《复合材料教学课件》6金属基复合材料.ppt

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1、第九章 金属基复合材料第九章 金属基复合材料（MMC）一、金属基复合材料概述二、金属基复合材料的制备工艺三、金属基复合材料的界面和界面设计四、金属基复合材料的的性能一、金属基复合材料概述一、金属基复合材料概述随着现代科学技术的飞速发展，人们随着现代科学技术的飞速发展，人们对对材科的要求材科的要求越来越高。越来越高。在在结构材料结构材料方面，方面，不但要求不但要求强度高强度高，还，还要求其要求其重量要轻重量要轻，尤其是在航空航天领域。，尤其是在航空航天领域。金属基复合材料金属基复合材料正是为了满足上述要求正是为了满足上述要求而诞生的。而诞生的。金属基复合材料金属基复合材料相对于相对于传统的金属材

2、传统的金属材料料来说，来说，具有具有较高的较高的比强度比强度与与比刚度比刚度；而与而与树脂基复合材料树脂基复合材料相比，它又相比，它又具有具有优良的优良的导电性导电性与与耐热性耐热性；与与陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又相比，它又具有具有高韧性高韧性和和高冲击性能高冲击性能。金属基复合材料金属基复合材料的这些的这些优良的性能优良的性能决决定了它已定了它已从诞生之日从诞生之日起起就成了新材料家族就成了新材料家族中的重要一员，它已经在中的重要一员，它已经在一些领域里得到一些领域里得到应用并且其应用领域应用并且其应用领域正在逐步正在逐步扩大扩大。1-1、按增强材料分类：纤维增强金属基复合材料 颗粒、晶

3、须增强金属基复合材料1-2、按基体材料分类：铝基复合材料 镁基复合材料 钛基复合材料 高温合金基复合材料 金属间化合物基复合材料 1、金属基复合材料的分类 1）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能；2）增强相/基体的界面优化、界面设计；3）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本；4）新型增强剂的研究开发；5）复合材料的扩大应用。2、金属基复合材料的研究重点1、金属基复合材料的制备工艺概述2、先驱（预制）丝（带、板）的制备3 3、金属基复合材料的成型技术、金属基复合材料的成型技术 固态法（连续增强相金属基复合材料的制备工艺）液态法（非连续增强相金属基复合材料的制备工艺）原位

4、（in situ）生长（复合法）二、金属基复合材料的制备工艺 1、金属基复合材料制备工艺概述 1-1 金属基复合材料制备工艺的研究内容以及选择原则：1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合：增强剂与基体之间应具有良好的物理相容性和化学相容性。另外，如果在复合材料中使用高强度的纤维，就必须寻找具有高断裂功的基体材料。在这方面，固态法制备方法更好一些，因铸造合金一般具有较低的断裂韧性。2）界面的形成及机制，界面产物的控制及界面设计；3）增强剂在基体中的均匀分布：在选择制备方法时，应选择那些使得增强剂更均匀、均质排布（分布）的方法。在这方面，液态法与固态法相比较差。4）制备工艺方法及参数的选择和优

5、化；5）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景。1-2、金属基复合材料制备工艺的分类：1）固态法：真空热压扩散结合、超塑性成型/扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、喷射成型法、半固态铸造。3）原位生长法。1-3、连续增强相金属基复合材料的制备工艺 铝合金 固态、液态法 碳纤维 镁合金 固态、液态法 硼纤维 钛合金 固态法 SiC纤维 高温合金 固态法 氧化铝纤维 金属间化合物 固态法1-4、不连续增强相金属基复合材料的制备工艺 铝合金 固态、液态、原位生长、喷射成型法 颗粒 镁合金 液态法 晶须 钛合金 固态、液态法、原位生长法 短纤维 高温合金 原

6、位生长法 金属间化合物 粉末冶金、原位生长法2、先驱（预制）丝（带、板）的制备2-1 纤维/（基体箔材）聚合物粘结剂先驱（预制）带（板）(图 9-1)：缠绕鼓(基体箔材)纤维定向定间距缠绕涂敷聚合物粘结剂定位。图 9-1 纤维/聚合物粘结剂先驱（预制）带（板）2-2 等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：纤维定向定间距缠绕 等离子喷涂基体粉末定位（图9-2）图9-2 等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）示意图2-3 PVD法纤维/基体复合丝 采用磁控溅射等物理气相沉积（PVD）手段将基体金属均匀沉积到纤维表面（图9-3、4）上，形成纤维/基体复合丝。使用这种复合丝制备复合材料时

7、，主要是基体与基体之间的扩散结合，有利于材料界面的改善；同时通过控制基体沉积层的厚度可控制纤维的体积比。图 9-3 PVD法纤维/基体复合丝原理图 图 9-4 PVD法纤维表面金属基体沉积层 2-4 粉末法纤维/基体复合丝首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体粉末/聚合物粘接剂胶体，然后将纤维通过带有一定孔径毛细管的胶槽，在纤维表面均匀地涂敷上一层基体粉末胶体，干燥后形成一定直径的纤维/基体粉末复合丝。复合丝的直径取决于胶体的粘度、纤维走丝速度以及胶槽的毛细管孔径等。由于在复合材料制备过程中需要预先彻底除去复合丝中的聚合物粘接剂胶体，因此要求聚合物粘接剂具有在真空状态的低温下能够完全挥发

8、的特性。图9-5 粉末法纤维/基体复合丝示意图2-6 熔池法纤维/基体复合丝2-5 熔池法纤维/基体复合丝这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。如图9-6所示，对纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性，同时防止过量的脆性相Al4C3生成。3、金属基复合材料的成型技术、金属基复合材料的成型技术金属基复合材料的金属基复合材料的制备工艺方法制备工艺方法对复对复合材料的合材料的性能性能有很大的影响，有很大的影响，是金属基复是金属基复

9、合材料的合材料的重要研究内容重要研究内容之一。之一。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 金属基体与增强材料的金属基体与增强材料的结合结合和和结结合方式合方式；金属基体金属基体/增强材料增强材料界面界面和和界面产界面产物物在工艺过程中的形成及控制在工艺过程中的形成及控制；增强材料增强材料在金属基体中的在金属基体中的分布分布；防止防止连续纤维连续纤维在制备工艺过程中在制备工艺过程中的的损伤损伤；优化优化工艺参数工艺参数，提高复合材料的，提高复合材料的性能和稳定性性能和稳定性，降低，降低成本成本。根据各种根据各种方法的基本特点方法的基本特点方法的基本特点方法的基本特点，把把金属基复

10、合金属基复合金属基复合金属基复合材料的制备工艺材料的制备工艺材料的制备工艺材料的制备工艺分为三大类：分为三大类：(1)(1)固态固态固态固态法；法；法；法；(2)(2)液态液态液态液态法；法；法；法；(3)(3)原位复合原位复合原位复合原位复合法。法。法。法。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(1)固态法固态法固态制备工艺主要为固态制备工艺主要为扩散结合扩散结合和和粉末粉末治金治金两种方法。两种方法。1)扩散结合扩散结合在一定的在一定的温度和压力温度和压力下，把表面下，把表面新鲜清洁新鲜清洁的的相同或不相同相同或不相同的金属，通过的金属，通过表面原子的互相扩散表面原子的互

11、相扩散表面原子的互相扩散表面原子的互相扩散而连接在一起。而连接在一起。因而，扩散结合也成为一种制造因而，扩散结合也成为一种制造连续纤维增连续纤维增连续纤维增连续纤维增强金属基复合材料强金属基复合材料强金属基复合材料强金属基复合材料的的传统工艺方法传统工艺方法。扩散结合工艺扩散结合工艺中，中，增强纤维与基体的增强纤维与基体的结合结合主要分为三个关键步骤：主要分为三个关键步骤：纤维的排布；纤维的排布；复合材料的叠合和真空封装；复合材料的叠合和真空封装；热压。热压。采用采用扩散结合方式扩散结合方式制备金属基复合材料，制备金属基复合材料，工工工工艺相对复杂艺相对复杂艺相对复杂艺相对复杂，工艺参数控制工

12、艺参数控制工艺参数控制工艺参数控制要求严格，要求严格，纤维排布、纤维排布、叠合以及封装手工操作多叠合以及封装手工操作多，成本高成本高。但但扩散结合扩散结合扩散结合扩散结合是是连续纤维增强连续纤维增强并能并能按照铺层要按照铺层要求排布的求排布的惟一可行的工艺。惟一可行的工艺。在在扩散结合工艺扩散结合工艺扩散结合工艺扩散结合工艺中，中，增强纤维与基体增强纤维与基体的的湿湿湿湿润问题润问题润问题润问题容易解决，而且容易解决，而且在热压时在热压时可通过可通过控制工控制工控制工控制工艺参数艺参数艺参数艺参数的办法来的办法来控制界面反应控制界面反应控制界面反应控制界面反应。因此，在金属基复合材料的因此，在

13、金属基复合材料的早期生产早期生产早期生产早期生产中大中大量采用量采用扩散结合工艺扩散结合工艺扩散结合工艺扩散结合工艺。扩散结合工艺法可分为：真空热压扩散结合超塑性成型/扩散结合模压热等静压3-1 真空热压扩散结合 图9-6 真空热压扩散结合工艺流程示意图 3 2 热等静压（HIPHIP）图9-8 热等静压制备金属基复合材料管材示意图 3 3 模压成型（Mold Forming）图 9-9 模压成型制备金属基复合材料示意图 3-4 超塑性成型/扩散结合（SPF/DB）超塑性：材料在低负载作用下，拉伸变形时不发生缩颈，也不发生断裂，延伸率可达 100%到 2000%的现象。塑性流变和应变速度的关系

14、如下：=K(e)m 式中：流变应力；e：应变速度；K：常数；m：应变速度敏感指数，衡量超塑性的重要参数。影响超塑性的因素：1）形变速度：10-4 10-1/分2）温度：0.5T m，达到相变临界点以下的某一温度可得到最大的m值和延伸率。3）晶粒度：稳定、等轴、复相直径为0.5 5 m的细晶粒。3-5 超塑性成型/扩散结合（SPF/DB）图 9-10 超塑性成型/扩散结合法制备金属基复合材料叶片示意图 2)粉末冶金粉末冶金粉末冶金既可用于粉末冶金既可用于连续长纤维连续长纤维增强，增强，又可用于又可用于短纤维短纤维、颗粒颗粒或或晶须晶须增强的增强的金金属基复合材料属基复合材料。在粉未冶金法中，在粉

15、未冶金法中，长纤维增强金属基复长纤维增强金属基复合材料合材料分两步进行。分两步进行。首先是将首先是将预先设计好的一定体积百分比预先设计好的一定体积百分比的的长纤维和金属基体粉末长纤维和金属基体粉末混装于容器中，在混装于容器中，在真空或保护气氛真空或保护气氛下下预烧结预烧结。然后将然后将预烧结体预烧结体进行进行热等静压热等静压加工。加工。一般情况下，采用一般情况下，采用粉未冶金工艺粉未冶金工艺制制备的备的长纤维增强金属基复合材料中长纤维增强金属基复合材料中，纤，纤维的维的体积百分含量体积百分含量为为40%60%，最多，最多可达可达75%。图9-11 粉末（冶金）法制备金属基复合 材料示意图 粉末

16、冶金法制备非连续增强相金属基复合材料制备流程图粉末冶金法五大优点粉末冶金法五大优点 热等静压热等静压热等静压热等静压或或烧结温度烧结温度烧结温度烧结温度低于低于低于低于金属熔点，因而金属熔点，因而由高温引起的增强材料与金属基体的由高温引起的增强材料与金属基体的界面反应少界面反应少界面反应少界面反应少，减小了界面反应对复合材料性能的不利影响减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。同。同时可以通过时可以通过热等静压或烧结时热等静压或烧结时的的温度温度温度温度、压力压力压力压力和和时时时时间间间间等工艺参数来等工艺参数来控制界面反应控制界面反应。可根据性能要求，使增强材料（纤维、可根据性能要求，使增

17、强材料（纤维、颗粒或晶须）与基体金属粉末颗粒或晶须）与基体金属粉末以任何比例混以任何比例混合合，纤维含量最高纤维含量最高可达可达75%，颗粒含量颗粒含量可达可达50%以上，这是液态法无法达到的。以上，这是液态法无法达到的。可可降低降低增强材料与基体增强材料与基体互相湿润互相湿润的要的要求，也求，也降低降低了了增强材料与基体粉未增强材料与基体粉未的的密度差密度差的要求，使的要求，使颗粒或晶须颗粒或晶须均匀分布均匀分布在在金属基复金属基复合材料合材料的基体中。的基体中。采用采用热等静压工艺热等静压工艺时，其时，其组织细化组织细化、致密致密、均匀均匀，一般不会产生，一般不会产生偏析、偏聚偏析、偏聚等

18、等缺陷缺陷，可使，可使孔隙和其他内部缺陷孔隙和其他内部缺陷得到明显得到明显改善，从而提高复合材料的性能。改善，从而提高复合材料的性能。粉未冶金法粉未冶金法制备的制备的金属基复合材料金属基复合材料可通过传统的可通过传统的金属加工方法金属加工方法进行二次加工。进行二次加工。可以可以得到所需形状的复合材料构件得到所需形状的复合材料构件的的毛坯毛坯。工艺过程比较工艺过程比较复杂复杂；金属基体必须制成粉末，增如了工金属基体必须制成粉末，增如了工艺的艺的复杂性复杂性和和成本成本；在制备铝基复合材料时，还要防止在制备铝基复合材料时，还要防止铝粉引起的铝粉引起的爆炸爆炸。粉末冶金法主要缺点粉末冶金法主要缺点

19、固态法制备工艺中扩散是传质的唯一机理。温度、时间及压力是固态法制备工艺方法的主要参数。1)温度、时间:1）D=D0 exp（-Q/RT）D：扩散系数；Q：扩散激活能。X=k t 1/2 X：反应层厚度；k：反应速度常数。2)压力：促进结合面的接触及在一定温度下的金属基体的塑性流动。3)结合面的清洁度：3）固态法制备工艺方法及参数的选择 和优化固态法工艺的主要参数：2液态法液态法液态法亦称为液态法亦称为熔铸法熔铸法，其中包括，其中包括压铸压铸、半固态复合铸造半固态复合铸造、液态渗透液态渗透以及以及搅拌法搅拌法和和无压渗透法无压渗透法等。等。液态法是目前制备液态法是目前制备颗粒颗粒、晶须晶须和和短

20、纤维短纤维增强金属基复合材料的增强金属基复合材料的主要工艺方法主要工艺方法。液态法液态法主要特点主要特点是金属基体是金属基体在制备复合在制备复合材料时材料时均处于液态。均处于液态。与固态法相比，液态法的与固态法相比，液态法的工艺及设备相工艺及设备相对简便易行对简便易行，与传统金属材料的成型工艺，与传统金属材料的成型工艺，如铸造、压铸等方法非常相似，如铸造、压铸等方法非常相似，制备成本较制备成本较低低，因此液态法得到较快的发展。，因此液态法得到较快的发展。1)压铸压铸压铸成型是指压铸成型是指在压力作用下在压力作用下将液态或半将液态或半液态金属基复合材料或金属液态金属基复合材料或金属以一定速度以一

21、定速度充填充填压铸模型腔压铸模型腔或或增强材料预制体的孔隙增强材料预制体的孔隙中，中，在在压力下压力下快速快速凝固成型凝固成型而制备金属基复合材料而制备金属基复合材料的工艺方法。的工艺方法。图9-13 压铸法制备工艺示意图 图9-14 真空吸铸和反压铸造示意图 压铸成型法的具体工艺压铸成型法的具体工艺首先将首先将包含有增强材料的金属熔体包含有增强材料的金属熔体倒入倒入预热预热预热预热摸具中摸具中摸具中摸具中后，迅速加压，压力约为后，迅速加压，压力约为70100MPa，使，使液态金属基复合材料液态金属基复合材料在压力下凝固。在压力下凝固。待复合材料待复合材料完全固化后完全固化后完全固化后完全固化

22、后顶出，即制得所需形顶出，即制得所需形状及尺寸的金属基复合材料的状及尺寸的金属基复合材料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。压铸工艺中，影响压铸工艺中，影响金属基复合材料性能金属基复合材料性能的的工艺因素工艺因素主要有四个：主要有四个：熔融金属的温度熔融金属的温度、模具预热温度模具预热温度 使用的最大压力使用的最大压力、加压速度加压速度。在采用在采用预制增强材料块预制增强材料块时，为了获得时，为了获得无孔隙无孔隙的复合材料，一般的复合材料，一般压力压力不低于不低于50MPa，加压速度加压速度以以使预制件不变形使预制件不变形为宜，为宜，一般为一般为13cm/s。对于对于铝基复合材

23、料铝基复合材料，熔融金属温度一般，熔融金属温度一般为为700800，预制件和模具预热温度预制件和模具预热温度一般可一般可控制在控制在500800，并，并可相互补偿，如前者高可相互补偿，如前者高些，后者可以低些，些，后者可以低些，反之亦然。反之亦然。采用采用压铸法压铸法生产的生产的铝基复合材料铝基复合材料的零的零部件，其部件，其组织细化组织细化、无气孔无气孔，可以获得比，可以获得比一般一般金属模铸件金属模铸件性能优良的压铸件。性能优良的压铸件。与其他金属基复合材料制备方法相比与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺压铸工艺设备简单设备简单，成本低成本低，材料的，材料的质量质量高且稳定高且稳定，

24、易于，易于工业化工业化生产。生产。2)半固态复合铸造半固态复合铸造半固态复合铸造半固态复合铸造主要是针对主要是针对搅拌法的缺点搅拌法的缺点搅拌法的缺点搅拌法的缺点而提而提出的出的改进工艺。改进工艺。这种方法是将颗粒加入处于半固态的金属基体这种方法是将颗粒加入处于半固态的金属基体中，通过搅拌使颗粒中，通过搅拌使颗粒在金属基体中在金属基体中均匀分布，并取均匀分布，并取得良好的界面结合，然后得良好的界面结合，然后浇注成型浇注成型浇注成型浇注成型或将或将半固态复合半固态复合材料材料注入模具中注入模具中进行进行压铸成型压铸成型压铸成型压铸成型。通常采用通常采用搅拌法制备金属基复合材料搅拌法制备金属基复合

25、材料搅拌法制备金属基复合材料搅拌法制备金属基复合材料时，常常时，常常会由于会由于强烈搅拌强烈搅拌将将气体或表面金属氧化物卷入金属气体或表面金属氧化物卷入金属熔体中熔体中；同时同时当颗粒与金属基体当颗粒与金属基体湿润性差湿润性差湿润性差湿润性差时，时，颗粒难以颗粒难以与金属基体复合，而且颗粒与金属基体复合，而且颗粒在金属基体中在金属基体中由于比重由于比重关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。关系而难以得到均匀分布，影响复合材料性能。图9-15 半固态复合铸造原理图 半固态复合铸造的原理半固态复合铸造的原理是将是将金属熔体的温度金属熔体的温度控制在控制在液相线液相线与固相线与固相线之间，通过搅

26、拌使部分之间，通过搅拌使部分树枝状结树枝状结晶体晶体破碎成破碎成固相颗粒固相颗粒，熔体中的固相颗粒，熔体中的固相颗粒是一种是一种非枝晶结钩非枝晶结钩，可以防止，可以防止半固态熔体半固态熔体粘度的增加粘度的增加。当加入当加入预热后的预热后的增强颗粒增强颗粒时，因熔体时，因熔体中含有一定量的中含有一定量的固相金属颗粒固相金属颗粒，在搅拌中，在搅拌中增增强颗粒受阻强颗粒受阻而滞留在半而滞留在半固态金属熔体固态金属熔体中，增中，增强颗粒不会强颗粒不会结集和偏聚结集和偏聚而得到一定的分散。而得到一定的分散。同时强烈的同时强烈的机械搅拌机械搅拌也使也使增强颗粒与增强颗粒与金属熔体金属熔体直接接触直接接触，

27、促进润湿促进润湿。主要控制工艺参数主要控制工艺参数 金属基体金属基体熔体的温度熔体的温度应使熔体达到应使熔体达到30%50%固态；固态；搅拌速度搅拌速度应应不产生湍流不产生湍流以防止空以防止空气裹入，并使熔体中气裹入，并使熔体中枝晶破碎枝晶破碎形成固态颗形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗增强颗粒粒的加入。的加入。由于浇注时由于浇注时金属基复合材料金属基复合材料是是处于处于半固态半固态，直接浇注成型直接浇注成型或或压铸成型压铸成型所得所得的铸件几乎的铸件几乎没有缩孔或孔洞没有缩孔或孔洞，组织细化组织细化和致密和致密。半固态复合铸造半固态复合铸造主要应用于

28、主要应用于颗粒增强颗粒增强金属基复合材料金属基复合材料，因短纤维、晶须在加入，因短纤维、晶须在加入时容易时容易结团或缠结结团或缠结在一起，虽经搅拌也不在一起，虽经搅拌也不易分散均匀，因而易分散均匀，因而不易采用此法不易采用此法来制备来制备短短纤维或晶须增强纤维或晶须增强金属基复合材料。金属基复合材料。3)无压渗透无压渗透工艺过程工艺过程如下：如下：是将是将增强材料增强材料制成制成预制体预制体，置于氧化，置于氧化铝容器内。铝容器内。再将再将基体金属坯料基体金属坯料置于可渗透的置于可渗透的增强增强材料预制体材料预制体上部。上部。氧化铝容器氧化铝容器、预制体预制体和和基体金属基体金属坯料坯料均装入均

29、装入可通入流动氮气可通入流动氮气的的加热炉加热炉中。中。通过加热，通过加热，基体金属熔化基体金属熔化，并自，并自发渗透进入网络状发渗透进入网络状增强材料预制体增强材料预制体中。中。图9-17 无压浸渗法（Lanxide法）工艺原理示意图 无压渗透工艺无压渗透工艺能较明显能较明显降低降低金属基复金属基复合材料的制造合材料的制造成本成本，但复合材料的，但复合材料的强度较强度较低低，而其，而其刚度刚度显著高于基体金属。显著高于基体金属。例如以例如以5560%Al2O3或或SiC预制成预制成零件零件的形状的形状，放入同样形状的，放入同样形状的刚玉陶瓷槽内刚玉陶瓷槽内，将含有将含有3%10%Mg的的铝合

30、金铝合金（基体）（基体）坯料坯料放置在放置在增强材料预制体增强材料预制体上，在流动的氮气上，在流动的氮气气氛下，加热至气氛下，加热至8001000，铝合金熔化铝合金熔化并自发渗入预制体内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发生反应，在金属发生反应，在金属基复合材料的显微组织中还有基复合材料的显微组织中还有AlN。控制控制氮气流量氮气流量、温度温度以及以及渗透速度渗透速度，可以控制可以控制AIN的生成量的生成量。AIN在在铝基复合材料铝基复合材料中起到提高复合中起到提高复合材料材料刚度刚度，降低，降低热膨胀系数热膨胀系数的作用。的作用。采用这种方法制备的采用这种方法制备的Al2O

31、3/Al的刚度的刚度是是铝合金基体铝合金基体的两倍，的两倍，而而SiC/Al的刚度的刚度也也达到钢的水平，但强度水平较低。达到钢的水平，但强度水平较低。4）喷射沉积）喷射沉积首先，将首先，将基体金属基体金属在坩埚中熔化后，在坩埚中熔化后，在在压力作用下压力作用下通过喷咀送入通过喷咀送入雾化器雾化器，在，在高速惰高速惰性气体射流性气体射流的作用下，的作用下，液态金属被分散为细液态金属被分散为细小的液滴小的液滴，形成所谓，形成所谓“雾化锥雾化锥”；然后，通过一个或多个然后，通过一个或多个喷咀喷咀向向“雾化雾化锥锥”喷射喷射入入增强颗粒增强颗粒，使之与，使之与金属雾化液金属雾化液滴滴一齐一齐在基板（

32、收集器）上沉积在基板（收集器）上沉积，并快速，并快速凝固形成凝固形成颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金属基复合材料，如下，如下图所示。图所示。雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图雾化金属液滴与颗粒共沉积示意图喷射沉积法的优越性喷射沉积法的优越性 该该工艺流程短工艺流程短，工序简单工序简单，喷射，喷射沉积沉积效率高效率高，有利于实现工业化生产。，有利于实现工业化生产。高致密度高致密度，直接沉积的复合材料密度，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的一般可达到理论的95%98%；属属快速凝固方法快速凝固方法，冷速可达，冷速可达103 106 K/s，故金属，故金属晶粒及组织细化晶粒及组织细化，消除了，消除了

33、宏观偏析宏观偏析，合金成分均匀合金成分均匀，同时增强材料同时增强材料与金属液滴接触时间短，与金属液滴接触时间短，很少或没有界面很少或没有界面反应反应；具有具有通用性通用性和和产品多样性产品多样性。该工艺。该工艺适于适于多种金属材料基体多种金属材料基体，如高、低合金钢、，如高、低合金钢、铝及铝合金、高温合金等。铝及铝合金、高温合金等。同时可同时可设计雾设计雾化器和收集器的形状化器和收集器的形状和一定的机械运动，和一定的机械运动，以直接形成以直接形成盘盘、棒棒、管管和和板带板带等接近等接近零件零件实际形状实际形状的的复合材料的坯料复合材料的坯料；3原位自生成法原位自生成法在复合材料制造过程中，在复

34、合材料制造过程中，增强材料增强材料在基体中在基体中生成和生长的方法生成和生长的方法称作称作原位自原位自生成法。生成法。在在金属基复合材料金属基复合材料制备过程中，往往制备过程中，往往会遇到两个问题：会遇到两个问题：一是增强材料与金属基体之间的一是增强材料与金属基体之间的相容相容性性（即润湿性）问题，（即润湿性）问题，二是无论固态法还是液态法，增强材二是无论固态法还是液态法，增强材料与金属基体之间的界面都存在料与金属基体之间的界面都存在界面反应界面反应。其中，其中，增强材料与金属基体增强材料与金属基体之间的之间的相容性相容性相容性相容性往往往影响金属基复合材料往影响金属基复合材料在高温制备和高温

35、应用在高温制备和高温应用中中的的性能性能性能性能和和性能稳定性性能稳定性性能稳定性性能稳定性。如果如果增强材料增强材料增强材料增强材料（纤维、颗粒或晶须）能（纤维、颗粒或晶须）能从金从金属基体中属基体中直接直接直接直接（即原位）（即原位）生成生成生成生成，则上述两个问题，则上述两个问题就可以得到较好的解决。就可以得到较好的解决。以以原位自生成法原位自生成法原位自生成法原位自生成法制造的金属基复合材料中，基体制造的金属基复合材料中，基体与增强材料间的与增强材料间的相容性好相容性好相容性好相容性好，界面干净界面干净界面干净界面干净，结合牢固结合牢固结合牢固结合牢固。特别当特别当增强材料与基体之间增

36、强材料与基体之间有有共格共格共格共格或或半共格半共格半共格半共格关系关系时，能非常时，能非常有效地传递应力有效地传递应力；而且，；而且，界面上不生成有界面上不生成有害的反应产物害的反应产物，因此这种复合材料有较优异的力学性，因此这种复合材料有较优异的力学性能。能。原位自生成原位自生成有三种方法有三种方法1)共晶合金共晶合金定向凝固法定向凝固法2)直接直接金属氧化法金属氧化法（DIMOXTM）3)反应反应自生成法自生成法（XDTM）1)共晶合金定向凝固法共晶合金定向凝固法增强材料增强材料以共晶的形式以共晶的形式从基体中从基体中凝固析出，凝固析出，通过控制通过控制冷凝方向冷凝方向，在基体中生长出，

37、在基体中生长出排列整排列整齐的齐的类似纤维的类似纤维的条状或片层状条状或片层状共晶增强材料共晶增强材料。以这种方式生产的以这种方式生产的镍基镍基、钴基钴基定向凝固定向凝固共晶复合材料共晶复合材料已得到应用。已得到应用。定向凝固共晶定向凝固共晶复合材料的复合材料的原位生长原位生长必必须满足三个条件：须满足三个条件：有有温度梯度温度梯度（GL）的加热方式；）的加热方式；满足满足平面凝固条件平面凝固条件；两相的两相的成核和生长成核和生长要要协调进行协调进行。二元共晶材料的二元共晶材料的平面凝固条件平面凝固条件平面凝固条件平面凝固条件是：是：其中，其中，C0为合金成份；为合金成份；GL为液相温度梯度；

38、为液相温度梯度；R为凝固速度；为凝固速度；mL为液相线斜率；为液相线斜率；CE为共晶成份；为共晶成份；DL为溶质在液相中的扩散系数。为溶质在液相中的扩散系数。定向凝固共晶定向凝固共晶复合材料的组织复合材料的组织是是层片层片状状还是还是棒状棒状（纤维状）取决于共晶中（纤维状）取决于共晶中含量含量较少的组元的体积分数较少的组元的体积分数Xf。在二元共晶中，当在二元共晶中，当Xf 32%时为层片状。时为层片状。定向凝固定向凝固共晶复合材料共晶复合材料主要应用于主要应用于航航空透平机叶片空透平机叶片，有，有三元共晶合金三元共晶合金Al-Ni-Nb，它所形成的，它所形成的和和相为相为Ni3Al和和Ni3

39、Nb；单变度共晶合金单变度共晶合金C-Co-Cr，所形成的，所形成的和和相分别为相分别为(Co,Cr)和和(Cr,Co)7C3。2)直接金属氧化法（直接金属氧化法（DIMOXTM）DIMOXTM是一种可以制备是一种可以制备金属基复合金属基复合材料材料和和陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料的的原位复合工艺原位复合工艺。DIMOXTM法根据是否有法根据是否有预成型体预成型体又可又可分为分为惟一基体法惟一基体法和和预成型体法预成型体法，两者原理相，两者原理相同。同。惟一基体法惟一基体法的特点的特点制备制备金属基复合材料的金属基复合材料的原材料中原材料中没有填没有填充物（增强材料预成型体）和增强相充物（增强

40、材料预成型体）和增强相，只是，只是通过通过基体金属的氧化或氮化基体金属的氧化或氮化来获取复合材料。来获取复合材料。在在惟一基体法惟一基体法中，例如需制备中，例如需制备Al2O3/Al，则可通过，则可通过铝液的氧化铝液的氧化来获取来获取Al2O3增强相。增强相。通常通常铝合金铝合金表面迅速氧化，形成一种表面迅速氧化，形成一种内内聚、结合紧密的聚、结合紧密的氧化铝膜氧化铝膜，这层氧化铝膜使，这层氧化铝膜使得氧无法进一步渗透，从而阻止了膜下的铝得氧无法进一步渗透，从而阻止了膜下的铝进一步氧化。进一步氧化。但是在但是在DIMOXTM工艺中，工艺中，熔化温度熔化温度上上升到升到9001300，远超过铝的

41、熔点，远超过铝的熔点660。通过进一步加入通过进一步加入促进氧化反应的合金元促进氧化反应的合金元素素Si和和Mg，使熔化金属，使熔化金属通过显微通道通过显微通道渗透渗透到氧化层外边到氧化层外边，并顺序氧化，即铝被氧化，并顺序氧化，即铝被氧化，但但铝液的渗透通道铝液的渗透通道未被堵塞。未被堵塞。利用利用惟一基体法惟一基体法工艺，可以工艺，可以根据氧化根据氧化程度程度来控制来控制Al2O3的量。的量。如果这一工艺过程在如果这一工艺过程在所有金属被氧化所有金属被氧化之前之前停止的话，则所制备的复合材料就是停止的话，则所制备的复合材料就是致密互连的致密互连的Al2O3陶瓷基复合材料，其中陶瓷基复合材料

42、，其中含有含有5%30%的的Al。除了可以除了可以直接氧化直接氧化外，还可以外，还可以直接氮化直接氮化。通过通过DIMOXTM工艺还可以获得工艺还可以获得AlN/Al，ZrN/Al和和TiN/Ti等等金属基或陶瓷基金属基或陶瓷基复合材料。复合材料。当当DIMOXTM工艺采用工艺采用增强材料预成型体增强材料预成型体时，由于时，由于增强材料预成型体增强材料预成型体是透气的，金属是透气的，金属基体可以通过基体可以通过渗透的氧或氮渗透的氧或氮顺序氧（氮）化顺序氧（氮）化形成基体。形成基体。3)反应自生成法（反应自生成法（XDTM）这种方法是在近这种方法是在近20年中发展起来的技年中发展起来的技术，主要

43、用于制造术，主要用于制造金属间化合物金属间化合物复合材料。复合材料。在反应自生成法中，在反应自生成法中，增强材料增强材料是由是由加入加入基体中的基体中的相应元素之间的反应，相应元素之间的反应，或者或者合金熔合金熔体中的体中的某种组分某种组分与与加入的元素或化合物之间加入的元素或化合物之间反应反应生成的。生成的。在在XDTM工艺中，可以根据工艺中，可以根据所选择的所选择的原位生成的原位生成的增强相的类别或形态增强相的类别或形态，选择，选择基基体和增强相生成所需的体和增强相生成所需的原材料原材料，如一定粒，如一定粒度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例度的金属粉末，硼或碳粉，按一定比例（反应要求）混合

44、。（反应要求）混合。XDTM工艺原理示意图工艺原理示意图韧相当这种混合物制成当这种混合物制成预制体预制体，加热到，加热到金金属熔点以上属熔点以上或者或者自蔓延的反应发生的温度自蔓延的反应发生的温度时，时，混合物的组成元素进行放热反应混合物的组成元素进行放热反应，用，用以生成以生成在基体中弥漫的在基体中弥漫的微观增强颗粒微观增强颗粒、晶晶须须和和片晶片晶等增强相。等增强相。XDTM工艺的工艺的关键技术关键技术是可以生成一是可以生成一种种韧相韧相，它属于专利技术。，它属于专利技术。例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉例如，一定粒度的铝粉、钛粉和硼粉以一定比例以一定比例混合成型混合成型，加热后反应生成，

45、加热后反应生成TiB2，进而形成，进而形成TiB2增强的铝基复合材料。增强的铝基复合材料。Al+Ti+B TiB2+Al XDTM法不仅可以用法不仅可以用粉末反应粉末反应生成复合生成复合材料，也可以材料，也可以在熔融的合金中在熔融的合金中导入导入参加反参加反应的粉末或气体应的粉末或气体而生成复合材料。而生成复合材料。如在熔融的如在熔融的Al-Ti合金中导入合金中导入载碳气体载碳气体，反应生成反应生成TiC，进而形成，进而形成TiC增强铝基复合增强铝基复合材料。材料。Al+Ti+C TiC+AlXDTM工艺特点工艺特点 增强相是增强相是原位形成原位形成，具有，具有热稳定性热稳定性；增强相的增强相

46、的类型、形态类型、形态可以可以选择和设计选择和设计；各种各种金属或金属间化合物金属或金属间化合物均可作为基均可作为基体；体；复合材料可以采用复合材料可以采用传统金属加工方法传统金属加工方法进行二次加工进行二次加工。XDTM材料包括材料包括Al、Ti、Fe、Cu、Pb和和Ni基复合材料，还可以是基复合材料，还可以是TiAl、Ti3Al和和NiAl等等金属化合物基金属化合物基复合材料。复合材料。其中，其中，增强相增强相包括包括硼化物硼化物、氮化物氮化物和和碳碳化物化物等，其等，其形态形态可以是可以是颗粒颗粒、片晶片晶和和杆状杆状，还可以还可以原位生成晶须原位生成晶须。1、金属基复合材料的界面2、金

47、属基复合材料的界面结合3、金属基复合材料的界面残余应力4、金属基复合材料的界面优化以及界面设计 三、金属基复合材料的界面和界面设计 第一类界面：基体与增强相既不相互反应也不互溶。这类界面微观是平整的，而且只有分子层厚度。界面除了原组成物质外，基本不含其它物质。第二类界面：基体与增强相既不相互反应，但经过扩散 渗透相互溶解而形成界面。这类界面往往在增强相周围，如纤维周围，形成环状，界面呈犬牙交错的溶解扩散层。第三类界面：界面处有微米和亚微米级的界面反应物质层。有时并不是一个完整的界面层，而是在界面上存在着界面反应产物。1、金属基复合材料的界面 表9-1 金 属 基 复 合 材 料 界 面 类 型

48、类 型 1类 型 2类 型 3纤维与基体互不反应亦不溶解纤维与基体互不反应但相互溶解纤维与基体反应形成界面反应层钨丝/铜Al2O3 纤维/铜Al2O3 纤维/银硼纤维（BN表面涂层）/铝不锈钢丝/铝SiC 纤维/铝硼纤维/铝硼纤维/镁镀铬的钨丝/铜碳纤维/镍钨丝/镍合金共晶体丝/同一合金钨丝/铜 钛合金碳纤维/铝（580 C）Al2O3 纤维/钛硼纤维/钛硼纤维/钛-铝SiC 纤维/钛SiO2 纤维/钛在金属基复合材料中，需要在增强相和基体界面上建立一定的结合力。在不同的界面结合受载时，如结合太弱，纤维大量拔出，强度低；结合太强，纤维受损，材料脆断，既降低强度，又降低塑性。只有界面结合适中的复

49、合材料才呈现高强度和高塑性。2、金属基复合材料的界面结合金属基复合材料的界面结合形式及界面稳定性：（1）机械结合：即基体与增强相既不相互反应也不互溶的第一类界面。主要依靠增强剂的粗糙表面的机械“锚固”力和基体的收缩应力来“包紧”增强剂所产生的摩擦力而结合。这种界面结合仅限于受载应力平行于增强剂表面时才能承载。（2）浸润与溶解结合：基体与增强相之间发生润湿，相互溶解而形成界面结合的第二类界面。如相互溶解严重，也可能发生溶解后析出现象，如采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料以及碳纤维/镍基复合材料在600C下碳在镍中先溶解后析出的现象等。这些现象严重损伤了增强剂，降低了复合材料的性能。（3）

50、化学反应结合：基体与增强相之间发生化学反应，生成新的化合物层（界面层）的第三类界面。大多数金属基复合材料的基体与增强相之间在热力学上是非平衡体系，也就是说在界面处存在着化学势梯度。这意味着基体与增强相之间只要存在着有利的动力学条件，就可能发生相互扩散和化学反应。金属基复合材料的界面化学反应包括以下类型：1）连续界面化学反应：在制备过程的热处理和复合材料热使役过程，界面化学反应可连续进行。影响界面反应的主要因素是温度和时间。界面反应物的量（或界面层厚度）随温度和时间的变化发生变化。如碳纤维/铝基复合材料的界面层是因铝原子扩散进碳原子，造成碳纤维表面的刻蚀，形成Al4C3。在400C以下，Al4C