金属基复合材料的现状与展望d.pdf

1 9 9 5 年1 月1 5 日 出版 国 外 金 属 加 工 1 9 9 5 年第1 期 日 吾 复 台化 是将两种 以上的材料加以组 合，其 目的在于得到 比原材料更 为优 异的性 能，或者 得到原材料所没有 的新的 特性。复合材料按其 强化 形态分 类，可分为 粒子增强 塑、纤维 增强 和层 台板 型复 合材料。目前更受关 注的是纤维 增强 型复合材 料。宇宙飞行 器和许 多机械 的部分 零件 需要 在高 温环境 下工 作 零件 内部存在着较大的热 应力。为了缓和 这种 热应力，需要进 一步开发 特殊 形态的复合材料和具有梯度功能的材料 本 研 究，以纤维 增 强 型金 属基 复 合材 料 为 中 心，也 涉及到 一些其他金唇基复合材料和功能 梯度 功能材料。】金属基复合材料 1、i 纤维增强型金属基复合材料 1 1、1复合规 划 如后所 述，使 物 质成纤 维状，可 获得成块 状 时难 以得到的高强度。采用增强 纤维提高 金 属性能的复合材料称为纤维增强 型金属基复 合材 料(F R M)。纤 维增强型 复合 材料韵弹性 系数、强度等可用纤维和母 材各 自的机横特性 的复 合规 则来 表示。例 如在某一方 向配 置了长 纤 维 的复 合材 料，在 其纤 维方向 的弹性 系数、强度可用下式表示：E=毋 V，+E(1一 V，)5 8 一，+(1一，)式 中的 E、分别表示弹性 系数、强度。注 脚 c、f、m 分别 表示 复合 材料、纤 维、母材 为纤维 的体积分 数。是纤 维达到 断裂延伸 率时母材所承受的最大应力。增强纤维的断裂 延抻率可达蛰J 1 左右 因此，对于像金属邵 样塑性变形，从塑性变形开始封发生断裂时的 延伸率为百分 之几以上的 材料，其 要 比断 裂强度 低得多。在这种复合规刚中，虽然未 提 到 纤维和 母 材界 面的关 系问题，然而对 实 际曲复合材料雨言，为 了使纤维 和母材之 闻应 力 能相互 充分 传 递，必 须增大 界 面 的结 合强 度。采 用短纤维增强时，由于存在于母材中的 纤 维端部的影响，使强化效 果有所降低 这种 效果虽然与 界面结 合强度和 母材的剪 切强度 有关，但在 一般 情况下，当纤维的 纵横尺寸 比(纤维长，纤维 直径)为 1 0 0以上时，长、短纤维 的强化效果大致相 同。纤维沿某一方向配鼍时，沿此纤维方向上 高性能的强化效果很 明显，而在纤维的垂直方 向上没春 效果，只能得到和 母材 相同的性能。为了消除这种各 向异性，纤 维可 以按二维 或三 维方向配置 具有这种纤维配置的复合材料，尚需进行理 论探讨。根 据圾上理 论，必须要尽可能地在各纤维 取 向上把增强纤 维加入母 材中，从而制作 出更 高性 能的复合材料。但是在各纤维取 向上，得 到最 大纤 维体积分数会受到 几何因素的制 约 例如在 圆形断面上，同一直 径的纤维 稠密相间 维普资讯 http:/ 排列 则在一维 排列剐 y 一0 9 0 7，二维掉 列 时，y ：0 7 8 5，三 维 排 列 时，一 0 5 8 5 如 果使大多 数耋 干 维形成束 则二维 排列 的=0 9 0 7 三 维排列的 一0 6 8 0。实 际上，当纤维 配置的 体积分数 达到最高 时，由 于纤 维彼此连 在一起，易 于传播裂纹，反而 会 使强度 降低。因此，在各取 向上配置纤维，能达 到 几何条件所 允许的 最大纤维 体积分数 的三 分 之二，就可 获得 最高强度 1 1 2界 面 问逛 F RM 材 料一 般是 由两种 以上材辩共同组 成，由于各种材 料的热 彩胀系数 有差异 易于 产生热应 力 井 导致性 能恶化，这种现 象称 为“物理适应性 小”由于温 度升高 物 质问 的亲和 力会 增大，因而 无论是 固相 法、还是液 相法，温度 愈高 就 愈易成形。对固枢法而言 从母 材塑性变形容 易这一点来看，提高成形温 度是璃利 的。由于 在 F R M 中有两种 以上村料共存，故 在热 力学上处于非平衡状态。因而，在物 质阅 亲和 力大 的高温 条件下，一方面纤维 断溶解 于金属 母材中，另一方面在纤维和金属母材的 界面 上产 生出脆性 反应 相。由于这种影响而不 能得 到所需要的高性 能的现象张被为“化学适 应性 小”。从这一点出发，尽可能降低成形温度 是确利的。在制造 中，尽管 只能选择 一 个战形温 度，但在实 际成形 甲，又必须满足 为 了提 高成形 比、增 加界耐溶 台性而要 求升高 温度，另一方 面为 j-抑制溶解反应 又要求降低温度”这一相 互矛盾 的要求。根据这一 要求，对纤 维进行预 各处理，在界面上设 置中问层 以及对母材进 行 改 质处 理等 问题 耍进行 多方面 的研 究 对“适 应 性”问题，可 用物理 的、热 力学的数 据推 测，但最终还得靠实验来确定。1、】3 F RM 的 原 材 料(1)增强纤维 材 料内部都 含有 太太 小小的缺 陷 控制这 些 缺陷的分布是困难 的。但材料小，包含缺 陷 机率 电会减少。因而，使材料纤 维他 包含大缺 陷的机率就会减 少，强度 也会提高。F RM 用的强化 纤维，如表 1所示 有陶瓷 纤维和金属纤维等，它 们的弹性 系数和强度部 很高 而且超过 1 0 0 0 C时，强度降低也很少。任何纤维部具有优 良的力学性 能 陶 瓷纤 维和 金屑纤维分别具有如下特 征。陶 瓷纤维的 比重 比 AI 小，而且断裂 延伸率太部接近 1 。与此相反 金属 纤维虽然 比重大 一些，但具 有 断裂延伸率可逃百分之几和韧性大等优点。纤维 的形态有连 续纤维(或 长纤 维)和短 纤 维之别 连续(长)纤维有直径为 1 0 0 p m 以 上 呈一撮 线状 的；有 用直径 为 2 0 p m 以 下的 数百到数千根细纤 维组成束 的绞丝状。虽 说是 绞丝状的，但用作 F R M 的强化材料。一般 是 少纹或基 本不绞。短纤 维除 了用 触须线或长纤 维切断成 短纤 维线外，还有 液态 下用压缩气体 吹散而成 的纤维线。(2)母材金属 对金属母材的性能要求，基本上和金属母 材单独使用时的要求相阿。即剥以减轻重 量为 目的的 复合材料，其 金属 母材 以 AI、Mg为主。如 既要求 减轻 重 量，又 要 求耐 热性 比 AI、Mg 高，贝 I j 母材金属 可以选用 用于高温的复 台 材科 母 材 金属 应 选用 以 Ni、C o为主 要 成分 的耐热合金。如果复 合材料用于要求导电性、耐蚀 性高 的 特殊 情 况下，删应 根 据 各 自的要 求，适 当选择 Cu、P b等金属作母 材。1 1 4成 形 方法(】)一次成形态 在 F RM 的成形 中，为使纤 维和母材之 间 的应 力能 良好 地传递，必须进行 致密 化处理 同时要注意不使纤维受损伤。F R M 的制造方 法，分为 围相法、液相法、和 单向冷却法。单向 冷却法较 前两者有较大的差异，在本文 中不予 涉 及。上述的液 相法也 好，固相法 也好，为 了能 使纤维和母 材金属之 间以及 金属相互间 充分 的结台 为陵母材能 充分 的 塑性 变形，必须 在 59 维普资讯 http:/ 相 当高 的温度下成形。因此，对 F RM 材 料，为 了抑制其界面反 应，必须进行奸维披覆等预 备 处理。通过这些预备处理制作出预制形坯 所 谓预嗣形坯就是在用作母材的金属箔上整齐 地排列7纤维的预制带(未烧结的带)和在数 百至数千根纤维柬的间隙中壤充了金属液的 预制线。液相法 的预翻形坯太都 只用纤维临 时 或形。来，然后在慎 子中 通过高温加压 i l I=f 成形，其过 程如 图 1所示 也有将奸维和叠届嫠进行热轧 连续戚形的方法。液相法基本上是 铸造法。一般是将纤维 和 盒属稍 怍浸澜，如图 2中(a)所 示 使纤维 的问 瞎 c 中浸入金属熔 液，但不浸透。为了使漫 澜方 法得 以改进，可采用 图 2中(b)(d)所示 的方 法，其 中(b)在 工 业生 产 中，被 认为是 最 优方 固相 法是将 纤维或预制 形坯 复 合排 列起案。圈 3中的高压铸造法 就是(b)方案 中的方 表 l F R M 甩强化 纤维及其特性(室温)嬉 点 密度 抗 拉强度 比强度 葬性囊敦 比弹性 幕敦 直径 鲆蟪 鞍也 点(K)c n d(GPa ，P E(Gh)Ef p (J 哪)39 2 1 8 3 4 l _ 6 9 35 0 1 9 4 S B 前 曩傩 蕞 S l 船 3 2 3 3 I 1 J 6 3 0 0 1 0 7 3 1 5 纤 维 氯化睾 z 3 l 5 3 1 5 2 5 7 9 1 7 0 5 20 B，W 25 7 3 2，6 3，1 3 B 5 90 1 5 6 1 4 2 长 B C B，W 2 57 3 2 2 7 3 6 I 5 9 36 0 I 5 9 l 蛆 纤 CV D 覃纤 维 S ic B 2 5 7 3 2 5 9 2 l _ 2 3 9 D l 5 l 1 4 4 箍 SIc C“2g 甜 S 口 3 4 I 4 Z 1 2 4 “Z W 3 6 5 5 1 9 3 D O 2l 00 2 l 1 0 童 霸r奸绻 Mo 黯 9 3 l 0 2 m船 0 0 5 6 S 舸 l 7 9 6 8 1 0 5 3 2 l 0 2 7 1 3 S 2 9 6 3 3 1 9 Z 0 6 4 9 0 1 5 4 1 短 S；j 2 l 7 3 3 1 6 1 4 4 3 8 5 1 1 l 并 盒属箴 氯化 韬 2 3 2 3 3 9 6 2 D 5 4 3 4 1 1 0 3 1 缝 石墨 3 9 2 3 I _ 7 2 0 I l 7 1 4 2 O l 杖馥抑 l 6 2 3 3 3 5 1 5 2 8 0 8 5 l 蕞璃(s)l l l 3 2 5 0 6 3 g 8 9 3 6 1 0 垂 照。惘 I 6 7 3 7 3 1 O 0 1 3 2 l 0 2 7 铝 9 3 3 2 7 0 3 m l l 7 l 2 6 一 法 之 一。上 述这些成形 方法 都是 以纤维 为主的 F R M 戒形法，当用短纤维和垒属须纤维时，除 了利用这些形状短韵纤维，进行拟二维或拟三 维随机排列外，还可用流体作载流子使之进行 一维 排列。当一 维排列的金属须纤维和金属粉 末并存时，也可用作预制形坯或挤压材率 韵原 料。对滑动状态下使用的材料 要求耐瞎损的 仅仅是滑动面。因而，只对滑动面进行配置高 耐密纤维的局部复合化处理 通过这种技术处 理，只需要少量的高价纤维，丽且效果也很好(2)二次成形法 制造 F R M 的加工稚为成形加工(一次加 工)，成彤 后的加工称为二次成形(二次加工)。F RM 二次或形 的种类和 一般 的金属 柏工 方法 维普资讯 http:/ 相同但是，通常 的金埔材料都是 加工性能较 好的均匀物质，而 F R M 内分散着硬度有差异 的物质，故其加工 内容育所 变化。在 F RM 的 热压接 旨 圈 1 复 合材 料 的 制造 过 程 遍 (J 未经 f 0 i(b)加 压授 润(c)葺 空茬 囟(d)攫鞠(寰面 敖质)图 2 纤维和熔融金属 问的浸润 奸 缝 巷 自 帖台 村 援成澎体 击 厝 填 充判 羹 于内的牯台 开幢取 出霉件 固定 攘于 后巍 注 高匿俦 遗 圈 3 F RM 的 高压 辨适 成 彤 中轴 蛙位置 弯曲虚力 分析 圈 4康科拉 多原理 n)AI 古 盘(2)(3)“)直 栅拜 维 心轴“些 神匹工=茸 接 学工 蔺 5 B A l 管裴 撕 架 的 制 造 工 艺 二次加工中，使塑性 小的强化 纤维 及其 周匿不 发生损伤是非常重要的 为此，必须避免纤维 破断所引起的穿孔之类的损伤 在弯瞎加工 中，塑性 好的 金属变形大，为 了避免 延忡辜 小 的强化纤 维损伤，可采用图 4所示的康科 多拉(夕 予 p)法 这种成形 法 在一次成 形、二次成形的同时 考虑了前面所说的 适应性 问题，对成于 醪 方法和戚形 条件进 行选 定。1 1 5 各种 F R M 材料(1)AI 基 F R M 窜 维普资讯 http:/ 对重 量轻 的 Al 作 F RM 母 树蛊属 的研究 已经很 多 了。在 研 究 F RM 车 料 初 期 CAI 纤维 被认 为是最有希望的 系列，其研 究实例也 较 多。CAt 系纤维 的制造温度不太高 浸润 量也较 小 温度 高、浸润量 大易引起界 面上生 成 At C，使性能劣化。为 了抑制界面反应，试 验 _f被 疆 Ti C、Z r C和 复 台被 覆+B等 方 法 并取 得 了较 好的效 果。这 种系列 的 F R M 材 辩大都是采用高 压铸造浊成形。硼纤维 易于和 Al 反应，笋形成 A1 B：化台 物。为了抑 剐这种反应，可在钎维上被爱 一 层 B C和 S i C过种系列的 F R M 材 料的制造工 艺如 图 5 所 示。该材辩可用于制作航天飞机的 桁架。氧亿铝纤 维或 氧化铝：氧化 硅纤维 是使 铝进 一步 强化的纤 维材料 具 商耐磨性 和高 导 热 性 等特征，8用 于 制作 大 马力 柴 油机 晤 塞。另外 还 研嚣 了在 母材 Ai 中添 加 2 3 Y o 提 高浸 润性 并有效 地 抑制 界面反应的 复 合材料 金属 纤维 放入 A1 中，虽然可 改善其 浸润 性。怛易于引起相互溶解反应。例如 钢纤维或 不锈 钢纤 维就 易于溶解副 畔材 Al 中特 0 像 w 这样的高熔 点金属纤 维 其反应 更为 突出 制 造 Al 基 F R M 材料 时，为 了抑 制纤 维的 溶 解反 应 成形 时间要短，而且应在 不易发 生反 应的 温度 下进 行。目前这种 材料应用较多是制 作连 扦之 娄的机件。(2)Ti 基 FRM 及 其 台金作 为 一种 在 6 7 3 7 7 3 K 左 右 的 高温下使 用的高 强度轻 台金E得到 了广 泛应 用 Ti 车 身是 一种 活性 金属 而 能够 作为 强化材孝；I 应用的纤维 只限于像 S i C那样的相 当稳 定的材料。由于 Ti 基 F RM 材料的 成形 温度 相当高(1 1 2 3 1 1 7 3 K)即 使是 较稳 定的 材料，也难 免会因 产生 反应而生成 碳化 镑、硅 化物 尊化台物 这 时尽管 是 V 相屙 其纤 维的 表面 积也 会增大，因而不能用反应量大的强化 纤维，只能 用租直 径的 C VD系纤维强化 为 62 了抑制 这种纤维 的反应，添 加 使 n T i、T i 稳 定化的 台金元素是有效 的 (3)耐热 旨金基的 F RM 材料 在高温 大气 中 豌 热 台金的 主要成分 是 F e、N 、C o 、At、T i 警 台金元 素，这 种 台盒主 要 用于利作涡轮叶片 由于耐热台金本身具有较 高的高温强度 因而要求强化纤维必须有更高 的强度。韧性、塑性、耐 热 眭优 良的 w 等 高熔 点 盘属 纤维可 塑作 为耐 热合 盘基 F R M 的强 化 材料 w、Mo等强 化纤维和爵 f 热 台金 中含有的 元 素、特别 是 Nj 共 存时，这些元素会向纤 维中 扩散 t 造戎品粒 明显租化，并 I 起性能恶化。为 了防 止产生 这种缺 陷，采用 在 w 纤维 表面被 覆 陶瓷类材料的方法是有效 的，目前已有 这方 面 的报 导 1 2 粒子 增强型台盘及层状增渴型复合材料 当强 化帽的尺 寸均 投小 时，可总称 为粒 子。它们的形状不仅有近似于玲 状的粒子，而 且还有薄 片、棒形等形状 使用这些粒子复 合 强 化 的材 料。有 弥散强 化 台金 和粒 子 强 化 合 金。弥散强化的强化粒子平均 直径为 0 1,u rn 以下 粒 子的体积分 数为百分之几。其强化机 理 是粒 于阻碍 母材中位镑运动。典 型的实僦育 用 Al z OI 粒 子 强化 AI 的 S AP材料(S i n t e r e d Al u mi a i u m P r o d u c t s)和用 Tn O 粒 子强 化 Nj 的 T。一N 材料(Th o r i a Di s p e r s e d NJ o k e D。由 于这些 材料 的强化相都是氧化物 故将它 们称 为 OD S(O x i d e s p e r 9 e d S t r e n g t h e n i n g)台金。从 4 O年代开 始就对 OD S合 金进行 了研 究开 发 随善氧化钧 及金属、舍金 粒子的 制造 技术 的 不断发 展，ODS台盘的 实际 应 用也 在逐 步 扩大。尤其是内氧化 法的 研究对 OD S台金 的 发展更是起了促 进作 用 粒子增强 合金(P a r t i c l e R e i n f o r c e d Me t a l s P R M)主要是 利用粒 子本身 的强度强化，母 材 只不过是起 着使粒子结台起 来的作用。这 时，粒 子的 平均 粒径在 1 m 以上 粒子 的体积 分 维普资讯 http:/ 数最大 可达 9 0 左右。粒子增 强 合金有少量 的 Co使 WC、Ti C、Ta C等粒子结 合在 一起 的 硬 质台金。在 2 0年代就开 发了 P RM 台盒 主 要是在 硬质 台金 工具方 面碍到 了广泛应用。层 台板型 复 旨材料 是以金 属包层 材料 为 代表。主要的 目的是提 高抗 蚀性。为了达烈强 度 高、价格便宜 的 目的 可用耐蚀性差 的 碳钢 作芯材，再用耐蚀性高的不锈胡等作成 表面包 层 的夹层结 掏，也可以在碳钢芯材和外表的不 锈 钢层之间央入一层高分 子材科，这样可提高 其防 撮性 能 化 性 能 锔 氏饪 量避 热膨 胀 幕投 导热 系数 热 应力 成分 0，材料 A ：树辩 B 隧 j 界 面 a)复 台材 料 无 界 面 h1 FGM 匝 6 复合材料 和 F GM 成分和性能 的变 2 功能呈梯度变化 的材料 2 1 功能梯 度变 化材 料的必要性及 其基本概 念 现在所研究舶宇航器 材料都要求高强度，同时要求能耐 2 0 0 0 K 的高温 以往对材料 的 要求是 内部成分均匀、性 能一致。对这些材料 要求 同时 具备 良好的耐 热性 和 良好的机 碱性 能是 困难 的。为解 决这 一问题，进行了在 金属 表面 被疆陶 瓷的 试验。但在这种材料中必然会 存 在着 与 材料 内部 成异相 的 界面，如 瞪 6的 上部所 示，异相界面两侧存在着很大的性 能落 差。在加热时，由于材料间的热膨胀 系数不博，在 界面 附近，会产生 授大 的热 应 力，从而导 致 出现表层剥离、脱落 破坏 等问题。针对 以上问题 如 果对 材料 的 内部组织、成分 等微观结构要素进行连续性的控制，刚如 图 6(b)所 示，材料的各种性 能 从 表至里 拽会 呈梯度 变化。这样的 材料 由于没有 明显的丹 界面 热 应 力的最 大值就 会减小，同时 导热 系 数、韧性、强度等综 合性能部台得以改善，这就 是梯 废功 能材料。2 2 梯度功 虢材料 的设计、制造技术 及其评 价 设i 斗 梯 度功 能材料时，首先应 研究仅沿厚 度方向啦分逐渐变化的平板，井 将该平板 内最 薄的部分作为复台材料对待 一 其 次是要把梯度 功能材 鞘的整体 看作是成分 逐渐变化 的 散小 复合体 的层叠。改变这些微小复 台体的厚度和 排列顺 序等组合因素 并求出使材料内部热应 力最小的材料 最佳成分配 比 梯度 功能材料 的合成有 四种方法 一是采 用 连 续 控 制 气 体 成 分 的 物 理 气 相 沉 积 法(P VD法)和化学沉积 法(C VD法)；二 是使 用 变化陶瓷和金属 份末 的成分配 比 并向模 子中 填充、压缩，然后进行烧结 的粒 子配 比控制法-三是一边连续控树陶瓷和金属 比倒 一边 进行 喷 镀 的方 法 一 四是 利用 粉末 之 闻的 化学 反应 热 进行烧结成 形的 自发热反应法。梯度功能材料内部热 学的、力学的性 能变 化情 况，不能用通 常的方法测定 必须研究适 合特殊 材料评 价 的独特 的 S P试验 等强 度试 验 法和关于导热 系数、热 冲击等热学特性 的测 定 方法。其结果表明，经这种处理的材料 比单 纯被鼍 陶 瓷的材料，其耐热性更高一些。3 结束语 关 于梯度功能 材料的研究，目前 只限于 以 缓解热应 力为主的基础理论研究，井成功地研 制 了假 设 机体 表 面的 3 0 0 ram3 0 0 ram 的平 板 材料和机 体端 部为5 0 ram 的半璋 形计料 63 维普资讯 http:/ 对梯度功能材料的热学、力学性能还有待进一 步 了解产业 界对 缓解热应 力的呼声很高，也 期待 着能 简单地应 用现 有技术制造 上述 的倾 斜功 能材料 梯度 功能材料不是 表示 特定 材料，而是表(上 接 第 5 7页)4结论 示材料构成的概念因此。除要求热应力缓和 的领域外，在化学、生物、电子、电气等 可能 应 用的领域相 当广泛。译 自 热 处 理1 9 9 3，3 3(6)1)共振频率袖声速能根好地预测等温淬 火 球墨铸铁的屈服强度、抗拉强度 和动态弹性 模 量 2)提 高 奥 氏体化 温 度。将 会 降 低共 振顿 率、声 速、屈服强度、抗拉强度和动态弹性 模量 但增加 内阻。3)提高等 温淬 火温度 使共振频 率、声速、动 态弹性摸 量和 密度增大，屈服 强度、抗拉 强 度和 内阻降 I 氐 4)奥 氏体化 时，屈 服 强度 和抗 拉强 度 越 高，动态弹性模量越高。5)等 温淬 火时+屈服 强度 和抗 拉 强度 越 高，动态弹性模量也越高 6)密度越大，共振频率和动态弹性模量越 高，而内阻越 低 7)超 声波 速度 测 量法的 特 点是 技 术 成 熟，设备易得到。测量体积较小，而且要求试样 具有特殊形状 测 量材料的本征性质 测试成 本高。8)共振频率测量法的特点是：可 整个铸 件 测量材料的非本征性 质，不 要求被测物具 有特 定形状 适合 于测量铸铁的 内阻 这种方 法 比超声波方法精确和便宜，但 要求操作者技 术熟 练 9)声 学测 量法快速、可靠、精确 1 0)声学测量方法能很好地 对机 械性 能进 行顶涮，可作为等温淬火球墨铸铁质 量和 生产 控制的工 具，译 自 AFS Tr a n s a c t o l 9 3 8 0 3 7 4 2 维普资讯 http:/