復(fù)合材料制備與加工

復(fù)合材料制備與加工第1頁/共111頁第2頁/共111頁第3頁/共111頁第4頁/共111頁第5頁/共111頁第6頁/共111頁粉末高速鋼粉末熱等靜壓法粉末燒結(jié)法鑄鍛法第7頁/共111頁3.1粉末冶金復(fù)合

粉末冶金（PowderMetallurgy，略為P/M）復(fù)合法適合于分散強(qiáng)化型復(fù)合材料（顆粒、晶須或纖維強(qiáng)化型復(fù)合材料）的制備與成形,其基本原理與工藝過程與常規(guī)的粉末冶金法相同。粉末冶金復(fù)合法包括燒結(jié)成形法（近終形燒結(jié)、或燒結(jié)后直接機(jī)加工成零部件）、燒結(jié)制坯＋塑性加工成形法等。對于顆粒彌散強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料，按照強(qiáng)化顆粒是預(yù)先加入基體粉末之中，還是在燒結(jié)過程中利用高溫下的化學(xué)反應(yīng)獲得的，粉末冶金復(fù)合法又可分為強(qiáng)化顆粒摻入復(fù)合法（常規(guī)復(fù)合法）與原生復(fù)合法。第8頁/共111頁3.1.1粉末冶金復(fù)合法的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：基體金屬（合金）的成份可以自由選擇?？梢圆捎靡恍┲挥胁捎每焖倌谭ú拍苤频玫姆勰┖辖鹱龌w材料。強(qiáng)化顆粒的種類、尺寸可以較自由地選擇,還可以同時(shí)選用幾種不同的顆粒做強(qiáng)化相（多種顆?；祀s強(qiáng)化）。強(qiáng)化顆粒添加量的范圍廣。較容易實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化顆粒的均勻分散（除微細(xì)顆粒）。第9頁/共111頁缺點(diǎn)：

(1)工藝較復(fù)雜,成本高；

(2)固化方法主要采用燒結(jié)、熱壓、擠壓等方法,制品的尺寸與形狀受限制；

(3)除采用原生復(fù)合法外,由于顆粒的凝聚作用,微細(xì)強(qiáng)化顆粒（1m以下）的均勻分散通常很困難，顆粒與基體之間的界面不如鑄造復(fù)合法好（顆粒表面的污染不易被除去而帶入基體中）。第10頁/共111頁3.1.2粉末冶金復(fù)合的工藝過程第11頁/共111頁

(1)原料

基體金屬與強(qiáng)化顆粒均為粉末狀原料。從提高強(qiáng)化效果,增加強(qiáng)化顆粒含量的要求來看,希望基體金屬粉末與強(qiáng)化顆粒越細(xì)越好。但如上所述,顆粒越細(xì),其凝聚性越大,且單位重量(或體積)的顆粒數(shù)迅速增加。所以,要使1m以下的微細(xì)強(qiáng)化顆粒均勻分散于基體之中反而很困難。通常,基體金屬粉末的平均粒度為十幾～數(shù)十m,而強(qiáng)化顆粒的平均粒度為幾～十幾m。第12頁/共111頁

(2)混合

通常采用高能量球磨機(jī)等進(jìn)行混合,這種方法也稱為機(jī)械合金化法（MechanicalAlloying:MA）,是INCO公司的J.S.Benjamin為研制飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用Ni基超合金（Ni-Y2O3）而開發(fā)的。為了防止混合過程中粉末的發(fā)熱、氧化,混合容器的外周采用水冷,而內(nèi)部則通入惰性或還原性氣體進(jìn)行保護(hù)。攪拌輪的轉(zhuǎn)速一般為每分?jǐn)?shù)百轉(zhuǎn),攪拌時(shí)間視基體金屬與強(qiáng)化顆粒的種類、尺寸（粒度）、添加量等而定,在1小時(shí)至數(shù)十小時(shí)之間。第13頁/共111頁(3)壓粉（壓密、壓型）

金屬粉末與強(qiáng)化顆粒均勻混合后,除采用真空熱壓燒結(jié)固化的工藝外,一般均需對粉末混合體進(jìn)行壓密處理,通過壓型?；蚪饘侔踪x予壓粉體以一定的形狀,同時(shí)提高其初始密度。對于在常壓下燒結(jié)直接制取制品的情形,需要施加較高的壓粉壓力,以獲得較高的初始密度,減少后續(xù)燒結(jié)過程中的收縮。(4)脫氣

脫氣處理的目的是為了除去粉末、顆粒表面的水分與吸附氣體,防止燒結(jié)后材料內(nèi)部產(chǎn)生氣孔、松疏等現(xiàn)象。當(dāng)采用熱壓（hotpress）燒結(jié),或直接采用熱塑性變形燒結(jié)時(shí),需要進(jìn)行專門的脫氣處理。當(dāng)采用真空熱壓燒結(jié)時(shí),在真空熱壓機(jī)內(nèi)首先進(jìn)行預(yù)脫氣處理,然后壓密、脫氣、燒結(jié)三者同時(shí)進(jìn)行。第14頁/共111頁(5)壓粉坯的致密化

根據(jù)需要,可在燒結(jié)之前對粉末坯施以冷等靜壓（CIP）處理,或軋制、擠壓變形,以達(dá)到致密化的目的。(6)燒結(jié)燒結(jié)的方式有:常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、真空熱壓燒結(jié)、熱等靜壓（HIP）燒結(jié)、熱塑性變形燒結(jié)等多種方式。由于金屬在燒結(jié)溫度下容易氧化,所以常壓燒結(jié)多在保護(hù)性氣氛下燒結(jié)。從燒結(jié)后的制品性能來看,以熱塑性變形燒結(jié)法最好,熱等靜壓法次之,常壓燒結(jié)最差。塑性變形（擠壓、鍛造、軋制）可以破壞粉末表面的氧化膜,壓合材料內(nèi)部的孔隙,有利于燒結(jié)的進(jìn)行,提高其致密度與性能。第15頁/共111頁

(7)塑性加工

塑性加工又稱為二次加工。金屬基復(fù)合材料的特點(diǎn)之一,是在熱加工溫度條件下具有較好的變形性能。塑性加工的目的之一,是如上所述的提高復(fù)合材料的性能;其另一目的是為了賦予材料一定的形狀。例如,通過擠壓加工可以獲得斷面形狀較為復(fù)雜的型材。第16頁/共111頁3.1.3原生復(fù)合法

利用燒結(jié)高溫下的化學(xué)反應(yīng),在燒結(jié)體內(nèi)直接生成強(qiáng)化顆粒。

由內(nèi)部氧化反應(yīng)制取Al2O3顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料是1950年開發(fā)的。其基本原理是在Al固溶Cu合金粉末中加入CuO粉末,通過反應(yīng)

2Cu-Al＋3CuO→5Cu＋Al2O3

制備粒徑0.003～0.012m、顆粒間隔為0.05～0.1m的非常細(xì)小的Al2O3顆粒強(qiáng)化銅基復(fù)合材料。獲得如此細(xì)小、均勻顆粒彌散強(qiáng)化復(fù)合材料是常規(guī)的P/M法、鑄造法（I/M法:IngotMetallurgy）所無法實(shí)現(xiàn)的。第17頁/共111頁氧化物彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料氧化物彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料，是在銅基體中引入熱穩(wěn)定性極高、呈彌散分布的第二相粒子，以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和抑制再結(jié)晶，從而使基體強(qiáng)度，特別是高溫強(qiáng)度得到大幅度提高的一種復(fù)合材料。常用的氧化物彌散相有Al2O3,Zr2O3,Y2O3,CaO,SiO2,MgO,TiO2和Cr2O3等，其中Al2O3是最常用的彌散相。Al2O3/Cu復(fù)合材料不僅保持了銅基體的高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而且具有優(yōu)越的高溫性能和抗蝕性，因而Al2O3/Cu復(fù)合材料的研制和開發(fā)成為銅合金材料研究的熱點(diǎn)。第18頁/共111頁氧化物彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料第一個(gè)提出用內(nèi)氧化法來制備彌散強(qiáng)化銅的人是Smith.隨后Rhine和Meijering等相繼改進(jìn)，使彌散強(qiáng)化銅綜合性能有了大幅度提高。彌散強(qiáng)化銅被廣泛應(yīng)用于大型微波管結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電材料，轉(zhuǎn)換開關(guān)和點(diǎn)焊機(jī)電極等方面。我國對Al2O3/Cu復(fù)合材料的研究起步較晚，現(xiàn)在很多高校和科研單位及企業(yè)都在進(jìn)行這種材料的研究，但大部分仍處于試驗(yàn)階段。第19頁/共111頁內(nèi)氧化法制備Al2O3/Cu復(fù)合材料的工藝流程Cu-Al合金粉末制備:首先熔煉Cu-Al固溶合金，然后采用水霧化法或氮?dú)忪F化法霧化熔體成粉末;氧導(dǎo)入粉末:將制成的粉末與氧源混合，氧源主要由Cu2O粉組成；內(nèi)氧化粉末:把混合粉末加熱到高溫并控制氧分壓，Cu2O分解，生成的氧擴(kuò)散到Cu-Al合金粉末中，由于Al比Cu易生成氧化物，因此合金中的Al被優(yōu)先氧化成Al2O3;氫氣中還原多余氧:合金中的Al全部被氧化后，在氫氣氛中將粉末進(jìn)行加熱，還原粉末中的過量氧;后續(xù)粉末冶金成形:將還原后的金屬粉末采用壓制成形、燒結(jié)、擠壓等粉末冶金手段制成所需要的型材。第20頁/共111頁第21頁/共111頁3.1.4纖維強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料

燒結(jié)法既可以用于短纖維（含晶須）強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料的成形,也可以用于長纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的成形。當(dāng)強(qiáng)化相為短纖維或晶須時(shí),燒結(jié)法的工藝過程基本上與強(qiáng)化相為顆粒時(shí)相同。當(dāng)強(qiáng)化相為長纖維時(shí),其燒結(jié)成形過程如圖3.3所示。第22頁/共111頁3.2鑄造凝固成形

3.2.1鑄造成形法(一)摻入鑄造復(fù)合法

在熔化金屬中加入陶瓷顆粒,經(jīng)均勻攪拌后澆入鑄模中使其凝固,獲得鑄造制品或二次加工(塑性加工)用坯料。除加入強(qiáng)化用陶瓷顆粒,并需充分?jǐn)嚢枋诡w粒均勻分散外,其余的工藝操作與常規(guī)的金屬鑄造方法沒有差別。所以,鑄造成形法可以利用現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn),降低生產(chǎn)成本。該方法在鋁基復(fù)合材料的制備方面應(yīng)用較廣,其代表性的復(fù)合材料首推Alcan公司的DuralcanTM牌鋁基復(fù)合材料。鑄造成形法的關(guān)鍵技術(shù)是陶瓷顆粒的添加方法與條件,而有關(guān)這方面的數(shù)據(jù)與資料的報(bào)道很少。主要原因是各公司對此均采取高度保密態(tài)度,不予公開。第23頁/共111頁第24頁/共111頁

鑄造成形法的主要缺點(diǎn)是基體金屬與強(qiáng)化顆粒的組合受限制。因?yàn)?(1)強(qiáng)化顆粒與熔融基體金屬之間容易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。例如,在熔融鋁合金中加入SiC、Al2O3陶瓷顆粒時(shí),由于SiC顆粒的熱力學(xué)不穩(wěn)定性,容易發(fā)生（3-3）式的反應(yīng)：

4Al+3SiC→Al4C3＋3Si(3-3)

為了抑制上式的反應(yīng),要求基體金屬是含Si較高的合金。盡管Al2O3在純鋁熔體中是穩(wěn)定的,但當(dāng)熔體中含有Mg時(shí),則會(huì)產(chǎn)生（3-4）式所示的反應(yīng)：

3Mg+4Al2O3→3MgAl2O3+2Al(3-4)

為了抑制上式的反應(yīng),希望基體金屬是Mg含量盡可能低的鋁合金。第25頁/共111頁

(2)強(qiáng)化顆粒通常不容易被均勻地分散于象鋁及鋁合金一類的合金熔體中。一般地說,陶瓷顆粒與鋁合金的潤濕性很差,容易產(chǎn)生顆粒吸附于坩堝表面,或凝聚在一起、浮于熔體表面、沉淀于底部等現(xiàn)象。為了使顆粒均勻地分散于基體之中,需進(jìn)行強(qiáng)力攪拌。對于細(xì)小顆粒,隨著顆粒添加量的增加,熔體的粘性增加,攪拌難度增加,而增加攪拌力會(huì)使表面的氧化層、氣體容易混入熔體之中。反之,粗大的顆粒容易產(chǎn)生重力偏析。因此,雖與陶瓷顆粒的種類有關(guān),通常選用較大尺寸的顆粒,粒度為10～20m左右;顆粒的含量則以不超過20vol%為宜。

第26頁/共111頁

(3)陶瓷顆粒容易與溶質(zhì)原子一起在枝晶間產(chǎn)生偏析。其對策之一是提高鑄造時(shí)的凝固速度。第27頁/共111頁(二)原生復(fù)合法

將生成強(qiáng)化顆粒的原料加入到熔融基體金屬之中,利用高溫下的化學(xué)反應(yīng)生成強(qiáng)化相,然后通過澆鑄成形。

可以生產(chǎn)鋁、鈦、銅、鉛等金屬與硼化物、碳化物、氮化物等的復(fù)合材料。鑄造后多采用擠壓、鍛造等方法進(jìn)行成形。TiB2強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料原生復(fù)合法的原理如下式所示。

2B＋Ti＋Al→TiB2＋Al (3-5)或 Al-Ti＋2Al-B→TiB2＋3Al (3-6)

第28頁/共111頁原生復(fù)合法的特點(diǎn)是:

顆粒與基體材料之間的結(jié)合狀態(tài)良好（顆粒表面無氧化、無油污等）,有利于粒子的細(xì)化（0.25～1.5m）和均勻彌散,提高顆粒含量（可達(dá)40%左右）,獲得高性能的復(fù)合材料。第29頁/共111頁3.2.2含浸凝固法

將預(yù)先制備的含有較高孔隙率的強(qiáng)化相成形體(稱為預(yù)成形體)含浸于熔融基體金屬之中,讓基體金屬浸透預(yù)成形體后,使其凝固以制備復(fù)合材料。

根據(jù)含浸、凝固時(shí)是否施加外力,含浸凝固法又分為加壓含浸法與非加壓含浸法。第30頁/共111頁

加壓含浸法是將預(yù)先制備的含有較高孔隙率的強(qiáng)化相成形體(稱為預(yù)成形體)含浸于熔融基體金屬之中,讓基體金屬浸透預(yù)成形體后,使其凝固以制備復(fù)合材料。加壓壓力可高達(dá)50～100MPa,且壓力保持到凝固結(jié)束為止。加壓含浸方法很早以來即受到重視,已在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)耐磨活塞、高爾夫球桿頭部材料等方面獲得實(shí)用。第31頁/共111頁含浸法的優(yōu)點(diǎn)：

①適合于強(qiáng)化相與熔融基體金屬之間潤濕性很差的復(fù)合材料的制備;

②有利于提高強(qiáng)化相的含量,可高達(dá)30～80%;③強(qiáng)化相與熔體金屬的接觸時(shí)間短,有利于抑制強(qiáng)化相與熔融金屬之間的反應(yīng);④當(dāng)采用長纖維作強(qiáng)化相時(shí),可先將纖維整齊排列成一定的形狀,容易實(shí)現(xiàn)長纖維的三向排列(采用三向纖維織網(wǎng)的預(yù)成形體);⑤不會(huì)產(chǎn)生鑄造法中強(qiáng)化相偏析的現(xiàn)象。第32頁/共111頁含浸法的缺點(diǎn)：

①用顆粒作強(qiáng)化相時(shí)預(yù)成形體的制備較困難,通常采用晶須、短纖維制備預(yù)成形體;②熔體金屬不容易浸透,大尺寸復(fù)合材料的成形較困難;③加壓含浸時(shí)預(yù)成形體易產(chǎn)生變形乃至壓潰；④不適合于強(qiáng)化相含量低的復(fù)合材料的制備。第33頁/共111頁3.2.3連續(xù)鑄造法

連續(xù)鑄造法適合于用長纖維作強(qiáng)化相的復(fù)合材料的成形。分下拉法與上拉法兩種。優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)制備棒、管及斷面形狀較為簡單的型材,且加工成本較低;缺點(diǎn)是為避免產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),纖維種類受到限制,基體金屬一般只限于熔點(diǎn)較低的材料。

第34頁/共111頁3.2.4反向凝固法

反向凝固（InversionCasting）工藝是由德國人于1989年發(fā)展的一種薄帶連鑄工藝。

利用薄帶作為母帶,以一定的拉速穿過反向凝固器,由于母帶的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼液的溫度,在母帶表面附近形成足夠大的過冷度,鋼液從母帶表面開始凝固生長。配置在反向凝固器上方的一對軋輥,同時(shí)起到拉坯、對帶鋼表面進(jìn)行平整和促進(jìn)凝固層與母帶之間的焊合（壓力作用下）的作用。由于坯料的凝固生長是從內(nèi)向外進(jìn)行的,故而稱為反向凝固法。第35頁/共111頁主要工藝要點(diǎn)：

(1)母帶表面應(yīng)進(jìn)行充分的預(yù)處理,防止油污、雜質(zhì)混入鋼液之中;(2)母帶金屬與復(fù)合金屬的匹配,防止凝固層與母帶之間生成脆性化合物;(3)凝固層（復(fù)合層）厚度、復(fù)合層與母帶之間的過渡層（熔合層）的厚度與鋼液溫度、拉坯速度的工藝參數(shù)密切相關(guān),需要正確掌握其相互之間的關(guān)系。第36頁/共111頁3.3噴射成形（噴射沉積）

噴射成形（Sprayforming）法是將金屬液滴以半熔融狀態(tài)堆積于基板上,制備急冷凝固預(yù)成形體。

利用噴射成形原理制備顆粒強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料的方法有兩種：①添加法（Inertsprayforming）；②反應(yīng)（原生）法（Reactive(In-situ)Sprayforming）第37頁/共111頁顆粒添加噴射成形法的特點(diǎn):

(1)強(qiáng)化顆粒與熔融金屬的接觸時(shí)間短,界面反應(yīng)受到很大程度的抑制,因而基體金屬與強(qiáng)化顆粒的組合自由度比鑄造法大。但是,成型體中強(qiáng)化顆粒的分布狀態(tài)仍因基體與顆粒的組合不同而受到影響。

(2)與常規(guī)的粉末冶金法（燒結(jié)法）相比,較容易制取管、棒、板等形狀的大尺寸試樣,也可以制備連續(xù)的和不連續(xù)的梯度材料復(fù)合材料。

(3)噴射沉積法制備的復(fù)合材料為快速凝固組織,基體顆粒細(xì)小、均勻,但在塑性、致密性方面較差。故常對噴射沉積制備的錠坯進(jìn)行擠壓、旋壓等后續(xù)加工,以改變其塑性和致密度。第38頁/共111頁反應(yīng)噴射沉積法生成陶瓷顆粒的反應(yīng)有如下三類：

(1)液-汽反應(yīng)。如

Fe-Al＋(O2+N2)→Fe-Al＋Al2O3＋N2 (3-8) Lawley等人采用含氧5～12%的氮?dú)鈱e-2%Al熔融合金霧化,使其生成Al2O3,獲得非常細(xì)小的Al2O3彌散強(qiáng)化鐵基復(fù)合材料的預(yù)成型體。

(2)液-液反應(yīng)。如

Cu-Ti＋Cu-B→Cu＋TiB2

(3-12)Lee等人將Cu-Ti合金與Cu-B合金熔融體同時(shí)噴霧,制得TiB2彌散銅基復(fù)合材料。

(3)液-固反應(yīng)。在將熔融金屬霧化的同時(shí),吹入固體顆粒使其生成陶瓷顆粒。如

STNLS-Ti＋CrxN→STNLS＋TiN (3-13)

可以制得20nm左右的TiN彌散強(qiáng)化奧氏體不銹鋼。第39頁/共111頁3.4軋制復(fù)合

軋制復(fù)合分為粉末軋制復(fù)合法和塊（帶）材軋制復(fù)合法（接合復(fù)合法）兩大類。前者用于顆粒彌散強(qiáng)化強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料的成形,后者用于層狀復(fù)合材料的成形。第40頁/共111頁3.4.1粉末軋制法一、包套軋制法

將粉末混合后進(jìn)行壓粉（初步成形）、包套、除氣、軋制、燒結(jié)、后續(xù)加工（包括再軋制和進(jìn)一步的熱處理）,最終獲得所需性能制品。這里軋制被用作相當(dāng)于常規(guī)粉末冶金方法中的致密化手段。由于軋制變形中產(chǎn)生較大的附加剪切變形作用,因而與各種壓縮致密法相比,軋制法的致密效果要好得多,尤其是采用孔型軋制時(shí),其致密化效果僅次于擠壓法。這種方法也是各種高溫超導(dǎo)材料線材化的常用方法，例如銀包套氧化物高溫超導(dǎo)線材。第41頁/共111頁二、粉末直接軋制法

將粉末混合后直接進(jìn)行軋制,然后進(jìn)行燒結(jié)和后續(xù)加工,省去了包套軋制中的壓粉、包套、除氣等工序。

粉末直接軋制法具有如下兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn):(1)簡化了生產(chǎn)工藝,且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)成形;(2)可以直接實(shí)現(xiàn)多層復(fù)合成形。第42頁/共111頁

單層帶材成形時(shí),利用兩輥直接對粉末進(jìn)行軋制。為了將混合粉末正確導(dǎo)入兩輥之間的壓縮變形區(qū),需要使用導(dǎo)衛(wèi)板,并在軋輥的兩端附加側(cè)向約束系統(tǒng)。為了保證軋輥表面狀態(tài)保持一定,利于粉末的致密和提高軋材表面質(zhì)量,需要配置輥面清理系統(tǒng)。成形多層帶時(shí),各層的原料在被壓實(shí)之前即產(chǎn)生接觸,部分粉末顆粒在成形過程中容易相互被壓入對方一側(cè),因而界面將呈犬齒交錯(cuò)狀,這有利于提高燒結(jié)后界面的接合強(qiáng)度。第43頁/共111頁3.4.2塊（帶）材軋制復(fù)合法一、雙金屬復(fù)合板

不同的金屬在一定的溫度、壓力作用下通過變形接合（焊合）成一體。第44頁/共111頁

當(dāng)界面較清潔時(shí),一般只需百分之幾的壓下率即可實(shí)現(xiàn)有效接合,獲得高性能的復(fù)合界面。軋制坯的制備主要有如圖所示的兩種方式。(一)熱軋復(fù)合

第45頁/共111頁

圖(a)為單一復(fù)合坯的情形，適合于兩種金屬在變形抗力、厚度尺寸相差不太大的情形;

圖(b)為組合復(fù)合坯的情形，適合于復(fù)合層與基體板材在厚度或變形抗力上相差較大的情形。在保持內(nèi)部為真空的條件下將組合坯的四周焊合成一體。為了便于在復(fù)合后將上下復(fù)合板分開,需在兩組復(fù)合坯之間涂覆耐熱化合物,以防止軋制時(shí)產(chǎn)生焊合。然后對復(fù)合坯進(jìn)行加熱軋制,直至所需厚度。第46頁/共111頁

熱軋復(fù)合法的缺點(diǎn)在于:

當(dāng)被復(fù)合的材料為鋁、鈦等活性金屬時(shí),易在界面生成脆性金屬間化合物;由于坯料的長度受限制,軋制后切頭剪邊部分所占比例較大,對成品率影響較大。

第47頁/共111頁(二)冷軋、溫軋復(fù)合

與熱軋復(fù)合相比,冷軋復(fù)合時(shí)界面接合較困難。但由于無加熱所帶來的界面氧化,不易在界面生成化合物,無需真空焊接等坯料前處理工藝措施,因而金屬組合的自由度大,適應(yīng)面廣。軋制前先將接合面的油脂、氧化物除去,然后將被復(fù)合的材料疊在一起進(jìn)行軋制即可實(shí)現(xiàn)接合。為了獲得較好的界面接合,軋制壓下率通常需要在70%以上。第48頁/共111頁

由于冷軋復(fù)合的前處理與軋制均較容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè),故可使用卷狀坯料(板卷),以提高生產(chǎn)率與成品率。但冷軋復(fù)合時(shí)的界面幾乎沒有擴(kuò)散效果,要達(dá)到完全接合很困難，因此,往往在冷軋復(fù)合后施以擴(kuò)散熱處理,提高復(fù)合材料的界面接合強(qiáng)度。此外,對于冷軋接合較困難的材料,亦可在軋制復(fù)合前進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訜?即采用溫軋復(fù)合的辦法。第49頁/共111頁第50頁/共111頁第51頁/共111頁

爆炸成形是一種高能高速成形,其瞬時(shí)接合壓力可高達(dá)104MPa以上,因而可使界面兩側(cè)的原子達(dá)到很近的距離,加上接合過程中伴隨有塑性變形,有利于界面接合。雖然焊接過程中伴隨有高溫的產(chǎn)生,但由于復(fù)合在很短的時(shí)間內(nèi)完成,能很好地抑制活性金屬之間的化學(xué)反應(yīng)。(三)爆炸焊接-冷軋成形法第52頁/共111頁

基板平放在沙土堆上,復(fù)層板通過軟質(zhì)支撐呈一定角度（1-3）支撐在基板上方,復(fù)板與基板之間的間隔(利于形成沖擊)大約與復(fù)板的厚度相等即可。炸藥均勻堆放在復(fù)板上面,通過引爆在起爆端的雷管,利用爆炸的巨大沖擊力以及爆炸位置的迅速和連續(xù)傳播,在很短的時(shí)間（通常為零點(diǎn)幾秒）內(nèi)即可完成整個(gè)焊接復(fù)合過程。第53頁/共111頁二、減振鋼板以減振鋼板為主要代表的減振板材是在兩層金屬之間復(fù)合一層粘彈性樹脂(高分子材料),以達(dá)到吸收振動(dòng)能量,減少結(jié)構(gòu)件噪音之目的?；驹硎?振動(dòng)時(shí)的薄板彎曲在中間樹脂層內(nèi)引起剪切變形,分子之間產(chǎn)生粘性摩擦,將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成熱能而起到使薄板的彈性振動(dòng)快速衰減的作用。第54頁/共111頁減振鋼板的應(yīng)用：

1）改善薄板部件的共振性。

汽車零部件一類薄板部件的噪音主要是由于其共振所引起的。過去的對策主要是采用隔音的方法,不利于部件的輕量化與生產(chǎn)的低能耗化,是一種消極的對策。減振材料則是針對噪音發(fā)生的根源采取積極的措施,致力于使材料本身具有"減振"功能。因此,減振鋼板在過去30余年的時(shí)間內(nèi)取得了較大的發(fā)展。第55頁/共111頁減振鋼板的應(yīng)用：

2）新型建筑結(jié)構(gòu)材料。

鋼軌、鐵橋、鋼制樓梯、走廊等噪音源，是因?yàn)榻饘僮矒舳鸬?使受撞擊后材料內(nèi)部的彈性振動(dòng)盡快衰減，是減少撞擊噪音的根本對策。減振鋼板是同時(shí)具有高比強(qiáng)度、大尺寸等常規(guī)鋼板特性與良好的柔軟性、低噪音等木材特性的新型建筑結(jié)構(gòu)材料。在工業(yè)化發(fā)達(dá)國家,減振鋼板已在屋面材料、公寓樓梯與走廊、學(xué)校體育館地板以及鋼制家具等方面得以實(shí)用化。第56頁/共111頁減振鋼板的成形根據(jù)中間層樹脂的形態(tài)不同,其成形方法可分為兩種。

1）稀釋樹脂涂覆、壓接法適合于采用常溫下粘結(jié)性很強(qiáng)的樹脂成形塊狀減振鋼板,將塊狀鋼板清洗、干燥后,在其復(fù)合面上涂覆一層經(jīng)稀釋了的樹脂,再經(jīng)干燥后疊合,在輥式壓力機(jī)上壓合即得減振鋼板。第57頁/共111頁

2）樹脂膜夾層連續(xù)復(fù)合法采用具有熱熔化接合性樹脂膜和板卷進(jìn)行連續(xù)復(fù)合。第58頁/共111頁第59頁/共111頁三、鋁-塑復(fù)合板

類似于減振鋼板的結(jié)構(gòu),鋁-塑復(fù)合板以鋁板或鋁箔為面料,以聚乙烯或聚氯乙烯為芯料,經(jīng)預(yù)處理、輥壓等工藝進(jìn)行復(fù)合。作為新型建筑、裝飾材料,鋁-塑復(fù)合板具有重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、隔音隔熱效果好、防火、防水,以及良好的耐沖擊、耐候性等,且外表美觀、使用方便、利于施工。主要用于賓館、酒樓、高檔公寓、商場的戶外裝修以及柜臺(tái)、家具等室內(nèi)裝修，還可以用于客車、火車、輪船等的間隔材料,以及機(jī)械、儀器、電器設(shè)備等。第60頁/共111頁3.5擠壓成形

3.5.1概述

采用擠壓法可成形的金屬復(fù)合材料分為兩大類：一類為分散（彌散）強(qiáng)化型復(fù)合材料，即通常所說的金屬基復(fù)合材料；另一類為層狀復(fù)合材料，如各種鋁包鋼線、雙金屬管等包覆材料，復(fù)合板、夾層板等層狀復(fù)合材料，以及其它特殊復(fù)合材料。第61頁/共111頁(a)鋁包鋼線(b)雙金屬管(c)特殊層狀復(fù)合材料

層狀復(fù)合材料的例子

第62頁/共111頁第63頁/共111頁擠壓桿擠壓墊坯料擠壓筒擠壓模模支撐牌坊第64頁/共111頁建筑用擠壓鋁型材

廣泛用于住宅、商廈等公共建筑的門、窗和內(nèi)外裝修。第65頁/共111頁鐵路車輛用擠壓鋁型材擠壓型材組裝構(gòu)成的旅客列車車身新干線7000系車輛用典型材料：中空鋁型材（雙層蒙皮），寬0.6m，長25m。第66頁/共111頁3.5.2金屬基復(fù)合材料擠壓

一般采用粉末冶金法、高壓鑄造法或普通鑄造法制取坯料，然后通過擠壓的方法加工成各種斷面形狀的制品。與其它的熱塑性變形加工方法相比，采用熱擠壓（正擠壓、反擠壓或靜液擠壓等）方法進(jìn)行后續(xù)加工生產(chǎn)靈活性大，有利于獲得管、棒、線、空心或?qū)嵭男筒摹６鴮τ诜勰┮苯鸱ㄖ苽涞膹?fù)合材料，利用高溫?cái)D壓變形時(shí)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。第67頁/共111頁

此外，在粉末冶金法制備復(fù)合材料的工藝中，為了減少制備工序、降低生產(chǎn)成本，并克服后述的擠壓加工較困難的缺點(diǎn)，也可由預(yù)制坯不經(jīng)燒結(jié)而直接進(jìn)行熱擠壓成形。金屬基復(fù)合材料的變形抗力很高，給擠壓加工帶來很大困難，在擠壓方法、擠壓設(shè)備與工藝參數(shù)的選擇時(shí)需要予以特別考慮。

第68頁/共111頁

采用粉末冶金或鑄造法制備的坯料中，晶須或短纖維呈無序分布狀態(tài)。利用擠壓加工時(shí)基體金屬的塑性流動(dòng)，可增加晶須或短纖維的取向性，從而提高復(fù)合材料的強(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。但另一方面，由于擠壓金屬流動(dòng)的不均勻性，強(qiáng)化相的長徑比過大時(shí)，容易產(chǎn)生損傷和折斷，影響強(qiáng)化效果。因此，在采用短纖維作強(qiáng)化相時(shí)，應(yīng)選擇合適的纖維長度。第69頁/共111頁3.5.3雙金屬管擠壓

3.5.3.1復(fù)合坯料擠壓法擠壓前將成形內(nèi)外層用的兩個(gè)空心坯組裝成一個(gè)復(fù)合坯，然后進(jìn)行擠壓。為了提高界面接合強(qiáng)度，需將內(nèi)外層坯料的接觸界面清洗干凈。同時(shí)，為了防止坯料加熱過程中產(chǎn)生氧化而影響界面的接合，需要在復(fù)合坯組裝后采用焊接或包套的方法對坯料兩端端面上內(nèi)外層的之間的縫隙進(jìn)行密封。第70頁/共111頁優(yōu)點(diǎn)：

擠壓時(shí)的延伸變形將使界面上產(chǎn)生較大比例的新生表面,同時(shí)?？赘浇鼣D壓變形區(qū)內(nèi)的高溫、高壓條件非常有利于界面原子的擴(kuò)散，從而達(dá)到冶金接合（或稱金屬學(xué)接合）。缺點(diǎn)：

1）由于擠壓時(shí)金屬流動(dòng)不均勻，容易造成擠壓管材沿長度方向內(nèi)外層壁厚不均勻。

2）當(dāng)內(nèi)外層坯料的變形抗力相差較大時(shí)，容易產(chǎn)生外形波浪、界面呈竹節(jié)狀甚至較硬層產(chǎn)生破斷的現(xiàn)象，因而金屬的組合受到很大限制。第71頁/共111頁第72頁/共111頁第73頁/共111頁第74頁/共111頁第75頁/共111頁3.5.3.2多坯料擠壓法能很好地克服常規(guī)復(fù)合坯料擠壓法的缺點(diǎn)，適合于雙金屬管的成形。第76頁/共111頁第77頁/共111頁3.5.4包覆材料擠壓

3.5.4.1單芯包覆材料

用于導(dǎo)電或電器元件的線材占主要多數(shù)。在利用銅、鋁的優(yōu)秀導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，鋁的低密度的同時(shí)，通過復(fù)合賦予線材以特殊的物理性能(如低線膨脹系數(shù))或高強(qiáng)度、高剛性、耐蝕耐磨性等。

單芯包覆材料的成形主要采用擠壓，或擠壓后再進(jìn)行拉拔的方法。第78頁/共111頁3.5.4.1單芯包覆材料

一、普通擠壓復(fù)合法（芯材變形）是單芯包覆材料成形的最基本的方法，最大優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝比較簡單，且因?yàn)樽冃瘟看?，加之熱擠壓時(shí)變形區(qū)內(nèi)高溫高壓的作用，復(fù)合制品的界面比較容易實(shí)現(xiàn)冶金接合。由于擠壓流動(dòng)不均勻性的特點(diǎn)，擠壓制品沿長度方向包覆比（包覆層的厚度與制品直徑之比，或包覆層的斷面積與制品橫斷面積之比）不均勻嚴(yán)重。當(dāng)內(nèi)外層材料的變形抗力或塑性流動(dòng)性能相差較大時(shí)，還容易產(chǎn)生波浪、竹節(jié)、斷芯、包覆層破斷、內(nèi)外層之間鼓泡、表面皺紋等缺陷，選用具有合適模角的擠壓模，在坯料與擠壓筒壁之間進(jìn)行潤滑等措施，可以減輕或減少缺陷的形成，擴(kuò)大擠壓成形范圍。第79頁/共111頁確定擠壓工藝時(shí)，需要注意如下問題：

(1)保證坯料界面干潔，防止坯料復(fù)合后放置過程中或加熱過程中產(chǎn)生界面氧化。

(2)采用較大的擠壓比，保證界面在變形過程中產(chǎn)生足夠的新生面。

(3)控制擠壓溫度以防止在界面上形成金屬間化合物。

(4)對于雖不易形成化合物，但接合性能較差的金屬組合，也可以在復(fù)合界面之間添加有利于提高接合強(qiáng)度的過渡金屬層。第80頁/共111頁二、靜液擠壓法由擠壓軸施加的擠壓力通過黏性介質(zhì)作用到坯料上而實(shí)現(xiàn)擠壓。由于坯料與擠壓筒壁、坯料與擠壓墊片之間不產(chǎn)生直接接觸，且坯料與擠壓模之間的潤滑狀態(tài)良好，從而大大改善了金屬流動(dòng)的均勻性。采用靜液擠壓法有利于克服常規(guī)的正向擠壓法成形復(fù)合材料時(shí)容易產(chǎn)生的各種擠壓缺陷，尤其是沿制品長度方向包覆層厚度不均勻的問題。第81頁/共111頁

由于復(fù)合是在高壓、芯材與包覆層同時(shí)產(chǎn)生塑性變形的條件下進(jìn)行的，可以獲得高質(zhì)量的復(fù)合界面。此外，與常規(guī)的擠壓方法相比，靜液擠壓可以在室溫或較低的溫度下實(shí)現(xiàn)大變形擠壓，因而適合于在高溫下容易形成金屬間化合物的復(fù)合材料的成形。對復(fù)合層厚度的均勻性以及復(fù)合界面的接合強(qiáng)度要求較高的包覆材料，大多采用靜液擠壓的方法進(jìn)行成形。

靜液擠壓法成形包覆材料的主要缺點(diǎn)是，生產(chǎn)效率低，成本高，不適合于復(fù)雜斷面形狀材料的包覆。與常規(guī)的正向擠壓法一樣，所定擠壓溫度下芯材與包覆材的變形抗力不能相差太大，否則容易產(chǎn)生波浪、竹節(jié)、芯材或包覆層破斷等缺陷。第82頁/共111頁三、連續(xù)擠壓法（Conform:Continuousextrusionforming）依靠槽輪的摩擦將原料鋁桿連續(xù)咬入,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)和較高速度的包覆。適合于芯材無變形的連續(xù)包覆成形，如用作架空高壓線的鋁包鋼線和電車輸電導(dǎo)線等。在實(shí)現(xiàn)包覆成形過程中，金屬的流動(dòng)特點(diǎn)與側(cè)向擠壓包覆法基本相同，模具配置與設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要問題也相同。第83頁/共111頁四、帶張力擠壓法在擠壓機(jī)的前方對包覆制品施加張力，以實(shí)現(xiàn)低包覆率（包覆層厚度很?。D壓，通常用于在成形溫度下芯材的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于包覆材的強(qiáng)度這樣一類包覆制品的成形。包括普通正向擠壓、分流模擠壓、側(cè)向擠壓三種主要形式。第84頁/共111頁五、多坯料擠壓包覆法特點(diǎn)：

(1)可在普通正向擠壓機(jī)上成形；

(2)在高溫下進(jìn)行包覆時(shí)，多坯料擠壓成形過程中芯材與包覆層處于高溫狀態(tài)下的接觸時(shí)間很短（與連續(xù)擠壓法相當(dāng)），有利于抑制異種金屬之間的反應(yīng)；

(3)可以簡單地進(jìn)行多心包覆；

(4)通過調(diào)節(jié)芯材包覆套的高度，可在很廣的芯材屈服強(qiáng)度與包覆材流動(dòng)應(yīng)力比（記為YSR）的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)芯材無變形包覆；

(5)較容易地實(shí)現(xiàn)大斷面、復(fù)雜形狀斷面型材的無變形包覆。

缺點(diǎn)是工模具結(jié)構(gòu)及擠壓操作與常規(guī)擠壓法相比要復(fù)雜一些。

第85頁/共111頁3.5.4.2多芯包覆材料（低溫超導(dǎo)復(fù)合線）

典型的擠壓多芯包覆材料是低溫超導(dǎo)復(fù)合線材，一般為由幾百乃至上千根直徑為十幾至數(shù)十微米超導(dǎo)纖維復(fù)合在一起而成。

超導(dǎo)材料可分為金屬系與氧化物系兩大類，前者為低溫超導(dǎo)材料，后者為高溫超導(dǎo)材料。

由于電場、磁場的作用致使超導(dǎo)導(dǎo)體移動(dòng)而產(chǎn)生的摩擦熱，電流與磁場分布變化所引起的超導(dǎo)導(dǎo)線發(fā)熱，均有可能引起超導(dǎo)狀態(tài)的破壞而成為常導(dǎo)體。為了防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要采用電阻小、熱傳導(dǎo)性能良好的銅或鋁進(jìn)行包覆，以便在有局部發(fā)熱時(shí)，其熱量能被迅速逸散掉。為了確保上述散熱效果，希望超導(dǎo)導(dǎo)體本身成為細(xì)小纖維，每一根纖維均能用銅或鋁包覆起來，然后再將包覆纖維復(fù)合成多芯復(fù)合導(dǎo)線。因此，多芯復(fù)合線材的成形技術(shù)對低溫超導(dǎo)線材的制備與使用十分重要。

第86頁/共111頁一、Nb-Ti多芯復(fù)合超導(dǎo)線材

Nb-Ti與其它的合金、化合物系低溫超導(dǎo)材料相比，其超導(dǎo)性能并不算高。但Nb-Ti合金與銅的復(fù)合加工性能良好，機(jī)械強(qiáng)度與韌性高，因而成為當(dāng)今主要的實(shí)用低溫超導(dǎo)材料，大約占將近90%的比例。第87頁/共111頁Nb-Ti多芯復(fù)合線的加工工藝過程：首先將電弧爐熔制的Nb-Ti鑄坯擠壓或軋制成圓棒狀，對表面進(jìn)行研磨、清洗后插入經(jīng)過清洗的銅管內(nèi)進(jìn)行拉拔成形，制得六角形的Cu包覆Nb-Ti復(fù)合棒。然后將復(fù)合棒切斷成一定尺寸長度，經(jīng)矯直、表面研磨與清洗加工后，以緊密堆積方式排列于Cu圓筒內(nèi)，采用電子束焊接法將兩端封閉，制成復(fù)合擠壓坯。采用靜液擠壓法將復(fù)合坯擠壓成直徑為50-80mm的多心復(fù)合棒。擠壓多芯復(fù)合棒經(jīng)反復(fù)拉拔、退火處理拉制成所需斷面尺寸的線材。第88頁/共111頁第89頁/共111頁第90頁/共111頁二、Nb3Sn多芯復(fù)合超導(dǎo)線材

Nb3Sn的超導(dǎo)性能遠(yuǎn)高于Nb-Ti合金，但由于Nb3Sn是一種化合物系脆性材料，其實(shí)用受到很大限制，只在高磁場（10T以上）用超導(dǎo)線圈等方面有少量實(shí)際應(yīng)用。為了解決脆性化合物的成形性能很差的問題，Nb3Sn一類超導(dǎo)線材的代表制備工藝是：首先采用非化合物的金屬或合金作原料，通過擠壓、拉拔等成形方法制得多芯復(fù)合線材，然后通過熱處理生成所需化合物，賦予復(fù)合線材超導(dǎo)特性。第91頁/共111頁

其工藝過程為：用青銅（含錫13wt%左右的Cu-Sn合金）與Nb的復(fù)合棒組合成復(fù)合坯料，采用靜液擠壓制備復(fù)合多芯棒材；為了防止在成形過程中生成化合物，擠壓需在較低溫度下進(jìn)行；上述過程反復(fù)2～3次并施以拉拔伸線，以獲得所需尺寸的多芯復(fù)合線材；然后通過熱處理（700℃左右）生成超導(dǎo)物質(zhì)（如Nb3Sn）。第92頁/共111頁包覆敷碎片擠壓法制備TiNi絲第93頁/共111頁第94頁/共111頁第95頁/共111頁第96頁/共111頁第97頁/共111頁第98頁/共111頁3.5.5其它層狀復(fù)合材料擠壓

鋼絲增強(qiáng)6063鋁合金管的分流模擠壓復(fù)合將12根直徑2mm的硬鋼線呈對稱排列復(fù)合到外徑60.8mm、壁厚2.2mm的6063合金管中，可得到比常規(guī)的6063鋁合金管抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、壓縮失穩(wěn)強(qiáng)度提高45-50%以上的復(fù)合管，而其單