金属基复合材料的发展现状及展望.pdf

64材料导报2005年7月第19卷第7期金属基 复合材料的发展现状及展望都斌段先进崔华杨滨张济山(北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京10 0083)摘要介绍 了金属基复合材料的发展现状,重点介绍了几种制备金属基复合材料的方法,提出了一种 新的制备方法块体分散法,并指出 了在制备技术中存在的主要问题及其对应问题的解决方法,最后展望了金 属基复合材料的发展趋势。关键词金属基复合材料块体分散法发展趋势Pres e ntStatu sandExPe ctationofMetalMatrixComPo site sHA OBinDU ANX ian jinCUI HuaYANGB inZ HANGJishan(StateKeyLaboratoryforA dvane edMetalsandMaterials,Llniver sityof Seie n eeandTe ellnolog yB ei一i眼,B eiji雌10 0()83)A bstr a ctIthasbe e n30ye arssin eemetalmatrlxeompositea r eprodueed.Inthlspape r,thede velopi眼situa-tio nof metalmatrixeompositereinf ore edbyee ramiepartiele15studied.T her earer nanyklndsofprepa ratio nmethodsof metalmatrix e omposite,andthemaxnqu est一 onsthate xxstxnpreparatio nteehnologyandthe solv ationmerhodsa爬in-die ated.Thedevelopmentpro spe etsofmetalmatrixeomp()s 一teared15 eus、ed.Ke ywor dsmetalmatrixeomposite,blo ekdispersen、ethod,do v olopment trend0引言颗粒增强金属基复合材料发展 至今约有3 0年 的历 史,现代科学技术的发展要求材料具有良好的综合性能,如高强度、高韧性、高耐磨性、低密度和良好的抗疲 劳性等,这 迫使材料丁_作者向寻求更佳的制备下艺目标努力。目前,颗粒增强金属 基复合材料已经在世界范围内得 到广泛的应用,并 且逐渐走 向f一业 化的规模。例如:在 美国国防部“T it le 项目支持下,DwA复合材 料公司与洛克希德马丁公司以及空军进行合作,将粉末冶金法制备的碳化硅颗粒增强铝基复合材料用于F21 6战斗机的腹鳍,代替了原有的22 14铝合金蒙皮,不仅使刚度提高了5 0%,寿命也由数百小时提高到 约8 0 0 0h。目前美国空军已将这种 铝基复合材料 腹鳍作为 现役FZ1 6战斗机的备用件,正逐步更 换。此外,美国海军飞行动力实验室已经研制成S I C/A l 复合材料 应用于卫星 的惯导平 台和支撑构件上川。可见,颗粒增强金属 基复合材料在航空航天等材料科学中发挥着重大的作用,具有良好的应用前景。1金属基复合材料的制备金属基复合材料发展至今,研究者在选择增强相 和制备工艺上进行了大量探索和实验。通常增强相有以下几种类型(按照成本不同由高到低排列):单丝、长纤维晶须、短纤维和颗粒。制备工艺方法根据成本的不同,由高到低排列 顺序是:扩散结合、粉末冶金、雾化和液态金属。所以最经济的制备方法是选 择颗粒增强相和液态金属。,国家“863”计划资助项目(N(.ZOOZA A3O2 5OZ)郝斌:女,197 5年生,博士生E一ma;l:xlume;x;u163com1.1选择基体和颗粒增强相的要求制备金属基复合材料时,要求基体和增强相具有很好的润湿性,进行 良好的结合,否则就会直接影响到所制得产品的尺寸稳定性、耐磨性、疲劳性 能和断裂韧性等综合性能。(l)基体按照基体的不同,金属基复合材料可以分为铝基、锌基、钦基和铜基等复合材料。为了保证金属基体与增强颗粒能够进行“良好的复合,金属基体必须有足够的流动性和成型性。但在一般情况下,金属基体的熔点高,在 制备过程中容易发生界 面反应、氧化反应,而这 些反应不利于复合材料的制备。金属 基复合材料的基体选择最 多的是 A l、T i、Mg合金体系。以铝及其合金为基体的复合材料具有高的比强度和比刚 度,是颗粒增强金属基复合材料 中开发最早,品种和规格最多,应用最广泛的一类复合材料。以钦及其合金为基体的复合材料具有很好的抗氧化性和高温力学性 能,在航空航天工业中可以替代镍基耐热合金。镁及其 合金具有比铝更低 的密度,以镁为基体的复合材料 在航空航天和汽车一均业应用中具有很广阔的应用前景。(2)增强颗 粒使增强相颗粒 在金属 基体中能够和基体良好结合,并且保证其在金属基体中均匀分布是制备金属基复合材料首要解决的2个 问题。陶瓷 颗 粒增强 相多选择A12()、SIC、z 代):、Mg()、51:N;、51()2、WC和玖C等。选择 颗粒增强相时,既要考虑颗粒增强相的应用条件和制备工艺,又要考虑材料的成 本等因素。研究者选 择最多的是A12O:和S IC,这2种增强相 具有的优异性 能见表1。金属基复合材料的发展现状及展望/郝斌等6 5表1A 12岛和S IC的物理性能增增强相相弹性模量量密度度热膨胀系数数比热热热导率率泊松松洲洲洲n l z z z留耐耐10一6/K K KJ/(味K)W/(mK)t匕匕S S SI C C C420150 0 03.2 2 2魂.3 3 3840 0 01040(1100)0.17 7 7A A A12():380/150 0 03.96 6 67.0 0 01050 0 0510(1000)0.25 5 5颗粒 自身的形状和尺寸对制备_l几艺也有影响:(a)当颗粒 为圆形时,颗粒的周边应变分布均匀且应变较小,随着颗粒 的尖锐化,尖角部分的应力会集中,而且会越来越严重;(l,)颗粒尺寸越小,颗粒的表面积越大,表面能就越大,颗粒团聚的情况也就越来越 严重。(3)金属基体 和增强相颗 粒之间的润湿性要使增强 相颗粒进人到金属 基体中细化颗粒,改善复合材料 的综合性 能,必 须 改善增强颗粒和金属 基体之间的润 湿性。通常采用 对增强颗粒进行表面处 理、添加合金元素等途径改善二者的润湿性。1.2金属基复合材料的制备方法近年来,研究 者对金属基复合材料的有效制备方法、金属基体与增强体之间界面反应 的规律、控制界面反应 的方法等进行了大量的研究一I一作,取得了许多重要的成果,大大推动r金属基复合材料的发展 和应用。金属基复合材料发展至今制备方法有很多种(见图1),本文仅介绍以下几种常用的方法。/粉末冶金法这种 方法的关 键是使基体和增强物之间有 良好的界面结合.并使增强体在基体中均匀分 布。早在1986年,美闲的Sk il)()就在搅拌铸造技术上取得 突破了吕一,并 申请J 一项专利。搅拌铸造法分为真空搅拌铸造和非真空搅拌铸造。前者是在真空状 态下,采用搅拌的方法使基体熔液和增强相 混和,再进行浇注的 方法。图2是颗粒增强金属基复合材料的制备装置真空搅拌铸造 炉的结构示意图。发动装置电动支撑装置封盖叶轮发热器衬套图2真空搅拌铸造炉结构示意图 9 j固体分散法喷射沉积法液态浸渗法搅拌铸造 法流变铸造法螺旋挤压法颗粒增强金属基复合材料雾化共沉积喷射条带挤压铸造气压浸渗无压浸渗原位复合法XD工艺自蔓延反应气液反应图1制备颗粒增强金属 基复合材料的方法(1)粉末冶金法首先把基体粉末和增 强相粉末混合后进行球磨,然后在不同的1一艺条件下,于燥并烧结混合粉末。粉末冶金法分粉末混合、压实和烧结3个 步骤。肖永 亮等3用粉末冶金 法制备了纳米S I C颗粒增强铝基复合材料。实验发现,材 料 的组织均匀且细小,与纯铝相比,复合材料的布氏硬度 提高了2 0%,电阻率提高了4 56.0%。粉末冶金法不存在界面 反应,可以制备出大体积分数的复合材料,任何合金都可以作为基体材料,允许使用几乎所有种类的增强相;增强相颗粒分布均匀,质量稳定。但此法成本高,一般需要 二次成型;粉末 在球磨的过程中形状受 到 限制;工艺程序复杂,制备周期长。(2)搅拌铸造法搅拌铸造法是近年来国内外研究制备金属基复合材料十分热门的J一艺L4一6。它是将增强体加人 到基体金属液中,通过高速旋转的搅拌器使液相和固相均匀混合,然后浇人到铸型中。袁广江等,用真空搅拌铸造法制备出S I C颗 粒增强八3 56基复合材料,首先将铝锭放人琳祸内加热熔 化,N:除气,冉将燥 的粉注人柑祸内铝 液上部,盖上 炉盖.放人搅拌器搅拌后浇注。李明伟等(l用此法制备J S I C颗粒增强铝基复合材料,)t从真空度、搅拌杆 的形状、搅拌时间和浇注方式等方面探 讨J降低搅拌铸造法制造 铝基 复合材料 孔隙率的措施。文献1 1指出,提高搅拌速度,设计轴 向流桨叶和挡板,可以提高混合效率。文献巨1 2习指l仁,热处理可以提高复合材料的综 合性能。义献13指出,在铸造 的过程 中采川变质和细化处理。f以明掀改善复合材料的组织。搅拌铸造法 成本低,便于一次形成熨杂的l-件,所需 设备相对简单.适应批量生产;但在搅拌的过程中存在陶瓷颗粒偏聚、在液体分布的均 匀性以及界面反应等问题。I卜真空搅拌铸造时,在搅拌过程中容易引人气体.致使产品内部产生气孔,颗粒增强相的体积分数也会受到 限制(3)挤压铸造法挤压铸造法是首先将增强体做成预制块.放人模具,冉浇人基体合金熔液.随后加压,使基体熔液渗人预制块成锭。张劣阂等,利用此法制备了SIC晶须和纳米SIC颗粒混 杂增强 铝基复合材料,实验发现,晶须 与纳米颗粒分布均匀,与基体合金的界面结合良好,无界面反应物和孔洞.与基体相比.复合材料的抗拉强度和弹性模量都明显得到提高。此法的生产周期短.易于大批 量生产;可以制备出形状 与最终制品形状 相同或 相似的产品;液 态金属浸渗的时间短,冷却速度快,可以降低乃至消除颗粒界面反应;增强相的体积分数可调范围大。但挤压铸造不易制备形状复杂的制件,当浸渗压力很 大时,对模具和所制批件的完整性有很大的影响。(4)半固态搅熔复合法金属合金处于半固态 的情况下,通过 搅拌使增强 相颗粒和金属合金液相互碰撞,并进人到金属熔体中,达到颗粒增强的作用。程晓敏等 5采用此法制备出了A 12()3/A l复合材料,井对所得复合材料的强度、冲击韧性和耐磨性进行了实验。由于平固态合金液具有触变特性,高速运动的A l液与A l:():、颗粒相“-碰撞,可以捕获A 12认 粒子,从而使 A l:():;颗 粒均匀地 分布J飞熔体中。实验发现,只要选择合适 的工艺参数就可以使八卜()产l七l厂弓七产J七材料导报2005年7月第19卷第7期颗粒均匀分散在A l 合金熔液中;另外,加入A l:认颗粒后,材料的耐磨性明显得到提高。(5)熔体浸渗法熔体浸渗法就是将金属或合金熔体在一定的温度和气氛条件下自发渗人到具有一 定形状的增强颗粒预制块体中。1986年美国L an元d e公司在采用直接金 属氧化法制备 A 12()a/A l复合材料的工艺基础 上首次提出了合金熔体自浸渗法即熔渗法哪。熔体浸渗分为压 力浸渗和无压浸渗。压力浸渗是靠机械装置或者惰性气体提供压力将金属熔体浸渍渗透进增强颗粒的预制块中。丫Ka j ik aw a等厂”和La nx ide公 司皿阁都采用压力浸渗法制备出铝基复合材料。无压浸渗不需要任何压力,只要在大气气氛下,通过助渗剂使合金液体渗人到增强粒子 的间隙中,从而形成复合材料。张建云等仁习已用无 压浸渗法制 取了S iC(或A iZ认)陶瓷粒子 增强 铝基复合材料。无压浸渗法成 本低,工艺简单,不需要特殊的设备,也不需要对陶瓷增强粒子进行热处理。总之,与搅拌铸造法相比,熔体浸渗法可以制出体积分数大的复合材料,但也存在预制块的变形、颗粒分布不均匀、界面反应和晶粒尺寸粗大等缺点。(6)原位复合技术原位复合技术是在一定条件下,通过 元素之 间或者元素与化合物之间的化学反应,在金属 基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相,从而达到强化金 属基体的目的。申玉田等 z 0应用此种技术制备了Cu一A 1203复合材 料。董晨全等田用此法制备了纳米AI N颗粒增强铝基复合材料。实验发现,原位生成的A IN为纳米级颗 粒,并且均匀分布于基体内,与基体相比,强度和塑性都有较大程度的提高。此法制备金属基复合材料成本较低,颗粒在金属液的内部生成,表面无污染,基本上没有界面反 应发生,颗粒在 基体的熔体中热稳定性好,生成颗粒细小;但工艺过程难控制,增强相的成分和体积分数不易控制。(7)喷射沉积法喷射沉积 法就是使金属熔体和陶瓷增强相颗粒在雾化器内混合,然后被雾化喷射到水冷的基体上成型。张济山等呻采用此法制备了S ICp/AI复合材料,实验发现,加人S I C后,复合材料的抗拉强度、屈服强度以及弹性模量都比基体合金明显提高。通过喷射沉积技术制取 金属基复合材料,金属熔滴和陶瓷增强4相颗粒接触的时间极短,有效地控制了界面化学反应。控制工艺气氛也 可以最大限度地控制氧化反应的发生。喷射沉积法应用范围广,几乎可以适用任何基体和陶瓷颗粒增强相。(8)块体分散法块体分散法是 首先把增强相颗粒和基体的粉末在混粉机内均匀混合,取出粉后压制成块体,然后把块体投人到熔融的金属溶液中,待块体分散后停止加热,浇注成型,自然冷却。块体分散后,增强相 颗粒进人到金属基体中,从而起到细化颗粒,改善综合性能的作用。本实验室采用这种方法已经制备出纳米S IC颗粒增强铝基复合材料(图3和图4)。利用块体分散法制备复合材料,成本低,工艺简单,基本没有发 现界 面反应 发生;但弋是增强相颗粒 的体积分数不易控制,另外纳 米颗粒 易团聚(图5),在混粉阶段应该注意选 择合适的 混粉工具和混粉的时间。3,3姗土吕口一SIC.A I甲甲 以以姗绷姗5 0 0o越霉卿蓄咖0侧顺友军354 0图3455055印657 075808 5叩Cu20,。一 50 0茄一而4 05 0印,08 00 010 0Cu20,。块体平行于上表面的X射线图谱图4块体垂直于上表面的X射线图谱图5混粉后 月和SI Cr的SEM照片2制备金属基复合材料存在的问题及解决方法金属基复合材料发展至今,有害的界面反应和颗粒偏聚问题一直困扰着人们。这2个问题给复合材料的制备带来许多不利的影响。2.1有容的界面反应控制有害界面反应普遍采取的措施有:(l)根据界面反应的热力学,选择合适的基体合金成 分,避免有害界面反应 的发生;(2)选择合适的涂层,保护增强 相颗粒不受基体合金元素的剥蚀;(3)通过可控方式预沉积获得对界面层形貌的某些控制;(4)选择合适的制备工艺与温度;(5)尽量减 少基体和增强相的热接触时间。下面以S I C增强A l为例介绍几种常用 的控制 界面反应的方法。在采用液态法制备S I C颗粒增强A l基复合材料过程 中,S IC颗粒与A l合金 熔体之间容易发生界面化 学反应生成A从瓜,其对金属基复合材料 的性能产 生不利的影响。因为A公C3是脆性相,与水可发生化学反 应,严重损害材料 的力学性能,使材料易于腐蚀,并使基体合金 的S i含量增加。(1)加5 1AI与s iC会发生以下反应:AI+SICAI;G+51上述反应由溶解一扩散机制控制。生成的A甄C3以细杆状或块状 由界面向铝液中生长卿了。界面上A卜C3反应层厚度IJ(n r n)满足扩散抛物线规则少:L kt/2式中:k为常数,t为时 间。由于S i为界面反 应产物,在 铝中添加S i可以抑制上述界面反应 发生,但添加的S i含量过多,也会导致基体的强度和塑性降低。(2)表面氧化处理S IC颗粒对S I C颗粒进行表面氧化处理是因为S IC颗 粒在使用之前金属基复合材料的发展现状及展望/郝斌等、容易吸附水分,或者被有机物污染在制备SIC/A i复合材料之前,表面氧化处理S I C颗粒一方面可以除去有害的吸附物,另一方 面还可以在S I C颗粒表面形成S i唤 表面膜,改善S I C/A l之间的润湿性。这种表面处理的方法 很简便,但要考 虑到SI C的高温烧结和S i()2层均匀性的问题。(3)添加Ti、Zr、Nb、V等合金元素以Ti为例,r i与S IC会发生以下反应:Ti+SIC(s)石二51,+TIC(、)在上述反应中,7 i可以通过 界面反应 来改善润湿性25一州。T i的含量大于。.swt%时,T i优先与S I C反应生成 T IC,难以生成奋A I4c。,可以起到固碳的作用。(4)表面涂覆S I C颗粒表面涂覆的目的是为了避免 A 14C3的生成,但也要考虑到S IC颗粒涂覆以后与基体铝溶液的润湿性问题。表面涂覆S泥常选择K:z r民L洲、N i、Cu、Ag等,这些 表面涂覆处理物质虽能有效改善S I C/A l间的润湿性,但同时也会产生一些脆性 相,如NIA 13、CuA 122 9。(5)优化 制备工艺方法和参数界面反应与制备温度、保温时 间和冷却时间等因素有 关。如果制备温度 越高,停留时 间越长,界面反应及作用 就会 越严重。因此,在选择制备方法和T一艺参数时,首先要考虑制备的温度、高温停留的时间 和冷却速度。在保证 复合完好的前提下,尽可能地选择低的制备温度,短的高温停留时间,低于反应温度后应减小冷却速度,以避免造成大的残余应 力,从而影响材料的综合性能。2.2颗粒偏聚粉末混合物的均匀性与以下 因素有关:(1)形 貌:球形颗粒比其它形状的颗粒更易混均;(2)密度:密度小 的颗粒易分布于混合物的上部,密度大的颗粒易分布于混合物的下部;(3)粒度:粒度小的颗粒容易分布在粒度大颗粒 的间隙中。通常采用 的常手规混合法,混料机 的转速极低,输出的能量不足以使粉末发生较大的变形,只是机械地混合在一起。采用高能球磨法可以克服常规混合法的缺陷。樊建中仁侧用高能球 磨的方法制备出氏Cp/A l复合粉末,验证了高能球磨法的确可以克服金 属基复合材料存在颗粒偏聚的问题。解决金属基复合材料的颗粒偏聚问题,还 可用电磁波震荡、机械震荡、超声波震荡等方法分散粉体,用搅拌的方法克服颗粒在溶液中的团聚。(3)热膨胀系数小,尺 寸稳定性好金属基复合材料中所用 的增强物纤维、晶须和颗粒等均具有很小的热膨胀系数和很高的模量。加人相当含量的增强物不仅大幅度提高材料的强度和模量,也使其热膨胀系数明显下降,并可以通过调整增强物的 含量获得不同的热膨胀系数,以满足各种l_况要求。(4)良好的高温性能由于金属基体的高温性 能比聚合物高很多.增强纤 维、晶须、颗粒在高温下又都具 有很高的高温强度和模量,因此金属基复合材料具有比基体金属更高的高温性能。(5)耐磨性好在基体中加人了大量的陶瓷增强物,特别是细小的陶瓷颗粒,陶瓷材料硬度高、耐磨、化学性质稳定,用它们来增强金属不仅提高了材料的强度和刚度,也提高r固体的硬度和耐磨性。(6)良好的疲劳性能 和 断裂韧性金属基复合材料的疲 劳性 能和断裂切性取 决于纤维等增强物与金属基体的界面结合状 态。增强物在金属基体中的分布以及金属、增强物本身的特性,特别是 界面状态,最佳的界面结合状态既 可有效地传递载荷,又能阻止裂纹的扩展,提高材料的断裂韧性。(7)不吸潮、不老化、气密性好与聚合物相比,金属性 质 稳定,组 织致 密,不存在 老化、分解、吸潮等问题,也不会发生日能的自然退化。4结语金属基复合材料的制备方法虽然很多,可每种方法都存在着 自身的优 点和缺陷。颗粒增强金属基复合材料已经受到世界各国的广泛重视。目前,在国外.金属基复合材料已经在航空航天和交通运输等领域得到广 泛的应用;而国内许多的研究工作还停留在实验室阶段.没有真正地投人到实际生产中去,在研究的广度和深度上也存在局限性。随着分析方法 的不断进步,制备成本的不断降低和制备I_艺的不断成熟,会有 更完善的工艺制备出综合性能更好的颗粒增强金属 基复合材料。总之,金属基复合材料必将在新材料、冶金、航空航天和自动化等领域发挥更大的作用。州尹3金属基复合材料的综合性能颗粒增强金属基复合材料由于可以获得高的比强度、比刚度.低热膨胀系数,良好的耐磨性、抗疲劳性和断裂韧性而成为具有广阔应用前景的金属基复合材料即。(l)高比强度、比模 量由于在金属基体中加 人了适量的高强度、高模量、低 密度的纤维、晶须、颗粒等增强物,明显提高了复合材料的 比强度和比模量。(2)导热、导电性能金属基复合材料 中,金属基体占有很高的体积分数,一般在6 0%以上,因此仍然保持了金属所持有的良好的导热和导 电性。良好的导热性可以有效地传热,减少构件受热后产生的温 度梯度和迅速散热,这对尺寸稳定 性要求高的构件和高集成度的 电子器件尤为重要。良好的导电性可以防止飞行器构件产生静电聚集的问题。参考文献l崔岩.碳 化硅颗粒增强铝基复合材料 的航空航天应用仁J.材料I几程,20 02,(6):32le eKonba e,etal.Inlerfaeialr ea eti()n一nsiCp/A 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