复合材料制备与加工.ppt

复合材料制备与加工,第三章 金属复合材料的制备与加工,3.1 粉末冶金复合,粉末冶金(P/M Powder Metallurgy),粉末高速钢,粉末热等静压法,粉末烧结法,铸锻法,3.1 粉末冶金复合 粉末冶金（Powder Metallurgy，略为P/M）复合法适合于分散强化型复合材料（颗粒、晶须或纤维强化型复合材料）的制备与成形,其基本原理与工艺过程与常规的粉末冶金法相同。粉末冶金复合法包括烧结成形法（近终形烧结、或烧结后直接机加工成零部件）、烧结制坯塑性加工成形法等。对于颗粒弥散强化金属基复合材料，按照强化颗粒是预先加入基体粉末之中，还是在烧结过程中利用高温下的化学反应获得的，粉末冶金复合法又可分为强化颗粒掺入复合法（常规复合法）与原生复合法。,3.1.1 粉末冶金复合法的特点,优点：基体金属（合金）的成份可以自由选择。可以采用一些只有采用快速凝固法才能制得的粉末合金做基体材料。强化颗粒的种类、尺寸可以较自由地选择,还可以同时选用几种不同的颗粒做强化相（多种颗粒混杂强化）。强化颗粒添加量的范围广。较容易实现强化颗粒的均匀分散（除微细颗粒）。,缺点：(1)工艺较复杂,成本高；(2)固化方法主要采用烧结、热压、挤压等方法,制品的尺寸与形状受限制；(3)除采用原生复合法外,由于颗粒的凝聚作用,微细强化颗粒（1m以下）的均匀分散通常很困难，颗粒与基体之间的界面不如铸造复合法好（颗粒表面的污染不易被除去而带入基体中）。,3.1.2 粉末冶金复合的工艺过程,(1)原料 基体金属与强化颗粒均为粉末状原料。从提高强化效果,增加强化颗粒含量的要求来看,希望基体金属粉末与强化颗粒越细越好。但如上所述,颗粒越细,其凝聚性越大,且单位重量(或体积)的颗粒数迅速增加。所以,要使1m以下的微细强化颗粒均匀分散于基体之中反而很困难。通常,基体金属粉末的平均粒度为十几数十m,而强化颗粒的平均粒度为几十几m。,(2)混合 通常采用高能量球磨机等进行混合,这种方法也称为机械合金化法（Mechanical Alloying:MA）,是INCO公司的为研制飞机发动机涡轮叶片用Ni基超合金（Ni-Y2O3）而开发的。为了防止混合过程中粉末的发热、氧化,混合容器的外周采用水冷,而内部则通入惰性或还原性气体进行保护。搅拌轮的转速一般为每分数百转,搅拌时间视基体金属与强化颗粒的种类、尺寸（粒度）、添加量等而定,在1小时至数十小时之间。,(3)压粉（压密、压型）金属粉末与强化颗粒均匀混合后,除采用真空热压烧结固化的工艺外,一般均需对粉末混合体进行压密处理,通过压型模或金属包套赋予压粉体以一定的形状,同时提高其初始密度。对于在常压下烧结直接制取制品的情形,需要施加较高的压粉压力,以获得较高的初始密度,减少后续烧结过程中的收缩。(4)脱气 脱气处理的目的是为了除去粉末、颗粒表面的水分与吸附气体,防止烧结后材料内部产生气孔、松疏等现象。当采用热压（hot press）烧结,或直接采用热塑性变形烧结时,需要进行专门的脱气处理。当采用真空热压烧结时,在真空热压机内首先进行预脱气处理,然后压密、脱气、烧结三者同时进行。,(5)压粉坯的致密化 根据需要,可在烧结之前对粉末坯施以冷等静压（CIP）处理,或轧制、挤压变形,以达到致密化的目的。(6)烧结 烧结的方式有:常压烧结、热压烧结、真空热压烧结、热等静压（HIP）烧结、热塑性变形烧结等多种方式。由于金属在烧结温度下容易氧化,所以常压烧结多在保护性气氛下烧结。从烧结后的制品性能来看,以热塑性变形烧结法最好,热等静压法次之,常压烧结最差。塑性变形（挤压、锻造、轧制）可以破坏粉末表面的氧化膜,压合材料内部的孔隙,有利于烧结的进行,提高其致密度与性能。,(7)塑性加工 塑性加工又称为二次加工。金属基复合材料的特点之一,是在热加工温度条件下具有较好的变形性能。塑性加工的目的之一,是如上所述的提高复合材料的性能;其另一目的是为了赋予材料一定的形状。例如,通过挤压加工可以获得断面形状较为复杂的型材。,3.1.3 原生复合法,利用烧结高温下的化学反应,在烧结体内直接生成强化颗粒。由内部氧化反应制取Al2O3颗粒强化铜基复合材料是1950年开发的。其基本原理是在Al固溶Cu合金粉末中加入CuO粉末,通过反应 2Cu-Al3 CuO5 CuAl2O3 制备粒径0.0030.012m、颗粒间隔为0.050.1m的非常细小的Al2O3颗粒强化铜基复合材料。获得如此细小、均匀颗粒弥散强化复合材料是常规的P/M法、铸造法（I/M法:Ingot Metallurgy）所无法实现的。,氧化物弥散强化铜基复合材料,氧化物弥散强化铜基复合材料，是在铜基体中引入热稳定性极高、呈弥散分布的第二相粒子，以阻碍位错运动和抑制再结晶，从而使基体强度，特别是高温强度得到大幅度提高的一种复合材料。常用的氧化物弥散相有Al2O3,Zr2O3,Y2O3,CaO,SiO2,MgO,TiO2和Cr2O3等，其中Al2O3是最常用的弥散相。Al2O3/Cu复合材料不仅保持了铜基体的高导电性和导热性，而且具有优越的高温性能和抗蚀性，因而Al2O3/Cu复合材料的研制和开发成为铜合金材料研究的热点。,氧化物弥散强化铜基复合材料,第一个提出用内氧化法来制备弥散强化铜的人是Smith.随后Rhine和Meijering等相继改进，使弥散强化铜综合性能有了大幅度提高。弥散强化铜被广泛应用于大型微波管结构和导电材料，转换开关和点焊机电极等方面。我国对Al2O3/Cu复合材料的研究起步较晚，现在很多高校和科研单位及企业都在进行这种材料的研究，但大部分仍处于试验阶段。,内氧化法制备Al2O3/Cu复合材料的工艺流程,Cu-Al合金粉末制备:首先熔炼Cu-Al固溶合金，然后采用水雾化法或氮气雾化法雾化熔体成粉末;氧导入粉末:将制成的粉末与氧源混合，氧源主要由Cu2O粉组成；内氧化粉末:把混合粉末加热到高温并控制氧分压，Cu2O分解，生成的氧扩散到Cu-Al合金粉末中，由于Al比Cu易生成氧化物，因此合金中的Al被优先氧化成Al2O3;氢气中还原多余氧:合金中的Al全部被氧化后，在氢气氛中将粉末进行加热，还原粉末中的过量氧;后续粉末冶金成形:将还原后的金属粉末采用压制成形、烧结、挤压等粉末冶金手段制成所需要的型材。,3.1.4 纤维强化金属基复合材料,烧结法既可以用于短纤维（含晶须）强化金属基复合材料的成形,也可以用于长纤维强化复合材料的成形。当强化相为短纤维或晶须时,烧结法的工艺过程基本上与强化相为颗粒时相同。当强化相为长纤维时,其烧结成形过程如图3.3所示。,3.2 铸造凝固成形,3.2.1 铸造成形法(一)掺入铸造复合法 在熔化金属中加入陶瓷颗粒,经均匀搅拌后浇入铸模中使其凝固,获得铸造制品或二次加工(塑性加工)用坯料。除加入强化用陶瓷颗粒,并需充分搅拌使颗粒均匀分散外,其余的工艺操作与常规的金属铸造方法没有差别。所以,铸造成形法可以利用现有设备实现大批量生产,降低生产成本。该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广,其代表性的复合材料首推Alcan公司的DuralcanTM牌铝基复合材料。铸造成形法的关键技术是陶瓷颗粒的添加方法与条件,而有关这方面的数据与资料的报道很少。主要原因是各公司对此均采取高度保密态度,不予公开。,铸造成形法的主要缺点是基体金属与强化颗粒的组合受限制。因为:(1)强化颗粒与熔融基体金属之间容易产生化学反应。例如,在熔融铝合金中加入SiC、Al2O3陶瓷颗粒时,由于SiC颗粒的热力学不稳定性,容易发生（3-3）式的反应：4Al+3SiCAl4C33Si(3-3)为了抑制上式的反应,要求基体金属是含Si较高的合金。尽管Al2O3在纯铝熔体中是稳定的,但当熔体中含有Mg时,则会产生（3-4）式所示的反应：3Mg+4Al2O33MgAl2O3+2Al(3-4)为了抑制上式的反应,希望基体金属是Mg含量尽可能低的铝合金。,(2)强化颗粒通常不容易被均匀地分散于象铝及铝合金一类的合金熔体中。一般地说,陶瓷颗粒与铝合金的润湿性很差,容易产生颗粒吸附于坩埚表面,或凝聚在一起、浮于熔体表面、沉淀于底部等现象。为了使颗粒均匀地分散于基体之中,需进行强力搅拌。对于细小颗粒,随着颗粒添加量的增加,熔体的粘性增加,搅拌难度增加,而增加搅拌力会使表面的氧化层、气体容易混入熔体之中。反之,粗大的颗粒容易产生重力偏析。因此,虽与陶瓷颗粒的种类有关,通常选用较大尺寸的颗粒,粒度为1020m左右;颗粒的含量则以不超过20 vol%为宜。,(3)陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。其对策之一是提高铸造时的凝固速度。,(二)原生复合法 将生成强化颗粒的原料加入到熔融基体金属之中,利用高温下的化学反应生成强化相,然后通过浇铸成形。可以生产铝、钛、铜、铅等金属与硼化物、碳化物、氮化物等的复合材料。铸造后多采用挤压、锻造等方法进行成形。TiB2强化铝基复合材料原生复合法的原理如下式所示。2BTiAlTiB2Al(3-5)或 Al-Ti2Al-BTiB23Al(3-6),原生复合法的特点是:颗粒与基体材料之间的结合状态良好（颗粒表面无氧化、无油污等）,有利于粒子的细化（0.251.5m）和均匀弥散,提高颗粒含量（可达40%左右）,获得高性能的复合材料。,3.2.2 含浸凝固法,将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体(称为预成形体)含浸于熔融基体金属之中,让基体金属浸透预成形体后,使其凝固以制备复合材料。,根据含浸、凝固时是否施加外力,含浸凝固法又分为加压含浸法与非加压含浸法。,加压含浸法是将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体(称为预成形体)含浸于熔融基体金属之中,让基体金属浸透预成形体后,使其凝固以制备复合材料。加压压力可高达50100 MPa,且压力保持到凝固结束为止。加压含浸方法很早以来即受到重视,已在柴油发动机耐磨活塞、高尔夫球杆头部材料等方面获得实用。,含浸法的优点：适合于强化相与熔融基体金属之间润湿性很差的复合材料的制备;有利于提高强化相的含量,可高达3080%;强化相与熔体金属的接触时间短,有利于抑制强化相与熔融金属之间的反应;当采用长纤维作强化相时,可先将纤维整齐排列成一定的形状,容易实现长纤维的三向排列(采用三向纤维织网的预成形体);不会产生铸造法中强化相偏析的现象。,含浸法的缺点：用颗粒作强化相时预成形体的制备较困难,通常采用晶须、短纤维制备预成形体;熔体金属不容易浸透,大尺寸复合材料的成形较困难;加压含浸时预成形体易产生变形乃至压溃；不适合于强化相含量低的复合材料的制备。,3.2.3 连续铸造法,连续铸造法适合于用长纤维作强化相的复合材料的成形。分下拉法与上拉法两种。优点是可以连续制备棒、管及断面形状较为简单的型材,且加工成本较低;缺点是为避免产生化学反应,纤维种类受到限制,基体金属一般只限于熔点较低的材料。,3.2.4 反向凝固法,反向凝固（Inversion Casting）工艺是由德国人于1989年发展的一种薄带连铸工艺。,利用薄带作为母带,以一定的拉速穿过反向凝固器,由于母带的温度远远低于钢液的温度,在母带表面附近形成足够大的过冷度,钢液从母带表面开始凝固生长。配置在反向凝固器上方的一对轧辊,同时起到拉坯、对带钢表面进行平整和促进凝固层与母带之间的焊合（压力作用下）的作用。由于坯料的凝固生长是从内向外进行的,故而称为反向凝固法。,主要工艺要点：(1)母带表面应进行充分的预处理,防止油污、杂质混入钢液之中;(2)母带金属与复合金属的匹配,防止凝固层与母带之间生成脆性化合物;(3)凝固层（复合层）厚度、复合层与母带之间的过渡层（熔合层）的厚度与钢液温度、拉坯速度的工艺参数密切相关,需要正确掌握其相互之间的关系。,3.3 喷射成形（喷射沉积）,喷射成形（Spray forming）法是将金属液滴以半熔融状态堆积于基板上,制备急冷凝固预成形体。,利用喷射成形原理制备颗粒强化金属基复合材料的方法有两种：添加法（Inert spray forming）；反应（原生）法（Reactive(In-situ)Spray forming）,颗粒添加喷射成形法的特点:(1)强化颗粒与熔融金属的接触时间短,界面反应受到很大程度的抑制,因而基体金属与强化颗粒的组合自由度比铸造法大。但是,成型体中强化颗粒的分布状态仍因基体与颗粒的组合不同而受到影响。(2)与常规的粉末冶金法（烧结法）相比,较容易制取管、棒、板等形状的大尺寸试样,也可以制备连续的和不连续的梯度材料复合材料。(3)喷射沉积法制备的复合材料为快速凝固组织,基体颗粒细小、均匀,但在塑性、致密性方面较差。故常对喷射沉积制备的锭坯进行挤压、旋压等后续加工,以改变其塑性和致密度。,反应喷射沉积法生成陶瓷颗粒的反应有如下三类：(1)液-汽反应。如 Fe-Al(O2+N2)Fe-AlAl2O3N2(3-8)Lawley等人采用含氧512%的氮气将Fe-2%Al熔融合金雾化,使其生成Al2O3,获得非常细小的Al2O3弥散强化铁基复合材料的预成型体。(2)液-液反应。如Cu-TiCu-BCuTiB2(3-12)Lee等人将Cu-Ti合金与Cu-B合金熔融体同时喷雾,制得TiB2弥散铜基复合材料。(3)液-固反应。在将熔融金属雾化的同时,吹入固体颗粒使其生成陶瓷颗粒。如STNLS-TiCrxNSTNLSTiN(3-13)可以制得20nm左右的TiN弥散强化奥氏体不锈钢。,3.4 轧制复合,轧制复合分为粉末轧制复合法和块（带）材轧制复合法（接合复合法）两大类。前者用于颗粒弥散强化强化金属基复合材料的成形,后者用于层状复合材料的成形。,3.4.1 粉末轧制法,一、包套轧制法 将粉末混合后进行压粉（初步成形）、包套、除气、轧制、烧结、后续加工（包括再轧制和进一步的热处理）,最终获得所需性能制品。这里轧制被用作相当于常规粉末冶金方法中的致密化手段。由于轧制变形中产生较大的附加剪切变形作用,因而与各种压缩致密法相比,轧制法的致密效果要好得多,尤其是采用孔型轧制时,其致密化效果仅次于挤压法。这种方法也是各种高温超导材料线材化的常用方法，例如银包套氧化物高温超导线材。,二、粉末直接轧制法 将粉末混合后直接进行轧制,然后进行烧结和后续加工,省去了包套轧制中的压粉、包套、除气等工序。,粉末直接轧制法具有如下两个主要优点:(1)简化了生产工艺,且可以实现连续成形;(2)可以直接实现多层复合成形。,单层带材成形时,利用两辊直接对粉末进行轧制。为了将混合粉末正确导入两辊之间的压缩变形区,需要使用导卫板,并在轧辊的两端附加侧向约束系统。为了保证轧辊表面状态保持一定,利于粉末的致密和提高轧材表面质量,需要配置辊面清理系统。成形多层带时,各层的原料在被压实之前即产生接触,部分粉末颗粒在成形过程中容易相互被压入对方一侧,因而界面将呈犬齿交错状,这有利于提高烧结后界面的接合强度。,3.4.2 块（带）材轧制复合法,一、双金属复合板 不同的金属在一定的温度、压力作用下通过变形接合（焊合）成一体。,当界面较清洁时,一般只需百分之几的压下率即可实现有效接合,获得高性能的复合界面。轧制坯的制备主要有如图所示的两种方式。,(一)热轧复合,图(a)为单一复合坯的情形，适合于两种金属在变形抗力、厚度尺寸相差不太大的情形;图(b)为组合复合坯的情形，适合于复合层与基体板材在厚度或变形抗力上相差较大的情形。在保持内部为真空的条件下将组合坯的四周焊合成一体。为了便于在复合后将上下复合板分开,需在两组复合坯之间涂覆耐热化合物,以防止轧制时产生焊合。然后对复合坯进行加热轧制,直至所需厚度。,热轧复合法的缺点在于:当被复合的材料为铝、钛等活性金属时,易在界面生成脆性金属间化合物;由于坯料的长度受限制,轧制后切头剪边部分所占比例较大,对成品率影响较大。,(二)冷轧、温轧复合,与热轧复合相比,冷轧复合时界面接合较困难。但由于无加热所带来的界面氧化,不易在界面生成化合物,无需真空焊接等坯料前处理工艺措施,因而金属组合的自由度大,适应面广。轧制前先将接合面的油脂、氧化物除去,然后将被复合的材料叠在一起进行轧制即可实现接合。为了获得较好的界面接合,轧制压下率通常需要在70%以上。,由于冷轧复合的前处理与轧制均较容易实现连续作业,故可使用卷状坯料(板卷),以提高生产率与成品率。但冷轧复合时的界面几乎没有扩散效果,要达到完全接合很困难，因此,往往在冷轧复合后施以扩散热处理,提高复合材料的界面接合强度。此外,对于冷轧接合较困难的材料,亦可在轧制复合前进行适当的加热,即采用温轧复合的办法。,爆炸成形是一种高能高速成形,其瞬时接合压力可高达104MPa以上,因而可使界面两侧的原子达到很近的距离,加上接合过程中伴随有塑性变形,有利于界面接合。虽然焊接过程中伴随有高温的产生,但由于复合在很短的时间内完成,能很好地抑制活性金属之间的化学反应。,(三)爆炸焊接-冷轧成形法,基板平放在沙土堆上,复层板通过软质支撑呈一定角度（1-3）支撑在基板上方,复板与基板之间的间隔(利于形成冲击)大约与复板的厚度相等即可。炸药均匀堆放在复板上面,通过引爆在起爆端的雷管,利用爆炸的巨大冲击力以及爆炸位置的迅速和连续传播,在很短的时间（通常为零点几秒）内即可完成整个焊接复合过程。,二、减振钢板 以减振钢板为主要代表的减振板材是在两层金属之间复合一层粘弹性树脂(高分子材料),以达到吸收振动能量,减少结构件噪音之目的。基本原理是:振动时的薄板弯曲在中间树脂层内引起剪切变形,分子之间产生粘性摩擦,将振动能量转换成热能而起到使薄板的弹性振动快速衰减的作用。,减振钢板的应用：1）改善薄板部件的共振性。汽车零部件一类薄板部件的噪音主要是由于其共振所引起的。过去的对策主要是采用隔音的方法,不利于部件的轻量化与生产的低能耗化,是一种消极的对策。减振材料则是针对噪音发生的根源采取积极的措施,致力于使材料本身具有减振功能。因此,减振钢板在过去30余年的时间内取得了较大的发展。,减振钢板的应用：2）新型建筑结构材料。钢轨、铁桥、钢制楼梯、走廊等噪音源，是因为金属撞击而引起的,使受撞击后材料内部的弹性振动尽快衰减，是减少撞击噪音的根本对策。减振钢板是同时具有高比强度、大尺寸等常规钢板特性与良好的柔软性、低噪音等木材特性的新型建筑结构材料。在工业化发达国家,减振钢板已在屋面材料、公寓楼梯与走廊、学校体育馆地板以及钢制家具等方面得以实用化。,减振钢板的成形 根据中间层树脂的形态不同,其成形方法可分为两种。1）稀释树脂涂覆、压接法 适合于采用常温下粘结性很强的树脂成形块状减振钢板,将块状钢板清洗、干燥后,在其复合面上涂覆一层经稀释了的树脂,再经干燥后叠合,在辊式压力机上压合即得减振钢板。,2）树脂膜夹层连续复合法 采用具有热熔化接合性树脂膜和板卷进行连续复合。,三、铝-塑复合板 类似于减振钢板的结构,铝-塑复合板以铝板或铝箔为面料,以聚乙烯或聚氯乙烯为芯料,经预处理、辊压等工艺进行复合。作为新型建筑、装饰材料,铝-塑复合板具有重量轻、机械强度高、隔音隔热效果好、防火、防水,以及良好的耐冲击、耐候性等,且外表美观、使用方便、利于施工。主要用于宾馆、酒楼、高档公寓、商场的户外装修以及柜台、家具等室内装修，还可以用于客车、火车、轮船等的间隔材料,以及机械、仪器、电器设备等。,3.5 挤压成形,3.5.1 概述 采用挤压法可成形的金属复合材料分为两大类：一类为分散（弥散）强化型复合材料，即通常所说的金属基复合材料；另一类为层状复合材料，如各种铝包钢线、双金属管等包覆材料，复合板、夹层板等层状复合材料，以及其它特殊复合材料。,层状复合材料的例子,建筑用挤压铝型材,广泛用于住宅、商厦等公共建筑的门、窗和内外装修。,铁路车辆用挤压铝型材,挤压型材组装构成的旅客列车车身,新干线7000系车辆用典型材料：中空铝型材（双层蒙皮），宽0.6 m，长25 m。,3.5.2 金属基复合材料挤压,一般采用粉末冶金法、高压铸造法或普通铸造法制取坯料，然后通过挤压的方法加工成各种断面形状的制品。与其它的热塑性变形加工方法相比，采用热挤压（正挤压、反挤压或静液挤压等）方法进行后续加工生产灵活性大，有利于获得管、棒、线、空心或实心型材。而对于粉末冶金法制备的复合材料，利用高温挤压变形时强三向压应力和强剪切变形作用，可以破坏粉末表面的氧化膜，改善粉末颗粒之间的接触状态，压合内部的空洞和孔隙，提高制品的致密度与性能。,此外，在粉末冶金法制备复合材料的工艺中，为了减少制备工序、降低生产成本，并克服后述的挤压加工较困难的缺点，也可由预制坯不经烧结而直接进行热挤压成形。金属基复合材料的变形抗力很高，给挤压加工带来很大困难，在挤压方法、挤压设备与工艺参数的选择时需要予以特别考虑。,采用粉末冶金或铸造法制备的坯料中，晶须或短纤维呈无序分布状态。利用挤压加工时基体金属的塑性流动，可增加晶须或短纤维的取向性，从而提高复合材料的强化效果。为了利用取向性提高复合材料的强化效果，要求强化相的长径比达到某一临界值以上。但另一方面，由于挤压金属流动的不均匀性，强化相的长径比过大时，容易产生损伤和折断，影响强化效果。因此，在采用短纤维作强化相时，应选择合适的纤维长度。,3.5.3 双金属管挤压,3.5.3.1 复合坯料挤压法 挤压前将成形内外层用的两个空心坯组装成一个复合坯，然后进行挤压。为了提高界面接合强度，需将内外层坯料的接触界面清洗干净。同时，为了防止坯料加热过程中产生氧化而影响界面的接合，需要在复合坯组装后采用焊接或包套的方法对坯料两端端面上内外层的之间的缝隙进行密封。,优点：挤压时的延伸变形将使界面上产生较大比例的新生表面,同时模孔附近挤压变形区内的高温、高压条件非常有利于界面原子的扩散，从而达到冶金接合（或称金属学接合）。缺点：1）由于挤压时金属流动不均匀，容易造成挤压管材沿长度方向内外层壁厚不均匀。2）当内外层坯料的变形抗力相差较大时，容易产生外形波浪、界面呈竹节状甚至较硬层产生破断的现象，因而金属的组合受到很大限制。,3.5.3.2 多坯料挤压法 能很好地克服常规复合坯料挤压法的缺点，适合于双金属管的成形。,3.5.4 包覆材料挤压,3.5.4.1 单芯包覆材料 用于导电或电器元件的线材占主要多数。在利用铜、铝的优秀导电、导热性，铝的低密度的同时，通过复合赋予线材以特殊的物理性能(如低线膨胀系数)或高强度、高刚性、耐蚀耐磨性等。单芯包覆材料的成形主要采用挤压，或挤压后再进行拉拔的方法。,3.5.4.1 单芯包覆材料 一、普通挤压复合法（芯材变形）是单芯包覆材料成形的最基本的方法，最大优点是生产工艺比较简单，且因为变形量大，加之热挤压时变形区内高温高压的作用，复合制品的界面比较容易实现冶金接合。由于挤压流动不均匀性的特点，挤压制品沿长度方向包覆比（包覆层的厚度与制品直径之比，或包覆层的断面积与制品横断面积之比）不均匀严重。当内外层材料的变形抗力或塑性流动性能相差较大时，还容易产生波浪、竹节、断芯、包覆层破断、内外层之间鼓泡、表面皱纹等缺陷，选用具有合适模角的挤压模，在坯料与挤压筒壁之间进行润滑等措施，可以减轻或减少缺陷的形成，扩大挤压成形范围。,确定挤压工艺时，需要注意如下问题：(1)保证坯料界面干洁，防止坯料复合后放置过程中或加热过程中产生界面氧化。(2)采用较大的挤压比，保证界面在变形过程中产生足够的新生面。(3)控制挤压温度以防止在界面上形成金属间化合物。(4)对于虽不易形成化合物，但接合性能较差的金属组合，也可以在复合界面之间添加有利于提高接合强度的过渡金属层。,二、静液挤压法由挤压轴施加的挤压力通过黏性介质作用到坯料上而实现挤压。由于坯料与挤压筒壁、坯料与挤压垫片之间不产生直接接触，且坯料与挤压模之间的润滑状态良好，从而大大改善了金属流动的均匀性。采用静液挤压法有利于克服常规的正向挤压法成形复合材料时容易产生的各种挤压缺陷，尤其是沿制品长度方向包覆层厚度不均匀的问题。,由于复合是在高压、芯材与包覆层同时产生塑性变形的条件下进行的，可以获得高质量的复合界面。此外，与常规的挤压方法相比，静液挤压可以在室温或较低的温度下实现大变形挤压，因而适合于在高温下容易形成金属间化合物的复合材料的成形。对复合层厚度的均匀性以及复合界面的接合强度要求较高的包覆材料，大多采用静液挤压的方法进行成形。,静液挤压法成形包覆材料的主要缺点是，生产效率低，成本高，不适合于复杂断面形状材料的包覆。与常规的正向挤压法一样，所定挤压温度下芯材与包覆材的变形抗力不能相差太大，否则容易产生波浪、竹节、芯材或包覆层破断等缺陷。,三、连续挤压法（Conform:Continuous extrusion forming）依靠槽轮的摩擦将原料铝杆连续咬入,可以实现连续和较高速度的包覆。适合于芯材无变形的连续包覆成形，如用作架空高压线的铝包钢线和电车输电导线等。,在实现包覆成形过程中，金属的流动特点与侧向挤压包覆法基本相同，模具配置与设计应考虑的主要问题也相同。,四、带张力挤压法 在挤压机的前方对包覆制品施加张力，以实现低包覆率（包覆层厚度很小）挤压，通常用于在成形温度下芯材的强度远远高于包覆材的强度这样一类包覆制品的成形。包括普通正向挤压、分流模挤压、侧向挤压三种主要形式。,五、多坯料挤压包覆法特点：(1)可在普通正向挤压机上成形；(2)在高温下进行包覆时，多坯料挤压成形过程中芯材与包覆层处于高温状态下的接触时间很短（与连续挤压法相当），有利于抑制异种金属之间的反应；(3)可以简单地进行多心包覆；(4)通过调节芯材包覆套的高度，可在很广的芯材屈服强度与包覆材流动应力比（记为YSR）的范围内实现芯材无变形包覆；(5)较容易地实现大断面、复杂形状断面型材的无变形包覆。缺点是工模具结构及挤压操作与常规挤压法相比要复杂一些。,3.5.4.2 多芯包覆材料（低温超导复合线）典型的挤压多芯包覆材料是低温超导复合线材，一般为由几百乃至上千根直径为十几至数十微米超导纤维复合在一起而成。超导材料可分为金属系与氧化物系两大类，前者为低温超导材料，后者为高温超导材料。由于电场、磁场的作用致使超导导体移动而产生的摩擦热，电流与磁场分布变化所引起的超导导线发热，均有可能引起超导状态的破坏而成为常导体。为了防止这种现象的产生，需要采用电阻小、热传导性能良好的铜或铝进行包覆，以便在有局部发热时，其热量能被迅速逸散掉。为了确保上述散热效果，希望超导导体本身成为细小纤维，每一根纤维均能用铜或铝包覆起来，然后再将包覆纤维复合成多芯复合导线。因此，多芯复合线材的成形技术对低温超导线材的制备与使用十分重要。,一、Nb-Ti多芯复合超导线材 Nb-Ti与其它的合金、化合物系低温超导材料相比，其超导性能并不算高。但Nb-Ti合金与铜的复合加工性能良好，机械强度与韧性高，因而成为当今主要的实用低温超导材料，大约占将近90%的比例。,Nb-Ti多芯复合线的加工工艺过程：首先将电弧炉熔制的Nb-Ti铸坯挤压或轧制成圆棒状，对表面进行研磨、清洗后插入经过清洗的铜管内进行拉拔成形，制得六角形的Cu包覆Nb-Ti复合棒。然后将复合棒切断成一定尺寸长度，经矫直、表面研磨与清洗加工后，以紧密堆积方式排列于Cu圆筒内，采用电子束焊接法将两端封闭，制成复合挤压坯。采用静液挤压法将复合坯挤压成直径为50-80 mm的多心复合棒。挤压多芯复合棒经反复拉拔、退火处理拉制成所需断面尺寸的线材。,二、Nb3Sn多芯复合超导线材 Nb3Sn的超导性能远高于Nb-Ti合金，但由于Nb3Sn是一种化合物系脆性材料，其实用受到很大限制，只在高磁场（10T以上）用超导线圈等方面有少量实际应用。为了解决脆性化合物的成形性能很差的问题，Nb3Sn一类超导线材的代表制备工艺是：首先采用非化合物的金属或合金作原料，通过挤压、拉拔等成形方法制得多芯复合线材，然后通过热处理生成所需化合物，赋予复合线材超导特性。,其工艺过程为：用青铜（含锡13wt%左右的Cu-Sn合金）与Nb的复合棒组合成复合坯料，采用静液挤压制备复合多芯棒材；为了防止在成形过程中生成化合物，挤压需在较低温度下进行；上述过程反复23次并施以拉拔伸线，以获得所需尺寸的多芯复合线材；然后通过热处理（700左右）生成超导物质（如Nb3Sn）。,包覆敷碎片挤压法制备TiNi丝,3.5.5 其它层状复合材料挤压,钢丝增强6063铝合金管的分流模挤压复合 将12根直径2mm的硬钢线呈对称排列复合到外径60.8mm、壁厚2.2mm的6063合金管中，可得到比常规的6063铝合金管抗拉强度、抗弯强度、压缩失稳强度提高45-50%以上的复合管，而其单重仅增加不到15%。,刚性滑接复合导线的分流模挤压成形 挤压时钢带通过分流桥进入模芯，然后在焊合腔内与铝合金压合，从模孔挤出。为了改善金属的流动、利于模具设计、提高压接效果，通常采用一次成形2根复合导线的方式。,采用多坯料挤压法可以成形左右部分（而不是厚度方向）为不同材料的复合板材、翼缘部与立股部为异种材料的复合型材。这一类的复合材料虽然尚处在研究的初期阶段，但有希望在特种导电材料（如高速列车输电线材）、特殊用途的结构材料等方面获得应用。,3.6 拉拔成形,拉拔成形主要用于两个方面,一是双金属管的复合,二是对采用挤压法成形的双金属管、包覆棒材进一步加工,以获得细长尺寸制品。,3.6.1 拉拔复合法,利用具有不同变形抗力的材料在塑性变形后会产生残余应力的特点而实现机械接合的一种方法,分缩管拉拔法与扩管拉拔法两种。,3.6.2 包覆材的拉拔加工,采用普通挤压法与静液挤压法通常只能成形直径较大的复合棒材,为了制备各种小尺寸的复合线材,一般需要进行后续拉拔加工。,3.7 液压扩管,适合于变形抗力相差较大的双金属管成形。,初始状态时内层管的外径Do小于外层管的内径Di，加压时首先是内层管被扩径,直至与外层管接触，DoDi，内外层管之间的间隙消失。然后继续增压使外层管的外径产生一定程度的变形，达到DoDiD，并保持一定时间后卸压，通过控制内外层管坯的材质,使得外层管内径的弹性恢复量DiD大于内层管外径的弹性恢复量DoD，借助于外层管的收缩力（抱紧力）而实现复合。,3.8 其它复合方法,扩散法的优点是基体与纤维之间不易产生反应,因而基体与纤维的组合自由度较大；缺点是纤维与基体之间的润湿性常成为问题,制品性能均匀性不易控制等。,3.8.1 层叠热压法,一、扩散接合法,将金属箔或薄板与纤维交替排列，或将单层纤维复合板叠在一起，然后升温、加压,使基体金属与纤维、基体金属与基体金属之间产生扩散而达到结合的目的。,二、熔融金属结合法 在真空或惰性气体中,使金属熔化浸透到排列整齐的纤维束之间而制得复合材料。,优点是基体与纤维的润湿性好,纤维体积率高,制品性能的均匀性良好；其缺点是熔融金属与纤维易产生化学反应,工艺与设备较复杂等。可制备有如宇宙飞船机架空心结构件等高性能材料。,3.8.2 熔融金属喷涂缠绕法,该方法的具体工艺因制品形状的不同而异。制备连续纤维强化圆管时,可直接将熔融金属（如熔融铝）喷涂在纤维（如SiC）上，然后将复合纤维卷取到卷筒上,再通过热压而制得圆管。,如需要成形形状较为复杂的部件，则可将纤维缠绕到圆筒上,然后喷涂熔融金属制备复合板材,然后再对板材进行二次成形，以获得所需形状的部件。,3.8.3 两相合金变形复合法,两相合金是指在一定组成范围或全组成范围内，一种金属既不溶（或几乎不溶）于另一种金属,也不生成金属间化合物的一类合金。两相合金在熔化后由液态开始冷却的过程中,熔点较高的金属A（第二相金属）首先凝固,然后当温度达到较低熔点金属B的凝固点时,金属B开始凝固直至合金的凝固结束。因此,两相合金在组织上为复合材料型结构,第二相金属以颗粒状或树枝状分散于金属基体之中。,