枝晶間和金屬最后凝固區(qū)強(qiáng)體在凝固過(guò)程中常被凝固界面推移到枝晶間和金屬最后凝固區(qū)域的現(xiàn)象進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)如果熱物理參數(shù)能滿(mǎn)足以下公式域的現(xiàn)象進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)如果熱物理參數(shù)能滿(mǎn)足以下公式: : MMMpppCC式中：式中： M M ,p p 分別為基體和增強(qiáng)顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)（分別為基體和增強(qiáng)顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)（W Wm m- 1- 1-1-1） ； C CM M , C, Cp p 分別為基體和增強(qiáng)顆粒的比熱分

12、別為基體和增強(qiáng)顆粒的比熱，（J Jkgkg-1-1-1-1） M M ,p p 分別為基體和增強(qiáng)顆粒的密度分別為基體和增強(qiáng)顆粒的密度，(kg(kgm m-3-3) ) 。2022年5月27日星期五145.1.3 5.1.3 PRMMCPRMMC的原位反應(yīng)合成技術(shù)的原位反應(yīng)合成技術(shù) 外加增強(qiáng)顆粒與金屬基體復(fù)合的方法，不能從根本上解外加增強(qiáng)顆粒與金屬基體復(fù)合的方法，不能從根本上解決鑄造成型法存在的潤(rùn)濕性差的問(wèn)題。近年來(lái)，發(fā)展起來(lái)的決鑄造成型法存在的潤(rùn)濕性差的問(wèn)題。近年來(lái)，發(fā)展起來(lái)的一種制備一種制備PRMMCPRMMC的新型方法的新型方法原位反應(yīng)合成法。原位反應(yīng)原位反應(yīng)合成法。原位反應(yīng)合成法的基本原

13、理是在一定條件下，通過(guò)元素之間或元素與合成法的基本原理是在一定條件下，通過(guò)元素之間或元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)化合物之間的化學(xué)反應(yīng), ,在金屬基體內(nèi)原位生成在金屬基體內(nèi)原位生成1 1 種或幾種種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強(qiáng)相，從而達(dá)到強(qiáng)化金屬基體高硬度、高彈性模量的陶瓷增強(qiáng)相，從而達(dá)到強(qiáng)化金屬基體的目的。的目的。 2022年5月27日星期五15該工藝具有如下特點(diǎn)：該工藝具有如下特點(diǎn)：(1)(1) 增強(qiáng)體是從金屬基體中原位形核、長(zhǎng)大的熱力增強(qiáng)體是從金屬基體中原位形核、長(zhǎng)大的熱力 學(xué)穩(wěn)定相，因此，增強(qiáng)體表面無(wú)污染，避免了與基體學(xué)穩(wěn)定相，因此，增強(qiáng)體表面無(wú)污染，避免了與基體相容性不良的問(wèn)題，界

14、面結(jié)合強(qiáng)度高。相容性不良的問(wèn)題，界面結(jié)合強(qiáng)度高。(2)(2) 通過(guò)合理選擇反應(yīng)元素（或化合物）的類(lèi)型、成通過(guò)合理選擇反應(yīng)元素（或化合物）的類(lèi)型、成分及其反應(yīng)性，可有效地控制原位生成增強(qiáng)體的種類(lèi)、分及其反應(yīng)性，可有效地控制原位生成增強(qiáng)體的種類(lèi)、大小、分布和數(shù)量。大小、分布和數(shù)量。(3)(3) 省去了增強(qiáng)體單獨(dú)合成、處理和加入等工序，工省去了增強(qiáng)體單獨(dú)合成、處理和加入等工序，工藝簡(jiǎn)單，成本較低。藝簡(jiǎn)單，成本較低。(4)(4) 從液態(tài)金屬基體中原位生成增強(qiáng)顆粒，可用鑄造從液態(tài)金屬基體中原位生成增強(qiáng)顆粒，可用鑄造方法制備形狀復(fù)雜、尺寸較大的近凈形構(gòu)件。方法制備形狀復(fù)雜、尺寸較大的近凈形構(gòu)件。(5)(5

15、) 在保證材料具有較好的韌性和高溫性能的同時(shí)，在保證材料具有較好的韌性和高溫性能的同時(shí)，可較大幅度地提高材料的強(qiáng)度和彈性模量?？奢^大幅度地提高材料的強(qiáng)度和彈性模量。2022年5月27日星期五16 圖圖5-1 Duralcon5-1 Duralcon公司生產(chǎn)的各種鑄件公司生產(chǎn)的各種鑄件 圖圖5-2 5-2 真空鑄造法制造的連續(xù)真空鑄造法制造的連續(xù)纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料零件纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料零件 圖5-1是Duralcon公司生產(chǎn)的各種鑄件。對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件的制造也可采用真空吸鑄、真空壓力鑄造的方法。如氧化鋁纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，可選用真空鑄造的方法制造。圖5-2為真空鑄造法制造

16、的連續(xù)纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料零件。2022年5月27日星期五17 表表5-15-1和表和表5-25-2分別列出了鋁基復(fù)合材料室溫和高溫的拉伸性能。分別列出了鋁基復(fù)合材料室溫和高溫的拉伸性能。5.2 5.2 塑性成形塑性成形5.2.15.2.1鋁基復(fù)合材料的拉伸塑性鋁基復(fù)合材料的拉伸塑性復(fù)合材料復(fù)合材料狀態(tài)狀態(tài)體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)/%0.2MPabMPa伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率%EGPa生產(chǎn)商生產(chǎn)商Al2O3p/6061AlT610%2963387.581Duralcan,AlcanT615%3193595.487Duralcan,AlcanT620%3593792.198Duralcan,AlcanSiCp/6

17、061AlT6104054607.098DWAT6154204205.0105DWAT6204304304.0115DWAAl2O3p/2024AlT6104835173.384Duralcan,AlcanT6154765032.392Duralcan,AlcanT6204835031.0101Duralcan,AlcanSiCp/2024AlT67.840061057100BritishPetroleumT62049063024116BritishPetroleumT6254055603105DWASiCp/7075AlT65115556601295Cospray，AlcanSiCp/704

18、9AlT615598643290Cospray，AlcanSiCp/7090AlT620665735105DWA表表5-1 5-1 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能 2022年5月27日星期五18表表5-2 5-2 復(fù)合材料與基體合金的高溫力學(xué)性能復(fù)合材料與基體合金的高溫力學(xué)性能材料材料顆粒顆粒尺寸尺寸m體積體積分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)%200400bMPa0.2MPa伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率%bMPa0.2MPaAlNp/6061Al10.84404223725.075515.96061Al22618914.5292444.3Al2O3p/6061Al20.152032923524.9101

19、437.6Al2O3p/6061Al20.153030021932.0176946.1Al2O3p/6061Al10.4203663122.889664.41 1 壓鑄態(tài)，壓鑄態(tài)，T6T6處理；處理；2 2擠壓態(tài)，擠壓態(tài)，T4T4處理。處理。 2022年5月27日星期五195.2.2 5.2.2 金屬基復(fù)合材料的高溫壓縮變形金屬基復(fù)合材料的高溫壓縮變形 復(fù)合材料高溫壓縮變形的特點(diǎn)存在明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。復(fù)合材料高溫壓縮變形的特點(diǎn)存在明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。高溫壓縮變形的應(yīng)力一應(yīng)變曲線上有明顯的峰值，即當(dāng)壓縮高溫壓縮變形的應(yīng)力一應(yīng)變曲線上有明顯的峰值，即當(dāng)壓縮變形量大到一定程度以后，開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)變軟化

20、現(xiàn)象。晶須變形量大到一定程度以后，開(kāi)始出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。晶須/Al/Al復(fù)合材料高溫壓縮變形后，其組織結(jié)構(gòu)的最明顯特點(diǎn)是復(fù)合材料高溫壓縮變形后，其組織結(jié)構(gòu)的最明顯特點(diǎn)是晶須發(fā)生了有序分布，即晶須產(chǎn)生了垂直于壓縮方向的定向晶須發(fā)生了有序分布，即晶須產(chǎn)生了垂直于壓縮方向的定向排列。壓縮變形時(shí)所表現(xiàn)出的應(yīng)變軟化行為與晶須有序化有排列。壓縮變形時(shí)所表現(xiàn)出的應(yīng)變軟化行為與晶須有序化有關(guān)。即當(dāng)晶須垂直于壓縮方向排列時(shí)，晶須所承受的載荷下關(guān)。即當(dāng)晶須垂直于壓縮方向排列時(shí)，晶須所承受的載荷下降，于是表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象。降，于是表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象。 金屬基復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度可由下式給出：金屬基復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度

21、可由下式給出：2022年5月27日星期五20 式中，（l/d）為晶須的平均臨界長(zhǎng)徑比； i為晶須取向同壓縮方向的夾角；m為基體合金的流變應(yīng)力；Vf為晶須的體積分?jǐn)?shù)。 復(fù)合材料的高溫壓縮變形時(shí)，壓縮過(guò)程中晶須長(zhǎng)軸的取向分布函數(shù)可以用下式給出： 式中A、B均為應(yīng)變量的線性函數(shù)。并進(jìn)一步推導(dǎo)出復(fù)合材料高溫壓縮流變應(yīng)力近似表達(dá)式：sin)exp()(CBAf（5-4） mniifmcnVdl12cos)(（5-3） 2022年5月27日星期五21 復(fù)合材料拉伸過(guò)程中的晶須承受一定的力矩，在該力矩的作用下晶須將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。其晶須轉(zhuǎn)動(dòng)的表達(dá)式為:mmfcddfdlV )(cos2sin)/(202/0（5-

22、5） G4/ )2sin()2sin(75. 0（彈性階段）（彈性階段） （塑性階段）（塑性階段） （5-6） （5-7） 式中，為晶須轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；為復(fù)合材料所受的拉伸應(yīng)力；為晶須長(zhǎng)軸與拉伸方向的夾角；為復(fù)合材料的拉伸應(yīng)變。2022年5月27日星期五22按材料溫度分類(lèi)：按材料溫度分類(lèi)： 熱軋熱軋 冷軋冷軋按軋機(jī)排列方式分類(lèi)按軋機(jī)排列方式分類(lèi)單機(jī)架軋制、單機(jī)架軋制、半連續(xù)軋制半連續(xù)軋制連續(xù)軋制連續(xù)軋制 軋制是指軋件由摩擦軋制是指軋件由摩擦力拉進(jìn)在旋轉(zhuǎn)的軋輥間，力拉進(jìn)在旋轉(zhuǎn)的軋輥間，借助于軋輥施加的壓力，借助于軋輥施加的壓力，有時(shí)伴以熱作用，使材有時(shí)伴以熱作用，使材料發(fā)生塑性變形的過(guò)程。料發(fā)生塑性

23、變形的過(guò)程。通過(guò)軋制使材料具有一通過(guò)軋制使材料具有一定的形狀、尺寸和性能。定的形狀、尺寸和性能。5.2.3 5.2.3 鋁基復(fù)合材料的軋制塑性鋁基復(fù)合材料的軋制塑性2022年5月27日星期五23溫度溫度表表5-35-3為為25%SiCp/Al25%SiCp/Al復(fù)合復(fù)合材料經(jīng)過(guò)材料經(jīng)過(guò)16:116:1擠擠壓后，經(jīng)過(guò)三道壓后，經(jīng)過(guò)三道軋制后的致密度。軋制后的致密度。變形量變形量表表5-45-4為為2525 SiCp/AlSiCp/Al復(fù)合材復(fù)合材料經(jīng)過(guò)料經(jīng)過(guò)1616：1 1擠擠壓后，在預(yù)熱溫壓后，在預(yù)熱溫度分別為度分別為350350和和450450進(jìn)行的進(jìn)行的不同軋下量軋制不同軋下量軋制后的致密

24、度。后的致密度。預(yù)熱預(yù)熱溫度溫度對(duì)擠壓比為對(duì)擠壓比為25:125:1的的1515SiCp/AlSiCp/Al復(fù)合材料預(yù)熱復(fù)合材料預(yù)熱350350和和500500進(jìn)進(jìn)行軋制后拉伸強(qiáng)行軋制后拉伸強(qiáng)度分布為度分布為230MPa230MPa和和245MPa245MPa。軋制比軋制比 表表5-55-5為為SiCp/AlSiCp/Al復(fù)合材料經(jīng)過(guò)擠復(fù)合材料經(jīng)過(guò)擠壓比壓比25:125:1擠壓后，擠壓后，在在450450下進(jìn)行下進(jìn)行的不同軋下量軋的不同軋下量軋制后的拉伸強(qiáng)度。制后的拉伸強(qiáng)度。表表5-3 5-3 不同溫度軋制后不同溫度軋制后2525SiCp/AlSiCp/Al復(fù)合材料的致密度復(fù)合材料的致密度 表

25、表5-4 255-4 25SiCp/AlSiCp/Al復(fù)合材料在不同軋下量軋制后的致密度復(fù)合材料在不同軋下量軋制后的致密度表表5-5 255-5 25SiCp/AlSiCp/Al復(fù)合材料在不同軋下量軋制后的拉伸強(qiáng)度復(fù)合材料在不同軋下量軋制后的拉伸強(qiáng)度2022年5月27日星期五245.2.4 5.2.4 鋁基復(fù)合材料的擠壓塑性鋁基復(fù)合材料的擠壓塑性 在諸多塑性成形手段（擠壓、軋制、鍛造、拉拔等）中在諸多塑性成形手段（擠壓、軋制、鍛造、拉拔等）中擠壓是二次加工最為常用的手段之一，因此擠壓是這類(lèi)復(fù)合擠壓是二次加工最為常用的手段之一，因此擠壓是這類(lèi)復(fù)合材料研究的重點(diǎn)。由于金屬基體中含有一定體積分?jǐn)?shù)的增

26、強(qiáng)材料研究的重點(diǎn)。由于金屬基體中含有一定體積分?jǐn)?shù)的增強(qiáng)物物( (晶須、顆粒晶須、顆粒) )，大大降低了金屬的塑性，變形阻力大，成，大大降低了金屬的塑性，變形阻力大，成形困難，堅(jiān)硬的增強(qiáng)顆粒將磨損模具，因此對(duì)常規(guī)的工藝需形困難，堅(jiān)硬的增強(qiáng)顆粒將磨損模具，因此對(duì)常規(guī)的工藝需進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，如擠壓、鍛造溫度、擠壓速度、擠壓力等。進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，如擠壓、鍛造溫度、擠壓速度、擠壓力等。擠壓時(shí)，影響材料在模具中流動(dòng)的因素很多，例如擠壓方法、擠壓時(shí)，影響材料在模具中流動(dòng)的因素很多，例如擠壓方法、制品形狀和尺寸、合金種類(lèi)、模具的結(jié)構(gòu)與尺寸、工藝參數(shù)、制品形狀和尺寸、合金種類(lèi)、模具的結(jié)構(gòu)與尺寸、工藝參數(shù)、潤(rùn)滑條

27、件等。影響擠壓成形性的主要因素有擠壓變形時(shí)模具潤(rùn)滑條件等。影響擠壓成形性的主要因素有擠壓變形時(shí)模具及坯料的預(yù)熱溫度、擠壓比和擠壓變形速度，以及潤(rùn)滑劑。及坯料的預(yù)熱溫度、擠壓比和擠壓變形速度，以及潤(rùn)滑劑。2022年5月27日星期五25（1 1）潤(rùn)滑劑）潤(rùn)滑劑 潤(rùn)滑劑的作用是改變擠壓坯料和模具之間的摩擦力。潤(rùn)滑劑的作用是改變擠壓坯料和模具之間的摩擦力。摩擦力越小則由于坯料內(nèi)外層材料流動(dòng)不均勻所形成的附摩擦力越小則由于坯料內(nèi)外層材料流動(dòng)不均勻所形成的附加拉應(yīng)力就越小。加拉應(yīng)力就越小。（2 2）擠壓溫度）擠壓溫度 最佳擠壓溫度的選擇應(yīng)考慮以下因素：金屬的塑性較最佳擠壓溫度的選擇應(yīng)考慮以下因素：金屬的塑

28、性較好；變形抗力盡可能?。恍筒木哂凶罡邚?qiáng)度；較高勞動(dòng)生好；變形抗力盡可能??；型材具有最高強(qiáng)度；較高勞動(dòng)生產(chǎn)率和較低勞動(dòng)成本。為了保持?jǐn)D壓制品的整體性，在擠產(chǎn)率和較低勞動(dòng)成本。為了保持?jǐn)D壓制品的整體性，在擠壓過(guò)程中，塑性變形區(qū)的溫度必須與壓過(guò)程中，塑性變形區(qū)的溫度必須與SiCp/AlSiCp/Al復(fù)合材料塑復(fù)合材料塑性最好的溫度范圍相適應(yīng)。隨著復(fù)合材料壞料及模具預(yù)熱性最好的溫度范圍相適應(yīng)。隨著復(fù)合材料壞料及模具預(yù)熱溫度的升高，擠壓力顯著降低，如表溫度的升高，擠壓力顯著降低，如表5-65-6所示。溫度每升所示。溫度每升高高5050，最大擠壓力降低，最大擠壓力降低101020MPa20MPa。202

29、2年5月27日星期五26（3 3）擠壓比擠壓比 在熱擠壓中，不論是哪種擠壓方式，其最大單位擠壓在熱擠壓中，不論是哪種擠壓方式，其最大單位擠壓力和變形功都是隨變形程度的增加而增大。變形程度可力和變形功都是隨變形程度的增加而增大。變形程度可以采用不同的方法來(lái)表示，采用比較多的是用斷面收縮以采用不同的方法來(lái)表示，采用比較多的是用斷面收縮率率來(lái)表示。來(lái)表示。 表表5-6 SiCp/Al5-6 SiCp/Al復(fù)合材料不同溫度下的最大擠壓力復(fù)合材料不同溫度下的最大擠壓力溫度溫度/350350 400 400 450 450 500 500最大擠壓力最大擠壓力/MPa/MPa 280 280 265 265

30、 248 248 235 235（4 4）擠壓速度）擠壓速度 SiCp/A1SiCp/A1復(fù)合材料由于復(fù)合材料由于SiCSiC顆粒的加入使基體的變形抗力顆粒的加入使基體的變形抗力增加，因此，增加，因此，SiCp/AlSiCp/Al復(fù)合材料的擠壓力比基體要高，容易復(fù)合材料的擠壓力比基體要高，容易產(chǎn)生第一類(lèi)或第二類(lèi)裂紋而使擠壓制品表面發(fā)生碎裂，但可產(chǎn)生第一類(lèi)或第二類(lèi)裂紋而使擠壓制品表面發(fā)生碎裂，但可以通過(guò)降低擠壓速度使過(guò)多的熱量從高溫加工的剪切變形區(qū)以通過(guò)降低擠壓速度使過(guò)多的熱量從高溫加工的剪切變形區(qū)擴(kuò)散出去，使該問(wèn)題得以解決。但是，如果擠壓速度過(guò)低，擴(kuò)散出去，使該問(wèn)題得以解決。但是，如果擠壓速度

31、過(guò)低，則又會(huì)出現(xiàn)第三類(lèi)低速撕裂現(xiàn)象。則又會(huì)出現(xiàn)第三類(lèi)低速撕裂現(xiàn)象。式中，式中，為擠壓前坯料的橫截面積；為擠壓前坯料的橫截面積；F F1 1為擠壓棒材的橫截面積。為擠壓棒材的橫截面積。010 1 0 0FFF （5-8） 2022年5月27日星期五28（5 5）SiCSiC顆粒體積分?jǐn)?shù)顆粒體積分?jǐn)?shù) 圖圖5-35-3是是SiCp/AlSiCp/Al復(fù)合材料經(jīng)過(guò)相同擠壓比復(fù)合材料經(jīng)過(guò)相同擠壓比25:125:1后后SiCSiC顆粒顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)最大擠壓力的影響曲線。從圖中可以看出，最大擠體積分?jǐn)?shù)對(duì)最大擠壓力的影響曲線。從圖中可以看出，最大擠壓力隨著壓力隨著SiCSiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。顆粒體積

32、分?jǐn)?shù)的增加而增加。 圖圖 5 53 3 復(fù)合材料中復(fù)合材料中SiCSiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)對(duì)最大擠壓力的影響顆粒的體積分?jǐn)?shù)對(duì)最大擠壓力的影響2022年5月27日星期五29(6)(6)熱擠壓對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料組織和性能的影響熱擠壓對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料組織和性能的影響在擠壓過(guò)程，金屬基復(fù)合材料的顯微組織除了會(huì)發(fā)生纖維在擠壓過(guò)程，金屬基復(fù)合材料的顯微組織除了會(huì)發(fā)生纖維斷裂外，在某些情況下還會(huì)形成平行于擠壓方向的斷裂外，在某些情況下還會(huì)形成平行于擠壓方向的“陶瓷富陶瓷富集帶集帶”(Ceramic Enriched Bands)(Ceramic Enriched Bands)，如圖，如圖5-45-4所

33、示。所示。 圖圖5-4 5-4 擠壓形成的顆粒富集帶擠壓形成的顆粒富集帶2022年5月27日星期五305.2.5 5.2.5 金屬基復(fù)合材料的蠕變性能金屬基復(fù)合材料的蠕變性能金屬基復(fù)合材料具有良好的高溫性能。金屬基復(fù)合材料與其基體相比通常具有較高的應(yīng)力指數(shù)、蠕變激活能和蠕變抗力。采用彌散強(qiáng)化合金蠕變引入的門(mén)檻應(yīng)力來(lái)解釋金屬基復(fù)合材料高應(yīng)力指數(shù)、蠕變激活能的原因。這樣，蠕變方程可表示為：)exp(/ )(0RTQEAcn（5-95-9） 式中，為蠕變速率；A為常數(shù)；-0為門(mén)檻應(yīng)力；E為與溫度有關(guān)的彈性模量；為蠕變激活能；n為真應(yīng)力指數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。 表5-7列出了一些復(fù)合材料的蠕

34、變數(shù)據(jù)。2022年5月27日星期五31表表5-7 5-7 金屬基復(fù)合材料的蠕變數(shù)據(jù)金屬基復(fù)合材料的蠕變數(shù)據(jù)復(fù)合材料復(fù)合材料溫度溫度/K/K應(yīng)力指數(shù)應(yīng)力指數(shù)n n蠕變激活能蠕變激活能/kJ/kJmolmol-1-12020SiCSiCp p/21241Al/21241Al5735737237239.59.54004001515SiCSiCp p/6061Al/6061Al57357318.718.73030SiCSiCp p/6061Al/6061Al3453454054057.47.4270270（30MP30MP）494494（12MP12MP）SiCSiCp p（20m20m）/Al/Al

35、SiCSiCp p（10m10m）/Al/AlSiCSiCp p（3.5m3.5m）/Al/Al57357367367321.321.319.919.921.221.218.318.326.126.124.424.42532532562562612611 1SiSi3 3N N4 4/Al/Al2%Si2%Si3 3N N4 4/Al/Al57357367367316.516.513.413.416.016.015.515.522122125925910%TiC10%TiCp p/Ti-/Ti-6Al-4V6Al-4V20%TiC20%TiCp p/Ti-/Ti-6Al-4V6Al-4V823

36、8239239232.882.882.962.962742742822822022年5月27日星期五325.2.6 非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的超塑性金屬基復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能，然而其機(jī)械加工性能較差，這限制了其應(yīng)用和發(fā)展。應(yīng)用近終形（near- net shape)成型技術(shù)的關(guān)鍵是超塑性變形。在超塑性變形過(guò)程，應(yīng)變速率通常表達(dá)為： npEdbKTDEbA0 （5-10） 式中，為柏氏矢量；D為相關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)； E為彈性模量；K為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)測(cè)試溫度； d為晶粒尺寸；p為晶粒尺寸指數(shù)；為流變應(yīng)力； 0為門(mén)檻應(yīng)力；n為應(yīng)力指數(shù)；A為幾何常數(shù)。2022年5月27日星期五33又稱(chēng)為轉(zhuǎn)變

37、超塑性或又稱(chēng)為轉(zhuǎn)變超塑性或變態(tài)超塑性。是材料變態(tài)超塑性。是材料在變動(dòng)頻繁的溫度環(huán)在變動(dòng)頻繁的溫度環(huán)境下受應(yīng)力作用時(shí)經(jīng)境下受應(yīng)力作用時(shí)經(jīng)多次循環(huán)相變或同素多次循環(huán)相變或同素異形轉(zhuǎn)變而得到的很異形轉(zhuǎn)變而得到的很大的變形量大的變形量又稱(chēng)細(xì)晶超塑性或恒溫又稱(chēng)細(xì)晶超塑性或恒溫超塑性。指材料晶粒通超塑性。指材料晶粒通過(guò)細(xì)化、超細(xì)化和等軸過(guò)細(xì)化、超細(xì)化和等軸化，在變形期間保持穩(wěn)化，在變形期間保持穩(wěn)定，在一定變形溫度區(qū)定，在一定變形溫度區(qū)間（間（T0.5TmT0.5Tm）和一定）和一定變形速度條件下變形速度條件下( (應(yīng)變應(yīng)變速率在速率在10-410-410-110-1之間之間) )所呈現(xiàn)出的超塑性。所呈現(xiàn)出

38、的超塑性。其他超塑性主要包括其他超塑性主要包括短暫超塑性、相變誘短暫超塑性、相變誘發(fā)超塑性以及消除應(yīng)發(fā)超塑性以及消除應(yīng)力退火過(guò)程中，應(yīng)力力退火過(guò)程中，應(yīng)力作用下積蓄在材料內(nèi)作用下積蓄在材料內(nèi)能量釋放獲得的超塑能量釋放獲得的超塑性性按實(shí)現(xiàn)超塑性的條件分類(lèi)按實(shí)現(xiàn)超塑性的條件分類(lèi)組織組織超塑性超塑性相變相變超塑性超塑性其他其他超塑性超塑性2022年5月27日星期五34超塑性變形過(guò)程中組織變化有以下特點(diǎn)超塑性變形過(guò)程中組織變化有以下特點(diǎn): :1 12 23 34 4晶粒形晶粒形狀與尺狀與尺寸的變寸的變化化晶粒的晶粒的滑動(dòng)、滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)和換位換位晶粒晶粒折皺折皺帶帶位錯(cuò)位錯(cuò)5 5空洞空洞2022年5

39、月27日星期五35另一類(lèi)為沿晶界，特別另一類(lèi)為沿晶界，特別是相界產(chǎn)生的圓形空洞是相界產(chǎn)生的圓形空洞或或O O形空洞，它們的形形空洞，它們的形狀多半接近團(tuán)或橢圓。狀多半接近團(tuán)或橢圓。這類(lèi)空洞可以看作是過(guò)這類(lèi)空洞可以看作是過(guò)飽和的空位晶界（或相飽和的空位晶界（或相界）匯流、聚集（沉淀）界）匯流、聚集（沉淀）而形成的。而形成的。 一類(lèi)為產(chǎn)生于三晶一類(lèi)為產(chǎn)生于三晶粒交界處的楔形空洞粒交界處的楔形空洞或或V V形空洞，這類(lèi)空洞形空洞，這類(lèi)空洞是由于應(yīng)力集中產(chǎn)生是由于應(yīng)力集中產(chǎn)生的的按照空洞按照空洞形狀分類(lèi)形狀分類(lèi)2022年5月27日星期五36 空洞形核有兩種觀點(diǎn)：一為復(fù)合材料變形前就存在，或者為超塑性變

40、形的晶界滑移過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一定的應(yīng)變最后在界面上形成的。Stroh運(yùn)用Zener的假設(shè)（在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生晶界滑動(dòng)時(shí)，在三叉晶界處產(chǎn)生裂紋）提出的空洞形核條件如下： LG122（5-11） 式中，為剪切力；為空洞的表面能；L為滑動(dòng)晶面長(zhǎng)度（相當(dāng)于晶界凸起之間距離或晶界粒子之間距離）；G為剪切模量。 2022年5月27日星期五37在超塑性變形過(guò)程中，隨著晶界滑移的進(jìn)行，由于顆粒與基體的彈性模量等物理性能不同，以及硬顆粒對(duì)滑移的阻礙作用必將產(chǎn)生界面應(yīng)力集中，特別對(duì)尺寸較大的顆粒，這些界面應(yīng)力難以釋放，因此，顆粒，基體的界面成為空洞優(yōu)先形核位置。極限顆粒尺寸可由下式表示： 3/1/KTDgb（5-1

41、2） 式中，為原子體積；為流變應(yīng)力；為邊界擴(kuò)散；K為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；為應(yīng)變速率。當(dāng)顆粒尺寸小于時(shí)空洞的生成是有限的，反之，將引起明顯的空洞生成擴(kuò)散。2022年5月27日星期五38式中， 為原子體積；gb為晶界寬度；gb晶界擴(kuò)散系數(shù)；r為空洞半徑；為表面能; 為流動(dòng)應(yīng)力；為熱力學(xué)溫度；為應(yīng)變速率；為玻爾茲曼常數(shù)；為考慮空洞尺寸與間距的系數(shù)，其值為：/23/21 2/ln4122rrr（5-14） 式中， 為空洞之間的距離。2022年5月27日星期五39為零應(yīng)變時(shí)的空洞量，空洞生長(zhǎng)速率指數(shù)即為曲線的斜率。 應(yīng)變速率敏感指數(shù)（m值）是超塑性變形時(shí)的一個(gè)重要特征量，它受變形速率、變形溫度

42、和組織結(jié)構(gòu)等因素的影響。長(zhǎng)期以來(lái)，為了便于使用一直將應(yīng)變速率敏感指數(shù)作為給定變形條件下的常數(shù)。Stowell以不變的應(yīng)變速率敏感指數(shù)為基礎(chǔ)提出了空洞受基體塑性變形控制長(zhǎng)大的一個(gè)模型： 空洞體積分?jǐn)?shù)與應(yīng)變之間存在指數(shù)關(guān)系：expovvCC （5-15） vvvfddf/（5-16） 2022年5月27日星期五40PillingPilling給出了給出了v v的計(jì)算式為：的計(jì)算式為：1 12 23 34 4通過(guò)改變材料通過(guò)改變材料的成分、組成的成分、組成和組織等內(nèi)在和組織等內(nèi)在因素，抑制空因素，抑制空洞的形成與長(zhǎng)洞的形成與長(zhǎng)大大通過(guò)預(yù)先熱通過(guò)預(yù)先熱處理可獲得處理可獲得極細(xì)的晶粒極細(xì)的晶粒度并抑制空

43、度并抑制空洞的形核和洞的形核和長(zhǎng)大長(zhǎng)大通過(guò)變形通過(guò)變形后的退火后的退火處理，減處理，減少空洞少空洞通過(guò)變形通過(guò)變形后的熱等后的熱等靜壓壓實(shí)靜壓壓實(shí)使空洞減使空洞減少或根除少或根除svKmmmm31222sinh1（5-17） s=12, 抑制與減少空洞的措施抑制與減少空洞的措施2022年5月27日星期五41式中，0=() B，它與均為材料特性常數(shù)，可通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)確定，它不僅適用于比例加載情況，也適用于非比例加載情況。只要在單向拉伸時(shí)確定了材料特性常數(shù)o和1，就可確定在任意加載路徑下超塑性變形后損失變量值。圖5-5為空洞形成示意圖。 對(duì)超塑性材料而言，下面的方程式就是超塑性變形時(shí)材料的損失演

44、變方程： pBemBempBBpemdpBdpBdpBD00001111)exp()exp()()exp(（5-18） 2022年5月27日星期五42圖圖5-5 5-5 空洞形成示意圖空洞形成示意圖 表5-8和表5-9分別給出了鋁、鎂、鋅和鈦基復(fù)合材料超塑變形性能。2022年5月27日星期五43表表5-85-8鋁基復(fù)合材料的超塑變形性能鋁基復(fù)合材料的超塑變形性能2022年5月27日星期五44表表5-9 5-9 鎂鎂 、鋅、鋅、 鈦基復(fù)合材料的超塑變形性能鈦基復(fù)合材料的超塑變形性能2022年5月27日星期五455.35.3連接連接 本節(jié)對(duì)目前用于MMCs 的各種連接技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)地總結(jié)，這些技術(shù)

45、包括熔融焊接(鎢和惰性氣體焊接、電子和激光束焊接、接觸電阻焊接、電容放電焊接、等離子體焊接) 、固相連接（擴(kuò)散連接、摩擦焊接和磁勵(lì)電弧對(duì)接）、釬焊和膠粘、等離子噴涂連接、快速紅外連接, 對(duì)各種技術(shù)的工藝特點(diǎn)、使用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。這些方法都可以用于連接MMCs工件，但要使這些帶有接頭的MMCs工件在實(shí)際中應(yīng)用，還有一些問(wèn)題需要解決。 2022年5月27日星期五465.3.1 應(yīng)用于MMCs 的常規(guī)連接技術(shù)目前在MMCs 的熔融焊接方面的研究工作相對(duì)多一些, 這些工作研究結(jié)果表明, 各種熔融焊接方法可以用于MMCs , 但是效果不夠理想, 特別是對(duì)于鋁基MMCs , 還存在著一系列的問(wèn)

46、題需要解決, 主要有:(1)常規(guī)的熔融焊接需要在高溫下進(jìn)行,而高溫會(huì)引起復(fù)合材料基體與加強(qiáng)物界面上的化學(xué)反應(yīng),；(2)常規(guī)的熔融焊接加工MMCs，當(dāng)基體被加熱到熔點(diǎn)以上融化時(shí)，加強(qiáng)物仍然保持固態(tài)，因此熔池粘滯性很高，基體與增強(qiáng)物很難融合，在焊池的冷卻過(guò)程中會(huì)發(fā)生加強(qiáng)物的剝離；(3)如果MMCs采用粉末冶金法制造，閉塞在材料里的氣體會(huì)在焊池凝固時(shí)沖出，導(dǎo)致大量的氣孔在焊池和熱影響區(qū)(HAZ) 形成。 圖5-6為Duralcon公司用氬弧焊接SiCp/Al復(fù)合材料傳動(dòng)軸的照片，以及焊成的自行車(chē)架。 2022年5月27日星期五47圖圖5-6 Duralcon5-6 Duralcon公司氬弧焊接的公司

47、氬弧焊接的SiCp/AlSiCp/Al復(fù)合材料傳動(dòng)軸（復(fù)合材料傳動(dòng)軸（a a）以及自行車(chē)架）以及自行車(chē)架(b)(b)2022年5月27日星期五48TIGTIG法是在惰性氣體保護(hù)法是在惰性氣體保護(hù)下，鎢電極和焊接工件間下，鎢電極和焊接工件間產(chǎn)生電弧使工件局部熔化產(chǎn)生電弧使工件局部熔化連接在一起連接在一起, , 必要時(shí)可添必要時(shí)可添加焊料。加焊料。1 1 鎢極惰氣保護(hù)焊接鎢極惰氣保護(hù)焊接(TIG(TIG） MIGMIG法是把小直徑電極絲法是把小直徑電極絲放在焊接工件處放在焊接工件處, ,電極絲電極絲與工件之間產(chǎn)生電弧使工與工件之間產(chǎn)生電弧使工件熔化件熔化, , 為了保護(hù)熔融的為了保護(hù)熔融的高溫材料

48、高溫材料, , 需在電極絲需在電極絲周?chē)ㄈ攵栊詺怏w。周?chē)ㄈ攵栊詺怏w。2 2 金屬極惰氣保護(hù)焊接金屬極惰氣保護(hù)焊接(MIG)(MIG)EBW EBW 是在真空條件下是在真空條件下, , 將將陰極發(fā)生的電子束通過(guò)正陰極發(fā)生的電子束通過(guò)正電壓加速然后用磁透鏡聚電壓加速然后用磁透鏡聚焦在工件表面焦在工件表面, , 電子束撞電子束撞擊焊接材料表面產(chǎn)生熱量擊焊接材料表面產(chǎn)生熱量使工件熔融焊接在一起。使工件熔融焊接在一起。3 3 電子束焊接電子束焊接(EBW)(EBW)采用光學(xué)透鏡聚焦采用光學(xué)透鏡聚焦, , 高高能量密度的激光束與工能量密度的激光束與工件表面相互作用產(chǎn)生耦件表面相互作用產(chǎn)生耦合效應(yīng)使合效

49、應(yīng)使MMCs MMCs 熔融焊熔融焊接在一起。接在一起。4 4 激光束焊接激光束焊接(LBW)(LBW)接觸電阻法是利用焊接材接觸電阻法是利用焊接材料之間的電阻料之間的電阻, , 通入外接通入外接電流產(chǎn)生熱量完成電流產(chǎn)生熱量完成MMCs MMCs 的焊接。的焊接。5 5 接觸電阻焊接接觸電阻焊接電容放電焊接是把存在大電容放電焊接是把存在大容量電容中的電能快速釋容量電容中的電能快速釋放出來(lái)熔融工件使其焊接。放出來(lái)熔融工件使其焊接。6 6 電容放電焊接電容放電焊接等離子體焊接是把等離子等離子體焊接是把等離子氣體通在鎢電極周?chē)纬蓺怏w通在鎢電極周?chē)纬傻入x子電弧熔化等離子電弧熔化MMCs MMCs

50、使使其焊接在一起其焊接在一起, , 焊接時(shí)也焊接時(shí)也需通入保護(hù)氣體。需通入保護(hù)氣體。熔融焊接主熔融焊接主要有以下要有以下幾類(lèi)：幾類(lèi)：6 6 電容放電焊接電容放電焊接7 7 等離子體焊接等離子體焊接2022年5月27日星期五491 .1 .擴(kuò)散連接擴(kuò)散連接擴(kuò)散粘結(jié)主要指固相擴(kuò)散連接(SSDB) 和過(guò)渡液相連接( TL PDB) 兩種方法。SSDB 方法是在連接工件上加一個(gè)小載荷, 然后在保護(hù)氣氛下或真空中升溫使工件發(fā)生微變形并連接在一起。 TL PDB 是將一個(gè)金屬薄片置于連接工件間，對(duì)于鋁基MMCs一般用銅、鋅和銀箔, 加熱工件至銅(鋅、銀)、鋁的共晶溫度形成共晶, 使MMCs 粘結(jié)在一起。5

51、.3.1.2 5.3.1.2 固相連接固相連接2022年5月27日星期五502 2 摩擦焊接摩擦焊接 摩擦焊接是通過(guò)兩個(gè)工件相對(duì)摩擦產(chǎn)生熱量使工件結(jié)合。一般是一個(gè)工件固定在軸上, 另一個(gè)繞其旋轉(zhuǎn), 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后, 停止旋轉(zhuǎn)并加載使工件接合在一起。3 3 磁勵(lì)電弧對(duì)焊磁勵(lì)電弧對(duì)焊(MIAB) (MIAB) MIAB 焊接是電弧在放射性磁場(chǎng)作用下繞管形工件的端部快速轉(zhuǎn)動(dòng), 產(chǎn)生熱量使工件連接, 接頭再經(jīng)過(guò)鍛造完成焊接。焊接時(shí)需在管形工件內(nèi)通入氬或Ar-5H2 保護(hù)氣體。MIAB 法用于加工直徑25mm、壁厚2 mm 的2124-T4/25SiCp 復(fù)合材料管材時(shí), 效果較為理想, 但沒(méi)有機(jī)械性能

52、方面的測(cè)試數(shù)據(jù)。2022年5月27日星期五515.3.1.3 5.3.1.3 釬焊釬焊 釬焊與熔融焊接不同, 它不必熔化MMCs 的基體材料, 因此不存在基體與加強(qiáng)物的反應(yīng), 加強(qiáng)物的破壞大大減少。用釬焊方法焊接MMCs 時(shí)焊料的選擇和溫度的控制很重要, 如釬焊6061/ 50B 時(shí)采用Al2Si 焊料, 會(huì)有Si 析出在晶界上, 導(dǎo)致工作切向強(qiáng)度降低, 而采用Al2CuZn 焊料(熔點(diǎn)380) 不會(huì)發(fā)生這個(gè)問(wèn)題。5.3.1.4 5.3.1.4 膠粘膠粘 膠粘是目前人們較為關(guān)注的MMCs 連接方法, 連接過(guò)程中MMCs 不承受外加熱循環(huán), 但連接前需進(jìn)行表面預(yù)處理。膠粘的效果與粘結(jié)劑、表面預(yù)處

53、理方法密切相關(guān), 粘結(jié)劑主要有環(huán)氧樹(shù)脂(epoxy) 和聚丙烯(acrylic) , 表面熱處理方法包括表面刻劃、陽(yáng)極氧化、表面磷酸處理等。2022年5月27日星期五525.3.2 5.3.2 各種常規(guī)各種常規(guī)MMCsMMCs連接技術(shù)的特點(diǎn)與比較連接技術(shù)的特點(diǎn)與比較 熔融焊接的缺點(diǎn)是加強(qiáng)物與基體間發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 焊池粘滯性高, 在凝固過(guò)程中發(fā)生加強(qiáng)物顆粒剝離, 這些問(wèn)題可以通過(guò)控制熱循環(huán)速度和熱量輸入來(lái)解決。另一方面, 也可以通過(guò)添加焊料把合金化元素加入到焊池中來(lái)解決, 。 固相連接尤其是摩擦焊接在MMCs的焊接方面具有很大潛力, 由于是低溫操作, 界面反應(yīng)被抑制, 熔融焊池的粘滯性降低, 但

54、在產(chǎn)生摩擦過(guò)程中需要移動(dòng)工件, 摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)引起表面加強(qiáng)顆粒或加強(qiáng)纖維的破碎。擴(kuò)散連接法用于MMCs 效果也較好, 但在兩連接工件間需添加中間層。與熔融焊接方法相比, 固相連接更適合于MMCs。 釬焊法的優(yōu)點(diǎn)是不破壞MMCs 材料, 接頭強(qiáng)度可達(dá)到焊接基底材料的80 %90 % , 應(yīng)該再度得到人們的注意。 膠粘法的特點(diǎn)是不需要在MMCs 上外加熱循環(huán), 可在室溫條件下操作, 但關(guān)于該方法的研究十分有限, 尚需進(jìn)一步的工作, 重點(diǎn)在優(yōu)化表面處理方法以延長(zhǎng)接頭的壽命。 各種常規(guī)MMCs 連接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)具體見(jiàn)表5-11。2022年5月27日星期五53表表5-11 常規(guī)常規(guī)MMCs連接技術(shù)

55、及其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)連接技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)工藝方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)熔融焊接鎢極惰氣保護(hù)焊接在焊接時(shí)可使用金屬焊料以減少Al/SiC 復(fù)合材料中Al3C4的產(chǎn)生, 增加Al/SiC 復(fù)合材料中加強(qiáng)粒子的濕潤(rùn)性在Al/SiC 復(fù)合材料中會(huì)產(chǎn)生Al3C4 ,當(dāng)使用金屬焊料時(shí)焊接強(qiáng)度降低金屬惰氣保護(hù)焊接在焊接時(shí)可使用金屬焊料以減少Al/SiC 復(fù)合材料中Al3C4的產(chǎn)生, 增加Al/SiC 復(fù)合材料中加強(qiáng)粒子的濕潤(rùn)性在Al/SiC 復(fù)合材料中會(huì)產(chǎn)生Al3C4 ,當(dāng)使用金屬焊料時(shí)焊接強(qiáng)度降低電子束焊接在真空環(huán)境中可高速焊接在Al/SiC 復(fù)合材料中會(huì)產(chǎn)生Al3C4 ,焊接需要在真空環(huán)境下進(jìn)行激光束焊接不需要真空環(huán)境即

56、可高速焊接在Al/SiC 復(fù)合材料中會(huì)產(chǎn)生Al3C4 ,焊接需要有保護(hù)氣體接觸電阻焊接可高速焊接有可能產(chǎn)生加強(qiáng)顆粒偏析,對(duì)焊接工件的幾何形狀有限制固相連接擴(kuò)散連接為了提高連接性能可使用中間層不發(fā)生顆粒2基體間反應(yīng)過(guò)量擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致連接性能下降過(guò)渡液相擴(kuò)散連接為了提高連接性能可使用中間層,不發(fā)生顆粒-基體間反應(yīng)有可能形成有害的金屬間化合物;工作效率低; 價(jià)格昂貴摩擦焊接不發(fā)生顆粒-基體間反應(yīng); 在熱處理后可達(dá)到很高的連接強(qiáng)度; 適于連接兩種不同的材料需去除毛刺磁勵(lì)電弧對(duì)頭焊接適于連接管形工件只能焊接限定形狀的工件; 焊接后需對(duì)焊接部位進(jìn)行處理(內(nèi)部和外部)釬焊可用于連接兩種不同的材料焊接需要惰性氣體

57、或真空環(huán)境膠粘連接加工時(shí)所需溫度相對(duì)較低為獲得較高強(qiáng)度需表面預(yù)處理2022年5月27日星期五545.3.3 5.3.3 新型新型MMCs MMCs 連接技術(shù)連接技術(shù)5.3.3.1 等離子噴涂法 等離子噴涂技術(shù)是一種非常適于MMCs連接的新技術(shù)，噴涂過(guò)程熱輸入非常小，焊接基底材料不發(fā)生熔化,因此, 接縫處幾乎沒(méi)有脆性Al3C4 相、孔洞以及HAZ 區(qū)的形成, 如果選擇合適的噴涂粉末、在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下, 接縫處的機(jī)械性能可達(dá)到與焊接的基底復(fù)合材料接近的水平。等離子噴涂技術(shù)的工藝過(guò)程示意圖見(jiàn)圖5-7。2022年5月27日星期五551.噴涂前的預(yù)熱處理和噴涂后的加強(qiáng)處理 噴涂連接MMCs 接頭的拉伸

58、強(qiáng)度測(cè)試表明,焊接基底材料的預(yù)熱處理十分必要, 它可以防止熱噴涂后材料迅速冷卻, 降低基底與熱噴涂材料之間熱脹冷縮的差別, 降低焊接基底材料的濕度, 防止熔融的噴涂金屬顆粒與基底材料牢固粘結(jié)。 圖圖5-7MMCs 的等離子噴涂連接工藝示意圖的等離子噴涂連接工藝示意圖 2022年5月27日星期五562.噴涂參數(shù)與噴涂粉末的選擇 噴涂參數(shù)主要包括噴涂距離、噴涂坡口角度、噴涂槍的移動(dòng)速度等, 研究表明: 噴涂距離及坡口角度對(duì)于噴涂接頭的強(qiáng)度影響較大, 見(jiàn)圖5-8、5-9。坡口角度越大, 接頭的粘結(jié)強(qiáng)度越大, 原因在于隨坡口角度增大, 顆粒撞擊力增大, 從而沉積涂層的孔洞數(shù)量減少, 一般坡口角度選擇1

59、30, 噴涂距離選擇95 mm。 2022年5月27日星期五57圖圖5-8坡口角度對(duì)等離子噴涂接頭坡口角度對(duì)等離子噴涂接頭UTS 的影響的影響噴涂粉末噴涂粉末: 熱處理熱處理2014Al/15%SiCp Osprey 粉末粉末基底基底: 6061Al/ SiCp ; 預(yù)熱溫度預(yù)熱溫度: 200 噴涂距離噴涂距離: 95 mm 圖圖5-9噴涂距離對(duì)等離子噴涂接頭噴涂距離對(duì)等離子噴涂接頭UTS 的影響的影響 噴涂粉末噴涂粉末: 熱處理熱處理2014Al/ 15 %SiCp Osprey 粉末粉末 基底基底: 6061Al/ SiCp ; 預(yù)熱溫度預(yù)熱溫度: 200 ; 噴涂距離噴涂距離: 95 m

60、m 2022年5月27日星期五585.3.3.2 5.3.3.2 快速紅外連接法快速紅外連接法(RIJ )(RIJ )快速紅外連接法可用于鈦基復(fù)合材料SCS-6121S , 21S是Ti-15Mo-2. 7Nb-3Al-0. 25Si %, 加強(qiáng)纖維為147m的SiCf , 表面有厚度為3m 的富碳涂層。焊料是厚度為17m 的METGLAS 釬焊箔5003 , 成分為T(mén)i-15Cu-15Ni %。首先將放置好焊料的鈦基MMCs樣品置入紅外爐中, 通過(guò)碳螺絲固定。連接過(guò)程不需要附加壓力, 加工溫度通過(guò)接頭處的鎳鉻2鎳鋁合金熱電偶控制, 在熱循環(huán)之前以及整個(gè)加工過(guò)程中均需通入氬氣至加熱室防止氧化,