金属基复合材料制备工艺

金属基复合材料的制备工艺金属基复合材料制备及成形工艺金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于制备技术；研究和发展有效的制备技术一直是金属基复合材料研究中最重要的问题之一。2复合材料的概念与定义常规材料的优缺点：定义：采用物理或化学的方法，使两种或两种以上的材料在相态（如连续相：基体；不连续体：增强相）以性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能，或互补其缺点，或获得新的性能（或功能）的目的。•金属材料的优点：优良的延展性和可加工性。缺点：强度相对低，耐热、耐磨、耐蚀性差，如铝；•陶瓷材料的优点：强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好，缺点：很脆，加工性能差。•复合后利用两者的优势互补，提高性能。金属基复合材料的制备难点制备温度选择难度大；界面反应难以控制；金属基体与增强材料之间润湿性差，甚至在制备温度下完全不润湿；将增强材料按照设计要求、方向均匀分布于基体中比较困难。5按基体分类按增强体分类按分散状态分类连续增强相金属基复合材料的制备工艺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—原位生长法金属间化合物—粉末冶金、原位生长法2.1.3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2.1金属基复合材料制备工艺的分类：1）固态法：粉末冶金法、真空热压扩散结合、热等静压、超塑性成型/扩散结合、模压。2）液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。3）喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。4）原位生长法。一.固态法工艺流程①将金属粉末或金属箔与增强物（纤维、晶须、颗粒）按设计要求以一定的含量、分布、排布在一起；②加热、加压扩散粘接：将金属与增强物复合在一起，形成MMC。特点：整个工艺过程处于较低的温度，金属和增强物都处于固态；界面反应不严重。类型：粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、拉拔法。粉末冶金复合法1.1工艺过程1.原料：基体金属与强化颗粒均为粉料，且越细越好，但必须大于1微米，否则易聚难分散；2.混合：球磨机混合法；3.压粉（压密）：相当于成形工艺；4.脱气：为除去粉末、颗粒表面水分与吸附气体，防止烧结后材料内部气孔（相当于干燥）；5.压粉坯的致密化：冷等静压、挤压法；6.烧结（固化）：常压、热压、真空热压、热等静压、热塑性变形烧结；7.塑性加工：赋予材料一定形状（热加工温度下变形）。适合于分散强化型复合材料（颗粒或纤维强化型）1)可以自由选择基体金属材料，因为该法在固态下复合，基体与增强相不易反应；2)可以自由选择强化颗粒种类、尺寸，且强化颗粒添加量范围广；3)与铸造法相比，较易实现强化颗粒的均匀分散（微颗粒除外）。4)与液相法相比，制备温度低，界面反应可控；5)可根据要求设计复合材料的性能；6)其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；7)利于净成型或近净成型，二次加工性能好。1．2优点：1)工艺较复杂，成本高；2)固化方法采用烧结、热压、挤压等方法；3)除采用原生复合法外，微细颗粒均匀分散较困难；4)强化颗粒表面污染不易除去，使基体与颗粒界面不如铸造法。1．3缺点19热压法工艺通常要求先将纤维与金属基体制成复合材料预制片，然后将预制片按设计要求裁剪成所需的形状、叠层排布（纤维方向）将叠层放入模具内，进行加热加压，最终制得复合材料或零件。热压法是目前制造直径较粗的硼纤维和碳化硅纤维增强铝基、钛基复合材料的主要方法。2.真空热压扩散结合可称为扩散粘结法，或扩散焊接法。20热压法工艺流程在增强材料上铺金属箔裁剪成形冷却取出制品并加以整理抽真空加热至所需温度加压与保压21影响扩散粘结过程的主要参数是：温度、压力和一定温度及压力下维持的时间。另外，气氛对质量也有较大影响。22扩散粘结过程分为三个阶段：1.粘结表面的最初接触，由于加热、加压，使表面发生变形、移动、表面膜（氧化膜）破坏；2.随着时间的进行，发生界面扩散和体扩散，使接触面密着粘结；3.由于热扩散结合界面最终消失，粘结过程完成。23工艺过程：将金属基体（粉或箔）与增强材料（纤维、晶须、颗粒）按照一定比例混合或排布后，或用预制片叠层后，放入金属包套（或玻璃包套）中，抽气密封后装入热等静压装置中，进行加热加压，复合成金属基复合材料。3.热等静压法工艺优缺点：材质致密、尺寸精度高；但设备投资大，工艺周期长，成本高。24采用惰性气体加压，工件在各个方向上受到均匀压力的作用。模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各种型材。4.模压成型26都是塑性成形热加工方法。热轧法主要用来将已经复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材。热挤压和热拉主要用于颗粒、晶须、短纤维增强复合材料坯料的进一步加工，制成各种形状的管材、型材、棒材等。经挤压、拉拔后复合材料的组织变得均匀、缺陷较少、性能明显提高，短纤维和晶须还有一定的择优取向，轴向抗拉强度提高显著。5.热轧法、热挤压法和热拉法5.1.粉末轧制法5.2块（带）材轧制复合法5.3温轧复合生产线30是利用炸药产生强大脉冲应力，通过使碰撞的材料发生塑性变形、粘结处金属的局部扰动以及热过程使材料焊接起来。6.爆炸焊接法31叠层复合法是先将不同金属板用扩散结合方法复合，然后采用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料。这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。目前这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用于航空、航天及其它军用设备上，现在正努力向民用方向转移，特别是在汽车工业上有很好的发展前景。7.叠层复合法二.液态金属法方法：金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合成材料的方法。工艺过程：液态金属浸渍挤压铸造成型。特点：制备温度高，易发生严重的界面反应，有效控制界面反应是液态法的关键。工艺类型：挤压铸造法、真空吸铸、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法，搅拌复合法。液态法主要面临问题缺点1.颗粒与金属熔体的润湿性差，不易进入和均匀分散在金属熔体中，产生团聚2.强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量的吸入空气。改善缺点的方法颗粒表面处理；增强颗粒表面在使用前往往被各种有机物污染或吸附了水分，及有害于复合过程的混合、浸润的气体，为此在复合前必须对颗粒进行处理，去除有害吸附物以改善与金属液的浸润。比较简单有效的方法是将颗粒进行加热处理，在高温下使有害物质挥发去除，同时在表面形成极薄的氧化层。如SiC颗粒经高温氧化，在表面上形成一层SiO2层，在复合过程中与铝液反应改善了SiO2颗粒与铝熔体的浸润。也有在颗粒表面涂覆Ni、Cu等金属涂层以改善浸润性，但不经济。34在金属熔体中添加合金元素改善浸润性；为了降低铝熔液的表面张力，改善与陶瓷颗粒的浸润性，在铝熔体中加入钙、镁、锂等元素可有效的减小熔体表面张力和增加与陶瓷颗粒的浸润性，有利于颗粒与铝熔体的复合。有效的机械搅拌。在液态金属搅拌铸造法中有效的搅拌是使颗粒与金属液均匀混合和复合的关键措施之一。强烈的搅拌和液体金属以高的剪切速度流过颗粒表面，能有效地改善金属与颗粒之间的浸润。在复合过程中可以通过高速旋转机械搅拌或超声波搅拌来完成有效的搅拌复合。35复合过程的气氛控制；为了防止液体金属的氧化和吸气，对复合过程的气氛控制十分重要。液体金属氧化生成的氧化膜阻止金属与颗粒的混合和浸润，大量气体的吸入又会造成大量的气孔，使复合材料的质量大大下降。一般采用真空、惰性气体保护以及其他有效措施来防止复合过程中气体的吸入和金属熔体的氧化。1.挤压铸造法（squeezecasting）（1）预制坯体制造（湿模）（2）挤压铸造37铝制模具垫圈混合液SiC颗粒压头多层滤纸铝制多孔底盖湿型法制备预制块示意图38压制成型并保压低温烘干后高温处理浇注及过滤配置溶胶及颗粒清洗添加适量溶胶并震荡搅拌预制块的制备工艺流程图举例：挤压铸造法---SiCp/Al复合材料39烘干与烧结处理工艺40SiC颗粒预制块41SiCp/Al复合材料影响复合材料质量的主要因素（1）预制块的质量（均匀、无裂纹、无气泡、一定强度）42（2）模具和预制块的预热温度（铝合金约500℃）（3）浇注温度（一定过热度）（4）渗流压力（致密度）（5）保压时间（300s左右）2.真空压力浸渍法底部压入法顶部注入法顶部压入法43预制件的制备和工艺参数的控制是得到高性能复合材料的关键。预制件决定复合材料中纤维、颗粒等增强材料的含量、分布和排列方向。分干法和湿法制备两种。4445真空压力浸渍法工艺过程装炉装入预制件46真空压力浸渍法工艺过程提升坩埚抽真空、熔化47真空压力浸渍法工艺过程进入模具通高压气体（底部压入法）48真空压力浸渍法工艺过程凝固浸渍开炉49顶部压入法其中预制件预热温度和熔体温度是影响浸渍是否完全和界面反应程度最主要的因素。预制件预热温度越高，金属熔体不会因渗入预制件而迅速冷却凝固，因此浸渍越充分。金属熔体温度越高，流动性越好，越容易充填到预制件中。但是，二者温度越高，界面反应越严重，因此需要严格控制二者温度。50工艺参数主要包括：预制件预热温度、金属熔体温度、浸渍压力、冷却速度等。浸渍压力是制备过程的直接驱动力，压力越高，浸渍能力越强。51特点：1.适用面广，可用于多种金属基体和连续纤维、短纤维、晶须和颗粒等增强材料的复合。2.可直接制成复合材料的零件，特别是形状复杂的零件，基本上无需进行后续加工。3.浸渍在真空中进行，压力下凝固，无气孔、缩松、疏松等铸造缺陷，组织致密，材料性能高。4.工艺简单，参数易于控制，避免严重的界面反应。5.该方法设备比较复杂，工艺周期长，制造大尺寸的零件要求大型设备。液态金属基体通过特殊的喷嘴，在惰性气体气流的作用下，雾化成细小的液态金属流，喷向衬底，同时将颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起，并沉积在衬底上，凝固形成复合材料。523.共喷沉积法凝固的过程比较复杂，与金属的雾化情况、沉积凝固条件或增强体的送入角有关，过早凝固不能复合，过迟的凝固则使增强体发生上浮下沉而分布不匀。缺点：出现原材料被气流带走和沉积在效应器壁上等现象而损失较大；材料中孔隙率较大以及容易出现的疏松；液滴容易氧化。53优点：适用面广：一般基体、增强材料都可采用；生产工艺简单、效率高；冷却速度快、成分均匀、防偏析、晶粒细小；有效避免复合材料发生界面反应，增强颗粒分布均匀。54强化颗粒55共喷沉积法示意图56圆锭板管指用液态金属连续浸渍长纤维，得到复合材料预制品（带、丝等）的一种方法。核心工艺：是将经过涂覆处理的连续长纤维通过熔体，得到复合丝或带。如碳纤维增强铝基、镁基复合材料。表面涂覆：一般采用化学气相沉积法（CVD）。缺点：工艺比较复杂；成本很高，应用受限。574.液态金属浸渍法液态金属浸渍法的原理是通过对碳(或石墨)纤维表面进行活化处理，经处理的碳纤维与铝液、镁液相互自发浸润。当纤维束经过铝熔池时，金属液就自发浸渍到纤维束中，形成复合丝，以后再进行二次复合成零件。5859对石墨纤维进行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，防止过量的脆性相Al4C3生成。5.无压浸渗法美国Lanxide公司开发的一种新工艺。将增强材料制成预制体，放置于由氧化铝制成的容器中。再将基体金属坯料置于增强材料预制体上部。然后一齐均装入可通入流氮气的加热炉中。通过加热，基体金属熔化，并自发浸渗入网络状增强材料预制体中。无压浸渗法制备Al2O3（f）/Al复合材料工艺原理示意图1.3.4原位（Insitu）生长