材料化學(xué) 課件 10-3.2金屬基復(fù)合材料制備

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金屬基復(fù)合材料制備2

液態(tài)制備方法(LiquidStateFabrication)液態(tài)金屬基復(fù)合材料制備的共同特點是基體處于熔融狀態(tài)。該方法關(guān)鍵技術(shù)是有效控制高溫下的界面反應(yīng)及基體的氧化反應(yīng)這種方法可用來直接制造復(fù)合材料零件，也可用來制造復(fù)合絲、復(fù)合帶、坯錠等作為二次加工成零件的原料，可實現(xiàn)批量生產(chǎn)

液態(tài)制備方法特點液態(tài)制備方法：是指在金屬基復(fù)合材料制備過程中，金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固體增強體

復(fù)合的制備方法。為了減少高溫下的界面反應(yīng)，改善界面潤濕性，通常可采

用加壓浸滲、增強體表面處理和基體中添加合金元素等措施

液態(tài)制備工藝：主要有擠壓鑄造法、真空壓力浸漬法、液態(tài)金屬攪拌鑄造法等11.3金屬基復(fù)合材料制備（1）擠壓鑄造法概念：是通過壓機(jī)將液態(tài)金屬壓入增強材料預(yù)制件中制造復(fù)合材料的一種方法。其工藝過程是：將增強材料制成一定形狀的預(yù)制件，經(jīng)干燥預(yù)熱放入同樣預(yù)熱的模具中，熔融金屬進(jìn)入模具，對熔體金屬加壓滲透纖維預(yù)制件中成型圖11.17擠壓鑄造工藝流程圖圖11.16擠壓滲透裝置特點及應(yīng)用：主要用于批量制造陶瓷短纖維、顆粒、晶須增強鋁、鎂基復(fù)合材料的零部件，且制造成本低；由于高壓的作用，可以促進(jìn)熔體對增強材料的潤濕，增強材料一般不需要表面處理；熔體與增強材料在高溫下接觸時間短，一般不會發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)主要工藝參數(shù)：預(yù)制件預(yù)熱溫度、熔體溫度、壓力大小。壓力一般在70~100MPa，要求模具和預(yù)制件要有足夠的

強度圖11.18擠壓鑄造法工藝原理(a)增強體預(yù)制件預(yù)熱(b)預(yù)制件放入模具(c)注入金屬基體溶液(d)加壓使金屬滲入預(yù)制件(e)加壓凝固(f)冷卻從模具中取出制件（2）真空壓力浸漬法概念：是在真空和高壓惰性氣體共同作用下，將液態(tài)金屬壓入增強材料制成預(yù)制件，再制備金屬基復(fù)合材料。它兼有真空吸鑄和壓力鑄造的優(yōu)點。熔體進(jìn)入預(yù)制件有三種方法：底部壓入、頂部注入和壓入法

預(yù)制件的制作圖11.19

預(yù)制件制造工藝流程圖(a)

壓制成型工藝流程；(b)

抽吸成型工藝流程

工藝過程浸漬爐由高壓殼體、熔化金屬的加熱爐、預(yù)制件預(yù)熱爐、坩堝升降裝置、真空系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、氣體加壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成圖11.20

底部壓入式浸漬爐結(jié)構(gòu)簡圖圖11.21

真空壓力浸漬法工藝流程

主要工藝參數(shù)：

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，越容易充填到預(yù)制件中；預(yù)制件溫度越高，金屬熔體不會因滲入預(yù)制件而迅速冷卻凝固，因此浸漬越充分

真空壓力浸漬法特點：

浸漬在真空中進(jìn)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；

工藝簡單、參數(shù)易于控制，可直接制成復(fù)合材料零件，基本無需后續(xù)加工

它的缺點是：工藝周期長、投資大、制造大尺寸零件需要大型設(shè)備

應(yīng)用：適用于多種基體金屬和各類增強體的復(fù)合材料（3）液態(tài)金屬攪拌鑄造法概念：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的分散在金屬熔體中，然后澆鑄成錠坯、鑄件以制造顆粒增強金屬基復(fù)合材料的方法稱為液態(tài)金屬攪拌鑄造法分類：根據(jù)工藝特點及所選用的設(shè)備可分為旋渦法、無旋渦攪拌法和復(fù)合鑄造法旋渦法：是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌器形成金屬熔體的旋渦，依旋渦的負(fù)壓抽吸作用，使顆粒進(jìn)入金屬熔體中。

然后將含有顆粒的金屬熔體注入模具型腔，冷凝后從模具中取出金屬基復(fù)合材料制件主要工藝參數(shù)：攪拌速度（一般控制在500~1000r/min）、基體熔體溫度（選在基體金屬液相線溫度以上100°C）、顆粒加入速度特點及應(yīng)用：工藝簡單，制造成本低廉。主要用于制造含較粗顆粒（直徑50~100m）的耐磨復(fù)合材料，如Al2O3/Al-Mg、C（石墨）/Al等復(fù)合材料圖11.22

旋渦攪拌法設(shè)備簡圖

無旋渦法：也叫無旋渦攪拌法。將熔煉好的金屬熔體注入可抽真空或通惰性氣體保護(hù)并能保溫的攪拌爐中，加入顆粒增強物，攪拌器在真空或充壓條件下進(jìn)行高速攪拌，使細(xì)小的顆粒均勻分散在熔體中，并與金屬基體潤濕復(fù)合，澆鑄獲得顆粒增強金屬基復(fù)合材料制品主要工藝參數(shù)：攪拌器由主、副兩攪拌器組成，主攪拌器具有同軸多槳葉，旋轉(zhuǎn)速度高，在1000~2500r/min范圍，副攪拌器沿坩堝壁緩慢旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速小于100r/min，起著消除旋渦和將黏附在坩堝壁上顆粒刮離并帶入金屬熔體中；金屬熔體溫度一般高于液相線50°C；攪拌時間20min左右；與旋渦法相比，該方法在真空或氬氣中攪拌，有效防止金屬的氧化和氣體吸入特點及應(yīng)用：該方法制備的金屬基復(fù)合材料中熔體中氣體含量低、顆粒分布均勻，鑄成的錠坯氣孔率小，組織致密，性能好。適合于多種顆粒和基體，主要用于鋁合金，包括形變鋁合金和鑄造鋁合金

復(fù)合鑄造法：用機(jī)械攪拌將顆?；烊虢饘偃垠w中。攪拌是在半固態(tài)金屬中進(jìn)行。通過對加熱溫度的控制，將金屬熔體中的固相粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在40%~60%。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，導(dǎo)致顆粒與液態(tài)金屬潤濕并在金屬熔體中均勻分散。復(fù)合后，再加熱升溫到澆鑄溫度，鑄成零件或坯料特點及應(yīng)用：工藝簡單，生產(chǎn)率高，制造成本低。適用于多種基體和多種顆粒，可以用來制造顆粒細(xì)小、含量高的顆粒增強金屬基復(fù)合材料，也可以用來制造晶須、短纖維增強金屬基復(fù)合材料存在問題：該方法現(xiàn)存的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(dá)到40%~60%圖11.23

復(fù)合鑄造法工藝裝置簡圖3原位自生成法(InSituProcesses)

增強體是從金屬基體中原位形核長大的，具有穩(wěn)定的熱力學(xué)特性，增強體與基體間相容性好，界面結(jié)合強；通過合理地選擇反應(yīng)元素或化合物的類型、成分及其反應(yīng)性，可有效的控制原位生成增強體的種類、大小、

分布和數(shù)量；由于增強相是從液態(tài)基體中原位生長，因此可以用鑄造方法制備形狀復(fù)雜、尺寸較大的構(gòu)件；

在保證材料具有很好的韌性和高溫性能的同時，可較大幅度的提高復(fù)合材料的強度和彈性模量;

原位反應(yīng)大都伴有氧化或氣體放出，復(fù)合材料易形成微氣孔，還可能形成氧化夾雜，影響材料的組織性能

原位自生成制備方法特點概念：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基本原理：在一定條件，通過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(dá)到強化金屬基體的目的。增強材料可以共晶的形式從基體凝固析出，也可由加入的相應(yīng)的元素之間的反應(yīng)、合成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，前者獲得定向凝固共晶復(fù)合材料，后者得到反應(yīng)自生成復(fù)合材料原位反應(yīng)產(chǎn)生的增強相主要為氧化物、氮化物、碳化物和硼化物等，如Al2O3、AlN、TiC和TiB2

原位自生成制備技術(shù)（1）定向凝固法概念：具有共晶成分的合金加熱熔化后，在凝固過程中，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狀共晶增強材料，得到金屬基復(fù)合材料定向凝固速率大小直接影響定向凝固共晶復(fù)合材料中增強相的體積分?jǐn)?shù)和形狀。在一定溫度梯度下，條狀或?qū)悠瑺钤鰪娤嗟拈g距

與凝固速率V之間存在以下關(guān)系：

2V=常數(shù)在滿足平面凝固生長條件下，增加定向凝固時的溫度梯度，可以加快定向組織的生長速度，同時可以降低條狀或?qū)悠g距，有利于提高定向凝固共晶復(fù)合材料的性能在不同凝固速率下獲得原位復(fù)合材料的橫截面，鎳合金基體被蝕刻掉，露出TaC纖維特點及應(yīng)用：

定向凝固共晶復(fù)合材料，纖維與基體界面具有最低能量，用于高溫結(jié)構(gòu)材料（如發(fā)動機(jī)的葉片和渦輪葉片），常用的基體金屬為鎳基和鈷基合金及金屬間化合物。定向凝固共晶復(fù)合材料也可以作為功能復(fù)合材料，主要應(yīng)用于磁、電和熱相互作用或疊加效應(yīng)的壓電、電磁和熱磁等功能器件，如InSb/NiSb

可做磁阻無接觸電開關(guān)等存在問題：定向凝固速率非常低，可選擇的共晶材料體系有限，共晶增強材料的體積分?jǐn)?shù)無法調(diào)整Someimportantinsitucompositesystems（2）反應(yīng)自生成法反應(yīng)自生成法又分為：金屬定向氧化Lanxide法、XD法和液相反應(yīng)自生成法

Lanxide法金屬直接氧化法(DIMOX):高溫金屬液暴露于空氣中，使其表面首先氧化產(chǎn)生一層氧化膜，里面金屬再通過氧化層逐漸向表面擴(kuò)散，暴露空氣后又被氧化，如此反復(fù)，形成復(fù)合材料金屬無壓浸滲法(PRIMEX):一是液態(tài)金屬在環(huán)境氣氛下向陶瓷預(yù)制件中滲透；二是液態(tài)金屬與周圍氣體的反應(yīng)生成新的增強粒子。復(fù)合材料的組織性能通過調(diào)整熔體成分、氣氛分壓和溫度XD法:基本原理是將預(yù)期構(gòu)成增強材料的兩種固態(tài)粉末與基體金屬粉末均勻混合，加熱至基體熔點以上溫度發(fā)生反應(yīng)，生

成增強相，然后再經(jīng)鑄造、擠壓成型XD法特點及應(yīng)用：

增強相原位生成，具有熱穩(wěn)定性；增強相的類型、形態(tài)可以選擇和設(shè)計；各種金屬或金屬間化合物均可以作基體；復(fù)合材料可采用傳統(tǒng)金屬加工進(jìn)行二次加工

XD材料包括Al、Ti、Ni和Cu基復(fù)合材料。增強相包括硼化物、氮化物和碳化物，其形狀可以是顆粒、晶須和桿狀。已用該方法制備出TiC/Al、TiB2/Al等液相反應(yīng)自生成法:是在熔融金屬基體中加入或通入能生成某種顆粒的元素或化合物，在一定溫度發(fā)生反應(yīng)，生成細(xì)小

彌散顆粒，獲得復(fù)合材料。如在Al熔體中加入Ti元素，形成Al-Ti合金，加入碳或通入碳?xì)浠衔锱c

Al中的Ti反應(yīng)生成TiC，然后澆鑄成型。原料在鋁液中可能反應(yīng)：Ti+CH4

TiC+2H2(鋁液中)4沉積法(Deposition)沉積法:可以分為噴涂沉積與噴射沉積，用它們制備金屬基復(fù)合材料的工藝方法大多是由金屬材料表

面強化技術(shù)衍生而來的噴涂沉積:主要應(yīng)用于纖維增強金屬基復(fù)合材料的預(yù)制層制備，也可用于制備復(fù)合層狀材料的坯料。噴涂沉積主要是以等離子體或