金属基复合材料的应用与发展趋势

第9章金属基复合材料的应用与发展趋势江苏大学材料科学与工程学院2020年4月19日星期日29.1金属基复合材料的应用金属基复合材料自进入工业应用发展阶段以来，逐步拓宽了应用范围，但由于价格较高且难以大幅度降低，使得许多可能得到应用的领域,尤其对价格比较敏感的汽车等行业的应用受到限制。复合材料的大规模应用，除价格之外，还需要解决设计、加工、回收等方面的问题。金属基复合材料在国外已经实现了商品化，而在我国仅有小批量生产，以汽车零件、机械零件为主，主要是耐磨复合材料如颗粒增强铝基或锌基复合材料、短纤维增强铝基或锌、镁基复合材料等，年产量仅5000t左右，与国外差距较大。2020年4月19日星期日39.1.1金属基复合材料在航天领域的应用9.1.1.1连续纤维增强金属基复合材料在航天器上的应用金属基复合材料在航天器上首次也是最著名的成功应用是，美国NASA采用硼纤维增强铝基（50%Bf/6061Al）复合材料作为航天飞机轨道器中段（货舱段）机身构架的加强桁架的管形支柱（见图9-1）。另一个著名的工程应用实例是，60%石墨（Gr）纤维（P100）/6061铝基复合材料被成功地用于哈勃太空望远镜的高增益天线悬架（也是波导），这种悬架长达3.6m（见图9-2），具有足够的轴向刚度和超低的轴向线胀系数，能在太空运行中使天线保持正确位置，由于这种复合材料的导电性好，所以具有良好的波导功能，保持飞行器和控制系统之间进行信号传输，并抗弯曲和振动。2020年4月19日星期日4圈9-1航天飞机轨道器中机身B/Al复合材料构架图9-2哈勃望远镜Cr纤维/铝基复合材料悬架图9-3为哈勃望远镜整体结构2020年4月19日星期日59.1.1.2铝基复合材料在导弹中的应用作为第三代航空航天惯性器件材料，仪表级高体分SiC颗粒/铝基新型复合材科，替代铍材，已在美国用于某型号惯性环形激光陀螺制导系统，并已形成美国的国家军用标准（MIL-M-46196)。该材料还成功地用于三叉戟导弹的惯性导向球及其惯性测量单元（IMU）的检查口盖，并取得比铍材的成本低三分之二的效果。2020年4月19日星期日6多年来，英国国防部投资，英国国防评估研究局与马特拉BAE动力公司研究了铝基复合材料在导弹零部件中的应用，取得了一些成效。铝基复合材料适宜制造弹体、尾翼、弹翼、导引头组件、光学组件、推进器组件、制动器组件、发射管、三角架和排气管等导弹零部件。目前，他们已完成第一、第二阶段计划，正在实施近期研究计划，并制定了未来的研究计划。(1)第一阶段研究计划20世纪90年代初，英国确定了第一阶段铝基复合材料研究计划。按照这个计划，英国对五个铝基复合材料导弹零部件进行了设计研究。它们是前弹体、弹翼、尾部套简、控制尾翼与轴以及控制圆筒。设计研究内容包括每种零部件所用的材料类型、制造方法以及与传统材料相比较的制造成本（传统制造成本为100%）与减重程度。研究结果见表9-1。2020年4月19日星期日7导弹零部件材料新材料传统材料新材料减重/%减重/%名称制备方法前弹体钢20%SiCp/Al-Si-Mg粉末冶金4994弹翼铝20%SiCp/Al-Cu-Mg粉末冶金15-尾部套管铝20%SiCp/Al-Si铸造34112组合尾翼与轴铝/钢SiCp/Al-40～6093控制圆筒铝Cf/Al--1672020年4月19日星期日8（2)第二阶段研究计划1994年，英国确定了第二阶段铝基复合材料研究计划。该计划的目标是探讨用铝基复合材料制造未来近程和中程空对空高速导弹前弹体的可行性。研究的主要内容是颗粒增强铝基复合材料的抗瞬时高温性能。希望该材料在350～400℃温度时具有瞬时强度。研究的材料包括用不同质量分数碳化硅颗粒增强的2124、2618及Al-Fe-V-Si多种铝基复合材料。研究的结论是：碳化硅颗粒增强2000系列铝合金的强度在200℃以下受基体材料支配，具有较高值；该材料的强度在200℃以上迅速降低，主要原因是碳化硅颗粒产生沉淀；该材料不适宜制造导弹前弹体，但适宜制造其他导弹零部件；Al-Fe-V-Si是专为高温用途研制的铝合金，碳化硅增强的该合金显示出良好的应用前景。2020年4月19日星期日9(3)近期和未来的研究计划在近期的研究计划中，重点研究了经过T1热处理后的SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料，并与经过T1热处理后2618铝合金以及碳化硅颗粒增强2000系列铝合金进行了对比。研究结论是:经过Tl热处理后的17%碳化硅颗粒增强SiCp/Al-Fe-V-Si合金可用于制造比传统Al-Cu-Mg合金壁薄的导弹前弹体，减重20%～35%，并有助于改善导弹的性能，例如提高速度，改进制导与精度:这种薄壁前弹体可增加导弹的有效载荷容积。经过T1热处理后的SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料的不足之处是:需改善其延性与韧性；因在制造温度范围内具有较高强度而使制造较困难；制造工艺范围窄。在未来的研究计划中，研究者打算用可能获得的资金，制造少量碳化硅颗粒增强Al-Fe-V-Si前弹体样品，以便进行机械加工试验及结构试验。2020年4月19日星期日109.1.1.3铝基复合材料在航天领域的其他应用美国佛罗里达州的一个材料公司最近开发成功一种新型非连续增强的高强度、高耐热性铝合金复合材料，该合金基复合材料是以Al-Mg-Sc-Gd-Zr成分合金为基体，具有优异的常温强化和低温强化能力。该合金的强度为630MPa，并且具有中等的室温延展性(7%)，高温强度也很好。这种不连续增强的铝合金基复合材料是用粉末冶金法制造的，所用原料铝合金粉末为325目（小于45μm）的球状粉和平均直径为5μm的碳化硅粉和碳化硼粉，这种作为增强剂用的碳化物粉末掺入量为15%（体积分数）。所制得的复合材料强度超过700MPa，具有优异的刚性、比强度、抗磨性和耐热性，可用于宇航飞行器材料。也适用于火箭制造方面。2020年4月19日星期日11(a)(b)图9-4(a)无压漫渗近净形制备的高体积分数SiC/Al复合材料零件,(b)零件的工业CT图像在我国，金属基复合材料也于2000年前后正式应用在航天器上。哈尔滨工业大学研制的SiCw/Al复合材料管件用于某卫星天线丝杠，北京航空材料研究院研制的三个SiCp/Al复合材料精铸件（镜身、镜盒和支撑轮）用于某卫星遥感器定标装置，并且成功地试制出空间光学反射镜坯缩比件（见图9-4）。2020年4月19日星期日129.1.2金属基复合材料在航空领域的应用对安全系数及使用寿命都要求极高的航空工业始终是金属基复合材料最具挑战性的应用领域，特别是在商用飞机上应用更是如此。因此，金属基复合材料的航空应用进程大大滞后于航天应用。最早的航空应用实例是，早在20世纪80年代，洛克希德·马丁公司将DWA复合材料公司生产的25%SiCp/6061Al复合材料用作飞机上承放电子设备的支架。该没备架尺寸非常大，长约2m（见图9-5），其比刚度比替代的7075铝合金约高65%。在飞机扭转和旋转引起的力载荷作用下7975铝合金会变形太多。2020年4月19日星期日13图9-5飞机上承放电子设备的铝基复合材料支架图9-6F-16战斗机的腹鳍2020年4月19日星期日14然而，直到最近几年，以颗粒增强铝为代表的金属基复合材料才作为主承载结构件在先进飞机上获得正式应用。下面将对几个最有代表性的、甚至可以说是标志性的工程应用及其所产生的效果加以具体介绍。在美国国防部“TitleⅢ”项目支持下，DWA复合材料公司与洛克希德·马丁公司及空军合作，将粉末冶金法制备的碳化硅颗粒增强铝基（6062Al）复合材料用于F-16战斗机的腹鳍（见图9-6），代替了原有的2214铝合金蒙皮，刚度提高50%，使寿命由原来的数百小时提高到设计的全寿命8000h.，寿命提高幅度达17倍。此外，F-16上部机身有26个可活动的燃油检查口盖（见图9-7），其寿命只有2000h，并且每年都要检修2～3次。采用了碳化硅颗粒增强铝基复合材料后。刚度提高40%，承载能力提高28%，预计平均翻修寿命可高于8000h，裂纹检查期延长为2～3年。2020年4月19日星期日15F-38“大黄蜂”战斗机上采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为液压制动器缸体，与替代材料铝青铜相比，不仅重量减轻、线胀系数降低，而且疲劳极限还提高一倍以上。在直升机上的应用方面，欧洲率先取得突破性进展，英国航天金属基复合材料公司（AMC）采用高能球磨粉末冶金法制备出了高刚度、耐疲劳的碳化硅颗粒增强铝基(2009A1)复合材料，用该种材料制造的直升机旋翼系统连接用模锻件（浆毂夹板及轴套)，已成功地用于Eurocopter（欧直）公司生产的N4及EC-120新型直升机（见图9-8）其应用效果为：与钛合金相比，构件的刚度提高约30%，寿命提高约5%；与钛合金相比，构件重量下降约25%。2020年4月19日星期日16更为引人注目的是，在20世纪90年代末，碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大型客机上获得正式应用。如图9-9为普惠公司生产的PW4000航空发动机及其碳化硅颗粒增强铝基复合材料风扇出口导流叶片。美国正在研制颗粒增强耐热铝基复合材料，一旦开始生产，则将首先用于一级部分二级压气机，例如用作压气机静子叶片（如图9-10所示）。2020年4月19日星期日17（a）(b)图9-7F-17战斗机及其燃油检查口盖图9-8直升机旋翼系统及其连接件2020年4月19日星期日18图9-9惠普公司的PW4000航空发动机及其风扇出口导流叶片图9-10航空发动机及其静子叶片2020年4月19日星期日19图9-10航空发动机及其静子叶片2020年4月19日星期日209.1.3在汽车工业上的应用金属基复合材料用于汽车工业主要是颗粒增强和短纤维增强的铝基、镁基、钛合金等有色合金基复合材料。9.1.3.1在内燃机方面的应用金属基复合材料具有比强度、比刚度高，耐磨性好，导热性好，热胀系数低等特性，很适合于制作内燃机的活塞连杆、缸套等部件。9.1.3.2在制动系统上的应用金属基复合材料尤其适合作汽车、摩托车制动器耐磨件，如刹车盘。2020年4月19日星期日21图9-11SiCp/Al复合材料刹车盘图9-12LotusElise跑车2020年4月19日星期日229.1.3.3有传动系统上的应用汽车靠离合器摩擦盘来传递动力，离合器的使用寿命，主要取决于从动盘摩擦片的耐磨性，铝基复合材料的耐磨性，导热性好，可用它来做离合器摩擦片。9.1.3.4在其它汽车零部件的应用钛及钛合金由于具有质轻，比强度、比模量高、耐腐蚀、有较高的韧性等特点，汽车制造厂正在探索用钛合金来延长气门、气门弹簧和连杆等部件的寿命。2020年4月19日星期日239.1.4在电子封装领域的应用目前，电子封装用MMC由基体金属和增强体两部分构成。基体仍以A1、Cu、Mg及工程中常用的铝合金、铜合金及镁合金为主，这主要是由其良好的导热，导电及优良的综合力学性能所决定的。改变或调整基体成分将在以下两个方面影响材料的性能，首先表现在对基体材料本身热物性的影响；其次则表现为对基体与增强体界面结合状况的影响。2020年4月19日星期日249.2金属基复合材料的再生与回收利用9.2.1金属基复合材料的再生近年来各种复合材料的再生问题逐步受到重视，不仅在实验室进行研究，提出许多措施，而是工业界已经开始行动。例如德国汽车工业界与主要的化学工业公司联合起来认真对待复合材料的再生问题．包括如何拆卸、分离原构件中的不同材料，形成材料从制造到再生的闭环系统，以达到再生率为30％的初步指标。但是由于原设计中欠缺环境意识，目前的再生水平尚处于较低的水平。2020年4月19日星期日259.2.1.1不同种类的金属基复合材料的再生特点不同种类的金属基复合材料具有不同的结构特点，因此，应该单独考虑其再生特点。由于长纤维增强金属基复合材料自身结构的特点，基本上不考虑其再生和回收问题。对于短纤维和晶须增强的金属基复合材料，通过炼制的方法可以部分回收，炼渣可以作为填料使用。颗粒增强金属基复合材料作为一种新兴材料已