第4章 金屬基復(fù)合材料的制造技術(shù)

03三月20241第4章金屬基復(fù)合材料的制造技術(shù)03三月202424.1概述

金屬基復(fù)合材料制造技術(shù)是影響金屬基復(fù)合材料迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。金屬基復(fù)合材料的性能、應(yīng)用、成本等在很大程度上取決于金屬基復(fù)合材料的的制造方法和工藝。金屬基復(fù)合材料的制造相對比較復(fù)雜和困難:金屬熔點較高，需要在高溫下操作；同時不少金屬對增強體表面潤濕性很差，甚至不潤濕，加上金屬在高溫下很活潑，易與多種增強體發(fā)生反應(yīng)。目前雖然已經(jīng)研制出不少制造方法和工藝，但仍存在一系列問題。因此,研究發(fā)展有效的金屬基復(fù)合材料制造方法一直是金屬基復(fù)合材料研究中最重要的問題之一。本章將涉及不同金屬基復(fù)合材料的制造方法、原理及特點等。03三月20243固態(tài)法是在基體金屬處于固態(tài)情況下，與增強材料混合組成新的復(fù)合材料的方法。其中包括粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、擠壓和拉拔法、爆炸焊接法等。液態(tài)法是在基體金屬處于熔融狀態(tài)下，與增強材料混合組成新的復(fù)合材料的方法。其中包括：真空壓力浸漬法。擠壓鑄造法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、共噴沉積法、熱噴涂法等。新型制造方法包括：原位自生成法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)鍍和電鍍法及復(fù)合鍍法等。4.1.1金屬基復(fù)合材料制造方法的類型固態(tài)制造技術(shù)液態(tài)制造技術(shù)新型制造技術(shù)03三月202444.1.2制造技術(shù)應(yīng)具備的條件(1)使增強材料均勻地分布金屬基體中，滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和強度要求;(2)能使復(fù)合材料界面效應(yīng)、混雜效應(yīng)或復(fù)合效應(yīng)充分發(fā)揮;(3)能夠充分發(fā)揮增強材料對基休金屬的增強、增韌效果;

(4)設(shè)備投資少，工藝簡單易行，可操作性強；便于實現(xiàn)批量或規(guī)模生產(chǎn);(5)能制造出接近最終產(chǎn)品的形狀，尺寸和結(jié)構(gòu)，減少或避免后加工工序.03三月202454.1.3金屬基復(fù)合材料制造的關(guān)鍵性技術(shù)由于金屬所固有的物理和化學(xué)特性，其加工性能不如樹脂好，在制造金屬基復(fù)合材料中還需解決一些關(guān)鍵技術(shù)，其中主要表現(xiàn)于：

加工溫度高，在高溫下易發(fā)生不利的化學(xué)反應(yīng);增強材料與基體浸潤性差;增強材料在基體中的分布。03三月20246在加工過程中，為了確?；w的浸潤性和流動性，需要采用很高的加工溫度（往往接近或高于基體的熔點）。在高溫下，基體與增強材料易發(fā)生界面反應(yīng)，有時會發(fā)生氧化生成有害的反應(yīng)產(chǎn)物。這些反應(yīng)往往會對增強材料造成損害，形成過強結(jié)合界面。過強結(jié)合界面會使材料產(chǎn)生早期低應(yīng)力破壞。高溫下反應(yīng)產(chǎn)物通常呈脆性，會成為復(fù)合材料整體破壞的裂紋源。因此控制復(fù)合材料的加工溫度是一項關(guān)鍵技術(shù)。解決的方法是：①盡量縮短高溫加工時間，使增強材料與基體界面反應(yīng)時間降低至最低程度；②通過提高工作壓力使增強材料與基體浸潤速度加快；③采用擴散粘接法可有效地控制溫度并縮短時間。03三月20247增強材料與基體浸潤性差是金屬基復(fù)合材料制造的又一關(guān)鍵技術(shù)，絕大多數(shù)的金屬基復(fù)合材料如：碳/鋁、碳/鎂、碳化硅/鋁、氧化鋁/銅等，基體對增強材料浸潤性差，有時根本不發(fā)生潤濕現(xiàn)象。解決的方法是：①加入合金元素，優(yōu)化基體組分，改善基體對增強材料的浸潤性，常用的合金元素有：鈦、鋯，鈮、鈰等；②對增強材料進行表面處理，涂敷一層可抑制界面反應(yīng)的涂層，可有效改善其浸潤性，表面涂層涂覆方法較多，如化學(xué)氣相沉積，物理氣相沉積，溶膠－凝膠和電鍍或化學(xué)鍍等。

03三月20248按結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，使增強材料按所需方向均勻地分布于基體中也是金屬基復(fù)合材料制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一。增強材料的種類較多，如短纖維、晶須、顆粒等，也有直徑較粗的單絲，直徑較細的纖維束等。在尺寸形態(tài)、理化性能上也有很大差異，使其均勻地、或按設(shè)計強度的需要分布比較困難。解決的方法是：

①對增強體進行適當?shù)谋砻嫣幚?，使其浸漬基體速度加快；②加入適當?shù)暮辖鹪馗纳苹w的分散性；③施加適當?shù)膲毫Γ蛊浞稚⑿栽龃?。④施加外?磁場,超聲場等)03三月202494.2固態(tài)制造技術(shù)固態(tài)制造技術(shù)主要包括：粉末冶金熱壓熱等靜壓熱軋熱擠壓熱拉爆炸焊接03三月202410粉末冶金是制取金屬或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技術(shù)也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點，它已成為解決新材料問題的鑰匙，在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。03三月202411粉末冶金工藝的基本工序是：1、原料粉末的制備?，F(xiàn)有的制粉方法大體可分為兩類：機械法和物理化學(xué)法。而機械法可分為：機械粉碎及霧化法；物理化學(xué)法又分為：電化腐蝕法、還原法、化合法、還原-化合法、氣相沉積法、液相沉積法以及電解法。03三月202412不銹鋼真空球磨罐QM-星行球磨機03三月202413球磨工藝球磨時間球料比球磨轉(zhuǎn)速球磨氣氛（干磨、濕磨）03三月202414球磨工藝-球磨時間03三月202415球磨工藝-球料比球料比越大，硬質(zhì)粉體越細小。而塑性較好的金屬粉體如圖03三月20241603三月2024172、壓制成坯塊。成型的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使其具有一定的密度和強度。成型的方法基本上分為加壓成型和無壓成型。加壓成型中應(yīng)用最多的是模壓成型。03三月202418液壓式壓力機壓力機壓力表壓力機壓力調(diào)節(jié)閥上模下模03三月202419液壓機原理圖03三月20242003三月202421我國粉末冶金專家黃培云教授得出粉末體密度的變化與壓制壓力的關(guān)系式，即雙對數(shù)壓制方程：

式中dm——致密合金的密度；

d0——壓坯原始密度；

d——壓坯密度；

P——壓制壓力；

n——常數(shù)，硬化指數(shù)的倒數(shù)；

M——常數(shù)，相當于壓制模量。采用模壓成型壓制出的壓坯致密度可達58-62%。03三月202422脫脂在試樣燒結(jié)前，必須將成形劑脫除掉。成形劑的揮發(fā)溫度通常是200-400℃，如在此溫度未脫除干凈，爐內(nèi)溫度繼續(xù)上升時，成形劑將裂解而使燒結(jié)體增碳，同時產(chǎn)生大量的氣孔。脫脂在還原氣氛爐內(nèi)進行。03三月202423在200℃到400℃之間升溫和保溫時間都很長，其目的就是使成形劑充分揮發(fā)。加熱到800℃并短時保溫的目的是提高壓坯的強度。03三月20242403三月202425

燒結(jié)是粉末冶金工藝中的關(guān)鍵性工序。成型后的壓坯通過燒結(jié)使其得到所要求的最終物理機械性能。燒結(jié)又分為單元系燒結(jié)和多元系燒結(jié)。對于單元系和多元系的固相燒結(jié)，燒結(jié)溫度比所用的金屬及合金的熔點低；對于多元系的液相燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般比其中難熔成分的熔點低，而高于易熔成分的熔點。除普通燒結(jié)外，還有松裝燒結(jié)、熔浸法、熱壓法等特殊的燒結(jié)工藝。

溫度,時間,氣氛.3、坯塊的燒結(jié)03三月202426箱式電阻爐03三月202427真空燒結(jié)爐03三月202428燒結(jié)后的處理，可以根據(jù)產(chǎn)品要求的不同，采取多種方式。如精整、浸油、機加工、熱處理及電鍍。此外，近年來一些新工藝如軋制、鍛造也應(yīng)用于粉末冶金材料燒結(jié)后的加工，取得較理想的效果。4、產(chǎn)品的后序處理03三月202429（2）可以制備非晶、微晶、準晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料，這些材料具有優(yōu)異的電

學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。（1）粉末冶金技術(shù)可以最大限度地減少合金成分偏聚，消除

粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、

稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)

材料、新型金屬材料（如Al-Li合金、耐熱Al合金、

超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物

高溫結(jié)構(gòu)材料等）具有重要的作用。粉末冶金具有以下特點:03三月202430（6）可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料，是一種可有效進行材料再生和綜合

利用的新技術(shù)。（3）可以容易地實現(xiàn)多種類型的復(fù)合，充分發(fā)揮各組元材料各自的特性，是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復(fù)合材料的工藝技術(shù)。（4）可以生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分離膜材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷材料等。（5）可以實現(xiàn)凈近形成形和自動化批量生產(chǎn)，從而，可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。03三月202431

粉末冶金是最早用來制造金屬基復(fù)合材料的方法，早在1961年Kopenaal等人就利用粉末冶金法制造纖維體積含量為20％～40％的碳－鋁復(fù)合材料，但由于性能很低，也無有效措施加以提高，這種方法已不用來制造長纖維增強復(fù)合材料，而主要用于制造顆粒或晶須增強金屬基復(fù)合材料。03三月2024321、工藝過程及注意事項美國的DWA公司用此法制造了不同成分的鋁合金基體和不同顆粒（晶須）含量的復(fù)合材料及各種零件、管材、型材和板材，它們具有很高的比強度、比模量和耐磨性，已用于汽車、飛機、航天器等。03三月202433

粉末冶金法也被用來制造鈦基、金屬間化合物基復(fù)合材料。例如，含TiC顆粒10％的TiC/Ti－6Al－4V復(fù)合材料，其650℃的高溫彈性模量提高于15％，使用溫度可提高100℃。基體粉末和顆粒（晶須）增強材料的混合均勻以及基體粉末的防止氧化是整個工藝的關(guān)鍵，必須采取有效措施。與攪拌鑄法相比，在粉末冶金法中顆粒（晶須）的含量不受限制，尺寸也可以在較大范圍內(nèi)變化，但材料的成本較高，制造大尺寸的零件和坯料有一定困難。03三月2024342、工藝適應(yīng)性

該工藝適于制造SiCp/Al、SiCW/Al、Al2O3/Al、TiB2/Ti等金屬基復(fù)合材料零部件、板材或錠坯等。

常用的增強材料有：SiCP、Al2O3、SiC、W、B4CP等顆粒、晶須及短纖維等。

常用的基體金屬有：Al、Cu、Ti等。03三月2024354.2.2熱壓和熱等靜壓技術(shù)熱壓法和熱等靜壓法亦稱擴散粘接法，是加壓焊接的一種，因此有時也稱擴散焊接法。它是在較長時間的高溫及不大的塑性變形作用下依靠接觸部位原子間的相互擴散進行的。擴散粘接過程可分為三個階段：①粘接表面之間的最初接觸，由于加熱和加壓使表面發(fā)生變形、移動、表面膜（通常是氧化膜）破壞；②隨著時間的進行發(fā)生界面擴散和體擴散，使接觸面粘接；③由于熱擴散結(jié)合界面最終消失，粘接過程完成。03三月202436

在發(fā)動機制造中，熱等靜壓機已用于粉末高溫合金渦輪盤和壓氣盤的成型。

粉末高溫合金熱等靜壓或熱等靜壓加鍛造的盤件已在多種高推重比航空發(fā)動機上應(yīng)用。同樣，熱等靜壓還用于制造粉末鈦合金風(fēng)扇盤和飛機上的粉末鋁合金和粉末鈦合金承力構(gòu)件。在航天器制造工業(yè)中，熱等靜壓主要用于制造致密的碳質(zhì)結(jié)構(gòu)件，如火箭的舵面和固體火箭發(fā)動機噴管喉襯等。各種合金的精密鑄件，如高溫合金渦輪葉片和鑄鈦機匣等，經(jīng)熱等靜壓致密化處理可消除內(nèi)部疏松和縮孔，提高性能、可靠性和使用壽命。熱等靜壓還是返修舊件以延長使用壽命的一種有效方法。03三月202437

熱等靜壓設(shè)備的組成:大多數(shù)生產(chǎn)型熱等靜壓機的最高使用溫度約1400°C，最大壓力在100～200兆帕(1000～2000大氣壓)之間。現(xiàn)代最大的熱等靜壓機的總噸位約40萬千牛（4萬噸力）。壓力容器加熱爐壓縮機真空泵冷卻裝置計算機控制系統(tǒng)影響擴散粘接過程的主要參數(shù)是溫度、壓力和一定溫度及壓力下維持的時間，其中溫度和氣氛最為重要.03三月202438BodycoteIMTInc.

公司的一臺大型QUINTUS?熱等靜壓機,爐體熱區(qū)直徑1.68米03三月202439在熱等靜壓機中生產(chǎn)從金屬粉末直接成型的接近凈形狀零件03三月202440在熱等靜壓機中處理的鈦合金鑄件,用于消除在鑄造過程中形成的內(nèi)部微空和缺陷03三月202441在熱等靜壓機中處理的人工關(guān)節(jié),用于消除在鑄造過程中形成的內(nèi)部微空和缺陷03三月202442工藝適用性（1）熱壓技術(shù)熱壓技術(shù)適用于制造B/Al、SiC/Al、SiC/TiC/Al、C/Mg等.

復(fù)合材料零部件，管材和板材等。常用的增強材料有：B、SiC、C和W等。常用的基體金屬有：Al，Ti、Cu、耐熱合金等。（2）熱等靜壓技術(shù)此技術(shù)適用于制造B/Al、SiC/Ti管材。常用的增強材料有：B、SiC、W等。常用的基體金屬有：Al、Ti和超合金等。03三月2024434.2.3熱軋、熱擠壓和熱拉技術(shù)金屬材料中成熟的成型加工工藝，在此用于制造復(fù)合材料。熱軋法熱擠壓法熱拉法03三月202444熱軋法主要用來將已復(fù)合好的顆粒、晶須、短纖維增強金屬基復(fù)合材料錠坯進一步加工成板材。由金屬箔和連續(xù)纖維組成的預(yù)制片制成板材，如鋁箔與硼纖維、鋁箔與鋼絲。為了提高粘接強度，常在纖維上涂銀、鎳、銅等涂層，軋制時為了防止氧化常用鋼板包覆。與金屬材料的軋制相比，長纖維－金屬箔軋制時每次的變形量小、軋制道次多。對于顆?；蚓ы氃鰪娊饘倩鶑?fù)合材料板材，先經(jīng)粉末冶金或熱壓成坯料，再經(jīng)熱軋成復(fù)合材料板材。適用的復(fù)合材料:SiCp-Al、SiCW-Cu、Al2O3W-Al、Al2O3W-Cu等。03三月202445熱軋機工作原理示意圖鋁錠→熔煉爐→靜置爐→過濾→鑄嘴→軋機→中間機組→卷取機熱軋系統(tǒng)基本流程為：03三月202446熱軋區(qū)放大示意圖厚度:0.3-12mm;寬度:600-1560mm;剪切長度:500-4500mm;機列速度:90m/min.

產(chǎn)品指標03三月202447

熱擠壓和熱拉主要用于顆粒、晶須、短纖維增強金屬基復(fù)合材料坯料的進一步加工，制成各種形狀的管材、型材、棒材等。經(jīng)擠壓，拉拔后復(fù)合材料的組織變得均勻、缺陷減少或消除，性能明顯提高，短纖維和晶須還有一定的擇優(yōu)取向，軸向拉伸強度提高很多。

熱擠壓和熱拉對制造金屬絲增強金屬基復(fù)合材料是很有效的方法，具體做法是在基體金屬坯料上鉆長孔，將增強金屬制成棒放入基體金屬的孔中，密封后進行熱擠壓或熱拉，增強金屬棒變成絲。也有將顆粒或晶須與基體金屬粉末混勻后裝入金屬管中，密封后直接熱擠壓或熱拉成復(fù)合材料管材或棒材的。

工藝適用性:C/Al,Al2O3/Al復(fù)合材料棒材和管材.增強體主要有:B,SiC,W等,基體主要為Al.

按流動特性和擠壓力的變化規(guī)律，可將擠壓過程分為：填充擠壓階段：金屬在擠壓桿（力）的作用下首先充滿擠壓筒和?？祝ń饘僦饕獜较蛄鲃樱?，擠壓力急劇升高；

基本擠壓階段：又稱層流擠壓階段，金屬不發(fā)生紊亂流動，即錠外（內(nèi)）層金屬出模后仍在外（內(nèi)）層，擠壓力穩(wěn)中有降；擠壓桿行程擠壓力Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

填充階段基本階段終了階段

終了擠壓階段：又稱紊流擠壓階段，金屬發(fā)生紊亂流動，即外層進入內(nèi)層，擠壓力上升。（1）填充擠壓階段

擠壓時，為便于將錠坯放入筒中，常使錠坯外徑小于筒內(nèi)徑1－15mm，因此在擠壓力的作用下，錠坯首先徑向流動充滿擠壓筒，同時有少量金屬流入?？?。桿、墊片、錠坯開始接觸到錠坯充滿擠壓筒的階段稱為填充擠壓階段。A

必要性

a操作要求；

b實心錠擠管，否則穿孔針彎曲導(dǎo)致管材偏心；

c制品要求橫向性能，如航空用型材必須有一定的鐓粗變形（25－30％）B

應(yīng)力分析Ⅰ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅲ

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

作用于坯料上的外力：擠壓力：P；

模端面反力：N；

摩擦力：T?；緫?yīng)力狀態(tài)類似于自由體鐓粗，為三向壓應(yīng)力，即軸向應(yīng)力σL、徑向應(yīng)力σr、周向應(yīng)力σθ。且可看成是主應(yīng)力，但由于?？椎拇嬖?，導(dǎo)致σL分布不均勻，體現(xiàn)在：徑向：中心小，兩邊大，差異由前向后逐漸減小。軸向：對著?？撞糠郑河汕跋蚝笤龃髮χ１诓糠郑河汕跋蚝鬁p小C

變形（應(yīng)變）分析應(yīng)變狀態(tài)：一向壓縮（軸向）、二向延伸（徑向、周向）變形過程：開始出鼓形，中部首先充滿擠壓筒；繼續(xù)加力，上部充滿擠壓筒；最后，下部充滿擠壓筒。Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

D

坯料端面變形分析NN

填充擠壓時，部分金屬會流入模孔，但此部分金屬并不是發(fā)生塑性變形后流入模孔的，而是被剪出的，其組織是鑄態(tài)組織，必須切下（棒材頭）。

原因：軸向應(yīng)力在徑向上的分布是不均勻的，且在?？字車畲?，這種應(yīng)力突變會產(chǎn)生很大的切應(yīng)力，當此切應(yīng)力達到材料的剪切極限時，對著?？撞糠值慕饘俦阊啬？妆患舫?。E填充階段應(yīng)注意的問題

a

盡量減小變形量（錠坯與擠壓筒的間隙），否則易造成：制品性能不均勻；棒材頭大，即切頭大；低塑性材料易出現(xiàn)表面裂紋。此階段的變形量用填充擠壓系數(shù)表征，定義填充擠壓系數(shù)為：一般

b錠坯的長度與直徑比小于3－4，即L/D<3-4。否則變形不均出現(xiàn)鼓形，甚至失穩(wěn)彎曲，導(dǎo)致封閉在模、筒交界處的空氣壓入表面微裂紋中，出模后若焊合則形成氣泡，若未焊合則出現(xiàn)起皮缺陷。

c

錠坯梯溫加熱，即坯料獲得長度上的原始溫度梯度，變形抗力低的高溫端靠近?？?，填充擠壓時坯料由前向后依次變形，從而將空氣排除。（2）基本擠壓階段

金屬從?？字辛鞒龅藉V坯長度等于變形區(qū)高度的階段。A

擠壓比擠壓時的變形量常用擠壓比表征，定義擠壓比為：

單孔模擠壓時，擠壓比為：

擠壓比的大小由被擠壓材料的塑性決定，可查表。B

應(yīng)力分析

外力：擠壓力P

；筒、模的反力N；筒、模、墊片與坯料間的摩擦力T

。

基本應(yīng)力狀態(tài)：為三向壓應(yīng)力，即軸向應(yīng)力σL、徑向應(yīng)力σr、周向應(yīng)力σθ?；緫?yīng)變狀態(tài)：為一向延伸變形，二向壓縮變形，即軸向延伸變形εL、徑向壓縮變形εr、周向壓縮變形εθ。I1區(qū)：三向壓應(yīng)力|σr|≈|σθ|>|σL|

εL>0,εr<0,εθ<0I2區(qū)：三向壓應(yīng)力|σL|>|σθ|>|σr|εL<0,εr>0,εθ<0I1區(qū)和I2區(qū)構(gòu)成I區(qū)，總稱塑形變形區(qū)，I1區(qū)稱為延伸變形區(qū)，I2區(qū)稱為壓縮變形區(qū)。II區(qū)為彈性變形區(qū)：|σL|>|σθ|>|σr|III區(qū)為死區(qū)：三向等值壓應(yīng)力IV區(qū)為剪切變形區(qū)軸向應(yīng)力σL分布：軸向上：由前向后逐漸增大；徑向上：由中心向邊部逐漸增大。NNNTⅠ1

ⅡⅣⅠ2

Ⅰ2

Ⅲ

Ⅲ

C

變形（應(yīng)變）分析應(yīng)變狀態(tài)：二向壓縮（徑向、周向）、一向延伸（軸向）變形規(guī)律（應(yīng)變分布）：可由此階段坐標網(wǎng)格變化分析，如下圖。>>>>

a

縱向（水平方向）網(wǎng)格在進、出模孔發(fā)生方向相反的兩次彎曲，彎曲程度由內(nèi)向外逐漸增大，說明變形是不均勻的。分別連接兩次彎曲的彎折點可得兩個曲面，一般將此兩曲面與模孔錐面或死區(qū)界面所圍成的區(qū)域叫變形區(qū)壓縮錐，或簡稱變形區(qū)。

>>

b

在變形區(qū)中，橫向（垂直方向）網(wǎng)格的中心朝前，且越接近?？讖澢酱螅f明中心質(zhì)點的流速大于外層質(zhì)點的流速，且差異越接近?？自酱蟆＿@是因為：外摩擦影響：外層大，中心??；斷面溫度分布：一般外層低，中心高；?？椎拇嬖谑怪行馁|(zhì)點的流動阻力小于外層質(zhì)點。>>

c

制品的網(wǎng)格也有畸變，表現(xiàn)在：①橫向線的彎曲程度以及彎曲頂點的間距由前向后逐漸增大，說明變形（延伸變形和剪切變形）由前向后逐漸增大。

②中心網(wǎng)格變成近似矩形，外層網(wǎng)格變成平行四邊形，說明外層質(zhì)點不僅承受了縱向延伸，還承受了附加的剪切變形，且剪切變形由中心向外層逐漸增大。

變形規(guī)律總結(jié)：徑向上：外層大，中心??；軸向上：后端大，前端??；變形差異：由前向后逐漸增加；流動速度：中心大，外層?。豢傮w看流動平穩(wěn)（層流）。變形前后外層中心d擠壓筒內(nèi)金屬分區(qū)死區(qū)（前端難變形區(qū)）變形區(qū)后端難變形區(qū)劇烈滑移區(qū)①前端難變形區(qū)又稱死區(qū)，位于筒、模交界處的環(huán)形區(qū)域，是由于筒、模的摩擦和冷卻，使此部分金屬不易變形形成的。死區(qū)在基本擠壓階段基本不參與流動。死區(qū)（前端難變形區(qū)）變形區(qū)后端難變形區(qū)劇烈滑移區(qū)死區(qū)的頂部能阻礙錠坯的表面缺陷進入變形區(qū)而流入制品，因此能提高制品的表面質(zhì)量。影響死區(qū)大小的因素：模角、摩擦、擠壓溫度等，隨這些參數(shù)的增大，死區(qū)增大，如平模擠壓時死區(qū)大。②后端難變形區(qū)位于墊片端面附近，是由于筒、墊片的摩擦和冷卻，使此部分金屬不易變形形成的，在基本擠壓末期，此區(qū)域逐漸變成一小楔形區(qū)。死區(qū)（前端難變形區(qū)）變形區(qū)后端難變形區(qū)劇烈滑移區(qū)死區(qū)（前端難變形區(qū)）變形區(qū)后端難變形區(qū)劇烈滑移區(qū)③在變形區(qū)中，有一個劇烈滑移區(qū)，處于死區(qū)和快速流動區(qū)之間。變形越不均勻，此區(qū)越大，因此隨擠壓過程的進行，此區(qū)不斷擴大。劇烈滑移會導(dǎo)致晶粒過渡破碎，易導(dǎo)致制品表面出現(xiàn)微裂紋和組織粗大（粗晶環(huán)），導(dǎo)致制品性能下降。（3）終了擠壓階段

筒內(nèi)錠坯長度減小到接近變形區(qū)高度時的流動階段。>>主要特征：

A擠壓力升高；（死區(qū)參與流動、溫度低）

B

金屬徑向流速增加，金屬環(huán)流（紊流）（維持體積不變規(guī)律）。

實際生產(chǎn)中，在此階段停止擠壓（留壓余）。03三月20246803三月202469擠壓鑄造生產(chǎn)工藝過程：復(fù)合材料的熔化模具的準備金屬的澆注液態(tài)金屬的加壓保壓和去壓取樣品(清理、預(yù)熱、噴涂潤滑劑)03三月202470合理選擇工藝參數(shù)

壓力大小對鑄件的物理力學(xué)性能、鑄造缺陷、組織、偏析、熔點及相平衡等都有直接影響。所以確定成形必須的單位壓力是很重要的。如果比壓過小，鑄件表面與內(nèi)在質(zhì)量都不能達到技術(shù)指標；比壓過大，對性能的提高不十分明顯，還容易使模具損壞，且要求較大合模力的設(shè)備。擠壓鑄造試驗是在2000kN油壓機上進行的。試驗證明，適合于鋁合金車輪擠壓鑄造的比壓應(yīng)在50～60MPa范圍內(nèi)選取。

加壓開始時間.在車輪擠壓過程中，其加壓開始時的間隔時間過長，鑄件的強度及伸長率降低。一般采用開始加壓時間是3～5s，較為合適。03三月202471

加壓速度.擠壓鑄造要求一定的加壓速度，在可能情況下，以加壓速度快一點為好。加壓速度快，則凸模能很快地將壓力施加于金屬上，便于成形、結(jié)晶和塑性變形。但也不宜過快，否則會使部分合金熔液的表面產(chǎn)生飛濺及渦流，使鑄件產(chǎn)生缺陷，以及在凸、凹模之間的間隙中流出過多的合金熔液，形成難以去除的縱向毛刺。因此，必須使凸模緩慢地壓入液態(tài)金屬中。由于使用的油壓機工作進給速度較慢，故利用工作行程的速度進行壓制。

保壓時間.壓力保持時間主要取決于鑄件厚度，在保證成形和結(jié)晶凝固條件下，保壓時間以短為好。但是保壓時間過短，則鑄件內(nèi)部容易產(chǎn)生縮孔，如果保壓時間過長，則會延長生產(chǎn)周期，增加變形抗力，降低模具使用壽命。考慮車輪的壁厚情況，擠壓鑄造的保壓時間選用12s左右。03三月202472

模具預(yù)熱溫度.模具若不預(yù)熱，合金熔液注入型腔后會很快凝固，導(dǎo)致來不及加壓；但預(yù)熱溫度也不能過高，否則會延長保壓時間，降低生產(chǎn)率，同時也不利于噴涂潤滑劑。對本車輪擠壓鑄造模具的預(yù)熱溫度為200～300℃，通常是用煤油噴燈進行加熱。

合金澆注溫度.澆注溫度過高或過低都對合金成形有明顯影響。過低，合金極易凝固，所需單位壓力大；過高，易產(chǎn)生縮孔。必須指出，擠壓鑄造合金的澆注溫度要比砂型澆注溫度高。一般希望把澆注溫度控制在比較低的數(shù)值，因為擠壓鑄造時希望消除氣孔、縮孔和疏松。在澆注溫度低時，氣體易于從合金熔液內(nèi)部逸出，極少留在金屬中，易于消除氣孔。此外，也可減少縮孔形成機會，同時由于澆注溫度較低，金屬溢出較少，可減少毛刺。對本車輪擠壓鑄造的澆注溫度選用720～740℃為最合適。03三月202473

冷卻.擠壓鑄造卸壓后，一般應(yīng)立即脫模，故鑄件的出模溫度較高。為了防止高溫的鑄件空冷時在薄壁與厚壁的交界處產(chǎn)生裂紋，應(yīng)將出模后的鑄件立即放砂堆中，待冷卻到150℃以下時再取出空冷。

潤滑劑.潤滑劑的作用是保護模具，提高鑄件表面質(zhì)量和便于從模具內(nèi)取出鑄件。采用機油石墨潤滑劑，即5%的200～300目的石墨粉加入到95%機油中，攪拌均勻即可。用噴槍噴涂在模具型腔表面上，其厚度為0.05～0.1mm，過厚會影響鑄件表面質(zhì)量。03三月2024744.2.4爆炸焊接技術(shù)金屬爆炸焊接是介于金屬物理學(xué)、爆炸物理學(xué)和焊接工藝學(xué)之間的一門邊緣學(xué)科，爆炸焊接又是用炸藥作能源進行金屬間焊接和生產(chǎn)金屬復(fù)合材料的一種很有實用價值的高新技術(shù)。它的最大特點是在一瞬間能將相同的、特別是不同的和任意的金屬組合，簡單、迅速和強固地焊接在一起。它的最大用途是制造大面積的各種組合、各種形狀、各種尺寸和各種用途的雙金屬及多金屬復(fù)合材料。這種技術(shù)還是一種先進的表面工程技術(shù)，這類材料也是一類應(yīng)用廣泛的表面工程材料。03三月202475

爆炸焊接法是利用炸藥爆炸產(chǎn)生的強大脈沖應(yīng)力，通過使碰撞的材料發(fā)生塑性變形、粘接處金屬的局部擾動以及熱過程使材料焊接起來。如果用金屬絲作增強材料，應(yīng)將其固定或編織好以防其移位或卷曲?；w和金屬絲在焊前必須除去表面的氧化膜和污物。

爆炸焊接用底座對材料質(zhì)量的優(yōu)劣起著重要作用，底座材料的密度和隔聲性能應(yīng)盡可能與復(fù)合材料接近。用放在碎石層或鐵屑層上的金屬板作底座可得到高質(zhì)量的平整的復(fù)合板。03三月202476

爆炸焊接的特點是作用時間短，材料的溫度低，不必擔(dān)心發(fā)生界面反應(yīng)。用爆炸焊接可以制造形狀復(fù)雜的零件和大尺寸的板材，需要時一次作業(yè)可得多塊復(fù)合板。此法主要用來制造金屬層合板和金屬時增強金屬基復(fù)合材料，例如鋼絲增強鋁、鉬絲或鎢絲增強鈦、鎢絲增強鎳等復(fù)合材料。

爆炸加工技術(shù)在宇航、軍工、化工等方面都有著廣泛的應(yīng)用。例如：宇宙火箭上各種形狀的大型鋁制艙壁、壓力容器上的圓蓋、鍋爐的頂蓋，熱交換器的凸狀通風(fēng)板以及鋁制大型反射器等，都用得著爆炸成形技術(shù)，對于形狀不對稱的的工件加工，諸如電纜連接、銀盤、銅盤或人像與圖像的雕撰等，尤見長處。更美妙的是利用爆炸辦法可以把石墨碳粉在高壓下變成金剛石粉。03三月202477國產(chǎn)太行戰(zhàn)機用渦輪風(fēng)扇航空發(fā)動機-----解放軍理工大學(xué)首席教授、博士生導(dǎo)師王耀華課題組

兩塊大面積的金屬板材平行放置在一起，上面一塊鋪設(shè)上炸藥，只聽“轟隆”一聲，沒見我們想象中的四處橫飛的情景，兩塊金屬板卻嚴絲合縫地焊接在了一起。03三月2024784.3液態(tài)制造技術(shù)液態(tài)制造技術(shù)是金屬基復(fù)合材料主要的制造技術(shù)液態(tài)制造技術(shù)包括:真空壓力浸漬技術(shù)擠壓鑄造技術(shù)液態(tài)金屬攪拌鑄造技術(shù)液態(tài)金屬浸漬技術(shù)共噴沉積技術(shù)熱噴涂技術(shù)03三月2024794.3.1真空壓力浸漬技術(shù)

真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體共同作用下，將液態(tài)金屬壓入增強材料中制成預(yù)制件，再制備金屬基復(fù)合材料制品。其兼?zhèn)湔婵瘴T和壓力鑄造的優(yōu)點。該技術(shù)由美國的Alcon公司于1960年最先發(fā)明，經(jīng)過不斷改進，逐步發(fā)展成能控制熔體溫度、頂制件溫度、冷卻速度、壓力等工藝參數(shù)的工業(yè)性制造方法。熔體進入預(yù)制件有三種方式:底部壓入式頂部注入式頂部壓入式03三月202480浸漬爐由耐高壓的殼體、熔化金屬的加熱爐、頂制件預(yù)熱爐、坩堝升降裝置、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、氣體加壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成。金屬熔化過程和預(yù)制件預(yù)熱過程可在真空或保護氣氛條件下進行，以防止金屬氧化和增強材料損傷。03三月2024811、工藝過程主要工藝參數(shù)包括:預(yù)制件預(yù)熱溫度,金屬熔體溫度,浸漬壓力,冷卻速度.金屬熔體溫度越高,流動性越好,越容易填充到預(yù)制件中;預(yù)制件溫度越高,金屬熔體冷卻凝固慢,浸漬越充分.03三月202482

首先將增強材料預(yù)制件放入模具，并將基體金屬裝入坩堝中;

然后將裝有預(yù)制件的模具和裝有基體金屬的坩堝分別放人浸漬爐的預(yù)熱爐和熔化爐內(nèi)，密封和緊固爐體，將預(yù)制件模具和爐腔抽真空，當爐腔內(nèi)達到預(yù)定真空度后開始通電加熱預(yù)制件和熔化金屬基體?？刂萍訜徇^程使預(yù)制件和熔融基體達到預(yù)定溫度，保溫一定時間，提升坩堝，使模具升液管插入金屬熔體，并通入高壓惰性氣體，在真空和惰性氣體高壓的共同作用下，液態(tài)金屬滲入預(yù)制件中并充滿增強材料之間的孔隙，完成浸漬過程，形成復(fù)合材料。降下坩堝，接通冷卻系統(tǒng)，待完全凝固后，即可認模具中取出復(fù)合材料零件或坯料。凝固在壓力下進行，復(fù)合材料及其制品一般無鑄造缺陷。

03三月202483

真空壓力浸漬法制備金屬基復(fù)合材料過程中，預(yù)制件的制備和工藝參數(shù)的控制是制得高性能復(fù)合材料的關(guān)鍵。復(fù)合材料中纖維、顆粒等增強材料的含量、分布、排列方向是由預(yù)制件決定的，應(yīng)根據(jù)需要可采取相應(yīng)的方法制造滿足設(shè)計要求的預(yù)制件，常用的方法通常有干法和濕法兩種，還可根據(jù)具體情況，適當加入膠粘劑。預(yù)制件應(yīng)有一定的抗壓縮變形能力，防止浸漬時增強材料發(fā)生位移或彎曲，形成增強材料密集區(qū)和富金屬基體區(qū)，使復(fù)合材料性能下降。03三月202484濕法制備預(yù)制件的工藝流程圖03三月202485真空壓力浸漬技術(shù)的特點:1）適用面廣，可用于多種金屬基體和連續(xù)纖維、短纖維、晶須和顆粒等增強材料的復(fù)合，增強材料的形狀、尺寸、含量基本上不受限制。也可用來制造混雜復(fù)合材料。

2）可直接制成復(fù)合零件，特別是形狀復(fù)雜的零件，基本上無需進行后繼加工。

3）浸漬在真空中進行、壓力下凝固，無氣孔、疏松、縮孔等鑄造缺陷，組織致密，材料性能好。

4）工藝簡單、參數(shù)易于控制，可根據(jù)增強材料和基體金屬的物理化學(xué)特性，嚴格控制溫度、壓力等參數(shù)，避免嚴重界面反應(yīng)。

5）真空壓力浸漬法的設(shè)備比較復(fù)雜，工藝周期長、投資大，制造大尺寸的零件要求大型設(shè)備。03三月202486工藝適應(yīng)性該工藝適于制造C/Al、C/Cu、C/Mg、SiCp/Al、SiCW+SiCp/Al等復(fù)合材料零部件、板材、錠坯等。常用的增強材料為：各種纖維、晶須、顆粒等增強材料。常用的基體金屬為：Al、Mg、Cu、Ni等及其合金。03三月2024874.3.2擠壓鑄造技術(shù)過程:先將增強材料制成一定形狀的預(yù)制件，經(jīng)干燥預(yù)熱后放入模具中，澆注入熔融金屬，用壓頭加壓，壓力為70～100MPa，液態(tài)金屬在壓力下浸滲入預(yù)制件中，并在壓力下凝固，制成接近最終形狀和尺寸的零件，或供用塑性成型法二次加工的錠坯。擠壓鑄造技術(shù)是利用壓機將液態(tài)金屬強行壓入增強材料的預(yù)制件中以制造復(fù)合材料的一種方法。03三月202488“擠壓鑄造”也稱“液態(tài)模鍛”，是一種介于鑄造與鍛造之間的優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的工藝方法。它既能達到同種合金鍛件的內(nèi)部組織和力學(xué)性能，又能實現(xiàn)高效率的大批量生產(chǎn)。與普通壓鑄件相比，可較大程度地提高力學(xué)及使用性能；與普通鍛件相比，又可節(jié)約能源。因此多年來，國內(nèi)外廠商均把此項工藝用做汽車高檔有色金屬鑄件的方法之一并迅速發(fā)展。03三月202489趙敏等人選用平均粒徑為1.3μmTiB2顆粒為增強體、6061鋁合金為基體采用擠壓鑄造技術(shù)制備45%v-TiB2P/Al(6061)復(fù)合材料。組織致密，無氣孔、夾鋁層等缺陷；TiB2

顆粒分布均勻，不存在明顯的顆粒偏聚區(qū)和顆粒貧化區(qū)。03三月20249003三月202491談淑詠采用擠壓鑄造法制備氧化鋁纖維和碳纖維混雜增強ZL109復(fù)合材料.03三月202492預(yù)處理使氧化鋁纖維和碳纖維長徑比滿足制備合格預(yù)制件的要求,并有利于纖維在預(yù)制件中的均勻分散及預(yù)制件的成型;擠壓鑄造法制備的(Al2O3f+Cf)/ZL109復(fù)合材料中纖維在基體中分布均勻,并具有方向性。碳纖維處理前和處理后的SEM組織圖03三月202493氧化鋁纖維處理前和處理后的SEM組織圖03三月202494(Al2O3f+Cf)/ZL109復(fù)合材料的縱向和橫向SEM圖03三月2024954.3.3液態(tài)金屬攪拌鑄造技術(shù)

液態(tài)金屬攪拌鑄造法是一種適合于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)顆粒增強金屬基復(fù)合材料的主要方法，工藝簡單，制造成本低廉。基本原理是將顆粒直接加入到基體金屬熔體中，通過一定方式的攪拌使顆粒均勻地分散在金屬熔體中，然后澆鑄成錠坯、鑄件等。液態(tài)金屬攪拌法制造顆粒增強金屬基復(fù)合材料尚存在一些困難，主要困難有：一是為了提高增強效果要求加入尺寸細小的顆粒，10～30μm之間的顆粒與金屬熔體的潤濕性差，不易進入和均勻分散在金屬熔體中，易產(chǎn)生團聚；二是強烈的攪拌容易造成金屬熔體的氧化和大量吸入空氣。因此必須采取有效的措施來改善金屬熔體對顆粒的潤濕性，防止金屬的氧化和吸氣等。03三月2024961、注意事項與措施（1）在金屬熔體中添加合金元素.合金元素可以降低金屬熔體的表面張力。例如在鋁熔體中加入鈣、鎂、鋰等元素可以明顯降低熔體的表面張力，提高對陶瓷顆粒的潤濕性，有利于陶瓷顆粒在熔體中的分散，提高其復(fù)合效率。（2）顆粒表面處理.比較簡單有效的方法是將顆粒進行高溫?zé)崽幚?，使有害物質(zhì)在高溫下?lián)]發(fā)脫除。有些顆粒，如SiC，在高溫處理過程中發(fā)生氧化，在表面生成SiO2薄層，可以明顯改善熔融鋁合金基體對顆粒的潤濕性。03三月202497（3）復(fù)合過程的氣氛控制由于液態(tài)金屬氧化生成的氧化膜阻止金屬與顆粒的混合和潤濕，吸入的氣體又會造成大量的氣孔，嚴重影響復(fù)合材料的質(zhì)量，因此要采用真空、惰性氣體保護來防止金屬熔體的氧化和吸氣。（4）有效的機械攪拌.強烈的攪動可使液態(tài)金屬以高的剪切速度流過顆粒表面，能有效改善金屬與顆粒之間的潤濕性，促進顆粒在液態(tài)金屬中的均勻分布。通常采取高速旋轉(zhuǎn)的機械攪拌或超聲波攪拌來強化攪拌過程。03三月2024982、攪拌工藝方法液態(tài)金屬攪拌鑄造法根據(jù)工藝特點從所選用的設(shè)備可分為:旋渦法Duralcon法復(fù)合鑄造法03三月202499旋渦法的基本原理:利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌器的槳葉攪動金屬熔體，使其強烈流動，并形成以攪拌器轉(zhuǎn)軸為對稱中心的旋渦，將顆粒加到旋渦中，依靠旋渦的負壓抽吸作用，顆粒進入金屬熔體中。經(jīng)過一時間的強烈攪拌，顆粒逐漸均勻地分布在金屬熔體中，并與之復(fù)合在一起。四寬葉螺旋槳式攪拌器

03三月2024100旋渦法的主要工序:基體金屬熔化、除氣、精煉、顆粒預(yù)處理、旋渦攪拌.主要工藝參數(shù):攪拌復(fù)合工序的攪拌速度:500～1000r/min;攪拌時基體金屬熔體的溫度:在基體金屬液相線溫度以上100℃;旋渦攪拌法工藝簡單，成本低。主要用來制造含較粗顆粒（直徑50～100μm）的耐磨復(fù)合材料，如Al2O3-Al-Mg，ZrO2-Al-Mg，Al2O3-Al-Si，SiC-Al-Si，SiC-Al-Mg，石墨－鋁等復(fù)合材料。03三月2024101Duralcan法液態(tài)金屬攪拌法是20世紀80年代中期由Alcon公司研究開發(fā)的一種顆粒增強鋁、鎂、鋅基復(fù)合材料的方法:無旋渦攪拌法。這種方法現(xiàn)已成為一種工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)方法，可以制造高質(zhì)量的SiCp/Al，Al2O3/Al等復(fù)合材料，產(chǎn)量達1.1萬噸的顆粒增強金屬基復(fù)合材料的工廠已在加拿大魁北克建立。主要制造工藝:基體金屬溶液攪拌爐真空,Ar氣氣氛,保溫加入增強顆粒攪拌①②③④澆鑄⑤03三月2024102復(fù)合鑄造法

復(fù)合鑄造法采用機械攪拌將顆粒混入金屬熔體中，其特點是攪拌在半固態(tài)金屬中進行，而不在完全液態(tài)的金屬中進行。

顆粒加入半固態(tài)金屬中，通過這種熔體中固相的金屬粒子將顆粒帶入熔體中。通過對加熱溫度的控制將金屬熔體中的固相粒子的含量控制在40％～60％（質(zhì)量分數(shù)），加入的顆粒在半固態(tài)金屬中與固相金屬粒子相互碰撞、摩擦，促進與液態(tài)金屬的潤濕復(fù)合，在強烈的攪拌下逐步均勻地分散在半固態(tài)熔體中，形成均勻分布的復(fù)合材料。復(fù)合后，再加熱升溫到澆鑄溫度，澆鑄成零件或坯料。03三月2024103

復(fù)合鑄造法可以用來制造顆粒細小、含量高的顆粒增強金屬基復(fù)合材料，也可用來制造晶須、短纖維復(fù)合材料。

此技術(shù)存在的主要問題是基體合金體系的選擇受限較大。

要求必須選擇同樣的體系和溫度，才能析出大量的初晶相，并達到40％～60％（質(zhì)量分數(shù)）的含量。03三月20241044.3.4液態(tài)金屬浸漬技術(shù)液態(tài)金屬浸漬法是用液態(tài)金屬連續(xù)浸漬長纖維，得到復(fù)合材料預(yù)制品（帶、絲等）的一種方法，所以又稱為連鑄法。由于纖維在液態(tài)金屬中容易分散、復(fù)合完全，因此特別適用于一束多絲、直徑細的連續(xù)長纖維。為了改善熔融金屬對纖維的潤濕性這一過程的關(guān)鍵問題，纖維在復(fù)合前必須進行表面涂覆處理，涂上潤濕層，或用其他方法（如在基體中加合金元素、用超聲波等）改善潤濕性。視不同的體系而定，有時也要考慮纖維與液態(tài)金屬在高溫接觸時發(fā)生過度的化學(xué)反應(yīng)問題。①②④③03三月20241051纖維增強材料的表面處理2化學(xué)氣相沉積技術(shù)3纖維表面處理技術(shù)4基體金屬的處理技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)總之,液態(tài)金屬浸漬法工藝復(fù)雜,特別是復(fù)合前纖維的表面處理,得到的產(chǎn)品是尺寸細小的絲或帶,需進行二次加工才能得到零件或材料,因此,成本高,應(yīng)用受到限制.03三月2024106

用液態(tài)金屬法制備碳石墨/鋁、碳（石墨）/鎂復(fù)合材料的核心問題是對進行表面處理，經(jīng)處理后的纖維能與液態(tài)鋁、液態(tài)鎂自發(fā)浸潤，當纖維束經(jīng)過金屬熔池時，金屬自發(fā)浸漬到纖維束中，形成復(fù)合帶（絲）。碳(石墨)纖維03三月2024107

在除膠爐中碳（石墨）纖維經(jīng)高溫處理除去在纖維制造過程中涂的膠，若爐溫低于450℃，除膠可在空氣中進行，如爐溫高于450℃，為了防止纖維的氧化，必須在保護性氣氛中除膠。

在預(yù)處理爐中，碳（石墨）纖維除進一步除膠、脫除殘留膠外，還用化學(xué)氣相沉積爐的廢氣進行預(yù)處理，為下一步的化學(xué)氣相沉積做準備。預(yù)處理爐的溫度控制在700℃，用氬氣保護。03三月2024108化學(xué)氣相沉積技術(shù)化學(xué)氣相沉積爐是液態(tài)金屬浸漬法的核心設(shè)備，

化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition,簡稱(CVD))是近幾十年來迅速發(fā)展起來的材料表面改性技術(shù),它是利用氣相之間的反應(yīng),在各種材料或制品表面沉積一層薄膜,賦予材料表面一些特殊的性能。它可以提高材料抵御環(huán)境作用的能力,如提高材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蝕性;它還可以賦予材料某些功能特性,包括光、電、磁、熱、聲等各種物理和化學(xué)性能。因此,化學(xué)氣相沉積制膜技術(shù)被廣泛應(yīng)用于機械制造工業(yè)、冶金工業(yè)、光學(xué)工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域。在此爐中纖維用BCl3、TiCl4處理，在表面生成Ti-B涂層。03三月2024109BCl3和TiCl4氣體以氬氣為載氣，以一定的流量進入化學(xué)氣相沉積爐，氬氣在整個密封系統(tǒng)中成為保護氣體，沉積爐中還需加入少量的鋅和海綿鈦，溫度控制為700℃。在化學(xué)氣相沉積爐中可能發(fā)生下列反應(yīng)：

TiCl4(v)+2Zn(v)→2ZnCl2(v)+Ti(a)BCl3(v)+Ti(v)→TiCl3(v)+B(a)2BCl3(v)+4Ti(a)→TiB2(s)+3TiCl2(s)BCl3在常溫下為氣體，TiCl4在25℃的蒸氣壓約為907Pa，因此在寒冷的季節(jié)必須加熱，以提高其蒸氣壓，保證在氣相中的濃度。03三月2024110

在熔化爐將基體金屬熔化、保溫，溫度控制在高于基體熔點50-100℃。為了防止金屬氧化，熔化爐中的熔體最好置于惰性氣體保護氣氛中，但如果使經(jīng)化學(xué)氣相沉積后的碳纖維在液面下進入熔體，不與表面上的氧化物接觸，也可不用惰性氣體保護。涂覆好的纖維在進入熔化爐前一直處于氮氣保護下，一旦進入熔化爐與熔融金屬接觸，熔體立即自發(fā)浸漬到纖維束中，與每根纖維很好復(fù)合，得到復(fù)合絲或帶，由收絲筒收集，作隨后的二次加工用。如果表面處理后纖維與空氣接觸，便將失去作用，即能促進潤濕的表面涂層將失效，因而纖維不再能與基體復(fù)合。03三月20241111）Ti-B處理法：Ti-B處理劑可用于T50、T55、T300、P55、P100、P120等多種碳（石墨）纖維的處理，也適用于1100，A201、2024、356、5083、5154、6061等鋁（合金），AZ31、AZ91、ZE41、QE22、EZ33等鎂（合金），以及銅（合金）、鉛（合金）等基體，復(fù)合纖維的強度很高，可達理論值的90-100％。2）液鈉處理法：液鈉法是將碳纖維在He氣氛保護下相繼通過Na、Sn、Al三種熔體，制造碳-鋁復(fù)合絲（帶），熔體的溫度分別為Na—（550±20）℃，Sn—（600±20）℃，Al—高于熔點或液相線20~50℃。纖維束在熔體中的停留時間視其大小而定，對于單束纖維1min即可，對于多束的帶則需10min左右。3）鍍層法：碳纖維表面的金屬和化合物涂層可用電鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)氣相沉積等方法得到.纖維表面處理技術(shù)03三月2024112基體金屬的處理法

在基體合金中添加的合金元素，主要是能與碳纖維作用，生成穩(wěn)定碳化物，這些碳化物既能改善潤濕性，又能起反應(yīng)的阻擋層作用。03三月20241134.3.5共噴沉積技術(shù)

共噴沉積法是制造各種顆粒增強金屬基復(fù)合材料的有效方法，1969年由A.R.E.Siager發(fā)明，隨后由Ospray金屬有限公司發(fā)展成工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的制造技術(shù)，現(xiàn)可以用來制造鋁、銅、鎳、鐵、金屬間化合物基復(fù)合材料。共噴沉積工藝過程:

基體金屬熔化、液態(tài)金屬霧化、顆粒加入及與金屬霧化流的混合、沉積和凝固等工序。03三月2024114主要工藝參數(shù)有：熔融金屬溫度，惰性氣體壓力、流量、速度，顆粒加入速度、沉積底板溫度等。這些參數(shù)都對復(fù)合材料的質(zhì)量有重要的影響。不同的金屬基復(fù)合材料有各自的最佳工藝參數(shù)組合，必須十分嚴格地加以控制。03三月2024115液態(tài)金屬霧化是共噴沉積法制備金屬基復(fù)合材料的關(guān)鍵工藝過程，它決定了液態(tài)金屬霧化液滴的大小和尺寸分布、液滴的冷卻速度霧化后金屬液滴的尺寸一般在10～300μm，呈非對稱性分布。顆粒三種加入方式顆粒從霧化氣體管道中噴出；顆粒引入到熔體流出口；顆粒強制噴入金屬熔滴霧化錐內(nèi)。液態(tài)金屬霧化03三月2024116（1）適用面廣:可用于鋁、銅、鎳、鈷等有色金屬基體，也可用于鐵、金屬間化合物基體。（2）生產(chǎn)工藝簡單、效率高:與粉末冶金法相比沒有繁雜的制粉、研磨、混合、壓型、燒結(jié)等工序，而是快速一次復(fù)合成坯料，霧化速率可達25～200kg/min，沉淀凝固迅速。（3）冷卻速度快:金屬液滴的冷卻速度可高達103～106K/s，所得復(fù)合材料基體金屬的組織與快速凝固相近，晶粒細、無宏觀偏析、組織均勻。（4）顆粒分布均勻:在嚴格控制工藝參數(shù)的條件下顆粒在基體中的分布勻。（5）復(fù)合材料中的氣孔率較大:氣孔率在2％～5％之間，但經(jīng)擠壓處理后可消除氣孔，獲得致密材料。共噴沉積技術(shù)特點03三月20241174.3.6熱噴涂技術(shù)1、等離子噴涂過程等離子噴涂是利用等離子弧的高溫將基體熔化后噴射到工件（增強材料）上，冷卻并沉積下來的一種復(fù)合方法。2、關(guān)鍵技術(shù)噴涂過程中的關(guān)鍵是得到致密的與纖維粘接良好的基體涂層和避免基體的氧化。3、適用性等離子噴涂法適用于直徑較粗的纖維單絲，例如用化學(xué)氣相沉積法得到的硼纖維和碳化硅纖維，它是制造這兩種纖維增強鋁、鈦基復(fù)合材料預(yù)制片的大規(guī)模生產(chǎn)方法。03三月2024118冷噴涂是一項嶄露頭角的固態(tài)工藝。該方法可將以超聲加速的固體顆粒的動能在撞擊到鍍件表面時轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而完成冶金焊接。該工藝的原理是：每種金屬均有其特定的、與溫度相關(guān)的臨界顆粒速度，當顆粒運動超過這一速度時即會焊接于鍍件之上。4.3.7冷噴涂技術(shù)03三月2024119在低壓冷噴涂技術(shù)中，氮或空氣被加壓至70～15磅/平方英寸，而噴涂粉末在噴頭的發(fā)散部位的下游方沿徑向注入。低壓冷噴涂系統(tǒng)是手提式的、運作更經(jīng)濟，顆粒速度可達800米/秒。便攜式冷噴涂機可用于鋁、銅、鋅及其他金屬組合的噴涂。便于攜帶特性使低壓冷噴涂機更適用于野外保養(yǎng)和修復(fù)。在高壓冷噴涂技術(shù)中，高壓氦或氮（350～450磅/平方英寸）用作載氣，可將噴涂材料加速到超聲速度。氣體被加熱并強制通過一個聚焦-發(fā)散噴頭（deLaval），該處被加速至超聲速度（大于1000米/秒）。噴涂顆粒在噴頭上游方被沿軸向注入。03三月202412003三月2024121Cu涂層Al基體組織致密03三月20241224.4新型制造技術(shù)定向凝固法反應(yīng)合成法原位自生成技術(shù)物理氣相沉積技術(shù)化學(xué)氣相沉積技術(shù)原位自生成法是指增強材料在復(fù)合材料制造過程中在基體中自己生成和生長的方法，增強材料以共晶的形式從基體中凝固析出，也可與加入的相應(yīng)元素發(fā)生反應(yīng)、或者合金熔體中的某種組分與加入的元素或化合物之間的反應(yīng)生成。反應(yīng)機械合金化技術(shù)（RMA法）自蔓延高溫合成法(SHS法)XDTM技術(shù)Lanxide技術(shù)VLS技術(shù)反應(yīng)噴射沉積成形技術(shù)接觸反應(yīng)法(CR法)

混合鹽反應(yīng)法(LSM法)熔體直接反應(yīng)法(DMR法)03三月2024123定向凝固法制造定向凝固共晶復(fù)合材料是在共晶合金凝固過程中，通過控制冷凝方向，在基體中生長出排列整齊的類似纖維的條狀或片層狀共晶增強材料，而得到金屬基復(fù)合材料的一種方法。定向凝固基本原理在定向凝固過程中溫度梯度和凝固速率這兩個重要的凝固參數(shù)能夠獨立變化，可以分別研究它們對凝固過程的影響。這既促進了凝固理論的發(fā)展，也激發(fā)了不同定向凝固技術(shù)的出現(xiàn)。03三月2024124定向凝固共晶復(fù)合材料主要是作為高溫結(jié)構(gòu)材料可用于發(fā)動機葉片和渦輪葉片。定向凝固技術(shù)是在高溫合金的研制中建立和完善起來的。該技術(shù)最初用來消除結(jié)晶過程中生成的橫向晶界，甚至消除所有晶界，從而提高材料的高溫性能和單向力學(xué)性能03三月2024125

反應(yīng)合成法（又稱“原位合成技術(shù)”）是直到80年代后期，當美國Lanxide公司和Drexel大學(xué)的M.J.Koczak等人先后報道了各自研制的原位Al2O3/Al和TiC/Al復(fù)合材料及其相應(yīng)的制備工藝后，才正式在世界范圍內(nèi)拉開了原位MMCs研究工作的序幕，MMCs原位反應(yīng)合成技術(shù)的基本原理是在一定條件下，通過元素之間或元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強相，從而達到強化金屬基體的目的。原位合成技術(shù)一直是MMCs的研究熱點之一。03三月2024126MMCs原位反應(yīng)合成技術(shù)的基本原理是：根據(jù)材料設(shè)計的要求，選擇適當?shù)姆磻?yīng)劑（氣相、液相或粉末固相），在適當?shù)臏囟认?，通過元素之間或元素與化合物之間的化學(xué)反應(yīng)，在金屬基體內(nèi)原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強相，從而達到強化金屬基體的目的。合成的增強相包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、甚至硅化物，如：Al2O3、TiC、SiC、TiN、TiB2、Si3N4

等顆粒。目前已開發(fā)的原位反應(yīng)合成技術(shù)主要有：自蔓延高溫合成法（SHS）、XDTM技術(shù)、Lanxide技術(shù)、VLS技術(shù)、反應(yīng)噴射沉積技術(shù)、反應(yīng)機械合金化技術(shù)、其他方法等技術(shù)。03三月2024127自蔓延高溫合成法(Self-PropagatingHighTemperatureSynthesis，SHS法)是前蘇聯(lián)科學(xué)家A.G.Merzhanov等在研究Ti和B混合壓實燃燒時提出的，并相繼獲得了美國、日本、法國、英國等國的專利。其基本原理是：將增強相的組分原料與金屬粉末混合，壓坯成型，在真空或惰性氣氛中預(yù)熱引燃，使組分之間發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，放出的熱量、引起未反應(yīng)的鄰近部分繼續(xù)反應(yīng)，直至全部完成。反應(yīng)生成物即為增強相呈彌散分布于基體中，顆粒尺寸可達亞微米級。常規(guī)SHS反應(yīng)模式示意圖如圖所示。自蔓延高溫合成法(SHS法)03三月2024128常規(guī)SHS反應(yīng)模式示意圖03三月2024129與MMCs傳統(tǒng)復(fù)合技術(shù)相比，該技術(shù)具有如下特點：增強體是從金屬基體中原位形核、長大的熱力學(xué)穩(wěn)定相，因此，增強體表面無污染，避免了與基體相容性不良的問題，因而與基體結(jié)合良好。通過合理選擇反應(yīng)元素（或化合物)的類型、成分及其反應(yīng)性，可有效地控制原位生成增強體的種類、大小、分布和數(shù)量。可省去單獨合成、處理和加入增強體等工序，工藝簡單，成本低，易于推廣。在保證材料具有較好的韌性和高溫性能的同時，可較大幅度地提高材料的強度和彈性模量。03三月2024130XDTM技術(shù)XDTM（ExothermicDispersion）技術(shù)是美國MartinMariettaLaboratory的Brupbacher等人于1983年發(fā)明并申請專利。XDTM是在自蔓延高溫合成法（SHS）的基礎(chǔ)改進而來的，其基本原理是：將增強相組分物料與金屬基粉末按一定的比例均勻混合，冷壓或熱壓成型，制成坯塊，以一定的加熱速率，預(yù)熱試樣，在一定的溫度下（通常是高于基體的熔點而低于增強相的熔點），增強相各組分之間進行放熱化學(xué)反應(yīng)，生成增強相，增強相尺寸細小，呈彌散分布。XDTM法制備金屬基復(fù)合材料的示意圖如圖所示。03三月2024131XDTM法制備金屬基復(fù)合材料的示意圖03三月2024132Lanxide技術(shù)該技術(shù)最先報道于1986年,其產(chǎn)品1989年進入市場。由美國Lanxide公司開發(fā)的Lanxide技術(shù)是利用了氣液反應(yīng)法的原理，它由金屬直接氧化法（DIMOXTM）和金屬無壓浸滲法（PRIMEXTM）兩者組成。Lanxide法制備復(fù)合材料示意圖如圖所示。Lanxide法制備復(fù)合材料示意圖03三月2024133VLS技術(shù)VLS（VapourLiquidSynthesis）法是由Koczak等發(fā)明并申請的專利技術(shù)。其原理是:將含碳或含氮惰性氣體通入到高溫金屬熔體中，利用氣體分解生成的碳或氮與合金中的Ti發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)，生成熱力學(xué)穩(wěn)定的微細TiC或TiN粒子，其裝置簡圖如圖示。反應(yīng)原理可由下面方程說明:CH4→[C]+2H2(g)M-X+[C]→M+XC(s)2NH3(g)→2[N]+3H2(g)M-X+[N]→M+xN(s)式中：M－金屬；X－合金元素；

M-X－基體合金。03三月2024134反應(yīng)噴射沉積成形技術(shù)反應(yīng)噴射沉積(ReactionSprayDepositionFormingProcess)技術(shù)是把用于制備近終形成型快速凝固制品的噴射沉射沉積成形的技術(shù)和反應(yīng)合成制備陶瓷相粒子技術(shù)結(jié)合起來形成的。在噴射沉積過程中金屬液流被霧化成粒徑很小的液滴，它們具有很大的體表面積，同時又具有一定的高溫。這就為噴射沉積過程中的化學(xué)反應(yīng)提供了驅(qū)動力，借助于液滴飛行過程中與霧化氣體之間的化學(xué)反應(yīng)，或者在基體上沉積凝固過程中及外加反應(yīng)劑粒子之間的化學(xué)反應(yīng)而生成粒度細小、分散均勻的增強相陶瓷粒子或金屬間化合物粒子。其工作原理如圖所示：03三月202413503三月2024136反應(yīng)機械合金化技術(shù)（RMA法）反應(yīng)機械合金化技術(shù)（ReactionMechanicalAlloying,RMA法）是利用機械合金化過程中誘發(fā)的各種化學(xué)反應(yīng)制備出復(fù)合粉末，再經(jīng)固結(jié)成型、熱加工處理而制備成所需材料的技術(shù)。近年來的研究表明，機誡合金化過程可誘發(fā)在常溫或低溫下難以進行的固—固（S—S）、固—液（S-L）和固—氣（S-G）多相化學(xué)反應(yīng)。利用這些反應(yīng)已經(jīng)制備出了一系列高熔點金屬化合物，如TiC、ZrC、TfC、NbC、(Ta、Re)C、Cr3C2、MoC、FeW3C、Ni3C、Al4C3、FeN、TiN、AlTaC等。這種技術(shù)己成功地用于MMCp的制備。機械合金化是一種高能球磨技術(shù).通過磨球、粉末和球罐之間強烈的相互作用.將外部能量傳遞到元素粉末或金屬化合物粉末顆粒中.使粉末顆粒發(fā)生變形、斷裂和冷焊。并被不斷細化，使未反應(yīng)的表面不斷暴露出來，從而明顯增加了反應(yīng)的接觸面積.縮短了原子的擴散距離。促進不同成分顆粒之間發(fā)生擴散和固態(tài)反應(yīng)，以及實現(xiàn)混合粉末在原子量級上的合金化。03三月2024137接觸反應(yīng)法(CR法)CR（ContactReactionProcess）法是