金属基复合材料 (2)优秀课件.ppt

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1、金属基复合材料第1页，本讲稿共56页2内内 容容v 金属基复合材料的定金属基复合材料的定义及特性及特性v 分分类，常用的基体及增，常用的基体及增强体材料体材料v 金属基复合材料的金属基复合材料的组分相容性分相容性v 金属基复合材料的制金属基复合材料的制备工工艺v 金属基复合材料的性能金属基复合材料的性能第2页，本讲稿共56页3v 金属基复合材料相金属基复合材料相对于于传统的金属材料来的金属材料来说，具有，具有较高的高的比比强度与比度与比刚度；度；v 与与树脂基复合材料相比，具有脂基复合材料相比，具有优良的良的导电性与耐性与耐热性；性；v 与陶瓷基材料相比，具有高与陶瓷基材料相比，具有高韧性和高

2、冲性和高冲击性能。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，以金属或以金属或以金属或以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒为增强相的非均质混合物，非均质混合物，共同点是具有连续的金属基体。共同点是具有连续的金属基体。第3页，本讲稿共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选择金属基体材料最重要的依据，也是其发展的动的

3、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、航空技在航天、航空技术中高比中高比强度和比模量以及尺寸度和比模量以及尺寸稳定性定性是最重要的性能要求。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合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4页，本讲稿共56页5v高性能航空高性能航空发动机、燃气机、燃气轮机：要求有高比机：要求有高比强度和比模

4、量，度和比模量，还要具有要具有优良的耐高温性能，良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。能在高温、氧化性气氛中正常工作。选择钛合金、合金、镍合金合金以及金属以及金属间化合物作化合物作为基体材料。如碳化硅基体材料。如碳化硅/钛、钨丝/镍基超合金基超合金复合材料可用于复合材料可用于喷气气发动机叶片、机叶片、转轴等重要等重要零件。零件。第5页，本讲稿共56页6v在汽在汽车发动机中要求其零件耐机中要求其零件耐热、耐磨、耐磨、导热、一定的高温、一定的高温强度等，同度等，同时又要求成本低又要求成本低廉，适合于批量生廉，适合于批量生产。v选用用铝合金作基体材料与陶合金作基体材料与陶瓷瓷颗粒、短粒、短

5、纤维组成成颗粒粒（短（短纤维）/铝基复合材料。基复合材料。如碳化硅如碳化硅/铝复合材料、碳复合材料、碳纤维或氧化或氧化铝纤维/铝复合复合材料可制作材料可制作发动机活塞、缸机活塞、缸套等零件。套等零件。第6页，本讲稿共56页7v 19631963年，年，NASANASA制制备出出钨丝增增强CuCu基复合材料，是基复合材料，是纤维增增强金金属基复合材料的研究起点，属基复合材料的研究起点，SiC/Al,AlSiC/Al,Al2 2O O3 3/Al/Al；v 19781978年年B/AlB/Al复合材料在哥复合材料在哥伦比比亚航天航天飞机上机上应用；用；v 1964 1964年，年，KraftKra

6、ft通通过共晶合金定向凝固制共晶合金定向凝固制备出金属基复合出金属基复合材料，界面材料，界面结合良好，合良好，Ni-NiNi-Ni3 3AlAl，Ni-NiNi-Ni3 3SiSi；v 2020世世纪8080年代，金属基复合材料迅速年代，金属基复合材料迅速发展，开始注重展，开始注重颗粒、粒、晶晶须和短和短纤维增增强金属基复合材料，在汽金属基复合材料，在汽车、体育用品等、体育用品等领域域得到得到应用；用；v 9090年代后期，年代后期，电子子产品和技品和技术迅速迅速发展，低膨展，低膨胀、高、高强度和度和高高导热性的金属基复合材料在性的金属基复合材料在电子子产品得到品得到应用；用；v 近年，功能和

7、近年，功能和纳米金属基复合材料成米金属基复合材料成为研究研究热点。点。金属基复合材料的发展金属基复合材料的发展第7页，本讲稿共56页8金属基复合材料的分类金属基复合材料的分类vv铝铝基复合材料基复合材料基复合材料基复合材料vv镁镁基复合材料基复合材料基复合材料基复合材料vv钛钛基复合材料基复合材料基复合材料基复合材料vv镍镍基复合材料基复合材料基复合材料基复合材料vv铜铜基复合材料基复合材料基复合材料基复合材料基基体体vv颗颗粒增粒增粒增粒增强强金属基复合材金属基复合材金属基复合材金属基复合材料料料料vv短短短短纤维纤维、晶、晶、晶、晶须须增增增增强强金属金属金属金属基复合材料基复合材料基复合

8、材料基复合材料vv长纤维强长纤维强金属基复合材金属基复合材金属基复合材金属基复合材料料料料vv层层状复合材料状复合材料状复合材料状复合材料增增强体体第8页，本讲稿共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基复合材料是金属基复合材料中发发展最快展最快展最快展最快、应应用得用得用得用得最广最广最广最广的一种。的一种。v 金属金属铝为面心立方面心立方面心立方面心立方结构，无同素异构体，密度构，无同素异构体，密度为钢的的1/3左右，具有良好的左右，具有良好的塑性和塑性和塑性和塑性和韧韧性性性性，以及，以及易加工性易加工性易加工性易加工性、工程可靠性工程可靠性工程可靠性工程可靠性及

9、及价格低廉价格低廉价格低廉价格低廉等等优点，在工程上广泛点，在工程上广泛应用。用。v 工工业纯铝：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9页，本讲稿共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 金属基体与增金属基体与增强材料的材料的结结合合合合和和结结合方式合方式合方式合方式；v 金属基体金属基体/增增强材料材料界面界面界面界面和和界面界面界面界面产产物物物物在工在工艺过程中程中的形成及控制；的形成

10、及控制；vv 增增增增强强材料在金属基体中的分布材料在金属基体中的分布材料在金属基体中的分布材料在金属基体中的分布；v 防止防止连续纤维连续纤维在制在制在制在制备备工工工工艺过艺过程中的程中的程中的程中的损伤损伤；v 优化化工工工工艺艺参数参数参数参数，提高复合材料的，提高复合材料的性能和性能和性能和性能和稳稳定性定性定性定性，降，降低低成本成本成本成本。第10页，本讲稿共56页11根据各种方法的基本特点，把金属基复合材料的制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：备工艺分为四大类：(1)(1)(1)(1)固固固固态态法：法：法：法：扩扩散散散散结结合和粉末冶金；合和粉末

11、冶金；合和粉末冶金；合和粉末冶金；(2)(2)(2)(2)液液液液态态法：法：法：法：铸铸造法、造法、造法、造法、压铸压铸法、半固法、半固法、半固法、半固态态复合复合复合复合铸铸造、液造、液造、液造、液态态渗透以及渗透以及渗透以及渗透以及搅搅拌法和无拌法和无拌法和无拌法和无压压渗透法等；渗透法等；渗透法等；渗透法等；(3)(3)(3)(3)喷喷射与射与射与射与喷喷涂沉涂沉涂沉涂沉积积法；法；法；法；(4)(4)(4)(4)原位复合法：共晶合金定向凝固法、直接金原位复合法：共晶合金定向凝固法、直接金原位复合法：共晶合金定向凝固法、直接金原位复合法：共晶合金定向凝固法、直接金属氧化法、反属氧化法、

12、反属氧化法、反属氧化法、反应应自生成法。自生成法。自生成法。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11页，本讲稿共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12页，本讲稿共56页13扩散结合扩散结合v 扩散散结合也称合也称扩散粘接法或散粘接法或扩散散焊接法，是加接法，是加压焊接接的一种，包括的一种，包括热压法和法和热等静等静压法。法。v 在一定的温度和在一定的温度和压力下，把表面新力下，把表面新鲜清清洁的相同或不相同的金的相同或不相同的金属，通属，通过表面原子的互相表面原子的互相扩散而散而连接在一起。接在一起。v 扩散散结合是在合是在较长时间的高

13、温及不大的塑性的高温及不大的塑性变形作用下依靠接形作用下依靠接触部位原子触部位原子间的相互的相互扩散散进行的。行的。v 扩散散结合的合的过程：粘接表面之程：粘接表面之间的最初接触，由于加的最初接触，由于加热和加和加压使表面使表面发生生变形、移形、移动、表面膜破坏；、表面膜破坏；发生界面生界面扩散散和体和体扩散，使接触面密着粘接；散，使接触面密着粘接；热扩散界面最散界面最终消失，粘接消失，粘接过程完成。程完成。v 扩散散结合成合成为一种制造一种制造连续纤维增增强金属基复合材料的金属基复合材料的传统工工艺方法。方法。第13页，本讲稿共56页14vv 扩扩散散散散结结合工合工合工合工艺艺中，增中，增

14、强纤维与基体的与基体的结合主要分合主要分为三个关三个关键步步骤：纤维纤维的排布；的排布；的排布；的排布；复合材料的叠合和真空封装；复合材料的叠合和真空封装；复合材料的叠合和真空封装；复合材料的叠合和真空封装；热压热压。vv 预预制片的制制片的制制片的制制片的制备备：等离子：等离子：等离子：等离子喷喷涂法、箔粘接法及液涂法、箔粘接法及液涂法、箔粘接法及液涂法、箔粘接法及液态态金属浸金属浸金属浸金属浸渍渍法。法。法。法。vv 热压热压的工的工的工的工艺艺参数：温度、参数：温度、参数：温度、参数：温度、压压力及力及力及力及时间时间。vv 热压热压法的法的法的法的应应用：用：用：用：B/AlB/AlB

15、/AlB/Al、SiC/AlSiC/AlSiC/AlSiC/Al、SiC/TiC/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

16、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14页，本讲稿共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15页，本讲稿共56页16vv热热等静等静等静等静压压法法法法也是也是热压的一种，可用于制造形状复的一种，可用于制造形状复杂的金属基的金属基复合材料零件复合材料零件。vv热热等静等静等静等静压压法法法法用惰性气体加用惰性气体加用惰性气体加用惰性气体加压压，工件在各个方向上受到均匀，工件在各个方向上受到均匀，工件在各个方向上受到

17、均匀，工件在各个方向上受到均匀压压力的作用。在高力的作用。在高力的作用。在高力的作用。在高压压容器内容器内容器内容器内设设置加置加置加置加热热器，将金属基体与增器，将金属基体与增器，将金属基体与增器，将金属基体与增强强材料材料材料材料按一定比例混合或排布后，或将按一定比例混合或排布后，或将按一定比例混合或排布后，或将按一定比例混合或排布后，或将预预制片叠制片叠制片叠制片叠层层后放入金属包套中，后放入金属包套中，后放入金属包套中，后放入金属包套中，抽气密封后装入抽气密封后装入抽气密封后装入抽气密封后装入热热等静等静等静等静压压装置中加装置中加装置中加装置中加热热、加、加、加、加压压，复合成金属基

18、复，复合成金属基复，复合成金属基复，复合成金属基复合材料。合材料。合材料。合材料。vv应应用：用：用：用：钛钛、金属、金属、金属、金属间间化合物、超合金复合材料管、筒、柱状零化合物、超合金复合材料管、筒、柱状零化合物、超合金复合材料管、筒、柱状零化合物、超合金复合材料管、筒、柱状零件。件。件。件。vv优优点：基体与增点：基体与增点：基体与增点：基体与增强强物复合良好，物复合良好，物复合良好，物复合良好，组织组织致密，无致密，无致密，无致密，无缩缩孔、气孔等孔、气孔等孔、气孔等孔、气孔等缺陷，形状、尺寸精确，性能均匀。缺陷，形状、尺寸精确，性能均匀。缺陷，形状、尺寸精确，性能均匀。缺陷，形状、尺

19、寸精确，性能均匀。热等静压法热等静压法第16页，本讲稿共56页17v 采用采用扩散散结合方式制合方式制备金属基复合材料，金属基复合材料，工工工工艺艺相相相相对对复复复复杂杂，工工工工艺艺参数控制参数控制参数控制参数控制要求要求严格，格，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。成本高。v 但但扩扩散散散散结结合合合合是是连续纤维增增强并能按照并能按照铺层要求排布的唯一可要求排布的唯一可行的工行的工艺。v 在在扩散散结合工合工艺中，增中，增强纤维与基体的湿与基体的湿润问题容易解决，容易解决，而且在而且在热压时可通可通过控制工控制工艺参数的参数的办法来控制界面反法来控

20、制界面反应。vv 在金属基复合材料的早期生在金属基复合材料的早期生在金属基复合材料的早期生在金属基复合材料的早期生产产中大量采用中大量采用中大量采用中大量采用扩扩散散散散结结合工合工合工合工艺艺。扩散结合的特点扩散结合的特点第17页，本讲稿共56页18v 粉末冶金是用于制粉末冶金是用于制备与成型非与成型非连续增增强型金属基复合材料的型金属基复合材料的一种一种传统的固的固态工工艺法。法。v 利用粉末冶金原理，将基体金属粉末和增利用粉末冶金原理，将基体金属粉末和增强材料按材料按设计要求的要求的比例在适当的条件下均匀混合，然后再比例在适当的条件下均匀混合，然后再压坯、坯、烧结或或挤压成型，成型，或直

21、接用混合粉料或直接用混合粉料进行行热压、热轧制、制、热挤压成型，也可将混合成型，也可将混合料料压坯后加坯后加热到基体金属的固到基体金属的固-液相温度区液相温度区间内内进行半固行半固态成型，成型，获得复合材料或制件。得复合材料或制件。v 粉末冶金可用于粉末冶金可用于短短短短纤维纤维、颗颗粒粒粒粒或或晶晶晶晶须须增增强的金属基复合材料。的金属基复合材料。粉末冶金粉末冶金第18页，本讲稿共56页19v 粉末冶金成型主要包括混合、固化、粉末冶金成型主要包括混合、固化、压制三个制三个过程。程。v 工工艺是：采用超声波或球磨等方法将金属粉末与增是：采用超声波或球磨等方法将金属粉末与增强体体混匀，然后冷混匀

22、，然后冷压预成型，得到复合坯件，最后通成型，得到复合坯件，最后通过热压烧结致密化致密化获得复合材料成品。得复合材料成品。粉末冶金成型工艺粉末冶金成型工艺第19页，本讲稿共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20页，本讲稿共56页21 热热等静等静等静等静压压或或烧结烧结温度低于温度低于温度低于温度低于金属熔点，由于高温引起的增金属熔点，由于高温引起的增强材料与金材料与金属基体的属基体的界面反界面反界面反界面反应应少少少少，减小了界面反，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。复合材料性能的不利影响。同同时可以通可以通过热等静等

23、静压或或烧结时的的温度温度温度温度、压压力力力力和和时间时间等工等工艺参数来参数来控制界面反控制界面反应。可根据性能要求，使增可根据性能要求，使增强材料（材料（纤维、颗粒或晶粒或晶须）与基体金属粉）与基体金属粉末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，纤维纤维含量最高含量最高含量最高含量最高可达可达75%75%，颗颗粒含量粒含量粒含量粒含量可达可达50%50%以上，以上，这是液是液态法无法达到的。法无法达到的。粉末冶金法的优点粉末冶金法的优点 降低增降低增强材料与基体材料与基体互相湿互相湿互相湿互相湿润润及密度差及密度差及密度差及密度差的要求，使的要求，使颗粒或晶粒或晶须均

24、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。采用采用热热等静等静等静等静压压工工工工艺艺时，其，其组织细化、致密、均匀，一般不会化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使生偏析、偏聚等缺陷，可使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得到明显改善，提改善，提高复合材料的性能。高复合材料的性能。金属基复合材料可通金属基复合材料可通过传统的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，得到所行二次加工，得到所需形状的复合材料构件需形状的复合材料构件毛坯毛坯毛坯毛坯。第21页，本讲稿共56页22 工

25、工艺过程比程比较复复复复杂杂；金属基体必金属基体必须制成粉末，增如了工制成粉末，增如了工艺的的复复复复杂杂性性性性和和成本成本成本成本；在制在制备铝基、基、镁基复合材料基复合材料时，还要防止粉末引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22页，本讲稿共56页23v 也称也称熔熔熔熔铸铸法法法法，是指金属基复合材料在制造，是指金属基复合材料在制造过程中，金属基体程中，金属基体处于熔融于熔融状状态下与固体增下与固体增强物复合的方法。物复合的方法。v 包括包括铸造法、造法、压铸压铸法法法法、半固半固半固半固态态复合复合复合复合铸铸造造造造、液液液液态态渗透渗透渗透渗透

26、以及以及搅搅拌法拌法拌法拌法和和无无无无压压渗透法渗透法渗透法渗透法等。等。v 液液态法是目前制法是目前制备颗粒、晶粒、晶须和短和短纤维增增强金属基复合材料金属基复合材料的主要工的主要工艺方法。方法。vv 液液液液态态法主要特点是金属基体在制法主要特点是金属基体在制法主要特点是金属基体在制法主要特点是金属基体在制备备复合材料复合材料复合材料复合材料时时均均均均处处于液于液于液于液态态。v 与固与固态法相比，液法相比，液态法的工法的工艺及及设备相相对简便易行，与便易行，与传统金属材料的金属材料的成型工成型工艺，如，如铸造、造、压铸等方法等方法过程相似，制程相似，制备成本成本较低，得到低，得到较快

27、的快的发展。展。vv 为为减少高温下基体与增减少高温下基体与增减少高温下基体与增减少高温下基体与增强强材料之材料之材料之材料之间间的界面反的界面反的界面反的界面反应应，改善液，改善液，改善液，改善液态态金属基体与固金属基体与固金属基体与固金属基体与固态态增增增增强强体的体的体的体的润润湿性，通常采用加湿性，通常采用加湿性，通常采用加湿性，通常采用加压压浸渗、增浸渗、增浸渗、增浸渗、增强强材料表面（涂覆）材料表面（涂覆）材料表面（涂覆）材料表面（涂覆）处处理、基理、基理、基理、基体中添加合金元素等措施。体中添加合金元素等措施。体中添加合金元素等措施。体中添加合金元素等措施。液态法液态法第23页，

28、本讲稿共56页24v 在在铸造生造生产中，用大气中，用大气压力重力力重力铸造法造法难以以获得致密的得致密的铸件件时，常采用真空，常采用真空铸造法和加造法和加压铸造法。造法。v 为使金属液能充分浸渗到使金属液能充分浸渗到预成型体成型体纤维间隙内，制得致密隙内，制得致密铸件的加件的加压铸造法有高造法有高压凝固凝固铸造法和造法和压铸法。法。铸造法铸造法第24页，本讲稿共56页25v 将将纤维与粘接与粘接剂制成的制成的预制件放在模具中加制件放在模具中加热到一定温度，到一定温度，再将熔融金属液注入模具中，迅速合模加再将熔融金属液注入模具中，迅速合模加压，使液，使液态金属以金属以一定速度浸透到一定速度浸透

29、到预制件中，粘制件中，粘结剂受受热分解除去，冷却后得分解除去，冷却后得到复合材料制品。到复合材料制品。v 为避免气体或避免气体或杂质等的等的污染，整个工染，整个工艺过程在真空条件下程在真空条件下进行。行。v 纤维与金属在高温与金属在高温时间短，界面反短，界面反应层厚度小，可用于加工厚度小，可用于加工复复杂形状的制品，致密性好，形状的制品，致密性好，纤维损伤少。少。高压凝固铸造法高压凝固铸造法第25页，本讲稿共56页26v 制造碳化硅制造碳化硅纤维增增强铝基复合材料的新工基复合材料的新工艺。在。在铸型内形成一型内形成一定定负压条件，使液条件，使液态金属或金属或颗粒增粒增强金属基复合材料自上而下吸

30、金属基复合材料自上而下吸入型腔凝固后形成固件的工入型腔凝固后形成固件的工艺方法。方法。v Al-10%SiAl-10%Si合金合金为基体，基体，700-750700-750吸吸铸温度可使温度可使CVDCVD法碳化硅法碳化硅纤维在在较短短时间内完成浸内完成浸润，纤维损伤少，棒材抗拉少，棒材抗拉强度达度达1600-1600-1700MPa1700MPa。真空吸铸法真空吸铸法第26页，本讲稿共56页27v 搅拌拌铸造法是最早用于造法是最早用于颗粒增粒增强金属基复合材料的一种弥散混合金属基复合材料的一种弥散混合铸造工造工艺。v 搅拌拌铸造法有两种方式：一种是在合金液造法有两种方式：一种是在合金液处于液

31、相于液相线温度以上温度以上进行行搅拌，称拌，称为“液液态搅拌拌”；另一种是合金液；另一种是合金液处于固相于固相线与液与液相相线之之间进行行搅拌，称拌，称为“半固半固态搅拌拌铸造法造法”或或“流流变铸造造”。搅拌铸造法搅拌铸造法第27页，本讲稿共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28页，本讲稿共56页29v 利用超声波在利用超声波在铝合金熔体中合金熔体中产生的声空化效生的声空化效应和声流效和声流效应所引起的力学效所引起的力学效应中的中的搅拌、分散、除气等来促使拌、分散、除气等来促使颗粒粒混入混入铝合金熔体，改善合金熔体，改善颗粒与熔体粒与熔体间的的润湿性，迫

32、使湿性，迫使颗粒粒在熔体中均匀分散。在熔体中均匀分散。v 是高效的复合方法，能在极短是高效的复合方法，能在极短时间内内实现颗粒在基体中的粒在基体中的润湿和分散，并能除气、除渣，是一种工湿和分散，并能除气、除渣，是一种工艺简单、成本低廉的制、成本低廉的制备方法。方法。高能超声法高能超声法第29页，本讲稿共56页30v 磁磁铁搅拌器的高速旋拌器的高速旋转在空在空间产生交生交变磁磁场，磁，磁场在空在空间感感应出交出交变的的电场，在，在导电的金属熔体内部的金属熔体内部产生交生交变的的电流，使熔体流，使熔体产生漩生漩涡，将加入的增，将加入的增强颗粒卷入金属熔体中。粒卷入金属熔体中。v 电磁力磁力对金属熔

33、体金属熔体进行行搅拌具有不直接接触、拌具有不直接接触、对金属熔金属熔体无体无污染等机械染等机械搅拌所无法比拌所无法比拟的的优点。点。磁力搅拌法磁力搅拌法第30页，本讲稿共56页31v 压铸成型是指在成型是指在压力作用下将液力作用下将液态或半液或半液态金属基复合金属基复合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压铸模型腔模型腔模型腔模型腔或或增增增增强强材料材料材料材料预预制体的制体的制体的制体的孔隙孔隙孔隙孔隙中，在中，在压力下快速凝固成型而制力下快速凝固成型而制备金属基复合材料的工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 压铸压铸成型法的具体工成型法的具体工成型法

34、的具体工成型法的具体工艺艺 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，顶出，制得所需形状及尺寸的复合材料制得所需形状及尺寸的复合材料的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31页，本讲稿共56页32v 压铸工工艺中，影响金属基复合材料性能的工中，影响金属基复合材料性能的工艺因素主要有四个：因素主要有四个：熔融金

35、属的温度、熔融金属的温度、模具模具预热温度、温度、使用的最大使用的最大压力、力、加加压速度。速度。v 在采用在采用预制增制增强材料材料块时，为了了获得无孔隙的复合材料，一般得无孔隙的复合材料，一般压力不低于力不低于50MPa50MPa，加，加压速度以使速度以使预制件不制件不变形形为宜，一般宜，一般为1-1-3cm/s3cm/s。v 对于于铝基复合材料，熔融金属温度一般基复合材料，熔融金属温度一般为700-800700-800，预制件和制件和模具模具预热温度一般可控制在温度一般可控制在500-800500-800，并可相互，并可相互补偿，如前者高，如前者高些，后者可以低些，反之亦然。些，后者可以

36、低些，反之亦然。v 采用采用压铸法生法生产的的铝基复合材料的零部件，其基复合材料的零部件，其组织细化、无气孔，可化、无气孔，可以以获得比一般金属模得比一般金属模铸件性能件性能优良的良的压铸件。件。v 与其他金属基复合材料制与其他金属基复合材料制备方法相比，方法相比，压铸工工艺设备简单，成，成本低，材料的本低，材料的质量高且量高且稳定，易于工定，易于工业化生化生产。压铸成型法的特点压铸成型法的特点第32页，本讲稿共56页33v 采用采用铸造的方法使两种熔点不同的液造的方法使两种熔点不同的液态金属先后熔金属先后熔铸在一起在一起或一种液或一种液态金属与一种固金属与一种固态金属凝金属凝铸在一起。在一起

37、。v 现代液代液-固相复合技固相复合技术以液以液态金属快速非平衡凝固和半固金属快速非平衡凝固和半固态直接直接塑性成型塑性成型为特征，控制异种材料复特征，控制异种材料复杂界面反界面反应的方向和限度，保的方向和限度，保证复合界面良好复合界面良好结合、复合材料的高合、复合材料的高质量和复合工量和复合工艺的高效率。的高效率。熔铸复合法熔铸复合法第33页，本讲稿共56页34电磁控制连铸工艺原理电磁控制连铸工艺原理第34页，本讲稿共56页35v 采用采用搅拌法制拌法制备金属基复合材料金属基复合材料时，常，常常会由于常会由于强烈烈搅拌将气体或表面金属氧化拌将气体或表面金属氧化物卷入金属熔体中；同物卷入金属熔

38、体中；同时当当颗粒与金属基粒与金属基体湿体湿润性差性差时，颗粒粒难以与金属基体复合，以与金属基体复合，而且而且颗粒在金属基体中由于比重关系而粒在金属基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。以得到均匀分布，影响复合材料性能。v 半固半固态复合复合铸造主要是造主要是针对搅搅拌法的缺点拌法的缺点拌法的缺点拌法的缺点而提出的改而提出的改进工工艺。这种方法是将种方法是将颗粒加入粒加入处于半固于半固态的金属基体中，通的金属基体中，通过搅拌使拌使颗粒粒在金属基体中均匀分布，并取得良好的界面在金属基体中均匀分布，并取得良好的界面结合，然后合，然后浇注成型或将半固注成型或将半固态复合材料注复合材

39、料注入模具中入模具中进行行压铸成型。成型。半固态复合铸造半固态复合铸造第35页，本讲稿共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液相液相液相线线与固相与固相与固相与固相线线之之间，通，通过搅拌使拌使部分部分树树枝状枝状枝状枝状结结晶体晶体晶体晶体破碎成固相破碎成固相颗粒，熔体中的固相粒，熔体中的固相颗粒是一种粒是一种非枝晶非枝晶非枝晶非枝晶结结构构构构，可以防止半固，可以防止半固态熔体粘度的增加。熔体粘度的增加。当加入当加入预热后的后的增增增增强颗强颗粒粒粒粒时，因熔体中含有一定量的，因熔体中含有一定量的固相金属固相金属固相金属固相金属颗颗粒粒粒粒，在，在搅拌中拌中增增增

40、增强颗强颗粒受阻粒受阻粒受阻粒受阻而滞留在半固而滞留在半固态金属熔体中，增金属熔体中，增强颗粒不粒不会会结结集和偏聚集和偏聚集和偏聚集和偏聚而得到一定的分散。而得到一定的分散。强烈的烈的搅搅拌作用促拌作用促拌作用促拌作用促进进增增强颗粒与金属熔体的接触、粒与金属熔体的接触、润润湿湿湿湿。浇注注时金属基复合材料是金属基复合材料是处于半固于半固态，直接，直接浇注成型或注成型或压铸成型成型所得的所得的铸件几乎没有件几乎没有缩孔或孔洞，孔或孔洞，组织细化和致密。化和致密。半固半固态复合复合铸造主要造主要应用于用于颗粒增粒增强金属基复合材料。短金属基复合材料。短纤维、晶、晶须在加入在加入时容易容易结团或

41、或缠结在一起，在一起，虽经搅拌也不易分散均匀。拌也不易分散均匀。半固态复合铸造的特点半固态复合铸造的特点第36页，本讲稿共56页37 半固半固态复合复合铸造工造工艺中，金属基体中，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使熔体达到使熔体达到30%-50%30%-50%固固态；搅搅拌速度拌速度拌速度拌速度应不不产生湍流生湍流以防止空气裹入，并使熔以防止空气裹入，并使熔体中体中枝晶破碎枝晶破碎枝晶破碎枝晶破碎形成固形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利粒，降低熔体的粘度，从而有利于增于增强颗粒的加入。粒的加入。主要控制工艺参数主要控制工艺参数第37页，本讲稿共56页38v 通通过纤维或或

42、纤维预制件浸制件浸渍熔融熔融态金属而制成金属基复合金属而制成金属基复合材料的方法。材料的方法。v 工工艺效率效率较高、成本高、成本较低，低，适用于制成板材、适用于制成板材、线材和棒材材和棒材等。等。v 加工加工时，可以抽真空，利用，可以抽真空，利用渗透渗透压迫使熔融金属浸透到迫使熔融金属浸透到纤维的的间隙中，也可以在熔融的隙中，也可以在熔融的金属一金属一侧用惰性气体或外用惰性气体或外载荷荷施加施加压力的方法力的方法实现渗透。渗透。熔融金属浸渗法熔融金属浸渗法第38页，本讲稿共56页39将增将增强材料制成材料制成预预制体制体制体制体，置于氧化，置于氧化铝容器内。容器内。将基体金属坯料置于可渗透的

43、将基体金属坯料置于可渗透的增增增增强强材料材料材料材料预预制体的制体的制体的制体的上部上部或下部。或下部。氧化氧化铝容器、容器、预制体和基体金属坯料均装入可通入流制体和基体金属坯料均装入可通入流动氮气的氮气的加加加加热热炉炉炉炉中。中。通通过加加热，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，并自发渗透渗透进入网入网络状状增增增增强强材材材材料料料料预预制体制体制体制体中。中。浸渗法的工艺过程浸渗法的工艺过程第39页，本讲稿共56页40vv 无无无无压压渗透工渗透工渗透工渗透工艺艺能明能明能明能明显显降低金属基复合材料的制造成本，降低金属基复合材料的制造成本，降低金属基复合材料的制

44、造成本，降低金属基复合材料的制造成本，复合材料的复合材料的复合材料的复合材料的刚刚度度度度显显著高于基体金属，但著高于基体金属，但著高于基体金属，但著高于基体金属，但强强度度度度较较低。低。低。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，放入同样形状的预制成零件的形状，放入同样形状的刚刚刚刚玉陶瓷槽内玉陶瓷槽内玉陶瓷槽内玉陶瓷槽内，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强材增强材增强材增强材料预制体料预制体料预制体料预制体上，在流动的氮气气氛下，加热至上，在

45、流动的氮气气氛下，加热至800-1000800-1000，铝合金熔，铝合金熔化并自发渗入预制体内。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还有发生反应，在金属基复合材料的显微组织中还有AlNAlN。控制。控制氮气流量氮气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的生成量。的生成量。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，降低热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数热膨胀系数的作用

46、。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。无压浸渗法无压浸渗法第40页，本讲稿共56页41加压熔浸装置加压熔浸装置第41页，本讲稿共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42页，本讲稿共56页43v 将将基体金属基体金属基体金属基体金属在坩在坩埚中熔化后，中熔化后，在在压力作用下通力作用下通过喷咀送入咀送入雾化化器

47、，在高速惰性气体射流的作用器，在高速惰性气体射流的作用下，下，液液液液态态金属被分散金属被分散金属被分散金属被分散为细为细小的液小的液小的液小的液滴滴滴滴，形成所，形成所谓“雾雾化化化化锥锥”；v 通通过一个或多个一个或多个喷喷咀咀咀咀向向“雾化化锥”喷射入射入增增增增强颗强颗粒粒粒粒，使之与，使之与金属金属金属金属雾雾化液滴化液滴化液滴化液滴一一齐在基板（收集在基板（收集器）上沉器）上沉积，并快速凝固形成，并快速凝固形成颗粒增粒增强金属基复合材料。金属基复合材料。喷射沉积法喷射沉积法第43页，本讲稿共56页44 工工工工艺艺流程短流程短流程短流程短，工序工序工序工序简单简单，喷射射沉沉沉沉积

48、积效率高效率高效率高效率高，有利于工，有利于工业化生化生产；高致密度高致密度高致密度高致密度，直接沉，直接沉积的复合材料密的复合材料密度一般可达到理度一般可达到理论的的95%-98%95%-98%；属属快速凝固方法快速凝固方法快速凝固方法快速凝固方法，冷速可达，冷速可达10103 3-10106 6 K/s K/s，金属，金属晶粒及晶粒及晶粒及晶粒及组织细组织细化化化化，消除了，消除了宏宏宏宏观观偏析偏析偏析偏析，合金成分均匀合金成分均匀合金成分均匀合金成分均匀，同，同时增增强材料材料与金属液滴接触与金属液滴接触时间短，短，很少或没有界面很少或没有界面很少或没有界面很少或没有界面反反反反应应；

49、喷射沉积法的优点喷射沉积法的优点 具有具有通用性通用性通用性通用性和和产产品多品多品多品多样样性性性性。工。工艺适于多种金属材料基体，适于多种金属材料基体，如高、低合金如高、低合金钢、铝及及铝合金、高温合金等。通合金、高温合金等。通过设计雾化器化器和收集器的形状和一定的机械运和收集器的形状和一定的机械运动，直接形成，直接形成盘盘、棒棒棒棒、管管管管和和板板板板带带等接近等接近零件零件零件零件实际实际形状形状形状形状的复合材料的坯料。的复合材料的坯料。第44页，本讲稿共56页45原位自生成法原位自生成法v 在复合材料制造在复合材料制造过程中，增程中，增强材料在基体中生成和生材料在基体中生成和生长

50、的方的方法称作原位自生成法。法称作原位自生成法。v 在金属基复合材料制在金属基复合材料制备过程中，程中，经常遇到两个常遇到两个问题：一是增：一是增强材料与金属基体之材料与金属基体之间的相容性（即的相容性（即润湿性）湿性）问题，二是无，二是无论固固态法法还是液是液态法，增法，增强材料与金属基体之材料与金属基体之间的界面都存在界的界面都存在界面反面反应。增。增强材料与金属基体之材料与金属基体之间的相容性影响金属基复合材的相容性影响金属基复合材料在高温制料在高温制备和高温和高温应用中的性能和性能用中的性能和性能稳定性。定性。v 如果增如果增强材料（材料（纤维、颗粒或晶粒或晶须）能从金属基体中直接）能