复合材料制造方法.ppt

第六章金属基复合材料制造方法,前言第一节金属基复合材料制造的难点及解决的途径 第二节金属基复合材料制造方法的分类第三节纤维预成形体的排布层合第四节固相法第五节液态法第六节其他复合制造方法第七节纤维增强金属基复合材料制备方法第八节分散强化金属基复合材料的复合成形第九节颗粒增强金属基复合材料的复合成形第十节金属基混杂复合材料第十一节金属基复合材料的二次加工本章作业与思考题,金属基复合材料的制造方法及特性,前言,虽然现有金属冶金工业中采用的粉末冶金、铸造、挤压、轧制等常规方法也被利用制造金属基复合材料，但金属基复合材料的制造方法有其特殊的要求，在选用制造方法时需认真考虑。其主要要求为：1)制造过程中要使增强物按设计要求在金属基体中均匀分布。如连续纤维的分布及方向、一定的体积分数等，颗粒、晶须、短纤维等均匀分布于基体中；2)制造过程不造成增强物和金属基体原有性能的下降，特别是避免高性能连续纤维的损伤，使增强物和金属的优良性能得以叠加和互补；3)制造过程中应避免各种不利的反应发生，如基体金属的氧化、基体金属与增强物之间的界面反应等。要求通过合理选择工艺参数获得合适的界面结构和性能，使增强物的性能和增强效果得以充分发挥，以及金属基复合材料组织性能的稳定；4)制造方法应适合于批量生产，尽可能直接制成接近最终形状尺寸的金属基复合材料的零件。,不同类型的金属基复合材料的制造方法差别,不同类型的金属基复合材料，其制造方法上有很大差别，需考虑金属基体和增强物类型、物理、化学特性、化学相容性等。连续纤维增强金属基复合材料的制造难度最大，将纤维以一定的含量、排列方向，分布在金属基体中，需要采用一些特殊的方法。如固态扩散粘结、液态金属浸渍等。而制造颗粒、晶须增强金属基复合材料相对容易一些，可选用现有常规冶金方法，如粉末冶金、挤压、铸造等方法来制备，适合于批量生产。,返回本章,第一节金属基复合材料制造的难点及解决的途径,金属基复合材料的制造比树脂基复合材料要复杂和困难得多，这与金属固有的物理、化学特性有关。基体金属一般均具有较高的熔化温度，在室温时呈致密的固体。要把大量尺寸细小的纤维、晶须、颗粒等增强物按一定比例的含量、分布、排列方向与金属基体复合在一起，难度很大。增强物与金属基体复合在一起的必要条件是：(1)金属必须具有足够的流动性、成型性，使金属能浸渗和充填到增强物之间与增强物复合在一起；(2)基体金属与增强物要有良好的浸润性，否则难以复合在一起。因此金属基复合材料的制备必须在高温下(熔点以上温度或接近熔点温度)进行。但在高温下金属的化学活性也随温度升高而增加，产生一些不利的化学反应。制备金属基复合材料的主要困难有：,制备金属基复合材料的主要困难,(一)金属基复合材料在高温制造时将发生严重 的界面反应、氧化反应等有害的化学反应。在高温下制备会发生基体金属氧化、元素烧损、纤维氧化损伤等不利的化学反应。(二)金属基体与增强物之间浸润性差，甚至不浸润；(三)将增强物按设计要求的含量、分布、方向均匀地分布在金属基体中。,返回本章,第二节金属基复合材料制造方法的分类,(一)固态法将金属粉末或金属箔与增强物(纤维、晶须、颗粒等)按设计要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起，再经加热、加压，将金属基体与增强物复合粘结在一起，形成复合材料。整个工艺过程处于较低的温度，金属基体与增强物均处于固体状态。金属与增强物之间的界面反应不严重。粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、拉拔法等等均属于固态复合成型方法。,(二)液态金属法,液态金属法：金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合在一起的方法。特点：金属在熔融态流动性好，在一定的外界条件下容易进入增强物间隙中。为了克服金属基体与增强物浸润性差，可采用加压浸渗。金属液在超过某一临界压力时，金属液能渗入微小的间隙，形成复合材料。也有通过纤维、颗粒表面涂层处理实现金属液与增强物的自发浸润，如制备碳铝复合材料时用的Ti-B涂层法。液态法制造金属基复合材料时，制备温度高，易发生严重界面反应，有效控制界面反应，是液态法的关键。液态法可用来直接制造复合材料零件，也可用来制造复合丝、复合带、锭环等作为二次加工或零件的原料。挤压铸造法、真空吸铸、液态金属浸渍法、真空压力浸渍法、搅拌复合法等等均属于液态法。,(三)自生成法及其他制备法,自生成法：在基体金属内部通过加入反应元素，或通入反应气体在液态金属内部反应，产生微小的固态增强相，一般是金属化合物TiC，TiB2，Al2O3等微粒起增强作用。通过控制工艺参数获得所需的增强物含量和分布。反应自生成法制备的复合材料中的增强物不是外加的而是在高温下金属基体中不同元素反应生成的化合物，与基体有好的相容性。其他方法还有：复合涂(镀)法，将增强物(主要是细颗粒)悬浮于镀液中，通过电镀或化学镀将金属与颗粒同时沉积在基板或零件表面形成复合材料层。也可用等离子等热喷镀法将金属与增强物同时喷镀在底板上形成复合材料。复合涂(镀)法一般用来在零件表面形成一层复合涂层，起提高耐磨性、耐热性等作用。,固态法,液态法,返回本章,第三节纤维预成形体的排布层合,为了顺利地进行最终成形，做出质量好的金属基复合材料制品，重要的是事先制作预制带、预浸线和预成形体。预成形体的制造方法有物理方法、化学方法及机械方法，可用单一方法制造，也可以用几种方法组合的办法。1、预制带的制作2、预浸线的制作3、纤维预成形体用于制造纤维增强复合材料示意图4、增强纤维的排布方式及形态,返回本章,1、预制带的制作,在纤维增强复合材料的制造中往往先制成预制带，然后根据所需的纤维排列方向和分布状态，再把预制带按纤维的取向和规定的厚度进行层合、加温加压、成形，制成预成形体，其优点是可以自由地改变层合的方法以得到所希望的性能。预制带包括半固化带、喷涂带、PVD带及单层带等几种。,预制带,半固化带是用于较粗纤维增强的，如制造BAl复合材料时，把硼纤维丝以一定间隔单向排列在铝箔上，再用树脂(丙烯酸树脂或聚苯乙烯树脂)固定。,喷涂带是用喷涂金属将排布好的纤维固定在金属箔上，粗纤维和细纤维都行。单层带是在金属箔上开槽，把纤维下到槽里，再在上面放同样的金属箔，它是一种有纤维夹层的金属箔带。PVD带的涂层较均匀，多用于CAl系。,返节,半固化带缠绕鼓(基体箔材)纤维定向定间距缠绕涂敷聚合物粘结剂定位。,喷涂带,纤维定向定间距缠绕 等离子喷涂基体粉末定位。,PVD带,采用磁控溅射等物理气相沉积（PVD）手段将基体金属均匀沉积到纤维表面上，形成PVD带。使用这种复合丝制备复合材料时，主要是纤维与基体之间的扩散结合，有利于材料界面的改善；同时通过控制基体沉积层的厚度可控制纤维的体积比。,2、预浸线的制作,预浸线是将纤维束通过金属液，使金属液渗到纤维之间，然后挤出多余的金属液并同时进行固化而制成的。除熔浸连续挤拉外，还可以采用电镀法和真空沉积法制造预浸线。电镀法适用于金属液能电离、纤维能导电的情况。对于B、SiC、Al2O3等不导电的纤维得先采用非电镀法赋于其导电性，然后再进行电镀。真空沉积法中现只有用化学真空沉积法，其制造效率高，质地均匀。此外也有用树脂为粘结剂制造预浸线的，用这种预浸线以铸造法来制造复合材料时，铸造前应先加热到400500，除去树脂后再制造，制造Al2O3Al复合材料时就有采用这种方法的。,返节,这种预浸线制备方法主要是应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。如图所示，对纤维进行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。,纤维增强金属基复合材料制造过程图,3、纤维预成形体用于制造纤维增强复合材料示意图,返节,4、增强纤维的排布方式及形态,增强纤维的排布形态总的来说分为单向排布(1D)、二维排布(2D)及三维排布(3D)三大类。单向排布的纤维是轴向平行的。二维排布形态是把1D排布的纤维正交叠层和斜交叠层(1D叠层)、织布(平纹、斜纹、缎纹)叠层，或把短纤维二维随机分布。三维排布形态是一种立体织物，有独立纤维束的方向为3D、4D、6D、7D(以nD表示)几种排布方式。将预制带层合或纤维、预浸线按要求的排布形态编织好即可制成预成形体。制成预成形体后，还要经过复合成形的过程才能制成复合材料制品。,返回本节,返回本章,第四节固相法,1、引言2、扩散粘结法（1）热压固结法（2）热等静压法3、形变压力加工（1）热轧法（2）热挤压和热拉法（3）爆炸焊接4、粉末冶金法,返回本章,1、引言,固态法是最早用来制造金属基复合材料的方法，早在1961年Koppenaal等人就利用粉末冶金法制造纤维含量为20-40%的短纤维增强铝复合材料。热压固结法(也称扩散粘结法)是制造连续纤维增强金属复合材料零(构)件的重要方法之一，发展比较成熟。粉末治金法目前主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属及复合材料。轧制、拉拔、挤压等复合方法技术上不够成熟，应用较少。,返本节,2、扩散粘结法,扩散粘结，也叫扩散焊接，它是在塑性变形不大时，利用纤维与基体金属接触部位的原子在高温下相互扩散而使纤维和基体金属粘合到一起的方法。特点：（1）要求基体有较高的软化程度，即较高的粘结温度（2）要求高温及压力的作用。分类：（1）热压法（热压固结法）（2）热等静压法,返本节,（1）热压固结法,应用：热压固结法是目前制造硼纤维、碳化硅纤维增强铝、钛超合金等金属基复合材料的主要方法之一，技术成熟，已成功地用来制造航天飞机主仓框架承力柱、发动机叶片、火箭部件等。热压固结工艺流程的基本原理：先将增强纤维按设计要求与金属基体组成复合材料预制带。并将预先制成的预制带按设计要求剪裁成所需的形状，叠层排布。放入热压模具内，预制片(带、丝)在加热加压过程中基体金属发生塑性变形，移动，氧化膜破裂。基体金属逐渐充填到增强纤维之间的间隙中，使金属与增强物之间紧密粘结在一起，此时也发生基体金属与增强物之间元素的相互扩散，最终粘结成复合材料零件。,热压固结法工艺参数控制,热压过程中热压温度、压力为主要工艺参数（1）为使金属在热压过程中充分充填所有的孔隙，要求基体有较高的软化程度。加热温度选择在接近基体的固相线温度或稍高于固相线温度下进行。温度高有利于金属流动充满增强物之间的间隙，有利于扩散粘结。但在高温下易发生金属与增强纤维之间的反应，温度越高反应越严重；（2）热压时间一般在1020 min；（3）热压过程所选用压力可在较大范围内变化。热压温度高选用压力小，热压温度低则在较高压力下才能复合。压力过高，温度过低均会使纤维受机械损伤。（4）扩散结合在真空中进行。,（2）热等静压法,热等静压是1955年美国研究成功的一种先进材料成型技术，可用于制造形状复杂的金属基复合材料零件。金属基体与增强物的复合和成型可一起完成。制成的复合材料零件组织均匀致密，无缩孔、气孔等缺陷，性能均匀。热等静压工作原理：在高压容器内放置加热炉，将金属基体(粉末或箔)与增强物(纤维、晶须、颗粒)按一定比例，分布混合放入金属包套中，抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压(一般用氩气做压力介质)。在高温高压(100200 MPa)下复合成金属基复合材料零件。,HIP装置1上侧盖；2压力容器本体；3绝热层；4压力介质气体（Ar)；5电阻丝；6处理材料；7支撑台；8下侧盖,（2）在薄钢管内芯模的外壁上缠上B/Al的单层带，（3）把它插入厚壁的外芯模内，,航天飞机上用的B/Al复合材料管状桁架,（5）在520、69MPa的压力下内外加压，（6）然后把内外芯模按内芯模的厚度切削加工掉，（7）再用硝酸把剩下的钢管芯溶解掉而取出复合材料管。（8）在管的两端事先插入Ti合金接头，当高温高压下B和Al复合时该接头也与BAl管扩散结合，最后把这个接头与Ti合金连接接头焊接构成复合材料的接头。,一架航天飞机用243根BAl复合管做的桁架，它的重量只是高强度铝合金桁架的44%。,热等静压法工艺参数,加热温度可在数百度到2000范围中选择使用，工作压力可高达100200MPa。一般选择的温度低于热压固结温度，一般选择保温时间为30min4h。压力是根据基体金属材料在高温下变形的难易程度而定。热等静压工艺过程可选用三种方式 1)先升压后升温。其特点是无需将压力升到最终所要求的最高压力，用低压即可完成充分加压。随着升温过程温度不断升高，气体加热膨胀，炉内压力随温度逐渐升高，达到保温时所需的工作压力，这种工艺适合于金属包套工件的制造。2)先升温后升压。先向炉内充满低压氩气，逐渐升温，对于用玻璃包套制造复合材料比较合适。玻璃在一定温度下软化，此时再加压不会压碎玻璃，又可有效地传递压力。3)同时升温升压。这种工艺适合于低压成型，装入量大，保温时间长的工艺流程。,热等静压法适用性,在高温高压下金属基体与增强物复合良好，组织细密，形状、尺寸精确。适合于制造管、筒、柱状零件。美国航天飞机用的BAl管柱、火箭导弹的构件均用此法制造。热等静压工艺主要的缺点是设备投资大、工艺周期长、工艺成本高。主要用于制造连续硼纤维、碳化硅纤维、钨丝等增强钛基、金属间化合物、超合金基等的高温金属复合材料。,返本节,3、形变压力加工,特点：（1）可以生产尺寸较大的制品；（2）纤维与基体作用时间短，加工速度快，纤维损伤小；缺点1）不一定保证纤维与基体接触良好；（2）高应力易造成脆性纤维破坏。分类：热轧法、热挤压、热拉法（热拔法）、爆炸焊接。（1）热轧法（2）热挤压和热拉法（3）爆炸焊接,返本节,（1）热轧法,热轧法可以将已复合好的颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料热轧成板材。也可将由金属箔和连续纤维组成的预制带经热轧制成复合材料，在这种情况下热轧过程主要是完成金属基体与增强纤维之间的粘结，变形量小。为了提高粘结强度，常在纤维表面上涂上银、镍、铜等金属涂层，经反复加热和轧制最终制成复合材料。轧制时为了防止高温氧化常用钢板包复后再轧制。成功地用热轧法制成的复合材料有硼纤维与铝箔、钢丝与铝箔直接热轧或热压后热轧成硼纤维增强铝和钢丝增强铝基复合材料。热轧温度为600-650，进行小变形量、多道次轧制。对于颗粒、晶须增强金属基复合材料也可用铝粉和颗粒或晶须混合均匀，先经过热压成坯料，再经热轧成复合材料板材。用此法曾制造出Al2O3w7075，SiCwCu，A12O3wCu等复合材料。热轧法主要是用来制造金属基复合材料板材，特别是将已用其他方法复合好的颗粒、晶须增强金属基复合材料坯料通过热轧制成所需的复合材料板材。,（2）热挤压和热拉法,热挤压和热拉主要用于颗粒、晶须、短纤维增强金属基复合材料的坯料进一步形变加工成各种形状的管材、型材、棒材、线材等，以改善复合材料的组织均匀性，减小和消除缺陷，提高复合材料的性能。经挤压、拉拔后复合材料的性能明显提高，短纤维和晶须还有一定的择优取向，轴向抗拉强度提高很多。热挤压和热拉法在制造金属丝增强金属基复合材料上是一种很有效的方法。将基体金属坯料上钻长孔，将增强金属制成棒装入基体金属的空洞中，密封后热挤压和热拉成复合材料棒。也有将增强纤维与基体金属粉或箔混合排布，然后装在金属管或筒中，密封后热挤压或热拉成复合材料管材或棒材的。,热拉制备金属基复合材料棒材的示意图。,（3）爆炸焊接,爆炸焊接是利用炸药爆炸的能量把两层或两层以上的金属板或者预制带结合在一起的一种加工方法。与压延、堆焊等方法比较，爆炸焊接法有以下特点：(1)结合力大；(2)能使其它方法无法结合的异种金属结合在起，(3)与焊接法相比，受到热影响的区域小；(4)与轧制法比，可进行三层到几十层的厚层层合材料的加工。爆炸焊接前必须除去基体和纤维表面的氧化物和油污。为防止纤维弯曲和移动，应将其固定或编织好。为防止靠近炸药层纤维的损伤，应在炸药和动板间放一缓冲防护层，如橡胶或聚氯乙烯。原理：当雷管起爆后，爆炸压力会使爆炸点处的动板以巨大的冲击压力压向下层预成形材。这种冲击力比结合金属的屈服强度大得多。如果冲击点的速度小于复合金属中的声速，在动板下表面会形成一股净化的金属射流，然后使两表面压紧、结合。随着爆炸波的迅速推进，动板迅速顺次压下完成爆炸焊接。关键结构：由于大多数炸药的爆炸速度为70008000m/s，比材料中的声速6000 ms大得多，采用平行板间隔式排列的爆炸焊接方法很难保证冲击点的速度是亚音速的要求。若采用角度间隔式结构，冲击点的速度由初始间隙角和炸药爆炸速度所决定，可以小于声速，才能保证结合良。,1底座；2基体；3动板；4雷管；5炸药层；6缓冲层；7纤维,适用性：爆炸焊接主要用来制造金属层合板和金属纤维增强金属复合材料，如钢丝增强铝、钢丝增强镁、钼丝或钨丝增强铜等。对爆炸焊接制成的不锈钢与铝的层合材以及不绣钢纤维增强铝合金的测定结果表明，其抗拉强度几乎都符合复合准则。,4、粉末冶金法,粉末冶金法是一种成熟的工艺方法，优点：（1）用于制造各种尺寸精密的粉末冶金零件。（2）适合于批量生产，直接做出尺寸、形状准确的零件，减少了后续加工，工艺灵活性大。（3）可直接制造颗粒、晶须增强金属基复合材料。（4）在粉末冶金法中合金粉末和增强物(颗粒或晶须)可以按所需要的任何比例混合，增强物的含量不受工艺方法的限制；（5）所选用的颗粒大小也可以在较大范围内选择，可选用3微米以下，也可以选择10微米，甚至更大一些的颗粒。美国DWA公司首先用粉末冶金法制造出不同铝合金和不同颗粒(晶须)含量的铝基复合材料，并制成各种零件、管材、型材和扳材，具有很高的比强度、比模量和耐磨性，用于汽车、飞机、航天器等零件。粉末冶金法既可制造复合材料零件也可制造复合材料坯料，供进一步挤压、轧制、锻造用。合金粉末和增强物(颗粒或晶须)混合均匀是整个工艺的关键，必须采用有效的方法。这种工艺过程的成本比铸造法制造颗粒增强金属基复合材料要高，但零件批量大，成本可相对降低。,返本节,工艺过程,返本节,第五节液态法,液态法：金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合在一起的方法。液态法是制备金属基复合材料的主要方法，有：真空压力浸渍、共喷沉积、挤压铸造、真空吸铸、搅拌铸造等方法。这类方法的共同特点是：金属处于熔融状态，流动性好，金属容易填到增强物的周围，增强物也容易分散到液态金属中。,第五节液态法,一、熔浸法1、真空压力浸渍法2、液态金属浸渍法二、液体铸造法,返回本章,一、熔浸法,熔浸法要求纤维热力学稳定或者经表面稳定处理，并且与金属液的润湿性良好。分类：有大气压力熔浸、真空熔浸、加压熔浸和组合熔浸等。1、真空压力浸渍法 2、液态金属浸渍法,返本节,1、真空压力浸渍法,真空压力浸渍法是采用高压惰性气体，将液体金属压入由增 强物制成的预制件，制备出金属基复合材料零件的一种有效方法。真空压力浸渍法最早由美国Alcoa公司于1960年发明，1970年获得专利。随后各国学者做了不少改进，逐步发展成能良好控制熔体温度、预制件温度、压力等工艺参数的工业性制造方法。发展至今主要有三种形式：底部压入法、顶部注入法和顶部压入法。浸渍炉是由耐高压的壳体、熔化金属的加热炉体、预制件预热炉体、坩埚升降装置、真空系统、温控系统和气体加压系统所组成。金属熔化过程可抽真空或充保护性气体，防止金属氧化和增强物损伤。,典型的底部压入法真空压力浸渍炉结构,工艺过程：首先将增强物制成预制件，放入模具，将基体金属装入坩埚。装有预制件的模具和装有基体金属的坩埚装入浸渍炉内，紧固和密封炉体。通过真空系统将预制件模具和炉腔抽成真空，当炉腔内达到预定真空后开始通电加热预制件和基体金属。控制加热过程使预制件和基体金属分别达到预定温度，保温一定时间，使模具升液管插入液体金属。由于模具内继续保持真空，当炉内通入惰性气体后，金属液体即迅速吸入模腔内。当压力不断升高，液态金属在高压下压渗入预制件中和填充增强物之间的间隙，完成浸渍，形成复合材料。加压过程不宜过快，避免模具变形和破坏。当液态金属充分浸渍预制件后，在压力下凝固，使复合材料组织致密，无缩孔、疏松等铸造缺陷。待凝固后，即可从模具中取出金属基复合材料零件或坯料。,（a）装入预制件,（b）装炉,（c）抽真空与熔化,（d）提升坩埚,（e）通入高压气体,（f）进入模具,（g）浸渍,（h）凝固,（i）开炉,1磁铁；2橡胶密封圈；3隔热板；4石墨坩埚；5石墨棒；6隔热板；7石英管；8陶瓷支柱；9石墨铸型；10纤维；11金属液；12感应线圈；13石英罩；14钢环,加压熔浸装置示意图（顶部注入）,真空压力浸渍工艺参数,真空压力浸渍主要的工艺参数包括：预制件预热温度Tp、金属熔体温度Tm、浸渍压力和冷却速度。其中Tp和Tm是影响浸渍是否完全和界面反应最主要的因素。从浸渍角度分析，金属熔体温度越高，液态金属的流动性越好，易填充到预制件中去。预制件温度越高，金属熔体不会因渗入预制件而迅速冷却凝固，浸渍充分。预热温度高，浸渍深度大（见下页）。但Tp、Tm过高将加剧金属与增强物之间的界面反应，造成复合材料性能明显下降。需针对不同的金属基复合材料体系加以优化选择，对易发生界面反应的体系，如碳铝复合材料，预制件和熔体金属的温度尽可能控制在能完全浸渍的最低温度，而对不易发生严重反应的SiC/Al复合材料，则可选择较高的Tp、Tm温度。,浸渍长度与预制件预热温度之间的关系,浸渍压力：真空压力浸渍过程中，外压是浸渍的直接动力，压力越高，浸渍能力越强。（1）浸渍所需的压力与增强物的尺寸和增强物体积分数有密切的关系，增强物尺寸越小和体积分数越大，所需外加的浸渍压力越大。（2）浸渍压力与液体金属与增强物之间的浸润性、金属熔体的粘度也有关，浸润性好、液态金属的粘度小，所需的浸渍压力也小。但浸渍压力过大会产生增强物的聚集，造成微观组织的不均匀性。,浸渍压力与浸渍距离的关系,真空压力浸渍法制备金属基复合材料特点,1)适用面广。可用于铝基、镁基、铜基、锌基、镍基、铁基等金属基复合材料，可适用于碳纤维、硼纤维、氧化铝、碳化硅等连续纤维和短纤维、晶须、颗粒增强物，其形状、尺寸、体积分数基本上不受限制，可在较大范围内变化。也可用这种方法制造混杂增强复合材科。2)可直接做成金属基复合材料零件。适于制造形状复杂的零件，一次成型，基本上无需进行附加的后续加工。3)浸渍在真空下进行，压力下凝固，基本上无气孔、疏松等铸造缺陷，组织致密，性能好。4)工艺简单，工艺参数易于控制。可针对不同类型的复合材料、不同的增强物和基体金属的化学特性，较严格地控制温度、压力等工艺参数，避免严重的界面反应，制取高性能的金属基复合材料零件。5)可以制备高体积分数的金属基复合材料。用此方法可以制备出体积分数高达75%的SiCpAl、55%的CAl复合材料。,返回小节,2、液态金属浸渍法,液态金属浸渍法(Liquid-metal Infiltration)是美国宇航公司的Kendall等人发明的一种制造碳纤维增强铝基、镁基复合材料的方法。用这种方法曾制备出高性能的碳铝、碳镁复合材料，对金属基复合材料的发展和应用起过重要的推动作用。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。,工艺过程：（1）碳纤维先经过预处理炉，将纤维表面的有机涂层烧掉；（2）进入专用的化学气相沉积炉，进行纤维化学气相沉积处理，在每根纤维表面沉积上一层极薄的Ti-B涂层。,化学气相沉积炉中的化学反应如下：,经Ti-B表面处理后的碳纤维直接浸入熔融铝或镁液中，液态铝、镁可自发浸渍到纤维束中，形成复合丝。制成的复合丝再经热压或铸造进一步复合制成复合材料零件。在热压工艺中，先将复合丝用有机粘结剂粘在一起或粘在基体金属箔上，制成预制片，再将预制片按设计要求排布放在模具中，先在370-436C温度下加热，去除粘结剂，然后在较高温度下(500-580C)加热加压，热压成复合材料零件。,1石英管；2纤维导向器；3坩埚；4感应线圈；5成型口；6冷却器；7金属型；8金属液(a)棒状；(b)管状；(c)型材；(d)板；(e)薄板；(f)带,纤维束连续熔浸装置(A)及制品种类(B）,适用性与局限性,表面处理后的纤维束必须防止与空气接触，否则就不能浸渍成功。这种方法成功地用于多种碳或石墨纤维和铝合金、镁合金基体。复合丝具有很高的强度，可为理论强度的90-100%。液态金属浸渍法主要用于碳、石墨、碳化硅等束丝连续纤维。这类纤维直径细，一般为711微米，每束含纤维数量多，一般为500-3000根束，金属熔液渗透入纤维束相当困难，也是制造碳铝、碳镁、碳化硅铝复合材料的主要障碍。用Ti-B涂层、超声振动有效地解决了这一关键问题，制备出了高性能的复合丝。为进一步制成复合材料零件奠定了基础。但这种方法工艺过程较复杂，需二次复合，成本较高，应用受到很大限制。,返回小节,二、液体铸造法,铸造法主要有：重力铸造法、真空铸造法、加压铸造法。重力铸造法难以得到致密的铸件，因此生产中很少采用。根据加压方式不同，加压铸造法又可细分为：高压凝固铸造法与压铸法。前者又称为挤压铸造法，与后者的区别在于：必须先制备预制带。而后者没有。1、真空铸造法2、挤压铸造法（高压凝固铸造法）3、压铸法4、共喷沉积法5、液态金属搅拌铸造法,返本节,1、真空铸造法,连续纤维用绕线机缠在圆筒上；用聚甲丙烯酸甲酯等能热分解的有机高分子化合物粘结剂制成半固化带；数片半固化带叠在一起压成预成形体。把预成形体放入铸型中，加热到500使有机高分子分解去除。将铸型的一端浸入基体金属液内，另一端抽真空，使液体金属抽入铸型内含浸纤维，待冷却凝固后将FRM从铸型内取出。,返回小节,2、挤压铸造法（高压凝固铸造法）,挤压铸造法是一种批量、高效率生产短纤维、晶须增强金属基复合材料零件的方法，通过压机将液态金属强行压入由短纤维(或晶须)制成的预制件中制成复合材料。工艺流程：先将短纤维、晶须、颗粒等放入水中分散搅拌均匀，加入少量的粘结剂，制成一定形状的预制件。预制件经过烘干预热后放入模具中，将熔融金属浇注入模具中，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，最终制成金属基复合材料零件。已成功制造陶瓷纤维增强铝基复合材料活塞，并已大量应用。在挤压铸造法中预制件的制造是其中的关键，预制件需具有一定的机械强度，避免在液态金属压渗过程中变形，造成增强物分布不均匀。该法适于批量制造陶瓷短纤维、晶须增强铝、镁基复合材料零部件，形状、尺寸均可接近零部件的最终尺寸。二次加工量小，成本低。也可用于制备金属基复合材料锭坯。这类锭坯可通过挤压、锻造等二次加工方法制造成金属基复合材料型材和零部件。,方法一挤压法,方法二吸取法,(a)柱塞加压凝固法(b)直接压入法(c)间接压入法1压头；2金属型；3液体金属；4制品；5底板；6上型；7下型；8型腔,高压凝固铸造法原理图,(c),(a)预热(b)装入铸型(c)浇注(d)加压1预成型体；2铸型；3出气孔；4金属液；5压头,高压凝固铸造法制造MMC过程图,返回小节,3、压铸法,压铸法是在压力下把金属液射到铸模内并在压力下凝固的铸造方法。用压铸法制造MMC面临的实际问题是如何把纤维加到金属里；并且随着静止时间的加长，纤维会迅速沉淀或上浮，就是说难于使压铸件中的纤维均匀分布。日本轻金属技术研究所采取中间合金以及浇注前加强搅拌来解决。,复合压铸件制造法(a)制造中间合金(b)复合材料压铸,用A12O3短纤维复合Al合金压铸件的工艺过程,返回小节,4、共喷沉积法,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ARESiager发明，并由Ospray金属有限公司发展成工业生产规模的制造技术，可以用来制造铝、铜、镍、铁、金属间化合物基复合材料，并可直接制成锭坯、板坯、管子等。基本原理：液态金属通过特殊的喷嘴，在惰性气体气流的作用下分散成细小的液态金属雾化(微粒)流，喷射向衬底。在液态金属喷射雾化过程中将增强颗粒加入到雾化的金属流中，与金属液滴混合在一起沉积在衬底上，凝固形成金属基复合材料。工艺包括：基体金属熔化、液态金属雾化、颗粒加入以及金属雾化(液滴)流与颗粒混合沉积和凝固结晶等工艺过程，整个工艺过程是在极短的时间内完成的一个动态过程。,共喷沉积法工艺原理,共喷沉积法装置主要由：(1)熔炼室(2)雾化沉积室(3)颗粒加入器(4)气源(5)控制台 等组成。最核心部分是：(1)雾化室中的雾化用喷嘴(2)沉积用的衬底板装置。,共喷沉积法工艺装置,共喷沉积法装置主要由(1)熔炼室(2)雾化沉积室(3)颗粒加入器(4)气源(5)控制台 等组成。最核心部分是：(1)雾化室中的雾化用喷嘴(2)沉积用的衬底板装置。,共喷沉积(a)圆锭型工件生产简图,共喷沉积(b)板带型工件生产简图,共喷沉积的形式有沉积成圆锭型、板带型和管件型等形式。,共喷沉积(c)管型工件生产简图,共喷沉积法制造工艺参数,主要工艺参数有：熔体金属温度、气体压力、流量、速度、颗粒加入速度、沉积底板温度等。这些因素均十分敏感地影响复合材料的质量。液态金属雾化是共喷沉积制备复合材料的关键工艺过程，它决定了液态金属雾化的熔滴尺寸大小和粒度分布、熔滴的冷却速度。熔化后的金属熔滴尺寸一般在10-300微米，呈非对称的统计分布。金属熔滴大小和分布主要取决于金属熔体的性质、喷口的形状和喷射气流参数等。熔滴的冷却：液态金属雾化过程中所形成的熔滴在气流的作用下迅速冷却，大小不同的熔滴冷却速度不同：颗粒越小冷却速度越快，小于5微米的熔滴冷速可达105Ks。大部分熔滴处于液态和半固态。熔滴的大小：为了使颗粒增强物与基体金属复合良好，要求液态金属雾化后的熔滴有一定大小。液态金属薄层：大部分金属熔滴在到达沉积表面时保持液态或半固态。在沉积表面形成厚度适当的液态金属薄层，使液态金属可以填充到颗粒之间的孔隙，获得均匀致密的复合材料。颗粒的加入：共喷沉积法制造颗粒增强金属基复合材料是一个动态工艺过程，采用的加入方式必须使颗粒能均匀地分散在雾化金属流中，颗粒的加入量、加入速度必须稳定，加入颗粒量的波动直接影响金属基复合材料坯料内颗粒含量和分布的波动，造成复合材料性能的不均匀性。沉积和凝固的动态过程控制：为了使沉积的金属基复合材料熔体迅速凝固，又必须使沉积表面保持一薄层液态金属膜，控制雾化金属流与增强颗粒的混合沉积速度和凝固速度达到动平衡是关键，主要通过控制液态金属雾化工艺参数和衬底稳定来实现。,共喷沉积法制备颗粒增强金属基复合材料的特点,1)共喷沉积工艺适用面广。不仅适用于铝、铜等有色金属基体的复合材料，也适用于铁、镍、钴、金属间化合物基的复合材料，加入的增强颗粒品种多，可以是SiC，Al2O3，TiC，Cr2O3，石墨等，产品的形式可以是圆棒、圆锭、板带、管材等。2)生产工艺简单、效率高。与粉末冶金相比不需先制成金属粉再与颗粒混合、压型、烧结等工序，而是快速一次复合成坯料，避免了粉体表面氧化问题等，生产效率高，喷嘴雾化金属熔体的速度是25-200kgmin。3)冷却速度大。雾化过程中金属熔滴的冷却速度可高达103-106Ks，基体金属组织可获得快速凝固金属所具有的细晶组织，无宏观偏析，组织均匀致密。4)增强物分布均匀。在严格控制工艺参数的条件下，液态金属雾化熔滴与增强颗粒均匀混合和沉积，并快速凝固，颗粒均匀地分布在基体中。5)有少量气体存在。由于共喷沉积，难免有气体孔隙存在，一般最低可达2%，有时达5%，但经挤压形变后，可消除气孔，获得致密的材料。,返回小节,5、液态金属搅拌铸造法,液态金属搅拌铸造法(简称熔铸法)是一种适合工业规模生产颗粒增强金属基复合材料的主要方法。工艺方法简单，制造成本低廉。基本原理是：将颗粒增强物直接加入到熔融的基体金属液中，通过一定方式的搅拌使颗粒增强物均匀地分散在金属熔体中，与金属基体复合成颗粒增强金属基复合材料熔体，复合好的金属基复合材料熔体可浇铸成锭坯、铸件等使用。适用性：这种方法主要用于制造颗粒增强铝基复合材料，成为颗粒增强铝基复合材料的主要方法。液态金属搅拌法制造颗粒增强金属基复合材料的主要困难在于：(1)加入的增强颗粒尺寸细小，一般在1030 微米，与金属液体的浸润性差，不易进入金属或在金属中容易团聚颗粒加入困难；(2)颗粒在基体中不易实现均匀分布。(3)强烈的液态金属搅拌容易造成金属液体氧化和大量吸气。因此各种液态金属搅拌法均考虑采用不同的工艺措施和装置来改善与金属熔液的浸润复合，防止金属的氧化和吸气。,颗粒的加入方法,(1)气流喷入法：将颗粒增强材料用惰性气体作载体喷入到金属液中，随即浇注成形这种方法比较简单，但由于气体与所喷入的颗粒之比无法确定，颗粒的加入量难以控制和调整，且没有解决颗粒上浮或沉积的措施，复合组织不易均匀。针对上述缺点有用螺旋喷射器将石墨粉喷射到Al-Si合金制成复合材料的。(2)在浇注过程中加入金属流中：用等离子喷涂用粉料供给器，在浇注过程中用氩气作载体，将带有改进润湿性元素的颗粒加在金属流中而复合成功的。(3)块状加入：用增强颗粒和基体金属粉末的混合块往比重大的金属液里添加时，不压入是难以成功的，但可把Al粉末和Cu或者Ni涂覆过的石墨粉末混合物压成块加入到Al液或Al合金液内。当然，也可以先制成与金属液的比重相近的中间合金块再加入金属液内。,改善增强颗粒与金属熔液的浸润复合措施,1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。2颗粒增强物表面处理：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，有害于复合过程的混合、浸润，增加熔体中的气体，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。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SiC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。,改善增强颗粒与金属熔液的浸润复合措施,3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。4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。强烈的搅动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。,有效的机械搅拌法（1）涡旋法,涡旋法是利用高速旋转的叶桨搅动金属液体，使其强烈流动，并形成以搅拌旋转轴为对称中心的旋转涡旋，将颗粒加到涡旋中，依靠涡旋的负压抽吸作用，颗粒逐渐混合进入金属熔体中。通过一定时间的强烈搅拌，颗粒逐渐均匀地分布在金属熔体中，并与其复合在一起。工艺过程简单，主要工序有基体金属熔化、除气、精炼、颗粒预处理、搅拌复合、浇铸等，其中最主要的是搅拌复合工序。主要控制工艺参数是搅拌复合工序的搅拌速度、搅拌时基体金属熔体的温度、颗粒加入速度等。搅拌速度一般在500-1000rpm，搅拌温度一般选定在基体金属液相线温度以上100C。搅拌器一般为螺旋桨形，搅拌器直径与坩埚直径比一般为。主要用来制造：含较粗颗粒(60-100mm)的耐磨复合材料，主要有Al2O3/Al-Mg，ZrO2/Al-Mg，A12O3/Al-Si，SiC/Al-Si，SiO2/Al-Mg，石墨铝等复合材料。,涡旋搅拌法的工艺原理图,其他搅拌方法,(2)回转运动搅拌混合法：用搅拌叶片和坩埚同时回转的方法，可使颗粒在金属液内均匀分布。回转搅拌装置，叶片转速为300rmin，坩埚转速为20rmin。它可把预热到400的几种粒径的SiC颗粒及Al2O3颗粒加入到Al-Cu-Mg合金半固态浆液里。(3)往复运动搅拌混合法：该法是把颗粒等增强材料加到