10第五章(1)金属基复合材料.ppt

u 1.11.1 金属基复合材料的分类金属基复合材料的分类u 1.2 1.2 金属基体材料金属基体材料u 1.3 1.3 金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能特点1 1 金属基复合材料概论（金属基复合材料概论（2 2学时学时）11.1 1.1 金属基复合材料的分类金属基复合材料的分类金属基复合材料：金属基复合材料：金属或者合金金属或者合金 基体基体 高性能高性能 增强体增强体分分 类：类：种类繁多种类繁多，主要有，主要有三种分类方式三种分类方式。2（1 1）按增强体类型分类）按增强体类型分类 颗粒颗粒、纤维纤维、片层片层 等增强的金属基复合材料等增强的金属基复合材料（2 2）按基体类型分类）按基体类型分类 铝基复合材料铝基复合材料：铝及其合金为基体，：铝及其合金为基体，应用最广应用最广 钛基复合材料钛基复合材料：钛及其合金为基体，：钛及其合金为基体，高温强度保持好高温强度保持好 镁基复合材料镁基复合材料：镁及其合金为基体，：镁及其合金为基体，比性能好比性能好 镍基复合材料镍基复合材料：镍及其合金为基体，：镍及其合金为基体，优良高温性能优良高温性能（3 3）按用途分类）按用途分类 结构复合材料结构复合材料：用作承力构件，用作承力构件，强调强调 材料力学性能材料力学性能 功能复合材料功能复合材料：强调：强调物理性能物理性能（电、磁、声、热、光（电、磁、声、热、光）31.2 1.2 金属基体材料金属基体材料1.2.1 1.2.1 铝及铝合金铝及铝合金纯纯 铝铝：银白色银白色，2.722.72g/cmg/cm3 3，熔点、强度低熔点、强度低导电导热性能优异导电导热性能优异，制造制造电线、电缆电线、电缆铝合金铝合金：密度密度 2.52.52.882.88g/cmg/cm3 3，较好较好机械性能机械性能常用作常用作工程结构材料工程结构材料合金元素合金元素SiSi、CuCu、MgMg、ZnZn、MnMn4图图5.1 5.1 铝合金相图铝合金相图根据根据相图相图铝合金可分为：铝合金可分为：铸造铝合金铸造铝合金：共晶组织：共晶组织 液态流动性好液态流动性好 适于铸造适于铸造 形变铝合金形变铝合金：单相固溶体组织：单相固溶体组织 塑性高塑性高 适于压力加工适于压力加工5表表5.1 5.1 形变铝合金的分类及性能特点形变铝合金的分类及性能特点671.2.2 1.2.2 钛及钛合金钛及钛合金纯钛纯钛：银白色，熔点银白色，熔点16681668，相对密度为，相对密度为4.5g/cm34.5g/cm3，比强度高，热膨胀系数较小，比强度高，热膨胀系数较小，弹性模量较低弹性模量较低 882.5882.5以下为以下为-Ti-Ti，以上，以上-Ti-Ti 耐硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠溶液、湿气、海水耐硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠溶液、湿气、海水 钛合金钛合金：强度、韧性及塑性好，高温抗氧化较强，热强性好强度、韧性及塑性好，高温抗氧化较强，热强性好 室温强度较低，不能进行热处理强化室温强度较低，不能进行热处理强化 钛合金钛合金：良好的塑性但很少应用良好的塑性但很少应用 （比重较大，耐热性差及抗氧化性能低比重较大，耐热性差及抗氧化性能低）a+a+钛合金钛合金：兼有两者优点，耐热性和塑性都比较好兼有两者优点，耐热性和塑性都比较好 可进行热处理强化（可进行热处理强化（Ti-6Al-4VTi-6Al-4VTi-6Al-4VTi-6Al-4V）810009 1.2.3 1.2.3 镁及镁合金镁及镁合金纯纯 镁：镁：工业用金属中最轻工业用金属中最轻（1.74 1.74 g/cmg/cm3 3）合金比强度很高合金比强度很高 塑性变形能力差塑性变形能力差（六方晶系，滑移系统少六方晶系，滑移系统少）弹性模量小弹性模量小（有较大变形，可制造冲击零件有较大变形，可制造冲击零件）力学性能较差力学性能较差（不易用作结构材料不易用作结构材料）耐化学腐蚀能力差耐化学腐蚀能力差（表面氧化膜脆而不够致密表面氧化膜脆而不够致密）101.2.4 1.2.4 性能比较性能比较表表5.3 5.3 常用金属基体材料的性能比较常用金属基体材料的性能比较性能性能金属金属TiTiAlAlMgMgNiNiFeFe密度，密度，g/cmg/cm3 34.54.52.72.71.741.748.98.97.867.86熔点，熔点，C C166816686606606516511445144515351535线膨胀系数，线膨胀系数，1010-6-6/C/C9 923.123.1262613.513.511.511.5导热系数，导热系数，W/m/KW/m/K171721821815915961618484弹性模量，弹性模量，GPaGPa112.5112.572.472.443.643.6199199214214111.3 1.3 金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能特点1.3.1 1.3.1 一般性能特点一般性能特点（1 1）高的比强度、比刚度）高的比强度、比刚度纤维增强：纤维增强：比强度、比模量明显高于金属基体比强度、比模量明显高于金属基体颗粒增强：颗粒增强：比强度无明显增加比强度无明显增加，但比模量明显提高但比模量明显提高12表表5.4 5.4 金属基复合材料的力学性能一览表金属基复合材料的力学性能一览表复合材料复合材料增增强强相含量相含量,vol%抗拉抗拉强强度，度，MPa拉伸模量，拉伸模量，GPa密度，密度，g/cm3BF/AlCVD SiCF/AlNicalon SiCF/AlCF/AlFP Al2O3 F/AlSumica Al2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVD SiCF/TiBF/Ti5050354035505018202035451200150013001500700900500800650900500620400510150017501300150020022021023095 11010015022013096 138100210 2302202.62.853.02.62.43.32.92.82.83.93.713（2 2）高的韧性和冲击性能）高的韧性和冲击性能相对聚合物、陶瓷基复合材料而言，相对聚合物、陶瓷基复合材料而言，金属基复合材料具有较高的韧性和耐冲击性能金属基复合材料具有较高的韧性和耐冲击性能 ！原因原因：金属基体属于典型韧性材料金属基体属于典型韧性材料，受到冲击时能通过塑性，受到冲击时能通过塑性变形吸收能量，或使裂纹钝化、减小应力集中而改善韧性变形吸收能量，或使裂纹钝化、减小应力集中而改善韧性14硼硼/铝裂纹扩展铝裂纹扩展1 1）裂纹尖端最大应力可达）裂纹尖端最大应力可达350MPa350MPa，接近基体拉伸强度接近基体拉伸强度2 2）纤维局部强度接近）纤维局部强度接近4.2GPa4.2GPa3 3）裂纹）裂纹垂直于外载荷方向垂直于外载荷方向扩展时，受到纤维扩展时，受到纤维/基体基体界面阻滞界面阻滞4 4）裂纹在）裂纹在界面扩展钝化界面扩展钝化（吸收能量吸收能量）5 5）裂纹因）裂纹因基体塑性剪切变形而钝化基体塑性剪切变形而钝化（吸收能量吸收能量）15图图5.2 5.2 金属基复合材料中裂纹的钝化金属基复合材料中裂纹的钝化16（3 3）良好的高温性能）良好的高温性能金金属属基基体体高高温温性性能能较较之之聚聚合合物物高高很很多多；增增强强体体多多为为高高温温性能良好的无机材料。性能良好的无机材料。（4 4）导热、导电性能好）导热、导电性能好金属基体具有良好导热、导电性能金属基体具有良好导热、导电性能17（5 5）表面耐久性好，表面缺陷敏感性低）表面耐久性好，表面缺陷敏感性低金属基体能通过金属基体能通过塑性变形塑性变形来接受能量，或使裂纹钝化。来接受能量，或使裂纹钝化。（晶须、颗粒增强复合材料常用做工程中的耐磨部件使用）（晶须、颗粒增强复合材料常用做工程中的耐磨部件使用）（6 6）热膨胀系数小、尺寸稳定性好）热膨胀系数小、尺寸稳定性好硼硼/钛、石墨钛、石墨/镁、碳镁、碳/铝铝等经设计后等经设计后热膨胀系数可非常小热膨胀系数可非常小181.3.2 1.3.2 纤维增强金属基复合材料的性能纤维增强金属基复合材料的性能（1 1）强度和模量）强度和模量纵向性能主要取决于纵向性能主要取决于纤维性能和体积比纤维性能和体积比；横向性能与横向性能与基体性能基体性能关系很大；关系很大；高温性能高温性能同时同时与材料与材料界面结合界面结合和和稳定性稳定性有密切关系。有密切关系。19（2 2）冲击性能）冲击性能室温冲击性能室温冲击性能：大直径纤维：大直径纤维有益有益（相同纤维体积分数相同纤维体积分数）高温冲击性能高温冲击性能：比室温有：比室温有较大提高较大提高（高温时基体韧性好高温时基体韧性好）热处理对冲击性能的影响热处理对冲击性能的影响：明显降低明显降低（界面变得不稳定界面变得不稳定）20（3 3）蠕变性能）蠕变性能蠕变概念蠕变概念：恒定负载恒定负载 下产生的下产生的 与时间有关与时间有关的的 形变形变 蠕变使构件尺寸变化并可能构成对材料的破坏蠕变使构件尺寸变化并可能构成对材料的破坏 蠕变分类蠕变分类：温度不同，蠕变曲线有较大的区别：温度不同，蠕变曲线有较大的区别 温度较低时温度较低时a a曲线曲线，温度较高时，温度较高时b b曲线曲线，温度更高时，温度更高时c c曲线曲线一般称一般称a a曲线和曲线和b b曲线为稳态蠕变曲线为稳态蠕变21图图5.3 5.3 金属材料的蠕变曲线示意图金属材料的蠕变曲线示意图温度较低时（温度较低时（a a曲线曲线），），1 1为瞬时应变，随时间延长为瞬时应变，随时间延长趋于一定值趋于一定值 2 2；温温 较较 高高 时（时（b b曲线曲线），），快速增加快速增加、稳定增加稳定增加、快速增加快速增加三个阶段；三个阶段；温度更高时（温度更高时（c c曲线曲线），稳态蠕变更短，加速阶段很快到来），稳态蠕变更短，加速阶段很快到来22b b曲线稳态蠕变中，曲线稳态蠕变中，蠕变速率与应力和温度蠕变速率与应力和温度有关：有关：=A n=A n exp(-Q/RT)exp(-Q/RT)（阿累尼乌斯方程阿累尼乌斯方程）上式中，上式中，A A、n n：为材料常数：为材料常数 ：所受应力所受应力 Q Q：自扩散激活能：自扩散激活能 R R：气体常数：气体常数 T T：温度温度蠕变产生的原因？高温的作用？蠕变产生的原因？高温的作用？23纤维增强金属基复合材料抗蠕变性能纤维增强金属基复合材料抗蠕变性能：1 1）当基体和增强体熔点接近时，二者均会发生高温蠕变当基体和增强体熔点接近时，二者均会发生高温蠕变2 2）脆性纤维增强时蠕变曲线类似于脆性纤维增强时蠕变曲线类似于a a曲线曲线3 3）B B、SiCSiC纤维复合材料抗蠕变性能优与基体合金纤维复合材料抗蠕变性能优与基体合金24（4 4）疲劳性能）疲劳性能 疲劳断裂疲劳断裂：循环应力循环应力(小于断裂应力小于断裂应力)作用下的突然断裂作用下的突然断裂S SN N曲线：曲线：应力极大值应力极大值S S（或（或）对）对循环次数循环次数N N的对数图的对数图疲劳极限：疲劳极限：规定规定循环次数为循环次数为10107 7时产生疲劳断裂所需应力时产生疲劳断裂所需应力25纤维增强金属基复合材料疲劳性能纤维增强金属基复合材料疲劳性能：1 1）与拉伸强度比值达与拉伸强度比值达0.6 0.70.6 0.7，约为基体，约为基体2 2倍！倍！2 2）随加入纤维强度及体积含量增高而增大随加入纤维强度及体积含量增高而增大（轴向有最大值，径向只有少量提高轴向有最大值，径向只有少量提高）26复合材料疲劳产生复合材料疲劳产生（与疲劳裂纹产生有关与疲劳裂纹产生有关）1 1）当纤维与基体强度）当纤维与基体强度比值高比值高时，时，纤维纤维/基体界面起裂基体界面起裂，成为影响疲劳寿命的主要原因；成为影响疲劳寿命的主要原因；2 2）当纤维与基体强度）当纤维与基体强度比值低比值低，裂纹扩展速率影响疲劳寿命裂纹扩展速率影响疲劳寿命，而且裂纹将穿越纤维，造成较低的疲劳性能。而且裂纹将穿越纤维，造成较低的疲劳性能。27高高温温对对纤纤维维/金金属属基基复复合合材材料料疲疲劳劳性性能能影影响响：有有所所下下降降（纤维性能退化、界面脱粘、基体脆性增加纤维性能退化、界面脱粘、基体脆性增加）其它影响因素其它影响因素：纤维分布、表面缺陷、界面结合纤维分布、表面缺陷、界面结合弱的纤维弱的纤维/基体界面结合有时也会改善材料疲劳性能基体界面结合有时也会改善材料疲劳性能（可形成二次裂纹或改变其方向，能延缓疲劳裂纹扩展可形成二次裂纹或改变其方向，能延缓疲劳裂纹扩展）281.3.3 1.3.3 颗粒、晶须增强金属基复合材料的性能颗粒、晶须增强金属基复合材料的性能（1 1）强度和模量）强度和模量 强度：与颗粒在基体中分布的强度：与颗粒在基体中分布的平均间距平均间距DDp p有关有关（D Dp p越小，屈服强度越高越小，屈服强度越高）模量：与模量：与颗粒形状颗粒形状有关有关（长径比值增大，对混合定律偏差减小长径比值增大，对混合定律偏差减小）29（2 2）断裂韧性）断裂韧性影响因素影响因素：颗粒大小颗粒大小、颗粒及晶须取向颗粒及晶须取向 等等随着直径随着直径d d增加、体积含量减少，复合材料断裂韧性增加增加、体积含量减少，复合材料断裂韧性增加PRMMCPRMMC的断裂韧性一般要优于的断裂韧性一般要优于WRMMCWRMMC（晶须前沿会造成应力集中，容易引发裂纹晶须前沿会造成应力集中，容易引发裂纹）30（3 3）蠕变性能）蠕变性能1 1）颗粒及晶须增强金属基复合材料蠕变行为）颗粒及晶须增强金属基复合材料蠕变行为与纤维增强相当与纤维增强相当2 2）颗粒与晶须增强金属基复合材料要比基体）颗粒与晶须增强金属基复合材料要比基体蠕变强度更高蠕变强度更高3 3）与颗粒增强相比，晶须增强时）与颗粒增强相比，晶须增强时蠕变速率更低蠕变速率更低31（4 4）疲劳性能）疲劳性能 1 1）颗粒及晶须增强后疲劳强度、疲劳寿命）颗粒及晶须增强后疲劳强度、疲劳寿命比基体金属高比基体金属高2 2）颗粒增强与晶须增强时复合材料）颗粒增强与晶须增强时复合材料疲劳性能基本接近疲劳性能基本接近32晶须增强时疲劳裂纹萌生位置：晶须增强时疲劳裂纹萌生位置：1 1）晶须端部或与基体的界面处晶须端部或与基体的界面处2 2）晶须密集处及显微缺陷处晶须密集处及显微缺陷处 晶须增强时内应力形成：晶须增强时内应力形成：1 1）界面有较大内应力界面有较大内应力（晶须与基体强度和变形能力不同）（晶须与基体强度和变形能力不同）2 2）晶须密集处或基体中显微缺陷处存在较大内应力晶须密集处或基体中显微缺陷处存在较大内应力333 铝基复合材料铝基复合材料3.13.1颗粒（晶须）增强铝基复合材料颗粒（晶须）增强铝基复合材料（1 1）增强颗粒（晶须）增强颗粒（晶须）增强颗粒（晶须）：增强颗粒（晶须）：碳化硅、氧化铝、碳化硅、氧化铝、碳化硼、氧化硅、碳化钛碳化硼、氧化硅、碳化钛增强体性能特点：增强体性能特点：高强度、高模量、高强度、高模量、高热稳定性和化学稳定性高热稳定性和化学稳定性 34（2 2）制备方法）制备方法固态法固态法：粉末冶金法、热等静压法、挤压法：粉末冶金法、热等静压法、挤压法液态法液态法：压力铸造法、压力浸渍法、搅拌法、喷射法：压力铸造法、压力浸渍法、搅拌法、喷射法 （铝熔点低，液态法较常用铝熔点低，液态法较常用）优优点：点：制造方法简单、增强体价格低廉，应用前景广阔制造方法简单、增强体价格低廉，应用前景广阔35（3 3）性能特点）性能特点SiCSiCp p/Al/Al、SiCSiCw w/Al/Al具有良好的力学性能和耐磨性能具有良好的力学性能和耐磨性能强度强度&模量模量：比基体高比基体高 (增强相体积分数增大，性能提高增强相体积分数增大，性能提高)一般说来增强颗粒越小，则复合材料强度越高一般说来增强颗粒越小，则复合材料强度越高热膨胀系数热膨胀系数：低于基体材料低于基体材料增强相体积分数增加则减小增强相体积分数增加则减小36断裂韧性断裂韧性：较之：较之铝合金铝合金 下降很多下降很多（脆性碳化硅颗粒脆性碳化硅颗粒）耐耐磨磨性性：较较之之铝铝合合金金耐耐磨磨性性增增加加很很多多（脆脆性性碳碳化化硅硅颗颗粒粒）耐磨性甚至比铸铁还高耐磨性甚至比铸铁还高 常用作常用作汽车刹车片汽车刹车片37表表5.5 5.5 材料耐磨性比较材料耐磨性比较磨痕宽度，磨痕宽度，mmmm稀土铝硅合稀土铝硅合金金66-1266-12Al2O3 Al2O3 纤维纤维-铝铝SiCSiC颗粒颗粒-铝铝高镍奥氏体铸高镍奥氏体铸铁铁最大最大1.94751.94751.5001.5000.94250.94251.16701.1670最小最小1.84761.84761.3251.3250.8650.8651.12751.1275平均平均1.8971.8971.4121.4120.90370.90371.14121.1412383.2 3.2 纤维增强铝基复合材料纤维增强铝基复合材料（1 1）分类及制备方法）分类及制备方法纤维分类：纤维分类：长纤维长纤维、短纤维短纤维（前者增强性能一般优于后者前者增强性能一般优于后者）制备方法：制备方法：固态法固态法（热压法、热等静压法热压法、热等静压法）液态法液态法（压力铸造法、浸渍法压力铸造法、浸渍法）39（2 2）长纤维增强铝基复合材料）长纤维增强铝基复合材料硼、碳、碳化硅、氧化铝等纤维和不锈钢丝硼、碳、碳化硅、氧化铝等纤维和不锈钢丝a a）硼纤维）硼纤维/铝基复合材料（铝基复合材料（B Bf f/Al/Al）硼硼 纤纤 维：维：钨、碳芯粗纤维钨、碳芯粗纤维（100100140140微米）（微米）（CVDCVD）性能改进：增强后基体合金性能改进：增强后基体合金性能有很大提高性能有很大提高 （特别是（特别是高温性能有很大提高高温性能有很大提高）B Bf f/Al/Al性能受纤维直径、方向、铺排方式影响很大性能受纤维直径、方向、铺排方式影响很大40室温纵向拉伸强度和模量室温纵向拉伸强度和模量：比基体合金高比基体合金高随增强体体积分数增大而有很大提高随增强体体积分数增大而有很大提高高温纵向拉伸强度和模量高温纵向拉伸强度和模量：随温度升高而下降随温度升高而下降下降不剧烈（下降不剧烈（500500度保持一半强度，度保持一半强度，500MPa500MPa）热膨胀系数热膨胀系数：取决于纤维热膨胀系数取决于纤维热膨胀系数界面存在很大应力集中（热膨胀系数相差大）界面存在很大应力集中（热膨胀系数相差大）41b b）碳纤维碳纤维/铝基复合材料（铝基复合材料（C Cf f/Al/Al）碳纤维：碳纤维：密度小密度小、力学性能非常优异力学性能非常优异、价格便宜价格便宜面临问题：与铝面临问题：与铝浸润性差浸润性差、高温下容易发生化学反应高温下容易发生化学反应（生成严重影响材料性能的生成严重影响材料性能的AlAl4 4C C3 3）解决办法：解决办法：不直接使用不直接使用，进行，进行表面处理表面处理（镀金属）（镀金属）42C Cf f/Al/Al制造方法制造方法：扩散结合扩散结合：纤维黏附基体金属，纤维重叠排列，：纤维黏附基体金属，纤维重叠排列，热压扩散结合（热压扩散结合（纤维先驱体纤维先驱体）挤压铸造挤压铸造：纤维预成型体纤维预成型体置于金属膜中，适当加热，置于金属膜中，适当加热，加压浸入熔融基体金属、高压冷却凝固加压浸入熔融基体金属、高压冷却凝固浸浸 渍渍 法法：纤维预制成型，浸入液态金属冷却凝固。：纤维预制成型，浸入液态金属冷却凝固。温度过高温度过高（注意界面反应控制注意界面反应控制）43c c）碳化硅纤维）碳化硅纤维/铝基复合材料（铝基复合材料（SiCSiCf f/Al/Al）有芯纤维有芯纤维：钨、碳芯经化学气象沉积制备（：钨、碳芯经化学气象沉积制备（直径较粗直径较粗）表面游离碳少、含氧量低，与铝不易反应表面游离碳少、含氧量低，与铝不易反应容易制备复合材料容易制备复合材料 无芯纤维无芯纤维：聚碳硅烷热处理获得（：聚碳硅烷热处理获得（一束多丝一束多丝）表面有较多游离碳和氧，易和铝反应表面有较多游离碳和氧，易和铝反应制造复合材料比较困难制造复合材料比较困难44纤维优点纤维优点：优异力学性能、较强高温抗氧化能力优异力学性能、较强高温抗氧化能力(较之较之B Bf f、C Cf f)与铝相容性好与铝相容性好（铝合金的较好增强体）（铝合金的较好增强体）SiCSiCf f/Al/Al制备方法制备方法：热压扩散法、加压铸造法、浸渍法：热压扩散法、加压铸造法、浸渍法SiCSiCf f/Al/Al性能性能：高抗拉强度、抗弯强度和优异耐磨性能高抗拉强度、抗弯强度和优异耐磨性能 优异高温性能优异高温性能（400400度以下强度降低很少度以下强度降低很少）45（3 3）短纤维增强铝基复合材料）短纤维增强铝基复合材料纤维种类纤维种类：AlAl2 2O O3 3、SiCSiC增强优点增强优点：增强体来源广、价格低、成型性好增强体来源广、价格低、成型性好（可采用传统金属成型工艺如（可采用传统金属成型工艺如铸、锻、轧铸、锻、轧等）等）性能特点性能特点：室温拉伸强度室温拉伸强度 无明显改善，有时有降低无明显改善，有时有降低弹性模量弹性模量 在室温和高温都有较大提高在室温和高温都有较大提高基体合金基体合金 高温性能高温性能 得到很大提高得到很大提高基体合金基体合金 耐磨性耐磨性 有明显改善有明显改善热膨胀系数热膨胀系数 减小减小463.3 3.3 铝基复合材料的应用铝基复合材料的应用（1 1）长纤维增强铝基复合材料的应用）长纤维增强铝基复合材料的应用航空航天领域航空航天领域（高比强度比模量、尺寸稳定性好、高比强度比模量、尺寸稳定性好、价格贵价格贵）B Bf f/Al/Al：航天飞机机身框架及支柱、飞机起落架部件、：航天飞机机身框架及支柱、飞机起落架部件、飞机机翼蒙皮、飞机垂直尾翼、导弹构件、飞机机翼蒙皮、飞机垂直尾翼、导弹构件、多层半导体芯片支座散热冷却板多层半导体芯片支座散热冷却板 （导热性好、热膨胀系数与半导体匹配）（导热性好、热膨胀系数与半导体匹配）47 C Cf f/Al/Al：比模量高、导电导热、尺寸稳定性好比模量高、导电导热、尺寸稳定性好 卫星抛物面天线骨架（卫星抛物面天线骨架（尺寸稳定性好尺寸稳定性好）飞机某些构件（飞机某些构件（有助于减轻重量有助于减轻重量）SiCSiCf f/Al/Al：飞机、导弹、发动机的高温构件飞机、导弹、发动机的高温构件（2 2）短纤维、颗粒、晶须增强铝基复合材料的应用）短纤维、颗粒、晶须增强铝基复合材料的应用性能优异，应用前景广阔，价格相对便宜性能优异，应用前景广阔，价格相对便宜（参阅教材参阅教材7474页内容页内容）484 4 钛基复合材料钛基复合材料4.1 4.1 概述概述钛合金钛合金：优良的耐高温性能、耐腐蚀性能、低的密度优良的耐高温性能、耐腐蚀性能、低的密度 性能不能满足航空和航天等领域的进一步要求性能不能满足航空和航天等领域的进一步要求钛基复合材料钛基复合材料：克服基体合金耐磨性、模量低的缺点克服基体合金耐磨性、模量低的缺点更高比强度、比模量更高比强度、比模量极佳耐疲劳、抗蠕变性能极佳耐疲劳、抗蠕变性能优异高温性能、耐腐蚀性能优异高温性能、耐腐蚀性能49制备工艺特点制备工艺特点：要经历：要经历8008001200 1200 度高温暴露度高温暴露 容易和增强体容易和增强体发生界面反应发生界面反应 基体合金选择基体合金选择：TiAlTiAl()()、TiTi3 3Al(Al(2 2)（良好高温抗氧化性）（良好高温抗氧化性）TiTi2 2NbAlNbAl （良好塑性、抗氧化性）（良好塑性、抗氧化性）工业纯钛不适合工业纯钛不适合（与（与SiCSiC纤维有剧烈反应）纤维有剧烈反应）504.2 4.2 颗粒增强钛基复合材料颗粒增强钛基复合材料工艺特点工艺特点：简单经济简单经济（较之纤维增强）（较之纤维增强）精密铸造、粉末冶金、挤压、锻造精密铸造、粉末冶金、挤压、锻造常用基体常用基体：TiAlTiAl（）、）、TiTi3 3AlAl（2 2）常用颗粒常用颗粒：碳化硅、碳化钛、碳化硼碳化硅、碳化钛、碳化硼51颗粒增强钛基复合材料性能特点颗粒增强钛基复合材料性能特点：1 1）各向同性各向同性2 2）硬度、刚度、耐磨性明显改善硬度、刚度、耐磨性明显改善3 3）塑性、韧性、耐疲劳性能有所下降塑性、韧性、耐疲劳性能有所下降4 4）室温拉伸强度与基体相近甚至不如基体室温拉伸强度与基体相近甚至不如基体5 5）高温强度比基体合金好高温强度比基体合金好524.3 4.3 长纤维增强钛基复合材料长纤维增强钛基复合材料 制备工艺制备工艺：成型工艺复杂成型工艺复杂 固相法固相法（热压、热等静压）（热压、热等静压）纤维与基体要求纤维与基体要求：物理参数要匹配物理参数要匹配（热膨胀系数）（热膨胀系数）良好热稳定性良好热稳定性 良好高温性能良好高温性能 增强纤维增强纤维：与钛不易发生反应与钛不易发生反应 碳化硅纤维、碳化钛纤维、碳化硅纤维、碳化钛纤维、碳化硅包覆硼纤维、耐高温金属纤维碳化硅包覆硼纤维、耐高温金属纤维53性能特点性能特点 纵向力学性能：纵向力学性能：强度、模量、抗蠕变性能等比基体合金高强度、模量、抗蠕变性能等比基体合金高 横横向向力力学学性性能能：不不如如基基体体合合金金（约约为为基基体体合合金金的的1/3-1/21/3-1/2）（增强体与基体合金之间（增强体与基体合金之间形成弱界面形成弱界面）耐疲劳性能：耐疲劳性能：良好耐疲劳性能良好耐疲劳性能 （弱界面有利于组止疲劳裂纹生长弱界面有利于组止疲劳裂纹生长）544.4 4.4 钛基复合材料的应用钛基复合材料的应用航空航天领域航空航天领域（如航天飞机的机身构件）（如航天飞机的机身构件）军事领域军事领域（如导弹尾翼）（如导弹尾翼）汽车工业汽车工业医疗领域医疗领域 555 5 镁基复合材料镁基复合材料5.1 5.1 常用基体合金常用基体合金纯纯 镁镁：强度低，：强度低，不适于用作基体材料不适于用作基体材料镁合金镁合金：加入合金元素（：加入合金元素（固溶强化、沉淀强化固溶强化、沉淀强化）AlAl、MnMn、ZrZr（强度、耐腐蚀性强度、耐腐蚀性）稀土金属稀土金属（铸造性能、焊接性能，耐热性铸造性能、焊接性能，耐热性）565.2 5.2 常用增强体常用增强体 镁合金特点镁合金特点：化学性质更加活泼化学性质更加活泼，要，要充分考虑界面反应充分考虑界面反应增强体选择原则增强体选择原则：物理化学相容性、界面润湿性好物理化学相容性、界面润湿性好尽量尽量避免界面反应避免界面反应常用增强体常用增强体：涉及：涉及 C Cf f、B Bf f、AlAl2 2OO3p3p、SiCSiCp p、BCBCp p、SiCSiCw w等等57AlAl2 2O O3 3：界面反应强烈界面反应强烈（镁能还原出铝）（镁能还原出铝）,不适合用作增强体不适合用作增强体C Cf f：强度高而质轻强度高而质轻，与合金反应而损伤纤维与合金反应而损伤纤维(不与纯镁反应不与纯镁反应)用作增强体时要进行表面涂层处理用作增强体时要进行表面涂层处理BCBC：不与纯镁反应，适于增强镁合金不与纯镁反应，适于增强镁合金 表面游离表面游离B B2 2OO3 3与镁反应生成与镁反应生成MgBMgB2 2（增加界面润湿性）（增加界面润湿性）SiCSiC：与镁合金没有强烈界面反应，适于增强镁合金与镁合金没有强烈界面反应，适于增强镁合金585.3 5.3 镁基复合材料的制备方法镁基复合材料的制备方法挤压铸造法挤压铸造法：增强体均匀分散、模压成型获得增强体预制块：增强体均匀分散、模压成型获得增强体预制块 镁合金加压渗透到预制块中冷却凝固镁合金加压渗透到预制块中冷却凝固搅拌铸造法搅拌铸造法：增强体加入液态或者半固态镁合金，搅拌铸造：增强体加入液态或者半固态镁合金，搅拌铸造粉末冶金法粉末冶金法：镁合金、增强体混合，模压成型，热压烧结：镁合金、增强体混合，模压成型，热压烧结喷射沉积法喷射沉积法：高压惰性气体喷射雾化镁合金、增强颗粒：高压惰性气体喷射雾化镁合金、增强颗粒真空浸渗法真空浸渗法：液态金属真空负压渗入预制体：液态金属真空负压渗入预制体595.4 5.4 镁基复合材料的性能特征镁基复合材料的性能特征位错强化位错强化：镁合金、增强体之间存在：镁合金、增强体之间存在热膨胀系数很大差别热膨胀系数很大差别结合界面结合界面很大应力集中很大应力集中（基体塑性变形）（基体塑性变形）高密度位错高密度位错（位错强化，提高强度、刚度位错强化，提高强度、刚度）细晶强化细晶强化：增强体有：增强体有细晶强化作用细晶强化作用基体性能明显改善，强度、刚度、硬度提高基体性能明显改善，强度、刚度、硬度提高，延伸率下降延伸率下降605.5 5.5 镁基复合材料的应用镁基复合材料的应用镁基复合材料：镁基复合材料：密度小、比强度和比刚度高密度小、比强度和比刚度高 良好尺寸稳定性、优良铸造性能良好尺寸稳定性、优良铸造性能 良好阻尼减振、电磁屏蔽、耐磨性良好阻尼减振、电磁屏蔽、耐磨性广阔应用前景：广阔应用前景：汽车制造行业汽车制造行业（减震轴、活塞环、支架）（减震轴、活塞环、支架）通讯电子行业通讯电子行业（手机、笔记本电脑外壳）（手机、笔记本电脑外壳）一般工业一般工业 （油泵外壳、安全阀、止推板）（油泵外壳、安全阀、止推板）616 6 镍基复合材料镍基复合材料6.1 6.1 常用基体合金常用基体合金NiNi3 3AlAl：密度较小密度较小、屈服强度在屈服强度在600600度左右达到峰值度左右达到峰值NiAlNiAl：高熔点高熔点、低密度低密度、极佳抗氧化性能极佳抗氧化性能6.2 6.2 常用增强体常用增强体AlAl2 2O O3 3、SiCSiC、TiCTiC、TiBTiB2 2等的等的颗粒、晶须、纤维颗粒、晶须、纤维626.3 6.3 镍基复合材料的制备方法镍基复合材料的制备方法制备特点制备特点：镍熔点高镍熔点高（14531453度）（度）（一般采用固态法一般采用固态法）制造温度高（制造温度高（界面反应可能性增加界面反应可能性增加）表面处理表面处理：增强体表面进行：增强体表面进行涂层处理涂层处理避免界面反应发生、改善润湿性、缓和残余应力避免界面反应发生、改善润湿性、缓和残余应力63常用方法常用方法：纤维增强：纤维增强：热压扩散热压扩散 AlAl2 2OO3 3涂层处理、热压涂层处理、热压(12001200度度)颗粒、晶须增强：颗粒、晶须增强：粉末冶金法、热压法、热等静压法粉末冶金法、热压法、热等静压法646.4 6.4 镍基复合材料的性能特征镍基复合材料的性能特征颗粒增强效果明显：颗粒增强效果明显：屈服强度、模量明显提高屈服强度、模量明显提高，延伸率下降、塑性降低延伸率下降、塑性降低图图5.27 Al5.27 Al2 2OO3 3/Ni/Ni3 3AlAl、NiNi3 3AlAl基体（真空热压基体（真空热压+热挤压）、热挤压）、铸造铸造NiNi3 3AlAl的比屈服强度和温度的关系的比屈服强度和温度的关系656.5 6.5 镍基复合材料的应用镍基复合材料的应用由由于于制制造造温温度度太太高高，目目前前这这类类材材料料的的制制造造技技术术还还处处于于初初期阶段，其研究和应用尚待进一步研究。期阶段，其研究和应用尚待进一步研究。66