金屬基復(fù)合材料制備工藝

金屬基復(fù)合材料的制備工藝金屬基復(fù)合材料制備及成形工藝

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制備技術(shù)；研究和發(fā)展有效的制備技術(shù)一直是金屬基復(fù)合材料研究中最重要的問(wèn)題之一。2021/10/10星期日2

復(fù)合材料的概念與定義常規(guī)材料的優(yōu)缺點(diǎn)：定義：采用物理或化學(xué)的方法，使兩種或兩種以上的材料在相態(tài)（如連續(xù)相：基體；不連續(xù)體：增強(qiáng)相）以性能相互獨(dú)立的形式下共存于一體之中，以達(dá)到提高材料的某些性能，或互補(bǔ)其缺點(diǎn)，或獲得新的性能（或功能）的目的。金屬材料的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的延展性和可加工性。缺點(diǎn)：強(qiáng)度相對(duì)低，耐熱、耐磨、耐蝕性差，如鋁；陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高、耐熱、耐磨、耐蝕性好，缺點(diǎn)：很脆，加工性能差。復(fù)合后利用兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高性能。2021/10/10星期日3

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金屬基復(fù)合材料的制備難點(diǎn)制備溫度選擇難度大；界面反應(yīng)難以控制；金屬基體與增強(qiáng)材料之間潤(rùn)濕性差，甚至在制備溫度下完全不潤(rùn)濕；將增強(qiáng)材料按照設(shè)計(jì)要求、方向均勻分布于基體中比較困難。2021/10/10星期日5

按基體分類2021/10/10星期日6

按增強(qiáng)體分類2021/10/10星期日7

按分散狀態(tài)分類2021/10/10星期日8

連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝不連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝1連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝22021/10/10星期日9

2.1.4不連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝

鋁合金—固態(tài)、液態(tài)、原位生長(zhǎng)、噴射成型法顆粒鎂合金—液態(tài)法晶須鈦合金—固態(tài)、液態(tài)法、原位生長(zhǎng)法短纖維高溫合金—原位生長(zhǎng)法金屬間化合物—粉末冶金、原位生長(zhǎng)法2021/10/10星期日10

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2.1.3連續(xù)增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料的制備工藝

鋁合金——固態(tài)、液態(tài)法碳纖維鎂合金——

固態(tài)、液態(tài)法硼纖維鈦合金——

固態(tài)法

SiC纖維高溫合金——固態(tài)法氧化鋁纖維金屬間化合物——固態(tài)法2021/10/10星期日12

2.1金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類：

1）固態(tài)法：粉末冶金法、真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合、熱等靜壓、超塑性成型/擴(kuò)散結(jié)合、模壓。

2）液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造。

3）噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成型。

4）原位生長(zhǎng)法。

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一.固態(tài)法工藝流程將金屬粉末或金屬箔與增強(qiáng)物（纖維、晶須、顆粒）按設(shè)計(jì)要求以一定的含量、分布、排布在一起；加熱、加壓擴(kuò)散粘接：將金屬與增強(qiáng)物復(fù)合在一起，形成MMC。特點(diǎn)：整個(gè)工藝過(guò)程處于較低的溫度，金屬和增強(qiáng)物都處于固態(tài)；界面反應(yīng)不嚴(yán)重。類型：粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、拉拔法。2021/10/10星期日14

粉末冶金復(fù)合法1.1工藝過(guò)程2021/10/10星期日15

原料：基體金屬與強(qiáng)化顆粒均為粉料，且越細(xì)越好，但必須大于1微米，否則易聚難分散；混合：球磨機(jī)混合法；壓粉（壓密）：相當(dāng)于成形工藝；脫氣：為除去粉末、顆粒表面水分與吸附氣體，防止燒結(jié)后材料內(nèi)部氣孔（相當(dāng)于干燥）；壓粉坯的致密化：冷等靜壓、擠壓法；燒結(jié)（固化）：常壓、熱壓、真空熱壓、熱等靜壓、熱塑性變形燒結(jié)；塑性加工：賦予材料一定形狀（熱加工溫度下變形）。適合于分散強(qiáng)化型復(fù)合材料（顆粒或纖維強(qiáng)化型）2021/10/10星期日16

可以自由選擇基體金屬材料，因?yàn)樵摲ㄔ诠虘B(tài)下復(fù)合，基體與增強(qiáng)相不易反應(yīng)；可以自由選擇強(qiáng)化顆粒種類、尺寸，且強(qiáng)化顆粒添加量范圍廣；與鑄造法相比，較易實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化顆粒的均勻分散（微顆粒除外）。與液相法相比，制備溫度低，界面反應(yīng)可控；可根據(jù)要求設(shè)計(jì)復(fù)合材料的性能；其組織致密、細(xì)化、均勻、內(nèi)部缺陷明顯改善；利于凈成型或近凈成型，二次加工性能好。1．2優(yōu)點(diǎn)：2021/10/10星期日17

工藝較復(fù)雜，成本高；固化方法采用燒結(jié)、熱壓、擠壓等方法；除采用原生復(fù)合法外，微細(xì)顆粒均勻分散較困難；強(qiáng)化顆粒表面污染不易除去，使基體與顆粒界面不如鑄造法。1．3缺點(diǎn)2021/10/10星期日18

熱壓法工藝通常要求先將纖維與金屬基體制成復(fù)合材料預(yù)制片，然后將預(yù)制片按設(shè)計(jì)要求裁剪成所需的形狀、疊層排布（纖維方向）將疊層放入模具內(nèi)，進(jìn)行加熱加壓，最終制得復(fù)合材料或零件。熱壓法是目前制造直徑較粗的硼纖維和碳化硅纖維增強(qiáng)鋁基、鈦基復(fù)合材料的主要方法。2.真空熱壓擴(kuò)散結(jié)合

可稱為擴(kuò)散粘結(jié)法，或擴(kuò)散焊接法。2021/10/10星期日19

熱壓法工藝流程在增強(qiáng)材料上鋪金屬箔裁剪成形冷卻取出制品并加以整理抽真空加熱至所需溫度加壓與保壓2021/10/10星期日20

影響擴(kuò)散粘結(jié)過(guò)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(shí)間。另外，氣氛對(duì)質(zhì)量也有較大影響。2021/10/10星期日21

擴(kuò)散粘結(jié)過(guò)程分為三個(gè)階段：1.粘結(jié)表面的最初接觸，由于加熱、加壓，使表面發(fā)生變形、移動(dòng)、表面膜（氧化膜）破壞；2.隨著時(shí)間的進(jìn)行，發(fā)生界面擴(kuò)散和體擴(kuò)散，使接觸面密著粘結(jié)；3.由于熱擴(kuò)散結(jié)合界面最終消失，粘結(jié)過(guò)程完成。2021/10/10星期日22

工藝過(guò)程：將金屬基體（粉或箔）與增強(qiáng)材料（纖維、晶須、顆粒）按照一定比例混合或排布后，或用預(yù)制片疊層后，放入金屬包套（或玻璃包套）中，抽氣密封后裝入熱等靜壓裝置中，進(jìn)行加熱加壓，復(fù)合成金屬基復(fù)合材料。3.熱等靜壓法工藝優(yōu)缺點(diǎn)：材質(zhì)致密、尺寸精度高；但設(shè)備投資大，工藝周期長(zhǎng)，成本高。2021/10/10星期日23

采用惰性氣體加壓，工件在各個(gè)方向上受到均勻壓力的作用。2021/10/10星期日24

模壓成型也是擴(kuò)散結(jié)合的一種手段。將纖維/基體預(yù)制體放置在具有一定形狀的模具中進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合，最終得到一定形狀的最終制品。常用這種工藝制備各種型材。4.模壓成型2021/10/10星期日25

都是塑性成形熱加工方法。熱軋法主要用來(lái)將已經(jīng)復(fù)合好的顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料錠坯進(jìn)一步加工成板材。熱擠壓和熱拉主要用于顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料坯料的進(jìn)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、缺陷較少、性能明顯提高，短纖維和晶須還有一定的擇優(yōu)取向，軸向抗拉強(qiáng)度提高顯著。5.熱軋法、熱擠壓法和熱拉法2021/10/10星期日26

5.1.粉末軋制法2021/10/10星期日27

5.2塊（帶）材軋制復(fù)合法2021/10/10星期日28

5.3溫軋復(fù)合生產(chǎn)線2021/10/10星期日29

是利用炸藥產(chǎn)生強(qiáng)大脈沖應(yīng)力，通過(guò)使碰撞的材料發(fā)生塑性變形、粘結(jié)處金屬的局部擾動(dòng)以及熱過(guò)程使材料焊接起來(lái)。6.爆炸焊接法2021/10/10星期日30

疊層復(fù)合法是先將不同金屬板用擴(kuò)散結(jié)合方法復(fù)合，然后采用離子濺射或分子束外延方法交替地將不同金屬或金屬與陶瓷薄層疊合在一起構(gòu)成金屬基復(fù)合材料。這種復(fù)合材料性能很好，但工藝復(fù)雜難以實(shí)用化。目前這種材料的應(yīng)用尚不廣泛，過(guò)去主要少量應(yīng)用或試用于航空、航天及其它軍用設(shè)備上，現(xiàn)在正努力向民用方向轉(zhuǎn)移，特別是在汽車工業(yè)上有很好的發(fā)展前景。7.疊層復(fù)合法2021/10/10星期日31

二.液態(tài)金屬法方法：金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固體增強(qiáng)物復(fù)合成材料的方法。工藝過(guò)程：液態(tài)金屬浸漬擠壓鑄造成型。特點(diǎn)：制備溫度高，易發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)，有效控制界面反應(yīng)是液態(tài)法的關(guān)鍵。工藝類型：擠壓鑄造法、真空吸鑄、液態(tài)金屬浸漬法、真空壓力浸漬法，攪拌復(fù)合法。2021/10/10星期日32

液態(tài)法主要面臨問(wèn)題缺點(diǎn)1.顆粒與金屬熔體的潤(rùn)濕性差，不易進(jìn)入和均勻分散在金屬熔體中，產(chǎn)生團(tuán)聚2.強(qiáng)烈的攪拌容易造成金屬熔體的氧化和大量的吸入空氣。2021/10/10星期日33

改善缺點(diǎn)的方法顆粒表面處理；增強(qiáng)顆粒表面在使用前往往被各種有機(jī)物污染或吸附了水分，及有害于復(fù)合過(guò)程的混合、浸潤(rùn)的氣體，為此在復(fù)合前必須對(duì)顆粒進(jìn)行處理，去除有害吸附物以改善與金屬液的浸潤(rùn)。比較簡(jiǎn)單有效的方法是將顆粒進(jìn)行加熱處理，在高溫下使有害物質(zhì)揮發(fā)去除，同時(shí)在表面形成極薄的氧化層。如SiC顆粒經(jīng)高溫氧化，在表面上形成一層SiO2層，在復(fù)合過(guò)程中與鋁液反應(yīng)改善了SiO2顆粒與鋁熔體的浸潤(rùn)。也有在顆粒表面涂覆Ni、Cu等金屬涂層以改善浸潤(rùn)性，但不經(jīng)濟(jì)。在金屬熔體中添加合金元素改善浸潤(rùn)性；為了降低鋁熔液的表面張力，改善與陶瓷顆粒的浸潤(rùn)性，在鋁熔體中加入鈣、鎂、鋰等元素可有效的減小熔體表面張力和增加與陶瓷顆粒的浸潤(rùn)性，有利于顆粒與鋁熔體的復(fù)合。2021/10/10星期日34

有效的機(jī)械攪拌。在液態(tài)金屬攪拌鑄造法中有效的攪拌是使顆粒與金屬液均勻混合和復(fù)合的關(guān)鍵措施之一。強(qiáng)烈的攪拌和液體金屬以高的剪切速度流過(guò)顆粒表面，能有效地改善金屬與顆粒之間的浸潤(rùn)。在復(fù)合過(guò)程中可以通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械攪拌或超聲波攪拌來(lái)完成有效的攪拌復(fù)合。復(fù)合過(guò)程的氣氛控制；為了防止液體金屬的氧化和吸氣，對(duì)復(fù)合過(guò)程的氣氛控制十分重要。液體金屬氧化生成的氧化膜阻止金屬與顆粒的混合和浸潤(rùn)，大量氣體的吸入又會(huì)造成大量的氣孔，使復(fù)合材料的質(zhì)量大大下降。一般采用真空、惰性氣體保護(hù)以及其他有效措施來(lái)防止復(fù)合過(guò)程中氣體的吸入和金屬熔體的氧化。2021/10/10星期日35

1.擠壓鑄造法（squeezecasting）（1）預(yù)制坯體制造（濕模）（2）擠壓鑄造2021/10/10星期日36

鋁制模具墊圈混合液SiC顆粒壓頭多層濾紙鋁制多孔底蓋濕型法制備預(yù)制塊示意圖

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壓制成型并保壓低溫烘干后高溫處理澆注及過(guò)濾配置溶膠及顆粒清洗添加適量溶膠并震蕩攪拌預(yù)制塊的制備工藝流程圖

舉例：擠壓鑄造法---SiCp/Al復(fù)合材料

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烘干與燒結(jié)處理工藝

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SiC顆粒預(yù)制塊

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SiCp/Al復(fù)合材料

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影響復(fù)合材料質(zhì)量的主要因素（1）預(yù)制塊的質(zhì)量（均勻、無(wú)裂紋、無(wú)氣泡、一定強(qiáng)度）（2）模具和預(yù)制塊的預(yù)熱溫度（鋁合金約500℃）（3）澆注溫度（一定過(guò)熱度）（4）滲流壓力（致密度）（5）保壓時(shí)間（300s左右）2021/10/10星期日42

2.真空壓力浸漬法底部壓入法頂部注入法頂部壓入法2021/10/10星期日43

預(yù)制件的制備和工藝參數(shù)的控制是得到高性能復(fù)合材料的關(guān)鍵。預(yù)制件決定復(fù)合材料中纖維、顆粒等增強(qiáng)材料的含量、分布和排列方向。分干法和濕法制備兩種。2021/10/10星期日44

真空壓力浸漬法工藝過(guò)程裝爐裝入預(yù)制件2021/10/10星期日45

真空壓力浸漬法工藝過(guò)程提升坩堝抽真空、熔化2021/10/10星期日46

真空壓力浸漬法工藝過(guò)程進(jìn)入模具通高壓氣體（底部壓入法）2021/10/10星期日47

真空壓力浸漬法工藝過(guò)程凝固浸漬開(kāi)爐2021/10/10星期日48

頂部壓入法2021/10/10星期日49

其中預(yù)制件預(yù)熱溫度和熔體溫度是影響浸漬是否完全和界面反應(yīng)程度最主要的因素。預(yù)制件預(yù)熱溫度越高，金屬熔體不會(huì)因滲入預(yù)制件而迅速冷卻凝固，因此浸漬越充分。金屬熔體溫度越高，流動(dòng)性越好，越容易充填到預(yù)制件中。但是，二者溫度越高，界面反應(yīng)越嚴(yán)重，因此需要嚴(yán)格控制二者溫度。工藝參數(shù)主要包括：預(yù)制件預(yù)熱溫度、金屬熔體溫度、浸漬壓力、冷卻速度等。浸漬壓力是制備過(guò)程的直接驅(qū)動(dòng)力，壓力越高，浸漬能力越強(qiáng)。2021/10/10星期日50

特點(diǎn)：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(qiáng)材料的復(fù)合。2.可直接制成復(fù)合材料的零件，特別是形狀復(fù)雜的零件，基本上無(wú)需進(jìn)行后續(xù)加工。3.浸漬在真空中進(jìn)行，壓力下凝固，無(wú)氣孔、縮松、疏松等鑄造缺陷，組織致密，材料性能高。4.工藝簡(jiǎn)單，參數(shù)易于控制，避免嚴(yán)重的界面反應(yīng)。5.該方法設(shè)備比較復(fù)雜，工藝周期長(zhǎng)，制造大尺寸的零件要求大型設(shè)備。2021/10/10星期日51

液態(tài)金屬基體通過(guò)特殊的噴嘴，在惰性氣體氣流的作用下，霧化成細(xì)小的液態(tài)金屬流，噴向襯底，同時(shí)將顆粒加入到霧化的金屬流中，與金屬液滴混合在一起，并沉積在襯底上，凝固形成復(fù)合材料。3.共噴沉積法凝固的過(guò)程比較復(fù)雜，與金屬的霧化情況、沉積凝固條件或增強(qiáng)體的送入角有關(guān)，過(guò)早凝固不能復(fù)合，過(guò)遲的凝固則使增強(qiáng)體發(fā)生上浮下沉而分布不勻。2021/10/10星期日52

缺點(diǎn)：出現(xiàn)原材料被氣流帶走和沉積在效應(yīng)器壁上等現(xiàn)象而損失較大；材料中孔隙率較大以及容易出現(xiàn)的疏松；液滴容易氧化。優(yōu)點(diǎn)：適用面廣：一般基體、增強(qiáng)材料都可采用；生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、效率高；冷卻速度快、成分均勻、防偏析、晶粒細(xì)??；有效避免復(fù)合材料發(fā)生界面反應(yīng)，增強(qiáng)顆粒分布均勻。2021/10/10星期日53

強(qiáng)化顆粒2021/10/10星期日54

共噴沉積法示意圖

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圓錠板管2021/10/10星期日56

指用液態(tài)金屬連續(xù)浸漬長(zhǎng)纖維，得到復(fù)合材料預(yù)制品（帶、絲等）的一種方法。核心工藝：是將經(jīng)過(guò)涂覆處理的連續(xù)長(zhǎng)纖維通過(guò)熔體，得到復(fù)合絲或帶。如碳纖維增強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料。表面涂覆：一般采用化學(xué)氣相沉積法（CVD）。缺點(diǎn)：工藝比較復(fù)雜；成本很高，應(yīng)用受限。4.液態(tài)金屬浸漬法2021/10/10星期日57

液態(tài)金屬浸漬法的原理是通過(guò)對(duì)碳(或石墨)纖維表面進(jìn)行活化處理，經(jīng)處理的碳纖維與鋁液、鎂液相互自發(fā)浸潤(rùn)。當(dāng)纖維束經(jīng)過(guò)鋁熔池時(shí)，金屬液就自發(fā)浸漬到纖維束中，形成復(fù)合絲，以后再進(jìn)行二次復(fù)合成零件。2021/10/10星期日58

對(duì)石墨纖維進(jìn)行Ti-B或（液態(tài)）金屬鈉表面涂層處理可以增加纖維與鋁液的潤(rùn)濕性，防止過(guò)量的脆性相Al4C3生成。2021/10/10星期日59

5.無(wú)壓浸滲法

美國(guó)Lanxide公司開(kāi)發(fā)的一種新工藝。將增強(qiáng)材料制成預(yù)制體，放置于由氧化鋁制成的容器中。再將基體金屬坯料置于增強(qiáng)材料預(yù)制體上部。然后一齊均裝入可通入流氮?dú)獾募訜釥t中。通過(guò)加熱，基體金屬熔化，并自發(fā)浸滲入網(wǎng)絡(luò)狀增強(qiáng)材料預(yù)制體中。2021/10/10星期日60

無(wú)壓浸滲法制備Al2O3（f）/Al復(fù)合材料工藝原理示意圖

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1.3.4原位（Insitu）生長(zhǎng)（復(fù)合）法

增強(qiáng)相從基體中直接生成，生成相的熱力學(xué)穩(wěn)定性好，不存在基體與增強(qiáng)相之間的潤(rùn)濕和界面反應(yīng)等問(wèn)題，基體與增強(qiáng)相結(jié)合良好，較好的解決了界面相容性問(wèn)題。

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（1）共晶合金定向凝固：共晶合金定向凝固要求合金成分為共晶或接近共晶成分，開(kāi)始為二元合金，后發(fā)展為三元單變共晶，以及有包晶或偏晶反應(yīng)的兩相結(jié)合。定向凝固時(shí)，參與共晶反應(yīng)的和

相同時(shí)從液相中生成，其中一相以棒狀（纖維狀）或?qū)悠瑺钜?guī)則排列生成（上圖）。2021/10/10星期日63

定向凝固共晶合金復(fù)合材料的原位生長(zhǎng)必須滿足三個(gè)條件：

（1）有溫度梯度（