金属基复合材料的表面复合技术.ppt

*复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同形态的原材料，通过复合工艺组合而成的材料，它既保持了原组分材料的主要特点，也具备了原组分材料所没有的的新性能的一种多相材料。*金属基复合材料是以金属为基体，以纤维、颗粒、晶须等为增强材料，并均匀地分散于基体材料形成的两相或多相组合体系的材料体系，而用于制备这种复合材料的适当方法称为复合材料的制造技术。*金属基复合材料起步于上世纪60年代初期。当时由于受到增强纤维品种少的限制，仅发展了硼纤维增强铝、钛等少量品种。多沿用树脂基复合材料的成型方法，如铺层工艺和缠绕工艺。生产的复合材料，价格高昂（如硼-铅复合材料的价格约为热轧钢的1860倍），仅限于用在航空航天上。*80年代中期，长纤维增强、短纤维增强、晶须增强、颗粒增强金属基复合材料以及多种增强材料（硼、碳、碳化硅、碳化钛、硼化钛、氧化铝等）、多种基体材料（钢、铝、钛、镁、锌等）、多种复合方法开始较为全面的发展。由于金属基复合材料体系很多，各组分的物理化学性质差别很大，复合材料的用途也有很大差别，所以复合材料的制造方法也是千差万别的。按制造技术金属基复合材料可分为：*、固态制造技术*、液态制造技术*、表面复合技术*物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。*PVD分为真空蒸发、溅射和离子涂覆三种，是成熟的材料表面处理的方法，后两种也曾在实验室中用来制备金属基复合材料的预制片（丝）。物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤：*(1)镀料的气化：即使镀料蒸发，异华或被溅 射，也就是通过镀料的气化源。*(2)镀料原子、分子或离子的迁移：由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后，产生多种反应。*(3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。*在日本曾用离子涂覆法制备碳纤维/铝基复合材料预制片*CVD是传统的制备薄膜的技术，其原理是利用气态前驱体，通过原子、分子间化学反应，使得气态前驱体中的某些成分分解，而在基体上形成薄膜。*CVD包括常压化学气相沉积、等离子体辅助化学沉积、激光辅助化学沉积、金属有机化合物沉积等*作为化学气相沉积用的原材料硬是在较低温度下容易发生挥发的物质，这种物质在一定的温度下比较稳定，但能在较高温度下分解或还原，作为涂层的分解或还原产物在作业温度下是不易挥发的固相物质。*大多数基体金属只能通过它们的有机化合物 作为材料源。这些有机化合物有铝的有机化合物三异丁基铝，价格昂贵，在沉积过程中的利用率较低,。*CVD可用来对纤维进行表面处理，涂覆金属镀层、化合物涂层和梯度涂层，以改善纤维与金属基体的润湿性和相容性，美国的Ultramet公司用MOCVD法制备的铂族金属涂层（铱层）可解决金属材料（钼或铼）的抗氧化*不同于PVD，CVD方法沉积的涂层与金属基体间是原子间的堆积，不纯物一般小于0.1%，结合力高，所用的设备，结合力高，所用的设备相对相对PVDPVD较简单，但沉积温度一般较高较简单，但沉积温度一般较高（少数（少数600600，一般在，一般在900-1200900-1200）。）。*热喷涂法包括等离子体喷涂法和氧乙炔焰喷涂两种，制造金属基复合材料制造金属基复合材料主要采用等离子体喷涂法主要采用等离子体喷涂法。等离子体喷涂是利用微波、灯丝、射频等激励等离子体产生等离子体弧的高温将基体熔化后喷射到增强纤维基底上，冷却并沉积下来的一种复合方法。基底为固定于金属箔上的定向排列的增强纤维。*等离子体喷涂装置原型最早是由德国人在20年代提出的，只是当时人们对如此高的温度不感兴趣而未达到实用化。*直到50年代，随着以受控核聚变反应为目的的等离子体物理的研究，启动了对等离子体种种应用领域的探索。*60年代开始，等离子喷涂跨入了实用性阶段，日本在1964年发表了“等离子体射流喷涂研究”论文；1965年有了“等离子体射流喷涂Ni-Cr-Si-B合金”的报告；1970年又发表了“等离子体射流喷涂氧化铝、氧化锆”的研究结果等离子喷涂的发展*等离子体喷涂适用于直径较粗的单丝纤维（如B、SiC纤维）增强铝、钛基复合材料制片的大规模生产；对于纤维束丝，需先使纤维松散，铺成只有数倍纤维直径厚的纤维层作基底。*基本原理：利用等离子体将增强颗粒与基体金属的混合粉末中的金属粉末熔化，并与增强颗粒一起喷射到衬板上，固化后分离获得复合材料。*电镀就是利用电化学原理，在直流电场作用下将金属从含有其离子的电解液中分解后沉积在工件（增强材料，一般为纤维）表面上的过程。*化学镀是在水溶液中进行的氧化还原过程，溶液中的金属离子被还原剂还原后沉积在工件上，形成镀层。*复合镀是通过电沉积或化学液相沉积，将一种或多种固体微粒与基体金属一起均匀沉积在工件表面上，形成复合镀层的方法。一般在水溶液中进行，温度一般不超过90，颗粒选用范围很广，除陶瓷颗粒（如SiC、Al2O3、TiC、ZrO2、B4C、Si3N4、BN、MoSi2、TiB2）、金刚石和石墨外，还可选用易受热分解的有机物颗粒，如聚四氟乙烯、聚氯乙烯、尼龙。*复合镀法还可以同时沉积两种以上不同颗粒制成的混杂复合镀层。如同时沉积耐磨的陶瓷颗粒和减摩的聚四氟乙烯颗粒，使镀层具有优异的摩擦性能。*复合镀法主要用来制造耐磨复合镀层和耐电弧烧蚀复合镀层。常用的基体金属有镍、铜、银、金等，金属常用常规电镀法沉积，加入的颗粒被带到工件上与金属一起沉积。*Ni-P合金为基质加入不同特性的粒子可是镀层具有不同的优良性能，加入高硬度的SiC、Al2O3可以得到高硬度的复合镀层，加入BN、PTFE、MoS2等润滑剂可以得到具有良好润滑性的复合镀层。其他工艺条件为：，施镀时间150 min，搅拌速度240 r/min。施镀温度为90，表面活性剂质量浓度为60 mg/L时，化复合镀NiPSiCMoS2镀速最大，镀层与基体的结合力强度较好，镀层显微硬度可达到684HV*采用含有纳米氧化铝（n-Al2O3）颗粒的镍基复合电刷镀液，在45号钢试样表面制备纳米颗粒复合刷镀层。所用纳米颗粒材料的粒径为30-50 nm，在镀液中含量为20 g/L。*采用化学与机械法使纳米颗粒在镀液中分散。复合刷镀层制备工艺参数为：刷镀电压为12V、阴阳极间的相对移动速率为10 m/min。*从图中可以直观的看出，n-Al2O3颗粒在复合电刷镀镀层中均匀弥散分布，无明显团聚现象。复合电刷镀镀层中纳米颗粒的均匀弥散分布有利于提高镀层的力学性能。镀层中纳米颗粒的分布镀层中纳米颗粒的分布*由表1分析，加入纳米颗粒后，镍的劲歌常数变小，即晶格发生了一定量的畸变。由于Ni金属是面心立方结构，根据n-Al2O3/Ni和纯Ni电刷镀层XRD衍射峰位置和半高宽的变化，计算两种镀层中Ni的晶格常数，结果如表1：*由图a可以看出，基质Ni金属原子排列规则，但其中存在大量的空位（如虚线圈曲域所示）。*有图b可以看出，不同微区原子的规则排列方向存在差异和错排现象，并且在原子规则排列的微区之间存在非规则排列的微小区域（尺寸为几纳米），这表明，晶态基质Ni金属在微区的结晶方向存在差异，并且基质Ni金属中存在非晶微小区域和大量位错。这些组织结构可以阻碍金属变形，有利于提高复合电刷镀层的力学性能。*金属基复合材料（MMCs）的应用开发，在很大程度上取决于材料制造技术的难度和成本。因此，研究发展有应用意义的制造技术一直是最重要的课题。金属基复合材料的应用正从航空、航天领域大量进入一般工业和民用领域，如能源、石油、化工、汽车、工程机械、电子等。金属基复合材料的制造技术仍在不断改进和发展,必将是多学科、多种技术相结合的综合过程。