復(fù)合材料學之五

5金屬基復(fù)合材料的制法及特性1概述制造金屬基復(fù)合材料時必須注意的問題：1）纖維與基體金屬的潤濕性、結(jié)合性和反應(yīng)性，即相容性問題。2）纖維分布狀態(tài)的控制。3）制造過程中纖維因熱學、力學方面的原因造成的損傷和劣化。4）纖維和基體金屬的膨脹及制造時承受的殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。5）纖維質(zhì)量的穩(wěn)定性。6）適于工業(yè)化生產(chǎn)，便于質(zhì)量控制的制造方法。增強處理的預(yù)處理1）纖維制品往往不是單纖維，而是呈束或紗狀，還有呈織物狀的，也有短纖維或晶須狀的，應(yīng)根據(jù)使用目的選擇下的狀態(tài)。2）有的纖維或顆?；蚨汤w維可以直接與金屬復(fù)合成型，有的則需要改善兩者的潤濕性和結(jié)合性，控制界面反應(yīng)，故要對纖維進行表面處理。3）為了保證纖維的有序排布，要把纖維與基體金屬做成預(yù)制帶或預(yù)浸線，然后再根據(jù)使用要求進行裁剪、層合、制成預(yù)成形體。4）對于短纖維、晶須合顆粒增強材料，還必須解決如何加入及防止它們在金屬液中上浮、下沉或凝聚等問題，使其能在基體金屬中均勻分布。經(jīng)過以上預(yù)處理后才能復(fù)合成形。2纖維增強金屬基復(fù)合材料的復(fù)合成形1）預(yù)制帶的制作在纖維增強復(fù)合材料的制造中往往先制成預(yù)制帶，再根據(jù)需要的纖維排列方向和分布狀態(tài)，再把預(yù)制帶按纖維的取向和規(guī)定的厚度進行層合、加溫加壓成形制成預(yù)成形體，其優(yōu)點：可以自由改變層合的方法得到所希望的性能。預(yù)制帶包括：半固化帶、噴涂帶、PVD帶和單層帶半固化帶：用于較粗纖維增強如B/Al復(fù)合材料制造，把硼纖維以一定間隔單向排列再鋁箔上，再用樹脂固定單層帶是在金屬箔上開槽，把纖維下到槽里，再再上面放同樣的金屬箔，它是一種有纖維夾層的金屬箔。噴涂帶是用噴涂金屬將排布好的纖維固定在金屬箔上，粗纖維和細纖維都行。2）預(yù)浸線的制作預(yù)浸線是將纖維束通過金屬液，使金屬液滲到纖維之間，然后擠出多余的金屬液并同時進行固化而制成。右圖為連續(xù)擠拉法制造預(yù)浸線的示意圖，這種方法已被用于SiC纖維與Al的預(yù)浸線的連續(xù)制造上。除熔浸連續(xù)擠拉，還可以采用電鍍法、真空沉積法制備預(yù)制帶和預(yù)浸線是用固相擴散結(jié)合法和液相法制造復(fù)合材料過程的中間制品，它可以直接使用，也可以先做成預(yù)成體后再用于復(fù)合材料的成形。3）增強纖維的排布方式及形態(tài)增強纖維的排布形態(tài)總的來說可以分為：單向排布、二維排布及三維排布。將預(yù)制帶層合或纖維、預(yù)浸線按要求的排布形態(tài)編好即可制成預(yù)成形體，制成預(yù)成形體后，還要經(jīng)過復(fù)合成形的過程才能制成復(fù)合材料制品。復(fù)合成形有兩種方法：固態(tài)復(fù)合成形（固相擴散結(jié)合法）液態(tài)復(fù)合成形（熔融金屬浸滲法）3固相擴散結(jié)合法1）擴散粘結(jié)：也稱擴散焊接，是再塑性變形不大時，利用接觸部位的原子再高溫下相互擴散而使纖維和基體金屬結(jié)合在一起的。常用的技術(shù)有：A熱壓法：把預(yù)成形層合體在真空或惰性氣體中加熱、加壓而復(fù)合的方法。如B/Al復(fù)合材料的加熱溫度：773K，加壓10～70MPa，保壓時間0.5~1.5h。B熱等靜壓（HIP）法把預(yù)成形體密封在模盒中，再放在高溫高壓的壓力釜里復(fù)合成形的方法。因為加的壓力是靜壓，可以用簡單的模、夾具就能壓出復(fù)雜形狀的部件，與熱壓法相比，它可以進行大型部件的復(fù)合成形，如直升飛機的部件。航天飛機上應(yīng)用的B/Al復(fù)合材料的管狀桁架就是這種方法做的。一架航天飛機用243根B/Al復(fù)合材料的管狀桁架，它的重量只是高強度鋁合金桁架的44％。2）形變壓力加工A熱軋：直接把纖維盒金屬箔材熱軋成復(fù)合材料，也可以把半固化帶、噴涂帶夾在不銹鋼板中熱軋。B熱拔：熱拔時可以基體金屬的塑性變形控制得比較小，而且在拉拔中纖維主要受拉，幾乎沒有彎曲應(yīng)力，可以避免纖維的斷裂盒界面剝離。下圖是熱拔法制造C/Al復(fù)合材料的示意圖，拉拔溫度應(yīng)取在基體金屬的固相線上下，由于這時基體金屬的塑性變形阻力很小，可將纖維的機械損傷控制在最小的限度。C擠壓法：用于加工連續(xù)纖維增強復(fù)合材料時，基體金屬的塑性變形會使纖維與基體的界面承受彎曲應(yīng)力，容易造成界面剝離和纖維破斷。但是，對于短纖維、晶須和顆粒隨機分布的復(fù)合材料，熱擠壓加工時，纖維能隨基體金屬塑性流動，并按擠出方向排布，即使產(chǎn)生彎曲應(yīng)力而使纖維破斷，如果纖維的縱橫比在臨界縱橫比以上，就能保持纖維的增強效果。用掃描電鏡觀察SiC/Al擠壓復(fù)合材料，證實了碳化硅晶須按擠出方向排布的。用氧化鋁短纖維與鋁合金在773K擠壓出的復(fù)合材料，在體積分數(shù)為30％時，抗拉強度為421MPa，是基體強度的2倍。4爆炸焊接

利用炸藥爆炸的能量把兩層或兩層以上的金屬板或者預(yù)制帶結(jié)合在一起的一種加工方法。主要用于金屬層合板和金屬纖維增強金屬復(fù)合材料特點：1）結(jié)合力大2）能使其它方法無法結(jié)合的異種金屬結(jié)合在一起3）與焊接法相比，受到熱影響的區(qū)域小。4）可進行多達幾十層層合材料的加工。3熔融金屬浸滲法（液相復(fù)合成形法）熔浸法要求纖維熱力學穩(wěn)定或者經(jīng)表面穩(wěn)定處理，并且與金屬液的潤濕性良好。熔浸法有：大氣壓力下熔浸、真空熔浸、加壓熔浸和組合熔浸法。大氣壓力下連續(xù)熔浸：可以制造棒材、管材、板材以及復(fù)雜形狀的型材惰性氣體保護下熔浸，防止氧化。液體鑄造法：真空鑄造連續(xù)纖維繞線－粘結(jié)或半固化－預(yù)成形體－放入鑄模中－加熱500度除粘結(jié)劑－浸入液體－凝固－脫模高壓凝固鑄造：1）加壓后凝固，又叫擠壓鑄造、液態(tài)鍛造、鍛鑄法高壓凝固鑄造：2）把纖維或顆粒的預(yù)成形體預(yù)熱到金屬的凝固點以上放入鑄型內(nèi)，澆注后用壓頭加壓把金屬液壓入預(yù)成形體的間隙內(nèi)，保壓直到凝固完成。高壓鑄造法制造金屬基復(fù)合材料（MMC）的優(yōu)點：1）可以制造較復(fù)雜的異型的MMC零件2）由于金屬是處在熔融狀態(tài)下與纖維壓力復(fù)合的，纖維與金屬的結(jié)合十分牢固3）這種制成的復(fù)合材料便于二次加工壓鑄法：在壓力下把金屬液射到鑄模內(nèi)并在壓力下凝固的鑄造方法。5.3分散強化金屬基復(fù)合材料的復(fù)合成形主要方法：1內(nèi)部氧化法1）把鋁在氧化性氣氛的球磨機內(nèi)磨成1微米微粉，微粉的表面形成了氧化鋁膜，將其燒結(jié)擠壓，就成了氧化鋁在鋁中分散的復(fù)合材料。2）把Cu－Al合金用氣體霧化法霧化成粉末，再使內(nèi)部氧化生成氧化鋁粒子，用擠壓法做成制品。2共沉析法用一些在基體金屬或合金熔點附近的高溫下也穩(wěn)定的金屬氧化物粒子，使其分散在基體金屬或合金內(nèi)，在高溫下也有強化效果。如鎳基耐熱合金由于強化粒子均勻析出在基體上而得到良好的耐熱性能，但是在合金熔點附近這些強化相會固溶于基體而使熱強度急劇下降。當使用高溫穩(wěn)定的ThO2和Y2O3作分散粒子時，使它均勻分布在鎳基耐熱合金的基體內(nèi)，就可以提高鎳基耐熱合金的高溫性能。

3）機械合金化

應(yīng)用高性能球磨機，將原料粉末（金屬與金屬、金屬與陶瓷等）按一定比例混合，反復(fù)研磨。由于研磨過程的沖撞、壓軋，使金屬粉末和陶瓷粒子反復(fù)變形、粉碎和“粘合”而合金化和均勻化，再經(jīng)過熱擠壓或熱等靜壓制成復(fù)合材料制品。4）噴射彌散法按分散強化理論，材料的強度隨材料中細小分散粒子含量的增加而提高，固有可能利用均勻細小的非金屬夾雜物來提高材料的強度。如：用氬氣把細小的氧化物粒子強制噴射到金屬型澆注的鋼水流內(nèi)的噴射彌散法。利用噴射彌散法把粒子分散到金屬液中時，理想的粒子應(yīng)是熔點高，氧化物標準生成自由能低、穩(wěn)定性好、剛性系數(shù)大、密度適當?shù)摹Ｈ纾篈l2O3、ZrO2、CeO2、WO3、ThO2、WC、TiC、CaS顆粒增強金屬基復(fù)合材料復(fù)合成形法5.4顆粒增強金屬基復(fù)合材料的成形方法粉末冶金法熱軋法機械合金化法固態(tài)法液態(tài)法重力鑄造法壓鑄法離心鑄造法電磁場鑄造法噴霧鑄造法半固態(tài)復(fù)合鑄造法1）固態(tài)成形法（1）粉末冶金法如典型的WC-Co超硬質(zhì)合金就是用粉末冶金法生產(chǎn)，還有碳化硅－鋁復(fù)合材料（2）熱軋法用熱軋法制造顆粒增強金屬基復(fù)合材料時，可將作為基體的各種金屬粉末等混入作為增強粒子的各種陶瓷顆粒，或?qū)⒎勰┗旌狭隙逊e在Al、低碳鋼或不銹鋼等金屬板材上，在保護性氣氛下加熱，使基體金屬粉末或板材加熱至半熔融狀態(tài)，保溫一定時間后進行軋制，制成既有較高韌性，表面又耐磨、耐熱的表面復(fù)合材料。如：在鋼管中加入鑄鐵粉、碳化硅粉，加熱至半熔融狀態(tài)，軋制，切分成表面復(fù)合材料。2）液態(tài)復(fù)合法：它是將密度與液體金屬不同的顆粒等增強材料直接加入液體金屬進行復(fù)合成形。如Mg/SiC，主要問題：顆粒增強材料的加入和均勻分散（1）顆粒的加入方法A氣流噴入法：將顆粒增強材料用惰性氣體作載體噴入到金屬液中。B在澆注過程中加入金屬流中C塊狀加入：用增強顆粒和基體金屬粉末的混合塊往比重大的金屬液里添加時，不壓入是難以成功的，但可以把鋁粉和Cu或Ni涂覆過的石墨粉末混合物壓成塊加入到Al合金液體內(nèi)。（2)金屬液攪拌法A旋渦法：用葉輪使金屬液旋轉(zhuǎn)形成旋渦，將加入的顆粒及短纖維卷入金屬液內(nèi)。用于10微米以上的顆粒。B回轉(zhuǎn)運動攪拌混合：用攪拌葉片和坩鍋同時回轉(zhuǎn)的方法，可使顆粒在金屬液內(nèi)均勻分布。C超聲攪拌分散法：將顆粒材料等直接加熱到過熱溫度較低的金屬中進行超聲波處理斌緩慢升溫直到顆粒完全分散于金屬液中。D電磁場攪拌法：（3）鑄造成形法A離心鑄造法：將顆粒材料加入到金屬液中，采用離心鑄造方法使相對密度打的顆粒向外側(cè)偏析，相對密度小的向內(nèi)側(cè)偏析，由此可制造出一側(cè)耐磨性或潤滑性優(yōu)良的表面復(fù)合材料。B電磁場鑄造法：利用磁性將金屬液中具有磁性的硬質(zhì)顆粒（如WC）吸引到金屬液表面鑄造成形而制造表面復(fù)合材料的方法。C噴霧鑄軋法它是將金屬液用噴霧法制成畏葸的液滴，同時把顆粒材料卷入噴霧氣流中，和霧花液滴混合后噴射到鑄型內(nèi)的方法。5.3半固態(tài)復(fù)合鑄造半固態(tài)鑄造是將固－液態(tài)金屬或合金漿液鑄造成形的方法。對正在凝固的金屬或合金進行強烈攪拌，雖然隨著溫度的下降合金中固相組分不斷增加，當增加到40～60％甚至更高時，這種合金仍象糊狀漿料一樣，具有良好的流動性，并帶有粘性，即流變性，將其直接壓鑄成形，叫做半固態(tài)流變鑄造或流變鑄造。半固態(tài)觸變成形或鑄造：熔化－制備半固態(tài)漿料－鑄造－再加熱至半固態(tài)（固態(tài)狀態(tài)）－搬運－壓力－凝固成形5.5定向凝固法定向凝固定向結(jié)晶，是使金屬或合金由液相中定向生長晶體的一種方法。用于制造單晶、柱狀晶和自生復(fù)合材料。對于共晶合金，采用定向凝固方法，通過合理控制工藝參數(shù)，可使基體和增強相均勻相間，定向整齊排列。當增強相按凝固方向長成細長的晶須時，就可得到晶須增強復(fù)合材料。這種復(fù)合材料有以下優(yōu)點：1）第二相是在結(jié)晶凝固過程中析出的，兩相界面結(jié)合牢固，界面強度高，利于應(yīng)力傳遞。同時避免了潤濕、化學反應(yīng)和相容性問題。2）由于兩相是在高溫接近熱力學平衡條件下緩慢生長而成，兩界面處于低界面能狀態(tài)，具有良好的熱穩(wěn)定性。3）纖維分布均勻。如：Ni基與碳化物構(gòu)成的共晶合金性能超過常用合金的高溫合金，有“共晶高溫合金”之稱。定向凝固的工藝方法定向凝固的主要工藝參數(shù)：1）凝固過程中固液界面前沿液相中的溫度梯度G2）固液界面向前推進速度，即晶體凝固速度R。G/R是控制晶體長大的重要判據(jù)，應(yīng)使：G/Rm(C-CE)/DT/D式中：m－液相線的斜率C-CE－對共晶成分CE的成分偏差D－液相中溶質(zhì)原子的擴散系數(shù)T－固液共存的溫度范圍定向凝固的方法：發(fā)熱劑法、功率降低法、快速凝固法、液體金屬冷卻法、液體流動床法、