金属基复合材料的发展与应用

金属基复合材料的发展与应用

090201班 20090533 孙钦巍

摘要：对金属基复合材料的分类、制造方法、性能进行了综述，阐述了国内外研究现状，提出了金属基复合材料研究中存在的问题,探讨了金属基复合材料的研究方向。

关键词：金属基复合材料；增强相；基体材料；复合材料制备；颗粒增强法；纤维增强法；复合材料性能

伴随航空航天、IT业和宇宙空间技术及民用行业技术的进步,金属基复合材料获得了惊人的发展。在航天、机器人、核反应堆等高技术领域,镁基、铝基、钛基等轻质复合材料起到了支撑作用,SiC晶须增强的铝基复合材料薄板用于先进战斗机的蒙皮和机尾的加强筋,钨纤维增强高温合金基复合材料可用于飞机发动机部件,石墨/铝、石墨/镁复合材料具有很高的比刚度和抗热变形性,是卫星和宇宙飞行器用的良好的结构材料。金属基复合材料在民用工业中的应用领域十分广阔。以碳氮化物或金属间化合物颗粒为强化剂的钢基复合材料,能明显提高强度、韧性、耐磨、耐蚀和切削性能。不同基体材料可使复合材料具有耐蚀、耐磨、耐热性能,尤其是工具、模具、高温合金、夹具和耐磨件。用Al2O3或SiC晶须或纤维强化的复合材料,耐高温和具有高强度,可用于发动机和泵的叶轮及模具。冶金行业用刮板及铲斗的磨损件由普通耐磨钢改为陶瓷复合材料后,则明显提高了使用寿命。汽车制造行业20%~60%的零件可以用碳纤维复合材料制造,可减重40%~80%。氧化铝增强铝合金已成功地制成镶圈,用于活塞环槽及顶部,以代替含镍奥氏体铸铁,不仅耐磨性相当好,而且还减轻重量,简化工艺和降低成本。另外,发动机钢套、连杆、连销、刹车盘、运动器材、自行车架、各种型材以及装甲车履带、轻质防弹装甲车等也在使用金属基复合材料。

1 金属基复合材料的分类

金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等);后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。金属基复合材料一般分为铝基、镁基、 钢基、铁基及铝合金基复合材料等。按增强相形态的不同分为颗粒增强金属复合材料、晶须或短纤维增强金属基复合材料及连续纤维增强金属基复合材料。 2 金属基复合材料的制备方法

金属基复合材料的制备工艺较复杂,主要是金属熔点较高,需高温下操作;同时不少金属对增强体表面润湿性很差,甚至不润湿,加上金属在高温下很活泼,易与多种增强体发生反应,通常需向熔体中加入能增加润湿性的活性元素或对陶瓷颗粒

进行预处理[1-2]。虽然已经研制出不少复合工艺,但各自存在一些问题。本文根据增强相的不同,分别阐述颗粒增强和纤维增强的制备方法。

2.1 颗粒增强金属基复合材料的制备方法根据制备过程中基体的温度可将制备工艺分为液相工艺、固相工艺和液-固两相工艺[2]。针对不同工艺可以分出不同的制备方法。

(1)液态金属/陶瓷颗粒搅拌铸造法

Surappa和Rohtgi最早采用搅拌法制备PRMMCs,通过机械搅拌在熔体中产生涡流引入颗粒。还可采用其他方法引入颗粒,如离心铸造法、气流喷射分散法及零动力工艺等。许多研究者多采用此法制备了铝基复合材料;结果显示对SiC颗粒进行预处理有利于制备PRMMCs[3-4]。Loyd和DJ[1]采用涡流法制备了SiCp/2L108 复合材料,其颗粒分布均匀。熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。利用惰性气体和机械装置作为压力媒体将金属熔体浸渗进多气孔的陶瓷预制块中,可制备体积分数高达50%的复合材料,随后用稀释的方法降低体积分数。这种方法被广泛用于制造Toyota发动机活塞(Al2O3/短纤维/Al合金)。但缺点是预制块的变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大和界面反应等。

(2)固相工艺PM法

PM(粉末冶金)法是最早开发制备PRMMCs的工艺之一,一般包括混粉、冷压、除气、热压和挤压过程。它的优点是任何金属都可以作为基体材料;可以使用非平衡合金,如快凝合金和快淬粉末制备大体积分数的复合材料;最大限度地提高材料的弹性模量,降低热膨胀系数。缺点是复杂的生产过程,产品的形状受到限制,生产成本高等,很难在生产中获得广泛的应用。在短时间内利用高电能和机械能快速固结金属-陶瓷混合物,短时快速加热可以控制相转变和显微结构粗化,这是通常其他工艺不能达到的高能高速工艺[2]实质上也是一种PM工艺。

(3)流变铸造法

流变铸造法是对处于固-液两相区的熔体施加强烈搅拌形成低粘度的半固态浆液,同时引入颗粒,利用半固态浆液的触变特性分散增强相,但存在搅拌工艺的问题。

(4)喷射沉积技术

喷射沉积技术(Sprayeposition)最初是Singer开发的,由OspreyMetals公司投入生产应用[2,5]。它是在雾化器内将陶瓷颗粒与金属熔体相混合,随后被雾化喷射到水冷基底上形成激冷复合颗粒,需进行固结能制成大块复合材料。Cuptaletal[6]采用VCM制备了体积分数为20%的SiC/Al-Li复合材料。该技术优点是基体组织属于快凝范畴;陶瓷颗粒与金属熔滴接触的时间极短,界面化学反应能有效控制;控制工艺气氛可以最大地减少氧化;适合任何基体/陶瓷体系。

2.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法

FRM(纤维增强金属)的制造方法有固相扩散结合法、粉末冶金法、铸造法及定向凝固法等几大类[7]。

(1)真空铸造法

用真空铸造法制造FRM时,先把连续纤维缠绕在绕线机上,用聚甲丙烯酸等能加热分解的有机高分子化合物粘结剂制成半固化带,再把数片半固化带叠加在一起压制成预成型体。把预成型体放入铸型中,加热到500℃使有机高分子分解去除。铸型的一端浸入基体金属液中,另一端抽真空,将金属液吸入铸型内浸透纤维,待冷却凝固后从铸型内取出。

(2)加压凝固铸造法

该法是将金属液浇注铸型后,加压使金属液在压力下凝固。金属从液态到凝固均处于高压下,故能充分浸渗、补缩并防止产生气孔,得到致密铸件。铸、锻相结合的方法又称挤压铸造、锻铸法。加压凝固铸造法可制造较复杂的异型MMC零件,亦可局部增强。在熔融状态于压力下复合,故结合十分牢固,这种高温下制成的复合坯,二次成型比较方便,可实施各种热处理,达到对材料的多种要求。

(3)压铸法

压铸法是把金属液压射到铸模内,在压力下凝固的方法。所面临的实际问题是如何把纤维加到金属液中,还有随静止时间加长,纤维或上浮或沉淀,难于在铸型内均匀分布。

(4)半固态复合铸造法

此法是从半固态铸造法发展而来的。可将流变铸造锭重新加热到所要求的固相组分的软化度,送到压铸机中压铸,由于压铸时浇口处的剪切作用,可恢复其流变性而充满铸型,此法称作触变铸造，可使润湿性改善,促进界面结合。

(5)定向凝固

FRM按其制法可分为两大类。一类是将纤维掺入基体中的人工合成法;另一类是使纤维在基体中生长出来,得到原位型复合材料。该法是把熔融共晶成分或近共晶成分的合金以大的温度梯度及适当的冷却速度按一定方向凝固,第二相金属间化合物就按一定的方向长成晶须状,得到晶须增强金属。

(5)离心铸造法

该方法是将增强体颗粒或短纤维预先置人离心机内,靠离心力甩出预成型套,然后浇人液态金属,利用增强相与基体密度不同,而得到复合材料,但是该方法还存在增强体在基体中分布及界面问题。

3 金属基复合材料的性能

3.1 常用的增强相

陶瓷增强体通常以三种形式使用,即颗粒、晶须和纤维。由于晶须和纤维制造成

本较高,目前研究中多采用颗粒增强。用于研究的陶瓷颗粒增强相有:Al2O3、SiC、B4C、TiB2、AlN、Si3N4、NbN、SiO2石墨 …… 此处隐藏：7020字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……