《復(fù)合材料》課件-第五章 鈦基復(fù)合材料-鎂基復(fù)合材料

鈦及其合金具有高強(qiáng)度、低密度、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的耐高溫和耐蝕性等性能，是高性能結(jié)構(gòu)材料的首選材料。鈦基復(fù)合材料(TMCs)具有比鈦合金更高的比強(qiáng)度和比模量、極佳的耐疲勞和抗蠕變性能、以及優(yōu)異的高溫性能和耐蝕性能，它克服了原鈦合金耐磨性和彈性模量低等缺點(diǎn)?？沙尚托螤顝?fù)雜的零部件，減少了廢料和機(jī)加工損耗?？捎米鞲邷亍⒏邏?、酸、堿、鹽等條件下的結(jié)構(gòu)材料。5.5鈦基復(fù)合材料TMCS基體的選擇：（高溫下的抗氧化性能）①TiAl(γ)基合金②α鈦合金③Ti3Al(α2)④工業(yè)純鈦⑤Ti2NbAl基合金（良好的塑性抗氧化性）

工業(yè)純鈦不宜作纖維增強(qiáng)TMCs的基體，因?yàn)樗c增強(qiáng)體特別是SiC纖維有強(qiáng)烈的反應(yīng)。Bf/Ti-6Al-4V，經(jīng)850℃100h后界面反應(yīng)增強(qiáng)體表面涂覆，能顯著降低Bf與基體Ti的界面反應(yīng)產(chǎn)物，起到了控制Bf/Ti復(fù)合材料的作用。同時(shí)Bf表面涂層還提高了復(fù)合材料的高溫抗氧化性。Bf表面處理后對硼纖維/鈦的界面反應(yīng)的影響增強(qiáng)類型①顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料體積分?jǐn)?shù)為：5~20%②連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料體積分?jǐn)?shù)為：30~40%①顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)體：

SiC、TiC、TiB2、TiB等顆粒制備方法：熔鑄法；

固相法：粉末冶金并應(yīng)用原位反應(yīng)技術(shù)，采用真空高溫活化燒結(jié)、真空熱壓及等靜壓等特殊工藝。為什么要采用原位反應(yīng)技術(shù)？因?yàn)樗械膹?qiáng)化劑與活性的Ti基都會發(fā)生界面反應(yīng)而形成一種或是多種化合物。熔鑄法制備鈦合金基復(fù)合材料裝置示意圖氬氣保護(hù)性能

各向同性提高方面：硬度、耐磨性、剛度、高溫強(qiáng)度好降低方面：塑性、斷裂韌性、耐疲勞性能、室溫強(qiáng)度與基體相近或更差。①室溫下，TiC增強(qiáng)的TMCS的拉伸強(qiáng)度與基體相近，SiC顆粒增強(qiáng)TMCS拉伸強(qiáng)度比基體還低。②在高溫下，顆粒增強(qiáng)TMCS拉伸強(qiáng)度均比基體高。③基體的斷裂伸長率均大于顆粒增強(qiáng)TMCS，這表示此復(fù)合材料的塑性與基體相比下降。TiC和SiC顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的力學(xué)性能應(yīng)用：超高音速宇航飛行器和先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)Ti-47Al-2V-7%TiB2作用導(dǎo)彈翼片汽車工業(yè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪②連續(xù)纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料增強(qiáng)體：

SiC、TiC、SiC包覆硼纖維、耐高溫的金屬纖維。制備方法：復(fù)合難度大，只能采用固相法合成，后用熱等靜壓、真

空熱壓鍛造方法壓實(shí)成形。制備方法：交替疊軋法、等離子噴涂、高速物理氣相沉積法表5-14連續(xù)纖維增強(qiáng)TMCs的制備方法復(fù)合方法工藝及制備方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)交替疊軋法纖維-基體-纖維交替排列，加熱并加壓使其致密經(jīng)濟(jì)纖維分布不均勻，纖維間接觸易產(chǎn)生疲勞裂紋等離子噴涂法用真空等離子體將金屬粉漿注入高速旋轉(zhuǎn)的編織纖維，堆垛壓實(shí)。纖維分布均勻，界面反應(yīng)小，利于成型基體組織不均勻，易損傷纖維，合金成分不可控高速物理氣相沉積單根纖維涂一層基體粉，疊起來熱壓成型纖維分布均勻，無聚集，纖維體積含量高合金成分不可控電子束蒸涂同上涂層速度高金屬利用率低三極管濺射同上金屬利用率高沉積速度低磁控濺射同上金屬利用率高沉積速度低性能：各向異性很強(qiáng)，橫向拉伸強(qiáng)度僅為縱向的30~45%，縱向拉伸強(qiáng)度比基體高得多?？v向：提高彈性模量、拉伸、蠕變強(qiáng)度橫向：性能低于基體材料，這是由于載荷是由基材和基材與強(qiáng)化劑界面來承擔(dān)。應(yīng)用：航天航空事業(yè)，汽車工業(yè)材料項(xiàng)目或財(cái)政資助應(yīng)用SiCp/Ti-basedalloy美國綜合高性能發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和高速民用運(yùn)輸機(jī)項(xiàng)目，英國材料戰(zhàn)略局的科技遠(yuǎn)景規(guī)劃風(fēng)扇葉片，壓氣機(jī)盤和排氣嘴和轉(zhuǎn)軸等，飛機(jī)蒙皮和剛性件供麥道公司，英國航天飛機(jī)的縱梁蒙皮，美國航天飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)連續(xù)SiCf/Ti-6Al-4V美國先進(jìn)研究計(jì)劃和國家航空航天局資助，英國航天局結(jié)構(gòu)材料中心汽輪機(jī)及其它航空結(jié)構(gòu)件，航空汽輪機(jī)部件連續(xù)SiCf/Ti-22Al-23Nb美懷特實(shí)驗(yàn)室的計(jì)劃美空軍資助宇航飛機(jī)和先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的渦輪部件連續(xù)SiCf/Ti-6Al-4V勞斯萊斯股份有限公司超音速飛機(jī)蒙皮連續(xù)SiCf/Ti-22Al-10Nb-3V-1Mo德國與以色列科學(xué)合作項(xiàng)目資助先進(jìn)航空器5.6鎂基復(fù)合材料鎂及鎂合金是密度最小的復(fù)合材料之一（1.738g/cm3），鋁的66%左右，比強(qiáng)度和比剛度高。

基體的選擇：因純鎂的強(qiáng)度較低，性能不高，不適于作為鎂基復(fù)合材料的基體，一般需要添加合金元素，主要有Al、Zn、Li、Ag、Zr、Mn、Ni和稀土金屬等。利用固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等作用提高強(qiáng)度。Mn---提高耐腐蝕性Zr---細(xì)化晶粒，提高抗熱裂傾向稀土---類似Zr，同時(shí)改善鑄造、焊接、耐熱和消除應(yīng)力。Li---降低密度，改善塑性增強(qiáng)體：Al2O3×？3Mg+Al2O3＝2Al+3MgO降低結(jié)合強(qiáng)度2Mg+SiO2=Si+2MgO2Mg+Si=Mg2Si(沉淀，危害界面結(jié)合強(qiáng)度)因此，鎂基復(fù)合材料中較少采用Al2O3作為增強(qiáng)體。碳纖維×？

C不與純鎂反應(yīng)，卻與鎂合金中的Al、Li等反應(yīng)。生成立Al4C3、Li2C2等化合物，損傷碳纖維。需在碳纖維表面進(jìn)行涂層，C-Si-O梯度涂層處理。B4C√？B4C與純鎂不反應(yīng)，但顆粒表面的玻璃態(tài)B2O3與Mg發(fā)生界面反應(yīng)：4Mg(L)+B2O3(L)=MgB2(S)+3MgO(S)

液相的產(chǎn)生使得潤濕性增加，不但不降低界面的結(jié)合強(qiáng)度，還有利于復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能。SiC在復(fù)合材料的制備及高溫固溶處理中都沒有發(fā)現(xiàn)界面化學(xué)反應(yīng)。因此，SiC和B4C纖維、晶須或顆粒是鎂基復(fù)合材料合適的增強(qiáng)活力體。

為進(jìn)一步提高增強(qiáng)體與基體合金的潤濕性，增加界面結(jié)合強(qiáng)度，保護(hù)增強(qiáng)體免受基體合金液侵蝕，尋找合適的增強(qiáng)體涂層，或采用原位反應(yīng)合成方法產(chǎn)生增強(qiáng)體---對于活潑的Mg-Li基復(fù)合材料尤為重要。制備方法：擠壓鑄造法（1）制備預(yù)制塊攪拌鑄造法制備鎂合金復(fù)合材料示意圖攪拌鑄造法：粉末冶金法：粉末冶金工藝流程鎂熔體噴嘴霧化室沉積底盤SiCp送粉裝置抽風(fēng)口噴射沉積法：表5-17

幾種主要鎂合金材料制備方法制備工藝增強(qiáng)體類型優(yōu)

點(diǎn)缺

點(diǎn)擠壓鑄造短纖維、晶須、顆粒工藝簡單、成本低、易于批量生產(chǎn);鑄造缺陷少;界面結(jié)合良好;復(fù)合材料力學(xué)性能較高難以直接制備形狀復(fù)雜的零件;增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)有一定限制粉末冶金顆粒增強(qiáng)體分布均勻;體積分?jǐn)?shù)任意可調(diào)工藝設(shè)備復(fù)雜;小批量成本高;不安全攪拌鑄造晶須、顆粒設(shè)備簡單;生產(chǎn)效率高鑄造氣孔較多;顆粒分布不均勻,易偏聚噴射沉積短纖維、晶須、顆粒基體合金晶粒度小;近無界面反應(yīng)復(fù)合材料致密度不高;界面屬機(jī)械結(jié)合,強(qiáng)度不高性能：提高方面：硬度、彈性模量降低方面：延伸率表5-18、表5-19表5-18SiC（晶須、顆粒）增強(qiáng)鎂合金復(fù)合材料的力學(xué)性能熔煉法表5-19硼的長纖維增強(qiáng)鎂合金基復(fù)合材料的力學(xué)性能SiCp／Mg復(fù)合材料不同溫度的力學(xué)性能材料溫度℃σ0.2MPaσbMPaδ%EGPa15.1%SiCp／AZ9121207.9235.91.153.919.6%SiCp／AZ9121212.1231.00.757.425.4%SiCp／AZ9121231.7245.00.765.125.4%SiCp／AZ91177159.6176.41.556.025.4%SiCp／AZ9126053.268.63.6-20%SiCp／AZ9125+壓延251.0336.05.779.0在同一溫度下，SiCp體積含量增加，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彈性模量都有所提高，伸長率則有所下降。對于同一含量增強(qiáng)相而言，隨著溫度的升高，屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彈性模量都有所降低，伸長率有所提高，說明溫度對這種材料的性能有較大的影響。對鑄態(tài)復(fù)合材料進(jìn)行壓延，可使其力學(xué)性能大大提高，壓延之所以能達(dá)到這種效果是由于經(jīng)過壓延陶瓷顆粒增強(qiáng)相在基體內(nèi)分布更加均勻，消除了氣孔、縮松等缺陷。與基體合金AZ91相比,SiCW/AZ91的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和彈性模量均大大提高,而伸長率下降。材料Vf/%σ0.2/MPaσb/MPa伸長率/%E/GPaAZ9101022056.0046SiCW/AZ91(酸性磷酸鋁粘結(jié)劑)212403701.1286SiCW/AZ91(硅膠粘結(jié)劑)212363320.8280SiCW/AZ91222233251.0881采用不同粘結(jié)劑的SiCW/AZ91鎂基復(fù)合材料的拉伸性能應(yīng)用：

密度小、比強(qiáng)度大、比剛度高、尺寸穩(wěn)定和優(yōu)良的鑄造性能，正成為現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域中最有希望采用的一種復(fù)合材料，其綜合性能優(yōu)于鋁基復(fù)合材料。鎂合金摩托車車輪鎂合金汽車車輪筆記本電腦外殼全新的寶馬3系L6鎂鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)，世界第一臺鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的重量比采用鋁材減輕了30%，油耗減少了16%。由于鎂過于脆弱，不是制造要承受發(fā)動(dòng)機(jī)巨大壓力的汽缸筒的理想材料，因此他們設(shè)計(jì)鋁質(zhì)的芯，這個(gè)芯構(gòu)成一個(gè)核，周圍再裹以鎂質(zhì)的外殼。同樣采用這種“鎂外殼鋁內(nèi)膽”的方法的部件還包括汽缸套、水冷套以及所有必須承受壓力的螺栓連接件。正因如此復(fù)雜，使得鑄造全新鎂合金技術(shù)手段顯得非常重要，工程師們甚至采用了太空研究中的超聲技術(shù)，來檢查零件中鎂和鋁的最佳配比。最終的結(jié)果是：復(fù)合鎂合金的曲軸箱的重量比全鋁曲軸箱的重量輕了10公斤，新發(fā)動(dòng)機(jī)僅重161公斤，是全世界同一性能等級的六缸發(fā)動(dòng)機(jī)中重量最輕的。ME20

鎂合金板ZK60鎂合金鑄錠ME20

鎂合金半連續(xù)鑄棒福建坤孚股份有限公司-武平5.7鎳基復(fù)合材料基體：純鎳、鎳鉻合金、鎳鋁合金Ni3Al合金的屈服強(qiáng)度具有反常的溫度關(guān)系，在600℃左右達(dá)到最大。NiAl合金具有高熔點(diǎn)、低密度及極佳的抗氧化性能。耐熱一最具有前途的應(yīng)用一燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片增強(qiáng)體：Al2O3、SiC顆粒、晶須、纖維TiC和TiB2顆粒W絲制備方法例如：Al2O3f/Ni3Al復(fù)合材料、Al2O3f/NiCr復(fù)合材料的制備工藝Al2O3纖維涂覆Y2O3(~1m厚)涂覆W(~0.5m厚)電鍍鎳層(~0.5m厚)纖維排布在鎳基合金薄板之間真空加壓擴(kuò)散結(jié)合法Al2O3f/Ni