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1、金属基复合材料第一页，本课件共有56页2内内 容容v 金属基复合材料的定义及特性金属基复合材料的定义及特性v 分类，常用的基体及增强体材料分类，常用的基体及增强体材料v 金属基复合材料的组分相容性金属基复合材料的组分相容性v 金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料的制备工艺v 金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能第二页，本课件共有56页3v 金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强金属基复合材料相对于传统的金属材料来说，具有较高的比强度与比刚度；度与比刚度；v 与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性；与树脂基复合材料相比，具有优良的导电性与耐热性；v 与陶瓷基材料相比
2、，具有高韧性和高冲击性能。与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高冲击性能。金属基复合材料及其特性金属基复合材料及其特性v 金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）是）是以金属或合金为基体以金属或合金为基体以金属或合金为基体以金属或合金为基体，以以以以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的非均质非均质混合物，共同点是具有连续的金属基体。混合物，共同点是具有连续的金属基体。第三页，本课件共有56页4构件的使用性能要求是构件的使用性能要求是选择金属基体材料最重要
3、选择金属基体材料最重要的依据，也是其发展的动的依据，也是其发展的动力。力。金属基复合材料的使用要求金属基复合材料的使用要求v在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸稳在航天、航空技术中高比强度和比模量以及尺寸稳定性是最重要的性能要求。定性是最重要的性能要求。作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金作为飞行器和卫星的构件宜选用密度小的轻金属合金镁合金和铝镁合金和铝合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨合金作为基体，与高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维等组成石墨/镁、石墨镁、石墨/铝、硼铝、硼/铝复合材料。铝复合材料。第四页，本课件共有56页5v高性能航空发动机、燃气轮机
4、：要求有高比强高性能航空发动机、燃气轮机：要求有高比强度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能度和比模量，还要具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。在高温、氧化性气氛中正常工作。选择钛合金、镍合金以选择钛合金、镍合金以及金属间化合物作为基及金属间化合物作为基体材料。如碳化硅体材料。如碳化硅/钛、钛、钨丝钨丝/镍基超合金复合镍基超合金复合材料可用于喷气发动机材料可用于喷气发动机叶片、转轴等重要零件。叶片、转轴等重要零件。第五页，本课件共有56页6v在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导在汽车发动机中要求其零件耐热、耐磨、导热、一定的高温强度等，同时又要求成本低热、一定的高温强度等
5、，同时又要求成本低廉，适合于批量生产。廉，适合于批量生产。v选用铝合金作基体材料与陶选用铝合金作基体材料与陶瓷颗粒、短纤维组成颗粒瓷颗粒、短纤维组成颗粒（短纤维）（短纤维）/铝基复合材料。铝基复合材料。如碳化硅如碳化硅/铝复合材料、碳铝复合材料、碳纤维或氧化铝纤维纤维或氧化铝纤维/铝复合铝复合材料可制作发动机活塞、缸材料可制作发动机活塞、缸套等零件。套等零件。第六页，本课件共有56页7v 19631963年，年，NASANASA制备出钨丝增强制备出钨丝增强CuCu基复合材料，是纤维增强基复合材料，是纤维增强金属基复合材料的研究起点，金属基复合材料的研究起点，SiC/Al,AlSiC/Al,Al
6、2 2O O3 3/Al/Al；v 19781978年年B/AlB/Al复合材料在哥伦比亚航天飞机上应用；复合材料在哥伦比亚航天飞机上应用；v 1964 1964年，年，KraftKraft通过共晶合金定向凝固制备出金属基复合材通过共晶合金定向凝固制备出金属基复合材料，界面结合良好，料，界面结合良好，Ni-NiNi-Ni3 3AlAl，Ni-NiNi-Ni3 3SiSi；v 2020世纪世纪8080年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重颗年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料，在汽车、体育用粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料，在汽车、体育用品等领域得到应用；
7、品等领域得到应用；v 9090年代后期，电子产品和技术迅速发展，低膨胀、高强度年代后期，电子产品和技术迅速发展，低膨胀、高强度和高导热性的金属基复合材料在电子产品得到应用；和高导热性的金属基复合材料在电子产品得到应用；v 近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。近年，功能和纳米金属基复合材料成为研究热点。金属基复合材料的发展金属基复合材料的发展第七页，本课件共有56页8金属基复合材料的分类金属基复合材料的分类vv铝基复合材料铝基复合材料vv镁基复合材料镁基复合材料vv钛基复合材料钛基复合材料钛基复合材料钛基复合材料vv镍基复合材料镍基复合材料vv铜基复合材料铜基复合材料基基体体vv颗粒增强
8、金属基复合材颗粒增强金属基复合材颗粒增强金属基复合材颗粒增强金属基复合材料料料料vv短纤维、晶须增强金短纤维、晶须增强金属基复合材料属基复合材料vv长纤维强金属基复合长纤维强金属基复合长纤维强金属基复合长纤维强金属基复合材料材料材料材料vv层状复合材料层状复合材料增增强强体体第八页，本课件共有56页9铝及铝合金铝及铝合金v 铝基复合材料是金属基复合材料中铝基复合材料是金属基复合材料中发展最快发展最快、应用应用应用应用得最广得最广得最广得最广的一种。的一种。v 金属铝为金属铝为面心立方面心立方结构，无同素异构体，密度为钢的结构，无同素异构体，密度为钢的1/3左右，具有良好的左右，具有良好的塑性和
9、韧性塑性和韧性塑性和韧性塑性和韧性，以及，以及易加工性易加工性、工程可靠性工程可靠性及及价格低廉价格低廉价格低廉价格低廉等优点，在工程上广泛应用。等优点，在工程上广泛应用。v 工业纯铝：工业纯铝：塑性优异，适用各种形式的冷、热加工；塑性优异，适用各种形式的冷、热加工；导电、导热性能好，代替铜制作导线；导电、导热性能好，代替铜制作导线；强度不高，不适合做承力大的结构材料。强度不高，不适合做承力大的结构材料。第九页，本课件共有56页10金属基复合材料工艺研究内容金属基复合材料工艺研究内容v 金属基体与增强材料的金属基体与增强材料的结合结合结合结合和和结合方式结合方式结合方式结合方式；v 金属基体金
10、属基体/增强材料增强材料界面界面和和界面产物界面产物在工艺过程在工艺过程中的形成及控制；中的形成及控制；v 增强材料在金属基体中的分布增强材料在金属基体中的分布；v 防止防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤；连续纤维在制备工艺过程中的损伤；v 优化优化工艺参数工艺参数，提高复合材料的，提高复合材料的性能和稳定性性能和稳定性性能和稳定性性能和稳定性，降，降低低成本成本成本成本。第十页，本课件共有56页11根据各种方法的基本特点，把金属基复合材根据各种方法的基本特点，把金属基复合材料的制备工艺分为四大类：料的制备工艺分为四大类：(1)(1)(1)(1)固态法：扩散结合和粉末冶金；固态法：扩散结合和粉
11、末冶金；(2)(2)(2)(2)液态法：铸造法、压铸法、半固态复合液态法：铸造法、压铸法、半固态复合铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法等；铸造、液态渗透以及搅拌法和无压渗透法等；(3)(3)喷射与喷涂沉积法；喷射与喷涂沉积法；(4)(4)原位复合法：共晶合金定向凝固法、直原位复合法：共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法、反应自生成法。接金属氧化法、反应自生成法。金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料的制备工艺第十一页，本课件共有56页12常用的金属基复合材料制备工艺常用的金属基复合材料制备工艺第十二页，本课件共有56页13扩散结合扩散结合v 扩散结合也称扩散粘接法或扩散焊接法，是加压焊接扩散结
12、合也称扩散粘接法或扩散焊接法，是加压焊接的一种，包括热压法和热等静压法。的一种，包括热压法和热等静压法。v 在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或不在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或不相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。v 扩散结合是在较长时间的高温及不大的塑性变形作用下依靠扩散结合是在较长时间的高温及不大的塑性变形作用下依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。接触部位原子间的相互扩散进行的。v 扩散结合的过程：粘接表面之间的最初接触，由于加扩散结合的过程：粘接表面之间的最初接触，由于加热和加压使表面发生变形、移动、表面膜
13、破坏；发生界热和加压使表面发生变形、移动、表面膜破坏；发生界面扩散和体扩散，使接触面密着粘接；热扩散界面最终面扩散和体扩散，使接触面密着粘接；热扩散界面最终消失，粘接过程完成。消失，粘接过程完成。v 扩散结合成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料扩散结合成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺方法。的传统工艺方法。第十三页，本课件共有56页14vv 扩散结合工艺扩散结合工艺扩散结合工艺扩散结合工艺中，增强纤维与基体的结合主要分为三个中，增强纤维与基体的结合主要分为三个关键步骤：关键步骤：纤维的排布；纤维的排布；纤维的排布；纤维的排布；复合材料的叠合和真空封复合材料的叠合和真空封复合材料
14、的叠合和真空封复合材料的叠合和真空封装；装；装；装；热压。热压。热压。热压。vv 预制片的制备：等离子喷涂法、箔粘接法及液态金属浸渍预制片的制备：等离子喷涂法、箔粘接法及液态金属浸渍预制片的制备：等离子喷涂法、箔粘接法及液态金属浸渍预制片的制备：等离子喷涂法、箔粘接法及液态金属浸渍法。法。法。法。vv 热压的工艺参数：温度、压力及时间。热压的工艺参数：温度、压力及时间。热压的工艺参数：温度、压力及时间。热压的工艺参数：温度、压力及时间。v 热压法的应用：热压法的应用：热压法的应用：热压法的应用：B/AlB/AlB/AlB/Al、SiC/AlSiC/AlSiC/AlSiC/Al、SiC/TiC/
15、AlSiC/TiC/AlSiC/TiC/AlSiC/TiC/Al、C/MgC/MgC/MgC/Mg等复合材料零部件、等复合材料零部件、等复合材料零部件、等复合材料零部件、管材及板材。直径较粗的硼纤维和碳化硅纤维增强铝基、管材及板材。直径较粗的硼纤维和碳化硅纤维增强铝基、管材及板材。直径较粗的硼纤维和碳化硅纤维增强铝基、管材及板材。直径较粗的硼纤维和碳化硅纤维增强铝基、钛基及钨丝钛基及钨丝钛基及钨丝钛基及钨丝-超合金、钨丝超合金、钨丝超合金、钨丝超合金、钨丝-铜等复合材料的主要方法。铜等复合材料的主要方法。铜等复合材料的主要方法。铜等复合材料的主要方法。扩散结合的工艺过程扩散结合的工艺过程第十四
16、页，本课件共有56页15a)a)金属箔复合法金属箔复合法 b)b)金属无纬带重叠法金属无纬带重叠法 c)c)表面镀有金属的纤维结合法表面镀有金属的纤维结合法 扩散结合法示意图扩散结合法示意图第十五页，本课件共有56页16v热等静压法热等静压法热等静压法热等静压法也是热压的一种，可用于制造形状复杂的金属基也是热压的一种，可用于制造形状复杂的金属基复合材料零件复合材料零件。vv热等静压法热等静压法热等静压法热等静压法用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用。在高压容器内
17、设置加热器，将金属基体与增压力的作用。在高压容器内设置加热器，将金属基体与增压力的作用。在高压容器内设置加热器，将金属基体与增压力的作用。在高压容器内设置加热器，将金属基体与增强材料按一定比例混合或排布后，或将预制片叠层后放入强材料按一定比例混合或排布后，或将预制片叠层后放入强材料按一定比例混合或排布后，或将预制片叠层后放入强材料按一定比例混合或排布后，或将预制片叠层后放入金属包套中，抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压，金属包套中，抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压，金属包套中，抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压，金属包套中，抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压，复合成金属基复合
18、材料。复合成金属基复合材料。复合成金属基复合材料。复合成金属基复合材料。v应用：钛、金属间化合物、超合金复合材料管、筒、柱应用：钛、金属间化合物、超合金复合材料管、筒、柱应用：钛、金属间化合物、超合金复合材料管、筒、柱应用：钛、金属间化合物、超合金复合材料管、筒、柱状零件。状零件。状零件。状零件。vv优点：基体与增强物复合良好，组织致密，无缩孔、气孔优点：基体与增强物复合良好，组织致密，无缩孔、气孔优点：基体与增强物复合良好，组织致密，无缩孔、气孔优点：基体与增强物复合良好，组织致密，无缩孔、气孔等缺陷，形状、尺寸精确，性能均匀。等缺陷，形状、尺寸精确，性能均匀。等缺陷，形状、尺寸精确，性能均
19、匀。等缺陷，形状、尺寸精确，性能均匀。热等静压法热等静压法第十六页，本课件共有56页17v 采用扩散结合方式制备金属基复合材料，采用扩散结合方式制备金属基复合材料，工艺相对复杂工艺相对复杂工艺相对复杂工艺相对复杂，工艺参数控制工艺参数控制工艺参数控制工艺参数控制要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，要求严格，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。成本高。v 但但扩散结合扩散结合扩散结合扩散结合是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的唯一可行的工艺。唯一可行的工艺。v 在扩散结合工艺中，增强纤维与基体的湿润问题容易解决，在扩散结合工艺中，增强纤维与基体的
20、湿润问题容易解决，而且在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。而且在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。v 在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工艺。艺。艺。艺。扩散结合的特点扩散结合的特点第十七页，本课件共有56页18v 粉末冶金是用于制备与成型非连续增强型金属基复合材粉末冶金是用于制备与成型非连续增强型金属基复合材料的一种传统的固态工艺法。料的一种传统的固态工艺法。v 利用粉末冶金原理，将基体金属粉末和增强材料按设计利用粉末冶金
21、原理，将基体金属粉末和增强材料按设计要求的比例在适当的条件下均匀混合，然后再压坯、烧结要求的比例在适当的条件下均匀混合，然后再压坯、烧结或挤压成型，或直接用混合粉料进行热压、热轧制、热挤或挤压成型，或直接用混合粉料进行热压、热轧制、热挤压成型，也可将混合料压坯后加热到基体金属的固压成型，也可将混合料压坯后加热到基体金属的固-液相温液相温度区间内进行半固态成型，获得复合材料或制件。度区间内进行半固态成型，获得复合材料或制件。v 粉末冶金可用于粉末冶金可用于短纤维短纤维短纤维短纤维、颗粒颗粒颗粒颗粒或或晶须晶须晶须晶须增强的金属基复合材增强的金属基复合材料。料。粉末冶金粉末冶金第十八页，本课件共有
22、56页19v 粉末冶金成型主要包括混合、固化、压制三个过程。粉末冶金成型主要包括混合、固化、压制三个过程。v 工艺是：采用超声波或球磨等方法将金属粉末与增强工艺是：采用超声波或球磨等方法将金属粉末与增强体混匀，然后冷压预成型，得到复合坯件，最后通过热体混匀，然后冷压预成型，得到复合坯件，最后通过热压烧结致密化获得复合材料成品。压烧结致密化获得复合材料成品。粉末冶金成型工艺粉末冶金成型工艺第十九页，本课件共有56页20粉末冶金法制备颗粒增强粉末冶金法制备颗粒增强金属基复合材料的工艺流程金属基复合材料的工艺流程第二十页，本课件共有56页21 热等静压热等静压热等静压热等静压或或烧结温度低于烧结温度
23、低于烧结温度低于烧结温度低于金属熔点，由于高温引起的增强金属熔点，由于高温引起的增强材料与金属基体的材料与金属基体的界面反应少界面反应少界面反应少界面反应少，减小了界面反应对复合材料性能，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的的不利影响。同时可以通过热等静压或烧结时的温度温度温度温度、压力压力压力压力和和时间时间时间时间等工艺参数来控制界面反应。等工艺参数来控制界面反应。可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属可根据性能要求，使增强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末粉末以任何比例混合以任何比例混合以任何比例混合以任何比例混合，纤维含量最高纤维
24、含量最高纤维含量最高纤维含量最高可达可达75%75%，颗粒含量颗粒含量颗粒含量颗粒含量可达可达50%50%以以上，这是液态法无法达到的。上，这是液态法无法达到的。粉末冶金法的优点粉末冶金法的优点 降低增强材料与基体降低增强材料与基体互相湿润及密度差互相湿润及密度差互相湿润及密度差互相湿润及密度差的要求，使颗粒或晶须的要求，使颗粒或晶须均匀分布均匀分布均匀分布均匀分布在金属基复合材料的基体中。在金属基复合材料的基体中。采用采用热等静压工艺热等静压工艺热等静压工艺热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般不时，其组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使会产生偏析、偏聚等缺陷，可使
25、孔隙和其他内部缺陷孔隙和其他内部缺陷孔隙和其他内部缺陷孔隙和其他内部缺陷得到明显改得到明显改善，提高复合材料的性能。善，提高复合材料的性能。金属基复合材料可通过传统的金属基复合材料可通过传统的金属加工方法金属加工方法金属加工方法金属加工方法进行二次加工，进行二次加工，得到所需形状的复合材料构件得到所需形状的复合材料构件毛坯毛坯毛坯毛坯。第二十一页，本课件共有56页22 工艺过程比较工艺过程比较复杂复杂复杂复杂；金属基体必须制成粉末，增如了工艺的金属基体必须制成粉末，增如了工艺的复杂性复杂性复杂性复杂性和和成本成本成本成本；在制备铝基、镁基复合材料时，还要防止粉末引在制备铝基、镁基复合材料时，还
26、要防止粉末引起的起的爆炸爆炸爆炸爆炸。粉末冶金法的缺点粉末冶金法的缺点第二十二页，本课件共有56页23v 也称也称熔铸法熔铸法熔铸法熔铸法，是指金属基复合材料在制造过程中，金属基体处于熔，是指金属基复合材料在制造过程中，金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合的方法。融状态下与固体增强物复合的方法。v 包括铸造法、包括铸造法、压铸法压铸法压铸法压铸法、半固态复合铸造半固态复合铸造半固态复合铸造半固态复合铸造、液态渗透液态渗透液态渗透液态渗透以及以及搅拌法搅拌法搅拌法搅拌法和和无压渗透法无压渗透法无压渗透法无压渗透法等。等。v 液态法是目前制备颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料的主要液态法是目前
27、制备颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料的主要工艺方法。工艺方法。vv 液态法主要特点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。液态法主要特点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。液态法主要特点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。液态法主要特点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。v 与固态法相比，液态法的工艺及设备相对简便易行，与传统金属材与固态法相比，液态法的工艺及设备相对简便易行，与传统金属材料的成型工艺，如铸造、压铸等方法过程相似，制备成本较低，得到料的成型工艺，如铸造、压铸等方法过程相似，制备成本较低，得到较快的发展。较快的发展。vv 为减少高温下基体与增强材料之间的界面反应，改善液态
28、金为减少高温下基体与增强材料之间的界面反应，改善液态金为减少高温下基体与增强材料之间的界面反应，改善液态金为减少高温下基体与增强材料之间的界面反应，改善液态金属基体与固态增强体的润湿性，通常采用加压浸渗、增强材料属基体与固态增强体的润湿性，通常采用加压浸渗、增强材料属基体与固态增强体的润湿性，通常采用加压浸渗、增强材料属基体与固态增强体的润湿性，通常采用加压浸渗、增强材料表面（涂覆）处理、基体中添加合金元素等措施。表面（涂覆）处理、基体中添加合金元素等措施。表面（涂覆）处理、基体中添加合金元素等措施。表面（涂覆）处理、基体中添加合金元素等措施。液态法液态法第二十三页，本课件共有56页24v 在
29、铸造生产中，用大气压力重力铸造法难以获得致密的铸件在铸造生产中，用大气压力重力铸造法难以获得致密的铸件时，常采用真空铸造法和加压铸造法。时，常采用真空铸造法和加压铸造法。v 为使金属液能充分浸渗到预成型体纤维间隙内，制得致为使金属液能充分浸渗到预成型体纤维间隙内，制得致密铸件的加压铸造法有高压凝固铸造法和压铸法。密铸件的加压铸造法有高压凝固铸造法和压铸法。铸造法铸造法第二十四页，本课件共有56页25v 将纤维与粘接剂制成的预制件放在模具中加热到一定将纤维与粘接剂制成的预制件放在模具中加热到一定温度，再将熔融金属液注入模具中，迅速合模加压，使温度，再将熔融金属液注入模具中，迅速合模加压，使液态金
30、属以一定速度浸透到预制件中，粘结剂受热分解液态金属以一定速度浸透到预制件中，粘结剂受热分解除去，冷却后得到复合材料制品。除去，冷却后得到复合材料制品。v 为避免气体或杂质等的污染，整个工艺过程在真空条件下进为避免气体或杂质等的污染，整个工艺过程在真空条件下进行。行。v 纤维与金属在高温时间短，界面反应层厚度小，可用于纤维与金属在高温时间短，界面反应层厚度小，可用于加工复杂形状的制品，致密性好，纤维损伤少。加工复杂形状的制品，致密性好，纤维损伤少。高压凝固铸造法高压凝固铸造法第二十五页，本课件共有56页26v 制造碳化硅纤维增强铝基复合材料的新工艺。在铸型内形制造碳化硅纤维增强铝基复合材料的新工
31、艺。在铸型内形成一定负压条件，使液态金属或颗粒增强金属基复合材料自成一定负压条件，使液态金属或颗粒增强金属基复合材料自上而下吸入型腔凝固后形成固件的工艺方法。上而下吸入型腔凝固后形成固件的工艺方法。v Al-10%SiAl-10%Si合金为基体，合金为基体，700-750700-750吸铸温度可使吸铸温度可使CVDCVD法碳化法碳化硅纤维在较短时间内完成浸润，纤维损伤少，棒材抗拉强度达硅纤维在较短时间内完成浸润，纤维损伤少，棒材抗拉强度达1600-1700MPa1600-1700MPa。真空吸铸法真空吸铸法第二十六页，本课件共有56页27v 搅拌铸造法是最早用于颗粒增强金属基复合材料的一种搅拌
32、铸造法是最早用于颗粒增强金属基复合材料的一种弥散混合铸造工艺。弥散混合铸造工艺。v 搅拌铸造法有两种方式：一种是在合金液处于液相线温搅拌铸造法有两种方式：一种是在合金液处于液相线温度以上进行搅拌，称为度以上进行搅拌，称为“液态搅拌液态搅拌”；另一种是合金液处于；另一种是合金液处于固相线与液相线之间进行搅拌，称为固相线与液相线之间进行搅拌，称为“半固态搅拌铸造法半固态搅拌铸造法”或或“流变铸造流变铸造”。搅拌铸造法搅拌铸造法第二十七页，本课件共有56页28搅拌铸造颗粒增强金属基复合材料搅拌铸造颗粒增强金属基复合材料第二十八页，本课件共有56页29v 利用超声波在铝合金熔体中产生的声空化效应和声流
33、效应所利用超声波在铝合金熔体中产生的声空化效应和声流效应所引起的力学效应中的搅拌、分散、除气等来促使颗粒混入铝合引起的力学效应中的搅拌、分散、除气等来促使颗粒混入铝合金熔体，改善颗粒与熔体间的润湿性，迫使颗粒在熔体中均匀金熔体，改善颗粒与熔体间的润湿性，迫使颗粒在熔体中均匀分散。分散。v 是高效的复合方法，能在极短时间内实现颗粒在基体是高效的复合方法，能在极短时间内实现颗粒在基体中的润湿和分散，并能除气、除渣，是一种工艺简单、中的润湿和分散，并能除气、除渣，是一种工艺简单、成本低廉的制备方法。成本低廉的制备方法。高能超声法高能超声法第二十九页，本课件共有56页30v 磁铁搅拌器的高速旋转在空间
34、产生交变磁场，磁场在磁铁搅拌器的高速旋转在空间产生交变磁场，磁场在空间感应出交变的电场，在导电的金属熔体内部产生交空间感应出交变的电场，在导电的金属熔体内部产生交变的电流，使熔体产生漩涡，将加入的增强颗粒卷入金变的电流，使熔体产生漩涡，将加入的增强颗粒卷入金属熔体中。属熔体中。v 电磁力对金属熔体进行搅拌具有不直接接触、对金属电磁力对金属熔体进行搅拌具有不直接接触、对金属熔体无污染等机械搅拌所无法比拟的优点。熔体无污染等机械搅拌所无法比拟的优点。磁力搅拌法磁力搅拌法第三十页，本课件共有56页31v 压铸成型是指在压力作用下将液态或半液态金属基复合压铸成型是指在压力作用下将液态或半液态金属基复合
35、材料或金属以一定速度充填材料或金属以一定速度充填压铸模型腔压铸模型腔压铸模型腔压铸模型腔或或增强材料预制体的增强材料预制体的增强材料预制体的增强材料预制体的孔隙孔隙孔隙孔隙中，在压力下快速凝固成型而制备金属基复合材料的工艺中，在压力下快速凝固成型而制备金属基复合材料的工艺方法。方法。压铸成型法压铸成型法vv 压铸成型法的具体工艺压铸成型法的具体工艺压铸成型法的具体工艺压铸成型法的具体工艺 将包含有增强材料的金属熔体将包含有增强材料的金属熔体倒入倒入预热摸具中预热摸具中预热摸具中预热摸具中后，迅速加压，后，迅速加压，压力约为压力约为70-100MPa70-100MPa，使液态金，使液态金属基复合
36、材料在压力下凝固。属基复合材料在压力下凝固。复合材料复合材料完全固化后完全固化后完全固化后完全固化后顶出，制顶出，制得所需形状及尺寸的复合材料的得所需形状及尺寸的复合材料的坯料或压铸件坯料或压铸件坯料或压铸件坯料或压铸件。第三十一页，本课件共有56页32v 压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个：压铸工艺中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个：熔融金属的温度、熔融金属的温度、模具预热温度、模具预热温度、使用的最大压力、使用的最大压力、加压速度。加压速度。v 在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，在采用预制增强材料块时，为了获得无孔隙的复合材料，一般压力不低于
37、一般压力不低于50MPa50MPa，加压速度以使预制件不变形为宜，一，加压速度以使预制件不变形为宜，一般为般为1-3cm/s1-3cm/s。v 对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为对于铝基复合材料，熔融金属温度一般为700-800700-800，预制，预制件和模具预热温度一般可控制在件和模具预热温度一般可控制在500-800500-800，并可相互补偿，并可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。如前者高些，后者可以低些，反之亦然。v 采用压铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、采用压铸法生产的铝基复合材料的零部件，其组织细化、无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。无气
38、孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。v 与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简单，与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。压铸成型法的特点压铸成型法的特点第三十二页，本课件共有56页33v 采用铸造的方法使两种熔点不同的液态金属先后熔铸在一起或采用铸造的方法使两种熔点不同的液态金属先后熔铸在一起或一种液态金属与一种固态金属凝铸在一起。一种液态金属与一种固态金属凝铸在一起。v 现代液现代液-固相复合技术以液态金属快速非平衡凝固和半固态固相复合技术以液态金属快速非平衡凝固和半固态
39、直接塑性成型为特征，控制异种材料复杂界面反应的方向和限直接塑性成型为特征，控制异种材料复杂界面反应的方向和限度，保证复合界面良好结合、复合材料的高质量和复合工艺的度，保证复合界面良好结合、复合材料的高质量和复合工艺的高效率。高效率。熔铸复合法熔铸复合法第三十三页，本课件共有56页34电磁控制连铸工艺原理电磁控制连铸工艺原理第三十四页，本课件共有56页35v 采用搅拌法制备金属基复合材料时，采用搅拌法制备金属基复合材料时，常常会由于强烈搅拌将气体或表面金常常会由于强烈搅拌将气体或表面金属氧化物卷入金属熔体中；同时当颗属氧化物卷入金属熔体中；同时当颗粒与金属基体湿润性差时，颗粒难以粒与金属基体湿润
40、性差时，颗粒难以与金属基体复合，而且颗粒在金属基与金属基体复合，而且颗粒在金属基体中由于比重关系而难以得到均匀分体中由于比重关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。布，影响复合材料性能。v 半固态复合铸造主要是针对半固态复合铸造主要是针对搅拌法的缺搅拌法的缺搅拌法的缺搅拌法的缺点点点点而提出的改进工艺。这种方法是将颗粒而提出的改进工艺。这种方法是将颗粒加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使颗粒在金属基体中均匀分布，并取得良使颗粒在金属基体中均匀分布，并取得良好的界面结合，然后浇注成型或将半固态好的界面结合，然后浇注成型或将半固态复合材料注入模具中进行压铸成
41、型。复合材料注入模具中进行压铸成型。半固态复合铸造半固态复合铸造第三十五页，本课件共有56页36是将金属熔体的温度控制在是将金属熔体的温度控制在液相线与固相线液相线与固相线液相线与固相线液相线与固相线之间，通过搅拌之间，通过搅拌使部分使部分树枝状结晶体树枝状结晶体树枝状结晶体树枝状结晶体破碎成固相颗粒，熔体中的固相颗粒是一种破碎成固相颗粒，熔体中的固相颗粒是一种非非非非枝晶结构枝晶结构枝晶结构枝晶结构，可以防止半固态熔体粘度的增加。，可以防止半固态熔体粘度的增加。当加入预热后的当加入预热后的增强颗粒增强颗粒增强颗粒增强颗粒时，因熔体中含有一定量的时，因熔体中含有一定量的固相固相固相固相金属颗粒
42、金属颗粒金属颗粒金属颗粒，在搅拌中，在搅拌中增强颗粒受阻增强颗粒受阻增强颗粒受阻增强颗粒受阻而滞留在半固态金属熔体中，而滞留在半固态金属熔体中，增强颗粒不会增强颗粒不会结集和偏聚结集和偏聚结集和偏聚结集和偏聚而得到一定的分散。而得到一定的分散。强烈的强烈的搅拌作用促进搅拌作用促进搅拌作用促进搅拌作用促进增强颗粒与金属熔体的接触、增强颗粒与金属熔体的接触、润湿润湿润湿润湿。浇注时金属基复合材料是处于半固态，直接浇注成型或压铸成型浇注时金属基复合材料是处于半固态，直接浇注成型或压铸成型所得的铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。所得的铸件几乎没有缩孔或孔洞，组织细化和致密。半固态复合铸造主要应用
43、于颗粒增强金属基复合材料。短半固态复合铸造主要应用于颗粒增强金属基复合材料。短纤维、晶须在加入时容易结团或缠结在一起，虽经搅拌也不易纤维、晶须在加入时容易结团或缠结在一起，虽经搅拌也不易分散均匀。分散均匀。半固态复合铸造的特点半固态复合铸造的特点第三十六页，本课件共有56页37 半固态复合铸造工艺中，金属基体半固态复合铸造工艺中，金属基体熔体的温度熔体的温度熔体的温度熔体的温度应应使熔体达到使熔体达到30%-50%30%-50%固态；固态；搅拌速度搅拌速度搅拌速度搅拌速度应应不产生湍流不产生湍流以防止空气裹入，并使以防止空气裹入，并使熔体中熔体中枝晶破碎枝晶破碎枝晶破碎枝晶破碎形成固态颗粒，降
44、低熔体的粘度，形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒的加入。从而有利于增强颗粒的加入。主要控制工艺参数主要控制工艺参数第三十七页，本课件共有56页38v 通过纤维或纤维预制件浸渍通过纤维或纤维预制件浸渍熔融态金属而制成金属基复合熔融态金属而制成金属基复合材料的方法。材料的方法。v 工艺效率较高、成本较低，工艺效率较高、成本较低，适用于制成板材、线材和棒材适用于制成板材、线材和棒材等。等。v 加工时，可以抽真空，利加工时，可以抽真空，利用渗透压迫使熔融金属浸透到用渗透压迫使熔融金属浸透到纤维的间隙中，也可以在熔融纤维的间隙中，也可以在熔融的金属一侧用惰性气体或外载的金属一侧用惰性气体或
45、外载荷施加压力的方法实现渗透。荷施加压力的方法实现渗透。熔融金属浸渗法熔融金属浸渗法第三十八页，本课件共有56页39将增强材料制成将增强材料制成预制体预制体预制体预制体，置于氧化铝容器内。，置于氧化铝容器内。将基体金属坯料置于可渗透的将基体金属坯料置于可渗透的增强材料预制体的增强材料预制体的增强材料预制体的增强材料预制体的上上部或下部。部或下部。氧化铝容器、预制体和基体金属坯料均装入可通入氧化铝容器、预制体和基体金属坯料均装入可通入流动氮气的流动氮气的加热炉加热炉加热炉加热炉中。中。通过加热，通过加热，基体金属熔化基体金属熔化基体金属熔化基体金属熔化，并自发渗透进入网络状，并自发渗透进入网络状
46、增增增增强材料预制体强材料预制体强材料预制体强材料预制体中。中。浸渗法的工艺过程浸渗法的工艺过程第三十九页，本课件共有56页40vv 无压渗透工艺能明显降低金属基复合材料的制造成无压渗透工艺能明显降低金属基复合材料的制造成无压渗透工艺能明显降低金属基复合材料的制造成无压渗透工艺能明显降低金属基复合材料的制造成本，复合材料的刚度显著高于基体金属，但强度较低。本，复合材料的刚度显著高于基体金属，但强度较低。本，复合材料的刚度显著高于基体金属，但强度较低。本，复合材料的刚度显著高于基体金属，但强度较低。例如以例如以55-60%Al55-60%Al2 2O O3 3或或SiCSiC预制成零件的形状，放
47、入同样形状的预制成零件的形状，放入同样形状的刚玉陶瓷槽内刚玉陶瓷槽内刚玉陶瓷槽内刚玉陶瓷槽内，将含有，将含有3%-10%Mg3%-10%Mg的的铝合金铝合金铝合金铝合金（基体）（基体）坯料坯料坯料坯料放置在放置在增增增增强材料预制体强材料预制体强材料预制体强材料预制体上，在流动的氮气气氛下，加热至上，在流动的氮气气氛下，加热至800-1000800-1000，铝，铝合金熔化并自发渗入预制体内。合金熔化并自发渗入预制体内。由于由于氮气与铝合金氮气与铝合金氮气与铝合金氮气与铝合金发生反应，在金属基复合材料的显微组织中发生反应，在金属基复合材料的显微组织中还有还有AlNAlN。控制。控制氮气流量氮气
48、流量氮气流量氮气流量、温度温度温度温度以及以及渗透速度渗透速度渗透速度渗透速度，可以控制，可以控制AINAIN的的生成量。生成量。AlNAlN在在铝基复合材料铝基复合材料铝基复合材料铝基复合材料中起到提高复合材料中起到提高复合材料刚度刚度刚度刚度，降低，降低热热热热膨胀系数膨胀系数膨胀系数膨胀系数的作用。的作用。采用这种方法制备的采用这种方法制备的AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3/Al/Al/Al/Al的刚度的刚度的刚度的刚度是铝合金基体的两倍，而是铝合金基体的两倍，而SiC/AlSiC/Al的刚度也达到钢的水平，但强度水平较低。的刚度也达到钢的水平，但强度水平较低。
49、无压浸渗法无压浸渗法第四十页，本课件共有56页41加压熔浸装置加压熔浸装置第四十一页，本课件共有56页42纤维束连续熔浸装置及制品种类纤维束连续熔浸装置及制品种类第四十二页，本课件共有56页43v 将将基体金属基体金属基体金属基体金属在坩埚中熔化在坩埚中熔化后，在压力作用下通过喷咀后，在压力作用下通过喷咀送入雾化器，在高速惰性气送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，体射流的作用下，液态金属液态金属液态金属液态金属被分散为细小的液滴被分散为细小的液滴被分散为细小的液滴被分散为细小的液滴，形成所，形成所谓谓“雾化锥雾化锥雾化锥雾化锥”；v 通过一个或多个通过一个或多个喷咀喷咀喷咀喷咀向向“雾雾化
50、锥化锥”喷射入喷射入增强颗粒增强颗粒增强颗粒增强颗粒，使之，使之与与金属雾化液滴金属雾化液滴金属雾化液滴金属雾化液滴一齐在基板（收一齐在基板（收集器）上沉积，并快速凝固形成集器）上沉积，并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。颗粒增强金属基复合材料。喷射沉积法喷射沉积法第四十三页，本课件共有56页44 工艺流程短工艺流程短工艺流程短工艺流程短，工序简单工序简单工序简单工序简单，喷射，喷射沉积沉积沉积沉积效率高效率高效率高效率高，有利于工业化生产；，有利于工业化生产；高致密度高致密度高致密度高致密度，直接沉积的复合材料，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的密度一般可达到理论的95%-98%95%