金属基复合材料的制造技术.ppt

第4章 金属基复合材料的制造技术,4.1 概述,金属基复合材料制造技术是影响金属基复合材料迅速发展和广泛应用的关键问题。金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于金属基复合材料的的制造方法和工艺。金属基复合材料的制造相对比较复杂和困难:金属熔点较高，需要在高温下操作；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。目前虽然已经研制出不少制造方法和工艺，但仍存在一系列问题。因此,研究发展有效的金属基复合材料制造方法一直是金属基复合材料研究中最重要的问题之一。本章将涉及不同金属基复合材料的制造方法、原理及特点等。,4.1.2 制造技术应具备的条件,4.1.3 金属基复合材料制造的关键性技术,由于金属所固有的物理和化学特性，其加工性能不如树脂好，在制造金属基复合材料中还需解决一些关键技术，其中主要表现于：,在加工过程中，为了确保基体的浸润性和流动性，需要采用很高的加工温度（往往接近或高于基体的熔点）。在高温下，基体与增强材料易发生界面反应，有时会发生氧化生成有害的反应产物。这些反应往往会对增强材料造成损害，形成过强结合界面。过强结合界面会使材料产生早期低应力破坏。高温下反应产物通常呈脆性，会成为复合材料整体破坏的裂纹源。因此控制复合材料的加工温度是一项关键技术。,解决的方法是：尽量缩短高温加工时间，使增强材料与基体界面反应时 间降低至最低程度；通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快；采用扩散粘接法可有效地控制温度并缩短时间。,增强材料与基体浸润性差是金属基复合材料制造的又一关键技术，绝大多数的金属基复合材料如：碳/铝、碳/镁、碳化硅/铝、氧化铝/铜等，基体对增强材料浸润性差，有时根本不发生润湿现象。解决的方法是：加入合金元素，优化基体组分，改善基体对增强材料的 浸 润性，常用的合金元素有：钛、锆，铌、铈等；对增强材料进行表面处理，涂敷一层可抑制界面反应的 涂层，可有效改善其浸润性，表面涂层涂覆方法较多，如化学气相沉积，物理气相沉积，溶胶凝胶和电镀或 化学 镀等。,按结构设计需求，使增强材料按所需方向均匀地分布于基体中也是金属基复合材料制造中的关键技术之一。增强材料的种类较多，如短纤维、晶须、颗粒等，也有直径较粗的单丝，直径较细的纤维束等。在尺寸形态、理化性能上也有很大差异，使其均匀地、或按设计强度的需要分布比较困难。解决的方法是：对增强体进行适当的表面处理，使其浸渍基体速度加快；加入适当的合金元素改善基体的分散性；施加适当的压力，使其分散性增大。施加外场(磁场,超声场等),4.2 固态制造技术,固态制造技术主要包括：,粉末冶金,热压,热等静压,热轧,热挤压,热拉,爆炸焊接,粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。,粉末冶金工艺的基本工序是：,1、原料粉末的制备。,现有的制粉方法大体可分为两类：机械法和物理化学法。而机械法可分为：机械粉碎及雾化法；物理化学法又分为：电化腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。,不锈钢真空球磨罐,QM-星行球磨机,球磨工艺,球磨时间球料比球磨转速球磨气氛（干磨、湿磨）,球磨工艺-球磨时间,球磨工艺-球料比,球料比越大，硬质粉体越细小。而塑性较好的金属粉体如图,2、压制成坯块。,成型的目的是制得一定形状和尺寸的压坯，并使其具有一定的密度和强度。成型的方法基本上分为加压成型和无压成型。加压成型中应用最多的是模压成型。,液压式压力机,压力机压力表,压力机压力调节阀,上模,下模,液压机原理图,我国粉末冶金专家黄培云教授得出粉末体密度的变化与压制压力的关系式，即双对数压制方程：式中dm致密合金的密度；d0压坯原始密度；d压坯密度；P压制压力；n常数，硬化指数的倒数；M常数，相当于压制模量。采用模压成型压制出的压坯致密度可达58-62%。,脱脂,在试样烧结前，必须将成形剂脱除掉。成形剂的挥发温度通常是200-400，如在此温度未脱除干净，炉内温度继续上升时，成形剂将裂解而使烧结体增碳，同时产生大量的气孔。脱脂在还原气氛炉内进行。,在200 到400 之间升温和保温时间都很长，其目的就是使成形剂充分挥发。加热到800 并短时保温的目的是提高压坯的强度。,烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。成型后的压坯通过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。烧结又分为单元系烧结和多元系烧结。对于单元系和多元系的固相烧结，烧结温度比所用的金属及合金的熔点低；对于多元系的液相烧结，烧结温度一般比其中难熔成分的熔点低，而高于易熔成分的熔点。除普通烧结外，还有松装烧结、熔浸法、热压法等特殊的烧结工艺。温度,时间,气氛.,3、坯块的烧结,箱式电阻炉,真空烧结炉,烧结后的处理，可以根据产品要求的不同，采取多种方式。如精整、浸油、机加工、热处理及电镀。此外，近年来一些新工艺如轧制、锻造也应用于粉末冶金材料烧结后的加工，取得较理想的效果。,4、产品的后序处理,（6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收 废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合 利用的新技术。,（3）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料 各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复 合材料的工艺技术。,（4）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的 材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等。,（5）可以实现净近形成形和自动化批量生产，从而，可以有 效地降低生产的资源和能源消耗。,粉末冶金是最早用来制造金属基复合材料的方法，早在1961年Kopenaal等人就利用粉末冶金法制造纤维体积含量为2040的碳铝复合材料，但由于性能很低，也无有效措施加以提高，这种方法已不用来制造长纤维增强复合材料，而主要用于制造颗粒或晶须增强金属基复合材料。,1、工艺过程及注意事项,美国的DWA公司用此法制造了不同成分的铝合金基体和不同颗粒（晶须）含量的复合材料及各种零件、管材、型材和板材，它们具有很高的比强度、比模量和耐磨性，已用于汽车、飞机、航天器等。,粉末冶金法也被用来制造钛基、金属间化合物基复合材料。例如，含TiC颗粒10的TiC/Ti6Al4V复合材料，其650的高温弹性模量提高于15，使用温度可提高100。基体粉末和颗粒（晶须）增强材料的混合均匀以及基体粉末的防止氧化是整个工艺的关键，必须采取有效措施。与搅拌铸法相比，在粉末冶金法中颗粒（晶须）的含量不受限制，尺寸也可以在较大范围内变化，但材料的成本较高，制造大尺寸的零件和坯料有一定困难。,2、工艺适应性 该工艺适于制造SiCp/Al、SiCW/Al、Al2O3/Al、TiB2/Ti等金属基复合材料零部件、板材或锭坯等。常用的增强材料有：SiCP、Al2O3、SiC、W、B4CP等颗粒、晶须及短纤维等。常用的基体金属有：Al、Cu、Ti等。,4.2.2 热压和热等静压技术,热压法和热等静压法亦称扩散粘接法，是加压焊接的一种，因此有时也称扩散焊接法。它是在较长时间的高温及不大的塑性变形作用下依靠接触部位原子间的相互扩散进行的。,扩散粘接过程可分为三个阶段：粘接表面之间的最初接触，由于加热和加压使表面发生变 形、移动、表面膜（通常是氧化膜）破坏；随着时间的进行发生界面扩散和体扩散，使接触面粘接；由于热扩散结合界面最终消失，粘接过程完成。,在发动机制造中，热等静压机已用于粉末高温合金涡轮盘和压气盘的成型。,粉末高温合金热等静压或热等静压加锻造的盘件已在多种高推重比航空发动机上应用。同样，热等静压还用于制造粉末钛合金风扇盘和飞机上的粉末铝合金和粉末钛合金承力构件。在航天器制造工业中，热等静压主要用于制造致密的碳质结构件，如火箭的舵面和固体火箭发动机喷管喉衬等。,各种合金的精密铸件，如高温合金涡轮叶片和铸钛机匣等，经热等静压致密化处理可消除内部疏松和缩孔，提高性能、可靠性和使用寿命。热等静压还是返修旧件以延长使用寿命的一种有效方法。,Bodycote IMT Inc.公司的一台大型 QUINTUS热等静压机,炉体热区直径 1.68 米,在热等静压机中生产从金属粉末直接成型的接近净形状零件,在热等静压机中处理的钛合金铸件,用于消除在铸造过程中形成的内部微空和缺陷,在热等静压机中处理的人工关节,用于消除在铸造过程中形成的内部微空和缺陷,工艺适用性,（1）热压技术 热压技术适用于制造B/Al、SiC/Al、SiC/TiC/Al、C/Mg等.复合材料零部件，管材和板材等。常用的增强材料有：B、SiC、C和W等。常用的基体金属有：Al，Ti、Cu、耐热合金等。,（2）热等静压技术 此技术适用于制造B/Al、SiC/Ti管材。常用的增强材料有：B、SiC、W等。常用的基体金属有：Al、Ti和超合金等。,4.2.3 热轧、热挤压和热拉技术,金属材料中成熟的成型加工工艺，在此用于制造复合材料。,热轧法热挤压法热拉法,热轧法主要用来将已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料锭坯进一步加工成板材。由金属箔和连续纤维组成的预制片制成板材，如铝箔与硼纤维、铝箔与钢丝。为了提高粘接强度，常在纤维上涂银、镍、铜等涂层，轧制时为了防止氧化常用钢板包覆。与金属材料的轧制相比，长纤维金属箔轧制时每次的变形量小、轧制道次多。对于颗粒或晶须增强金属基复合材料板材，先经粉末冶金或热压成坯料，再经热轧成复合材料板材。适用的复合材料:SiCp-Al、SiCW-Cu、Al2O3W-Al、Al2O3W-Cu等。,热轧机工作原理示意图,铝锭熔炼炉静置炉过滤铸嘴轧机中间机组卷取机,热轧系统基本流程为：,按流动特性和挤压力的变化规律，可将挤压过程分为：,填充挤压阶段：金属在挤压杆（力）的作用下首先充满挤压筒和模孔（金属主要径向流动），挤压力急剧升高；基本挤压阶段：又称层流挤压阶段，金属不发生紊乱流动，即锭外（内）层金属出模后仍在外（内）层，挤压力稳中有降；,终了挤压阶段：又称紊流挤压阶段，金属发生紊乱流动，即外层进入内层，挤压力上升。,（1）填充挤压阶段,挤压时，为便于将锭坯放入筒中，常使锭坯外径小于筒内径115mm，因此在挤压力的作用下，锭坯首先径向流动充满挤压筒，同时有少量金属流入模孔。杆、垫片、锭坯开始接触到锭坯充满挤压筒的阶段称为填充挤压阶段。,A 必要性 a 操作要求；b 实心锭挤管，否则穿孔针弯曲导致管材偏心；c 制品要求横向性能，如航空用型材必须有一定的镦粗变形（2530）,B 应力分析,作用于坯料上的外力：挤压力：P；模端面反力：N；摩擦力：T。,基本应力状态类似于自由体镦粗，为三向压应力，即轴向应力L、径向应力r、周向应力。且可看成是主应力，但由于模孔的存在，导致L分布不均匀，体现在：,径向：中心小，两边大，差异由前向后逐渐减小。,轴向：对着模孔部分：由前向后增大 对着模壁部分：由前向后减小,C 变形（应变）分析,应变状态：一向压缩（轴向）、二向延伸（径向、周向）变形过程：开始出鼓形，中部首先充满挤压筒；继续加力，上部充满挤压筒；最后，下部充满挤压筒。,D 坯料端面变形分析,填充挤压时，部分金属会流入模孔，但此部分金属并不是发生塑性变形后流入模孔的，而是被剪出的，其组织是铸态组织，必须切下（棒材头）。,原因：轴向应力在径向上的分布是不均匀的，且在模孔周围最大，这种应力突变会产生很大的切应力，当此切应力达到材料的剪切极限时，对着模孔部分的金属便沿模孔被剪出。,E 填充阶段应注意的问题 a 尽量减小变形量（锭坯与挤压筒的间隙），否则易造成：制品性能不均匀；棒材头大，即切头大；低塑性材料易出现表面裂纹。此阶段的变形量用填充挤压系数表征，定义填充挤压系数为：,一般,b 锭坯的长度与直径比小于34，即L/D3-4。否则变形不均出现鼓形，甚至失稳弯曲，导致封闭在模、筒交界处的空气压入表面微裂纹中，出模后若焊合则形成气泡，若未焊合则出现起皮缺陷。,c 锭坯梯温加热，即坯料获得长度上的原始温度梯度，变形抗力低的高温端靠近模孔，填充挤压时坯料由前向后依次变形，从而将空气排除。,（2）基本挤压阶段 金属从模孔中流出到锭坯长度等于变形区高度的阶段。A 挤压比 挤压时的变形量常用挤压比表征，定义挤压比为：,单孔模挤压时，挤压比为：,挤压比的大小由被挤压材料的塑性决定，可查表。,B 应力分析,外力：挤压力P；筒、模的反力N；筒、模、垫片与坯料间的摩擦力T。基本应力状态：为三向压应力，即轴向应力L、径向应力r、周向应力。基本应变状态：为一向延伸变形，二向压缩变形，即轴向延伸变形L、径向压缩变形r、周向压缩变形。I1区：三向压应力|r|L|L0,r|r|L0,|r|III区为死区：三向等值压应力IV区为剪切变形区,轴向应力L分布：轴向上：由前向后逐渐增大；径向上：由中心向边部逐渐增大。,2,2,C 变形（应变）分析,应变状态：二向压缩（径向、周向）、一向延伸（轴向）变形规律（应变分布）：可由此阶段坐标网格变化分析，如下图。,a 纵向（水平方向）网格在进、出模孔发生方向相反的两次弯曲，弯曲程度由内向外逐渐增大，说明变形是不均匀的。分别连接两次弯曲的弯折点可得两个曲面，一般将此两曲面与模孔锥面或死区界面所围成的区域叫变形区压缩锥，或简称变形区。,b 在变形区中，横向（垂直方向）网格的中心朝前，且越接近模孔弯曲越大，说明中心质点的流速大于外层质点的流速，且差异越接近模孔越大。这是因为：外摩擦影响：外层大，中心小；断面温度分布：一般外层低，中心高；模孔的存在使中心质点的流动阻力小于外层质点。,c 制品的网格也有畸变，表现在：横向线的弯曲程度以及弯曲顶点的间距由前向后逐渐增大，说明变形（延伸变形和剪切变形）由前向后逐渐增大。中心网格变成近似矩形，外层网格变成平行四边形，说明外层质点不仅承受了纵向延伸，还承受了附加的剪切变形，且剪切变形由中心向外层逐渐增大。,变形规律总结：径向上：外层大，中心小；轴向上：后端大，前端小；变形差异：由前向后逐渐增加；流动速度：中心大，外层小；总体看流动平稳（层流）。,d 挤压筒内金属分区,前端难变形区 又称死区，位于筒、模交界处的环形区域，是由于筒、模的摩擦和冷却，使此部分金属不易变形形成的。死区在基本挤压阶段基本不参与流动。,死区的顶部能阻碍锭坯的表面缺陷进入变形区而流入制品，因此能提高制品的表面质量。影响死区大小的因素：模角、摩擦、挤压温度等，随这些参数的增大，死区增大，如平模挤压时死区大。,后端难变形区 位于垫片端面附近，是由于筒、垫片的摩擦和冷却，使此部分金属不易变形形成的，在基本挤压末期，此区域逐渐变成一小楔形区。,在变形区中，有一个剧烈滑移区，处于死区和快速流动区之间。变形越不均匀，此区越大，因此随挤压过程的进行，此区不断扩大。剧烈滑移会导致晶粒过渡破碎，易导致制品表面出现微裂纹和组织粗大（粗晶环），导致制品性能下降。,（3）终了挤压阶段 筒内锭坯长度减小到接近变形区高度时的流动阶段。,主要特征：A 挤压力升高；（死区参与流动、温度低）B 金属径向流速增加，金属环流（紊流）（维持体积不变规律）。实际生产中，在此阶段停止挤压（留压余）。,挤压铸造生产工艺过程：,合理选择工艺参数,4.2.4 爆炸焊接技术,金属爆炸焊接是介于金属物理学、爆炸物理学和焊接工艺学之间的一门边缘学科，爆炸焊接又是用炸药作能源进行金属间焊接和生产金属复合材料的一种很有实用价值的高新技术。它的最大特点是在一瞬间能将相同的、特别是不同的和任意的金属组合，简单、迅速和强固地焊接在一起。它的最大用途是制造大面积的各种组合、各种形状、各种尺寸和各种用途的双金属及多金属复合材料。这种技术还是一种先进的表面工程技术，这类材料也是一类应用广泛的表面工程材料。,爆炸焊接法是利用炸药爆炸产生的强大脉冲应力，通过使碰撞的材料发生塑性变形、粘接处金属的局部扰动以及热过程使材料焊接起来。如果用金属丝作增强材料，应将其固定或编织好以防其移位或卷曲。基体和金属丝在焊前必须除去表面的氧化膜和污物。爆炸焊接用底座对材料质量的优劣起着重要作用，底座材料的密度和隔声性能应尽可能与复合材料接近。用放在碎石层或铁屑层上的金属板作底座可得到高质量的平整的复合板。,爆炸焊接的特点是作用时间短，材料的温度低，不必担心发生界面反应。用爆炸焊接可以制造形状复杂的零件和大尺寸的板材，需要时一次作业可得多块复合板。此法主要用来制造金属层合板和金属时增强金属基复合材料，例如钢丝增强铝、钼丝或钨丝增强钛、钨丝增强镍等复合材料。,爆炸加工技术在宇航、军工、化工等方面都有着广泛的应用。例如：宇宙火箭上各种形状的大型铝制舱壁、压力容器上的圆盖、锅炉的顶盖，热交换器的凸状通风板以及铝制大型反射器等，都用得着爆炸成形技术，对于形状不对称的的工件加工，诸如电缆连接、银盘、铜盘或人像与图像的雕撰等，尤见长处。更美妙的是利用爆炸办法可以把石墨碳粉在高压下变成金刚石粉。,国产太行战机用涡轮风扇航空发动机,4.3 液态制造技术,液态制造技术是金属基复合材料主要的制造技术,4.3.1 真空压力浸渍技术,真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体共同作用下，将液态金属压入增强材料中制成预制件，再制备金属基复合材料制品。其兼备真空吸铸和压力铸造的优点。该技术由美国的Alcon公司于1960年最先发明，经过不断改进，逐步发展成能控制熔体温度、顶制件温度、冷却速度、压力等工艺参数的工业性制造方法。,熔体进入预制件有三种方式:,底部压入式,顶部注入式,顶部压入式,浸渍炉由耐高压的壳体、熔化金属的加热炉、顶制件预热炉、坩埚升降装置、真空系统、控制系统、气体加压系统和冷却系统组成。金属熔化过程和预制件预热过程可在真空或保护气氛条件下进行，以防止金属氧化和增强材料损伤。,1、工艺过程,首先将增强材料预制件放入模具，并将基体金属装入坩埚中;然后将装有预制件的模具和装有基体金属的坩埚分别放人浸渍炉的预热炉和熔化炉内，密封和紧固炉体，将预制件模具和炉腔抽真空，当炉腔内达到预定真空度后开始通电加热预制件和熔化金属基体。控制加热过程使预制件和熔融基体达到预定温度，保温一定时间，提升坩埚，使模具升液管插入金属熔体，并通入高压惰性气体，在真空和惰性气体高压的共同作用下，液态金属渗入预制件中并充满增强材料之间的孔隙，完成浸渍过程，形成复合材料。降下坩埚，接通冷却系统，待完全凝固后，即可认模具中取出复合材料零件或坯料。凝固在压力下进行，复合材料及其制品一般无铸造缺陷。,真空压力浸渍法制备金属基复合材料过程中，预制件的制备和工艺参数的控制是制得高性能复合材料的关键。复合材料中纤维、颗粒等增强材料的含量、分布、排列方向是由预制件决定的，应根据需要可采取相应的方法制造满足设计要求的预制件，常用的方法通常有干法和湿法两种，还可根据具体情况，适当加入胶粘剂。预制件应有一定的抗压缩变形能力，防止浸渍时增强材料发生位移或弯曲，形成增强材料密集区和富金属基体区，使复合材料性能下降。,湿法制备预制件的工艺流程图,真空压力浸渍技术的特点:,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，增强材料的形状、尺寸、含量基本上不受限制。也可用来制造混杂复合材料。2）可直接制成复合零件，特别是形状复杂的零件，基本上无需进行后继加工。3）浸渍在真空中进行、压力下凝固，无气孔、疏松、缩孔等铸造缺陷，组织致密，材料性能好。4）工艺简单、参数易于控制，可根据增强材料和基体金属的物理化学特性，严格控制温度、压力等参数，避免严重界面反应。5）真空压力浸渍法的设备比较复杂，工艺周期长、投资大，制造大尺寸的零件要求大型设备。,工艺适应性,4.3.2 挤压铸造技术,过程:先将增强材料制成一定形状的预制件，经干燥预热后放入模具中，浇注入熔融金属，用压头加压，压力为70100MPa，液态金属在压力下浸渗入预制件中，并在压力下凝固，制成接近最终形状和尺寸的零件，或供用塑性成型法二次加工的锭坯。,挤压铸造技术是利用压机将液态金属强行压入增强材料的预制件中以制造复合材料的一种方法。,“挤压铸造”也称“液态模锻”，是一种介于铸造与锻造之间的优质、高效、节能的工艺方法。它既能达到同种合金锻件的内部组织和力学性能，又能实现高效率的大批量生产。与普通压铸件相比，可较大程度地提高力学及使用性能；与普通锻件相比，又可节约能源。因此多年来，国内外厂商均把此项工艺用做汽车高档有色金属铸件的方法之一并迅速发展。,赵敏等人选用平均粒径为1.3m TiB2颗粒为增强体、6061 铝合金为基体采用挤压铸造技术制备45%v-TiB2P/Al(6061)复合材料。,组织致密，无气孔、夹铝层等缺陷；TiB2 颗粒分布均匀，不存在明显的颗粒偏聚区和颗粒贫化区。,谈淑咏采用挤压铸造法制备氧化铝纤维和碳纤维混杂增强ZL109复合材料.,氧化铝纤维处理前和处理后的SEM组织图,(Al2O3f+Cf)/ZL109复合材料的纵向和横向SEM图,4.3.3 液态金属搅拌铸造技术,液态金属搅拌铸造法是一种适合于工业规模生产颗粒增强金属基复合材料的主要方法，工艺简单，制造成本低廉。基本原理是将颗粒直接加入到基体金属熔体中，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中，然后浇铸成锭坯、铸件等。液态金属搅拌法制造颗粒增强金属基复合材料尚存在一些困难，主要困难有：一是为了提高增强效果要求加入尺寸细小的颗粒，1030m之间的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，易产生团聚；二是强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量吸入空气。因此必须采取有效的措施来改善金属熔体对颗粒的润湿性，防止金属的氧化和吸气等。,1、注意事项与措施,2、搅拌工艺方法,液态金属搅拌铸造法根据工艺特点从所选用的设备可分为:,旋涡法Duralcon法复合铸造法,旋涡法的基本原理:利用高速旋转的搅拌器的桨叶搅动金属熔体，使其强烈流动，并形成以搅拌器转轴为对称中心的旋涡，将颗粒加到旋涡中，依靠旋涡的负压抽吸作用，颗粒进入金属熔体中。经过一时间的强烈搅拌，颗粒逐渐均匀地分布在金属熔体中，并与之复合在一起。,四宽叶螺旋桨式搅拌器,Duralcan法 液态金属搅拌法是20世纪80年代中期由Alcon公司研究开发的一种颗粒增强铝、镁、锌基复合材料的方法:无旋涡搅拌法。这种方法现已成为一种工业规模的生产方法，可以制造高质量的SiCp/Al，Al2O3/Al等复合材料，产量达1.1万吨的颗粒增强金属基复合材料的工厂已在加拿大魁北克建立。,主要制造工艺:,复合铸造法,复合铸造法采用机械搅拌将颗粒混入金属熔体中，其特点是搅拌在半固态金属中进行，而不在完全液态的金属中进行。颗粒加入半固态金属中，通过这种熔体中固相的金属粒子将颗粒带入熔体中。通过对加热温度的控制将金属熔体中的固相粒子的含量控制在4060（质量分数），加入的颗粒在半固态金属中与固相金属粒子相互碰撞、摩擦，促进与液态金属的润湿复合，在强烈的搅拌下逐步均匀地分散在半固态熔体中，形成均匀分布的复合材料。复合后，再加热升温到浇铸温度，浇铸成零件或坯料。,复合铸造法可以用来制造颗粒细小、含量高的颗粒增强金属基复合材料，也可用来制造晶须、短纤维复合材料。此技术存在的主要问题是基体合金体系的选择受限较大。要求必须选择同样的体系和温度，才能析出大量的初晶相，并达到4060（质量分数）的含量。,4.3.4 液态金属浸渍技术,总之,液态金属浸渍法工艺复杂,特别是复合前纤维的表面处理,得到的产品是尺寸细小的丝或带,需进行二次加工才能得到零件或材料,因此,成本高,应用受到限制.,用液态金属法制备碳石墨/铝、碳（石墨）/镁复合材料的核心问题是对进行表面处理，经处理后的纤维能与液态铝、液态镁自发浸润，当纤维束经过金属熔池时，金属自发浸渍到纤维束中，形成复合带（丝）。,在除胶炉中碳（石墨）纤维经高温处理除去在纤维制造过程中涂的胶，若炉温低于450，除胶可在空气中进行，如炉温高于450，为了防止纤维的氧化，必须在保护性气氛中除胶。,在预处理炉中，碳（石墨）纤维除进一步除胶、脱除残留胶外，还用化学气相沉积炉的废气进行预处理，为下一步的化学气相沉积做准备。预处理炉的温度控制在700，用氩气保护。,化学气相沉积技术,化学气相沉积炉是液态金属浸渍法的核心设备，,化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称(CVD)是近几十年来迅速发展起来的材料表面改性技术,它是利用气相之间的反应,在各种材料或制品表面沉积一层薄膜,赋予材料表面一些特殊的性能。它可以提高材料抵御环境作用的能力,如提高材料表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性;它还可以赋予材料某些功能特性,包括光、电、磁、热、声等各种物理和化学性能。因此,化学气相沉积制膜技术被广泛应用于机械制造工业、冶金工业、光学工业、半导体工业等领域。,在此炉中纤维用BCl3、TiCl4处理，在表面生成Ti-B涂层。,BCl3和TiCl4气体以氩气为载气，以一定的流量进入化学气相沉积炉，氩气在整个密封系统中成为保护气体，沉积炉中还需加入少量的锌和海绵钛，温度控制为700。在化学气相沉积炉中可能发生下列反应：TiCl4(v)+2Zn(v)2ZnCl2(v)+Ti(a)BCl3(v)+Ti(v)TiCl3(v)+B(a)2BCl3(v)+4Ti(a)TiB2(s)+3TiCl2(s),BCl3在常温下为气体，TiCl4在25的蒸气压约为907Pa，因此在寒冷的季节必须加热，以提高其蒸气压，保证在气相中的浓度。,在熔化炉将基体金属熔化、保温，温度控制在高于基体熔点50-100。为了防止金属氧化，熔化炉中的熔体最好置于惰性气体保护气氛中，但如果使经化学气相沉积后的碳纤维在液面下进入熔体，不与表面上的氧化物接触，也可不用惰性气体保护。涂覆好的纤维在进入熔化炉前一直处于氮气保护下，一旦进入熔化炉与熔融金属接触，熔体立即自发浸渍到纤维束中，与每根纤维很好复合，得到复合丝或带，由收丝筒收集，作随后的二次加工用。如果表面处理后纤维与空气接触，便将失去作用，即能促进润湿的表面涂层将失效，因而纤维不再能与基体复合。,1）Ti-B处理法：Ti-B处理剂可用于T50、T55、T300、P55、P100、P120等多种碳（石墨）纤维的处理，也适用于1100，A201、2024、356、5083、5154、6061等铝（合金），AZ31、AZ91、ZE41、QE22、EZ33等镁（合金），以及铜（合金）、铅（合金）等基体，复合纤维的强度很高，可达理论值的90-100。2）液钠处理法：液钠法是将碳纤维在He气氛保护下相继通过Na、Sn、Al三种熔体，制造碳-铝复合丝（带），熔体的温度分别为Na（55020），Sn（60020），Al高于熔点或液相线2050。纤维束在熔体中的停留时间视其大小而定，对于单束纤维1min即可，对于多束的带则需10min左右。3）镀层法：碳纤维表面的金属和化合物涂层可用电镀、化学镀、化学气相沉积等方法得到.,纤维表面处理技术,基体金属的处理法 在基体合金中添加的合金元素，主要是能与碳纤维作用，生成稳定碳化物，这些碳化物既能改善润湿性，又能起反应的阻挡层作用。,4.3.5 共喷沉积技术,共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料的有效方法，1969年由A.R.E.Siager发明，随后由Ospray金属有限公司发展成工业生产规模的制造技术，现可以用来制造铝、铜、镍、铁、金属间化合物基复合材料。,共喷沉积工艺过程:基体金属熔化、液态金属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积和凝固等工序。,主要工艺参数有：熔融金属温度，惰性气体压力、流量、速度，颗粒加入速度、沉积底板温度等。这些参数都对复合材料的质量有重要的影响。不同的金属基复合材料有各自的最佳工艺参数组合，必须十分严格地加以控制。,液态金属雾化是共喷沉积法制备金属基复合材料的关键工艺过程，它决定了液态金属雾化液滴的大小和尺寸分布、液滴的冷却速度雾化后金属液滴的尺寸一般在10300m，呈非对称性分布。,液态金属雾化,（1）适用面广:可用于铝、铜、镍、钴等有色金属基体，也可用于铁、金 属间化合物基体。（2）生产工艺简单、效率高:与粉末冶金法相比没有繁杂的制粉、研磨、混合、压型、烧结等工序，而是快速一次复合成坯料，雾化速率可 达25200kg/min，沉淀凝固迅速。（3）冷却速度快:金属液滴的冷却速度可高达103106K/s，所得复合材 料基体金属的组织与快速凝固相近，晶粒细、无宏观偏析、组织均匀。（4）颗粒分布均匀:在严格控制工艺参数的条件下颗粒在基体中的分布匀。（5）复合材料中的气孔率较大:气孔率在25之间，但经挤压处理后 可消除气孔，获得致密材料。,共喷沉积技术特点,4.3.6 热喷涂技术1、等离子喷涂过程 等离子喷涂是利用等离子弧的高温将基体熔化后喷射到工件（增强材料）上，冷却并沉积下来的一种复合方法。2、关键技术 喷涂过程中的关键是得到致密的与纤维粘接良好的基体涂层和避免基体的氧化。3、适用性 等离子喷涂法适用于直径较粗的纤维单丝，例如用化学气相沉积法得到的硼纤维和碳化硅纤维，它是制造这两种纤维增强铝、钛基复合材料预制片的大规模生产方法。,冷喷涂是一项崭露头角的固态工艺。该方法可将以超声加速的固体颗粒的动能在撞击到镀件表面时转变为热能，从而完成冶金焊接。该工艺的原理是：每种金属均有其特定的、与温度相关的临界颗粒速度，当颗粒运动超过这一速度时即会焊接于镀件之上。,4.3.7 冷喷涂技术,在低压冷喷涂技术中，氮或空气被加压至7015磅/平方英寸，而喷涂粉末在喷头的发散部位的下游方沿径向注入。低压冷喷涂系统是手提式的、运作更经济，颗粒速度可达800米/秒。便携式冷喷涂机可用于铝、铜、锌及其他金属组合的喷涂。便于携带特性使低压冷喷涂机更适用于野外保养和修复。,在高压冷喷涂技术中，高压氦或氮（350450磅/平方英寸）用作载气，可将喷涂材料加速到超声速度。气体被加热并强制通过一个聚焦-发散喷头（de Laval），该处被加速至超声速度（大于1000米/秒）。喷涂颗粒在喷头上游方被沿轴向注入。,组织致密,4.4 新型制造技术,定向凝固法制造定向凝固共晶复合材料是在共晶合金凝固过程中，通过控制冷凝方向，在基体中生长出排列整齐的类似纤维的条状或片层状共晶增强材料，而得到金属基复合材料的一种方法。,定向凝固基本原理,在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化，可以分别研究它们对凝固过程的影响。这既促进了凝固理论的发展，也激发了不同定向凝固技术的出现。,定向凝固共晶复合材料主要是作为高温结构材料可用于发动机叶片和涡轮叶片。,定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善起来的。该技术最初用来消除结晶过程中生成的横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高材料的高温性能和单向力学性能,反应合成法（又称“原位合成技术”）是直到80年代后期，当美国Lanxide公司和Drexel大学的等人先后报道了各自研制的原位Al2O3/Al和TiC/Al复合材料及其相应的制备工艺后，才正式在世界范围内拉开了原位MMCs研究工作的序幕，MMCs原位反应合成技术的基本原理是在一定条件下，通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的。原位合成技术一直是MMCs的研究热点之一。,MMCs 原位反应合成技术的基本原理是：根据材料设计的要求，选择适当的反应剂（气相、液相或粉末固相），在适当的温度下，通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的。合成的增强相包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、甚至硅化物，如：Al2O3、TiC、SiC、TiN、TiB2、Si3N4 等颗粒。,目前已开发的原位反应合成技术主要有：自蔓延高温合成法（SHS）、XDTM 技术、Lanxide 技术、VLS 技术、反应喷射沉积技术、反应机械合金化技术、其他方法等技术。,自蔓延高温合成法(Self-Propagating High Temperature Synthesis，SHS法)是前苏联科学家等在研究Ti和B混合压实燃烧时提出的，并相继获得了美国、日本、法国、英国等国的专利。其基本原理是：将增强相的组分原料与金属粉末混合，压坯成型，在真空或惰性气氛中预热引燃，使组分之间发生放热化学反应，放出的热量、引起未反应的邻近部分继续反应，直至全部完成。反应生成物即为增强相呈弥散分布于基体中，颗粒尺寸可达亚微米级。常规SHS反应模式示意图如图所示。,自蔓延高温合成法(SHS法),常规SHS反应模式示意图,与MMCs传统复合技术相比，该技术具有如下特点：增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，因而与基体结合良好。通过合理选择反应元素（或化合物)的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量。可省去单独合成、处理和加入增强体等工序，工艺简单，成本低，易于推广。在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。,XDTM技术,XDTM（Exothermic Dispersion）技术是美国Martin Marietta Laboratory的Brupbacher等人于1983年发明并申请专利。XDTM是在自蔓延高温合成法（SHS）的基础改进而来的，其基本原理是：将增强相组分物料与金属基粉末按一定的比例均匀混合，冷压或热压成型，制成坯块，以一定的加热速率，预热试样，在一定的温度下（通常是高于基体的熔点而低于增强相的熔点），增强相各组分之间进行放热化学反应，生成增强相，增强相尺寸细小，呈弥散分布。XDTM法制备金属基复合材料的示意图如图所示。,XDTM法制备金属基复合材料的示意图,Lanxide技术,该技术最先报道于1986 年,其产品1989 年进入市场。由美国Lanxide公司开发的Lanxide技术是利用了气液反应法的原理，它由金属直接氧化法（DIMOXTM）和金属无压浸渗法（PRIMEXTM）两者组成。Lanxide法制备复合材料示意图如图所示。,Lanxide法制备复合材料示意图,VLS技术,VLS（Vapour Liquid Synthesis）法是由Koczak等发明并申请的专利技术。其原理是:将含碳或含氮惰性气体通入到高温金属熔体中，利用气体分解生成的碳或氮与合金中的Ti发生快速化学反应，生成热力学稳定的微细TiC或TiN粒子，其装置简图如图示。反应原理可由下面方程说明:,CH4 C+2H2(g)M-X+C M+XC(s)2NH3(g)2N+3H2(g)M-X+N M+xN(s)式中：M金属；X合金元素；M-X基体合金。,反应喷射沉积成形技术,反应喷射沉积(Reaction Spray Deposition Forming Process)技术是把用于制备近终形成型快速凝固制品的喷射沉射沉积成形的技术和反应合成制备陶瓷相粒子技术结合起来形成的。在喷射沉积过程中金属液流被雾化成粒径很小的液滴，它们具有很大的体表面积，同时又具有一定的高温。这就为喷射沉积过程中的化学反应提供了驱动力，借助于液滴飞行过程中与雾化气体之间的化学反应，或者在基体上沉积凝固过程中及外加反应剂粒子之间的化学反应而生成粒度细小、分散均匀的增强相陶瓷粒子或金属间化合物粒子。其工作原理如图所示：,反应机械合金化技术（RMA法）,反应机械合金化技术（Reaction Mechanical Alloying,RMA法）是利用机械合金化过程中诱发的各种化学反应制备出复合粉末，再经固结成型、热加工处理而制备成所需材料的技术。近年来的研究表明，机诫合金化过程可诱发在常温或低温下难以进行的固固（SS）、固液（S-L）和固气（S-G）多相化学反应。利用这些反应已经制备出了一系列高熔点金属化合物，如TiC、Zr