金屬屬基復(fù)合材料成形-ch6-2015

1、第六講第六講 MMC成形加工技術(shù)成形加工技術(shù)School of materials science and engineering ，CSU中南大學(xué)中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)金屬基復(fù)合材料制備技術(shù) 本講內(nèi)容本講內(nèi)容MMC鑄造成形鑄造成形MMC塑性成形塑性成形MMC連接成形連接成形MMC機(jī)加工機(jī)加工MMC熱處理熱處理1.MMC鑄造成形鑄造成形1.1 MMC鑄造成型方法與特點(diǎn)鑄造成型方法與特點(diǎn)按增強(qiáng)材料和金屬液體按增強(qiáng)材料和金屬液體的混合方式不同的混合方式不同正正壓壓鑄鑄造造拌拌鑄鑄造造負(fù)負(fù)壓壓鑄鑄造造1.1.1 攪拌鑄造成型攪拌鑄造成型半固態(tài)機(jī)械攪拌法：半

2、固態(tài)機(jī)械攪拌法：利用合金在固液溫度利用合金在固液溫度區(qū)間經(jīng)攪拌后得到的區(qū)間經(jīng)攪拌后得到的流變性質(zhì)，將增強(qiáng)顆流變性質(zhì)，將增強(qiáng)顆粒攪入半固態(tài)熔液中粒攪入半固態(tài)熔液中，依靠半固態(tài)金屬的，依靠半固態(tài)金屬的粘性阻止增強(qiáng)顆粒因粘性阻止增強(qiáng)顆粒因密度差而浮沉來制備密度差而浮沉來制備復(fù)合材料。復(fù)合材料。液態(tài)機(jī)械攪拌法：液態(tài)機(jī)械攪拌法：通通過攪拌器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過攪拌器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使增強(qiáng)材料均勻分布使增強(qiáng)材料均勻分布在液體中，然后澆注在液體中，然后澆注成型。成型。設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便, ,但增強(qiáng)顆粒不易與基但增強(qiáng)顆粒不易與基體材料混合均勻，且體材料混合均勻，且材料的吸氣較嚴(yán)重。材料的吸氣較嚴(yán)重。攪拌鑄

3、攪拌鑄造成型造成型離心鑄造法離心鑄造法是在離心是在離心作用下將金屬液體滲作用下將金屬液體滲入增強(qiáng)材料間隙形成入增強(qiáng)材料間隙形成復(fù)合材料的一種方法。復(fù)合材料的一種方法。擠壓鑄造擠壓鑄造是按零件的是按零件的形狀制作增強(qiáng)物預(yù)制形狀制作增強(qiáng)物預(yù)制塊，將預(yù)制塊放入鑄塊，將預(yù)制塊放入鑄型型, ,在重力下澆入液在重力下澆入液態(tài)金屬或合金，液體態(tài)金屬或合金，液體在壓頭作用下滲入預(yù)在壓頭作用下滲入預(yù)制塊。制塊。正壓鑄正壓鑄造成型造成型1.1.2 正壓鑄造成型正壓鑄造成型自浸滲法自浸滲法是是破壞金屬破壞金屬液體表面的氧化層以液體表面的氧化層以改善液體與增強(qiáng)顆粒改善液體與增強(qiáng)顆粒的浸潤性，借助預(yù)制的浸潤性，借助預(yù)制

4、體內(nèi)的毛細(xì)管力作用體內(nèi)的毛細(xì)管力作用使金屬液體引入增強(qiáng)使金屬液體引入增強(qiáng)材料間隙。材料間隙。真空吸鑄法真空吸鑄法是是將預(yù)制將預(yù)制體放入鑄型后，將鑄體放入鑄型后，將鑄型一端浸入金屬液中，型一端浸入金屬液中，而將鑄型的另一端接而將鑄型的另一端接真空裝置，使液態(tài)合真空裝置，使液態(tài)合金吸入預(yù)制體內(nèi)的一金吸入預(yù)制體內(nèi)的一種方法。種方法。負(fù)壓鑄負(fù)壓鑄造成型造成型1.1. 3 負(fù)壓鑄造成型負(fù)壓鑄造成型1.MMC鑄造成形鑄造成形1.2 MMC鑄造成型的技術(shù)問題鑄造成型的技術(shù)問題u增強(qiáng)顆粒與金屬熔體的潤濕性增強(qiáng)顆粒與金屬熔體的潤濕性u(píng)增強(qiáng)顆粒分布均勻性增強(qiáng)顆粒分布均勻性u(píng)增強(qiáng)顆粒與基體金屬的界面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)顆粒與基

5、體金屬的界面結(jié)構(gòu)u顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料PRMMC PRMMC 的凝固過程的凝固過程 增強(qiáng)顆粒進(jìn)入基體金屬熔體，并能很好地分散，首要的條件是兩者增強(qiáng)顆粒進(jìn)入基體金屬熔體，并能很好地分散，首要的條件是兩者必須相互潤濕。以鋁合金為例，常用的增強(qiáng)顆粒必須相互潤濕。以鋁合金為例，常用的增強(qiáng)顆粒Al2O3、SiC 與與Al 的潤的潤濕性都比較差，它們的接觸角濕性都比較差，它們的接觸角大于大于90o。而有些增強(qiáng)顆粒表面存在的氧。而有些增強(qiáng)顆粒表面存在的氧化物，由于其吸附氣體、水分等，使得增強(qiáng)顆粒與金屬基體的潤濕性變化物，由于其吸附氣體、水分等，使得增強(qiáng)顆粒與金屬基體的潤濕性變得更差。

6、得更差。 1.2.11.2.1增強(qiáng)顆粒與金屬熔體的潤濕性增強(qiáng)顆粒與金屬熔體的潤濕性增強(qiáng)顆粒在復(fù)合材料凝固過程中是被凝固界面排斥還是捕捉受很多因素的增強(qiáng)顆粒在復(fù)合材料凝固過程中是被凝固界面排斥還是捕捉受很多因素的影響，如顆粒與固相、液相之間的界面能，顆粒的大小及密度，液體的粘影響，如顆粒與固相、液相之間的界面能，顆粒的大小及密度，液體的粘度，熱傳導(dǎo)率，液體的對(duì)流，界面前沿的溫度梯度等。度，熱傳導(dǎo)率，液體的對(duì)流，界面前沿的溫度梯度等。 對(duì)于金屬對(duì)于金屬/ /陶瓷這樣的高界面能系統(tǒng)，其界面能比低溫下的水或有機(jī)溶液陶瓷這樣的高界面能系統(tǒng)，其界面能比低溫下的水或有機(jī)溶液/ /顆粒系統(tǒng)的界面能大得多，此時(shí)

7、界面能的作用占主導(dǎo)地位。顆粒系統(tǒng)的界面能大得多，此時(shí)界面能的作用占主導(dǎo)地位。 在重力下凝固及界面前無對(duì)流的條件下，當(dāng)顆粒較小時(shí)（在重力下凝固及界面前無對(duì)流的條件下，當(dāng)顆粒較小時(shí)（0.5mm0.5mm）可忽）可忽略浮力的影響，結(jié)合凝固界面與顆粒相接觸時(shí)的實(shí)際生長(zhǎng)狀態(tài)，提出了略浮力的影響，結(jié)合凝固界面與顆粒相接觸時(shí)的實(shí)際生長(zhǎng)狀態(tài)，提出了下圖所示的相互作用模型下圖所示的相互作用模型 909090, , 顆粒被排斥顆粒被排斥當(dāng)當(dāng)PLPLSPSP時(shí)，時(shí)，9090，顆粒被凝固界面捕捉，顆粒被凝固界面捕捉, ,結(jié)合更穩(wěn)定。結(jié)合更穩(wěn)定。當(dāng)當(dāng)PLPLSPSP時(shí)，時(shí)，9090，顆粒將被凝固界面所排斥，顆粒將被凝固

8、界面所排斥. . SP，PL，SL分別代表固相分別代表固相/顆粒、顆粒顆粒、顆粒/液相、固相液相、固相/液相之間的界面能，液相之間的界面能，三者有如下關(guān)系三者有如下關(guān)系 :cos()/PLSPSL提高潤濕性提高潤濕性措施措施改決潤濕性較差的措施改決潤濕性較差的措施1.2.2. 1.2.2. 增強(qiáng)顆粒分布均勻性增強(qiáng)顆粒分布均勻性在外加增強(qiáng)顆粒制備在外加增強(qiáng)顆粒制備PRMMC PRMMC 的鑄造法中，增強(qiáng)顆粒的密的鑄造法中，增強(qiáng)顆粒的密度一般與基體金屬相差較大度一般與基體金屬相差較大, ,且兩者互不潤濕，因而顆粒且兩者互不潤濕，因而顆粒在金屬基體中容易上浮、下沉及偏聚。在金屬基體中容易上浮、下沉及

9、偏聚。Stokes Stokes 質(zhì)點(diǎn)上浮質(zhì)點(diǎn)上浮速度表達(dá)式為：速度表達(dá)式為：增強(qiáng)顆粒金屬液292rgv式中式中:金屬液的粘度金屬液的粘度, (pa, (pas) s) ； r r 增強(qiáng)顆粒半徑，增強(qiáng)顆粒半徑，m m； g g 重力加速度，重力加速度，9. 8 (m9. 8 (ms- 2) s- 2) ；密度，密度， (kg(kgm- 3) m- 3) 。增大粘度，降低顆粒粒徑及基體與增強(qiáng)體密度差均有增大粘度，降低顆粒粒徑及基體與增強(qiáng)體密度差均有利于均勻分布利于均勻分布界面界面類類型型 增強(qiáng)體與基體增強(qiáng)體與基體互不反應(yīng)亦互互不反應(yīng)亦互不溶解不溶解 1.2.31.2.3增強(qiáng)顆粒與基體金屬的界面結(jié)

10、構(gòu)增強(qiáng)顆粒與基體金屬的界面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體與基體不反增強(qiáng)體與基體不反應(yīng)但能互相溶解應(yīng)但能互相溶解增強(qiáng)體與基體互相增強(qiáng)體與基體互相反應(yīng)反應(yīng)-界面反應(yīng)物界面反應(yīng)物MMC界面大多屬于第三類，在改善界面大多屬于第三類，在改善PRMMC界面潤濕性的同時(shí)，界面潤濕性的同時(shí)，須注意防止界面過度反應(yīng)；須注意防止界面過度反應(yīng)；選擇適當(dāng)增強(qiáng)體與基體組合，是保證界面結(jié)合良好的途徑。選擇適當(dāng)增強(qiáng)體與基體組合，是保證界面結(jié)合良好的途徑。 1）元素化學(xué)位相近，物質(zhì)親合力大，易發(fā)生潤濕，發(fā)生反應(yīng)）元素化學(xué)位相近，物質(zhì)親合力大，易發(fā)生潤濕，發(fā)生反應(yīng)的可能性亦??；的可能性亦?。?）體系的反應(yīng)速度常數(shù)小，界面反應(yīng)層薄，適）體系的反應(yīng)速

11、度常數(shù)小，界面反應(yīng)層薄，適量界面反應(yīng)能促進(jìn)潤濕，提高界面結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)復(fù)合材料有利量界面反應(yīng)能促進(jìn)潤濕，提高界面結(jié)合強(qiáng)度，對(duì)復(fù)合材料有利1.2.4. PRMMC 1.2.4. PRMMC 的凝固過程的凝固過程 PRMMC PRMMC 的凝固過程由于增強(qiáng)體的存在其溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)、晶的凝固過程由于增強(qiáng)體的存在其溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)、晶體生長(zhǎng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程都會(huì)發(fā)生變化。體生長(zhǎng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程都會(huì)發(fā)生變化。 顆粒進(jìn)入固相則能量升高，即熱力學(xué)上顆粒將被推移，但又受顆粒進(jìn)入固相則能量升高，即熱力學(xué)上顆粒將被推移，但又受到液體的粘滯力作用而被到液體的粘滯力作用而被 阻礙推移，且流體對(duì)顆粒的阻力隨動(dòng)阻礙推移

12、，且流體對(duì)顆粒的阻力隨動(dòng)動(dòng)速度的增加而增加。存在臨界推移速度動(dòng)速度的增加而增加。存在臨界推移速度臨界推移速度臨界推移速度隨界面能差的增大而增大，隨液體粘度、顆粒隨界面能差的增大而增大，隨液體粘度、顆粒/基體的熱導(dǎo)率比及顆粒尺寸的增大而減小基體的熱導(dǎo)率比及顆粒尺寸的增大而減小 圖圖5-1 Duralcon5-1 Duralcon公司生產(chǎn)的各種鑄件公司生產(chǎn)的各種鑄件 圖圖5-2 5-2 真空鑄造法制造的連續(xù)真空鑄造法制造的連續(xù)纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料零件纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料零件 圖5-1是Duralcon公司生產(chǎn)的各種鑄件。對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件的制造也可采用真空吸鑄、真空壓力鑄造的方法。

13、如氧化鋁纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，可選用真空鑄造的方法制造。圖5-2為真空鑄造法制造的連續(xù)纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料零件。2.MMC塑性成形塑性成形2.1 MMC塑性加工目的塑性加工目的及特點(diǎn)及特點(diǎn)塑性加工塑性加工目的目的 致密化，致密化，消除孔隙消除孔隙改變?cè)鰪?qiáng)改變?cè)鰪?qiáng)相的分布相的分布或排列或排列獲得指定獲得指定的形狀的形狀2.MMC塑性成形塑性成形2.1 MMC塑性加工目的及特點(diǎn)塑性加工目的及特點(diǎn)塑性加工塑性加工特點(diǎn)特點(diǎn) 高溫：高溫：無機(jī)無機(jī)纖維脆性大，纖維脆性大，常溫下易斷常溫下易斷裂，只有在裂，只有在高溫下不產(chǎn)高溫下不產(chǎn)生纖維的斷生纖維的斷裂情況下成裂情況下成型加工型加工低應(yīng)變速率：低應(yīng)變速率：

14、有有利于松弛，減少利于松弛，減少界面的應(yīng)力集中界面的應(yīng)力集中及纖維的斷裂及纖維的斷裂特種成型特種成型工藝工藝：滾：滾壓成型等壓成型等復(fù)合材料復(fù)合材料狀態(tài)狀態(tài)體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)/%0.2MPabMPa伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率%EGPa生產(chǎn)商生產(chǎn)商Al2O3p/6061AlT610%2963387.581Duralcan,AlcanT615%3193595.487Duralcan,AlcanT620%3593792.198Duralcan,AlcanSiCp/6061AlT6104054607.098DWAT6154204205.0105DWAT6204304304.0115DWAAl2O3p/2024AlT6

15、104835173.384Duralcan,AlcanT6154765032.392Duralcan,AlcanT6204835031.0101Duralcan,AlcanSiCp/2024AlT67.840061057100BritishPetroleumT62049063024116BritishPetroleumT6254055603105DWASiCp/7075AlT65115556601295Cospray，AlcanSiCp/7049AlT615598643290Cospray，AlcanSiCp/7090AlT620665735105DWA顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能顆粒增強(qiáng)鋁

16、基復(fù)合材料的力學(xué)性能復(fù)合材料與基體合金的高溫力學(xué)性能材料材料顆粒顆粒尺寸尺寸m體積體積分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)%200400bMPa0.2MPa伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率%bMPa0.2MPaAlNp/6061Al10.84404223725.075515.96061Al22618914.5292444.3Al2O3p/6061Al20.152032923524.9101437.6Al2O3p/6061Al20.153030021932.0176946.1Al2O3p/6061Al10.4203663122.889664.41 1 壓鑄態(tài)，壓鑄態(tài)，T6T6處理；處理；2 2擠壓態(tài)，擠壓態(tài)，T4T4處理。處理。 軋制是指軋件

17、由摩擦力拉進(jìn)在旋轉(zhuǎn)的軋輥間，借助于軋輥軋制是指軋件由摩擦力拉進(jìn)在旋轉(zhuǎn)的軋輥間，借助于軋輥施加的壓力，有時(shí)伴以熱作用，使材料發(fā)生塑性變形的過施加的壓力，有時(shí)伴以熱作用，使材料發(fā)生塑性變形的過程。通過軋制使材料具有一定的形狀、尺寸和性能。程。通過軋制使材料具有一定的形狀、尺寸和性能。按材料溫度分類：按材料溫度分類： 熱軋熱軋 冷軋冷軋按軋機(jī)排列方式分類按軋機(jī)排列方式分類 單機(jī)架軋制、單機(jī)架軋制、 半連續(xù)軋制半連續(xù)軋制 連續(xù)軋制連續(xù)軋制2.MMC塑性成形塑性成形2.2 MMC軋制軋制MMC軋制工藝參數(shù)軋制工藝參數(shù)u溫度溫度25%SiCp/Al25%SiCp/Al復(fù)合材料經(jīng)過復(fù)合材料經(jīng)過16:116:

18、1擠壓后，經(jīng)過三道軋制后的致密度擠壓后，經(jīng)過三道軋制后的致密度預(yù)熱溫預(yù)熱溫/350400450500550致密度致密度/98.899.099.299.499.3u變形量變形量2525 SiCpSiCp/Al/Al復(fù)合材料經(jīng)過復(fù)合材料經(jīng)過1616：1 1擠壓后，在預(yù)熱溫度分別為擠壓后，在預(yù)熱溫度分別為350350和和450450進(jìn)行的不同軋下量軋制后的致密度。進(jìn)行的不同軋下量軋制后的致密度。變形量變形量/ 5075 85致密（致密（350） 99.0 98.9 98.9致密（致密（450） 99.0 99.2 99.2軋制變形量軋制變形量/ 50 75 85拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度/MPa 245 24

19、7 244u在諸多塑性成形手段（擠壓、軋制、鍛造、拉拔等）中擠壓在諸多塑性成形手段（擠壓、軋制、鍛造、拉拔等）中擠壓是是MMCMMC二次加工最為常用的手段之一。二次加工最為常用的手段之一。u由于金屬基體中含有一定體積分?jǐn)?shù)的增強(qiáng)物由于金屬基體中含有一定體積分?jǐn)?shù)的增強(qiáng)物( (晶須、顆粒晶須、顆粒) )，大大降低了金屬的塑性，變形阻力大，成形困難，堅(jiān)硬的增大大降低了金屬的塑性，變形阻力大，成形困難，堅(jiān)硬的增強(qiáng)顆粒將磨損模具，因此對(duì)常規(guī)的工藝需進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，強(qiáng)顆粒將磨損模具，因此對(duì)常規(guī)的工藝需進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，如擠壓、鍛造溫度、擠壓速度、擠壓力等。如擠壓、鍛造溫度、擠壓速度、擠壓力等。u擠壓后纖維平行

20、擠壓軸方向取向，提高軸向力學(xué)性能；而纖擠壓后纖維平行擠壓軸方向取向，提高軸向力學(xué)性能；而纖維長(zhǎng)徑比因?yàn)閿嗔讯鴾p小，致使軸向性能降低維長(zhǎng)徑比因?yàn)閿嗔讯鴾p小，致使軸向性能降低u影響擠壓成形性的主要因素有擠壓變形時(shí)模具及坯料的預(yù)熱影響擠壓成形性的主要因素有擠壓變形時(shí)模具及坯料的預(yù)熱溫度、擠壓比和擠壓變形速度，以及潤滑劑。溫度、擠壓比和擠壓變形速度，以及潤滑劑。 2.MMC塑性成形塑性成形2.3 MMC擠壓擠壓（1 1）潤滑劑）潤滑劑 潤滑劑的作用是改變擠壓坯料和模具之間的摩擦力。摩擦力越小潤滑劑的作用是改變擠壓坯料和模具之間的摩擦力。摩擦力越小則由于坯料內(nèi)外層材料流動(dòng)不均勻所形成的附加拉應(yīng)力就越小。

21、則由于坯料內(nèi)外層材料流動(dòng)不均勻所形成的附加拉應(yīng)力就越小。（2 2）擠壓溫度）擠壓溫度 最佳擠壓溫度的選擇應(yīng)考慮以下因素：金屬的塑性較好；變形抗最佳擠壓溫度的選擇應(yīng)考慮以下因素：金屬的塑性較好；變形抗力盡可能?。恍筒木哂凶罡邚?qiáng)度；較高勞動(dòng)生產(chǎn)率和較低勞動(dòng)成本。力盡可能??；型材具有最高強(qiáng)度；較高勞動(dòng)生產(chǎn)率和較低勞動(dòng)成本。為了保持?jǐn)D壓制品的整體性，在擠壓過程中，塑性變形區(qū)的溫度必須為了保持?jǐn)D壓制品的整體性，在擠壓過程中，塑性變形區(qū)的溫度必須與與SiCp/AlSiCp/Al復(fù)合材料塑性最好的溫度范圍相適應(yīng)。隨著復(fù)合材料壞料復(fù)合材料塑性最好的溫度范圍相適應(yīng)。隨著復(fù)合材料壞料及模具預(yù)熱溫度的升高，擠壓力顯

22、著降低，如表及模具預(yù)熱溫度的升高，擠壓力顯著降低，如表5-65-6所示。溫度每升所示。溫度每升高高5050，最大擠壓力降低，最大擠壓力降低101020MPa20MPa。溫度溫度/350350 400 400 450 450 500 500最大擠壓力最大擠壓力/ /MPaMPa 280 280 265 265 248 248 235 235（3 3）擠壓比）擠壓比 在熱擠壓中，不論是哪種擠壓方式，其最大單位擠壓力和變形在熱擠壓中，不論是哪種擠壓方式，其最大單位擠壓力和變形功都是隨變形程度的增加而增大。擠壓比須大于功都是隨變形程度的增加而增大。擠壓比須大于5 5，剪切變形才能深，剪切變形才能深入到

23、制品中心，過大時(shí)，則易出現(xiàn)表面裂紋入到制品中心，過大時(shí)，則易出現(xiàn)表面裂紋（4 4）擠壓速度）擠壓速度 SiCpSiCp/A1/A1復(fù)合材料由于復(fù)合材料由于SiCSiC顆粒的加入使基體的變形抗力增加，因此，顆粒的加入使基體的變形抗力增加，因此，SiCpSiCp/Al/Al復(fù)合材料的擠壓力比基體要高，容易產(chǎn)生第一類或第二類裂紋而復(fù)合材料的擠壓力比基體要高，容易產(chǎn)生第一類或第二類裂紋而使擠壓制品表面發(fā)生碎裂，但可以通過降低擠壓速度使過多的熱量從高使擠壓制品表面發(fā)生碎裂，但可以通過降低擠壓速度使過多的熱量從高溫加工的剪切變形區(qū)擴(kuò)散出去，使該問題得以解決。但是，如果擠壓速溫加工的剪切變形區(qū)擴(kuò)散出去，使該

24、問題得以解決。但是，如果擠壓速度過低，則又會(huì)出現(xiàn)第三類低速撕裂現(xiàn)象。度過低，則又會(huì)出現(xiàn)第三類低速撕裂現(xiàn)象。（5 5）SiCSiC顆粒體積分?jǐn)?shù)顆粒體積分?jǐn)?shù) 圖圖5-35-3是是SiCpSiCp/Al/Al復(fù)合材料經(jīng)過相同擠壓比復(fù)合材料經(jīng)過相同擠壓比25:125:1后后SiCSiC顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)最顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)最大擠壓力的影響曲線。從圖中可以看出，最大擠壓力隨著大擠壓力的影響曲線。從圖中可以看出，最大擠壓力隨著SiCSiC顆粒體積分?jǐn)?shù)顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。的增加而增加。 (6)(6)熱擠壓對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料組織和性能的影響熱擠壓對(duì)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料組織和性能的影響 在擠壓過程，金屬基復(fù)合

25、材料的顯微組織除了會(huì)發(fā)生纖維斷裂外，在某在擠壓過程，金屬基復(fù)合材料的顯微組織除了會(huì)發(fā)生纖維斷裂外，在某些情況下還會(huì)形成平行于擠壓方向的些情況下還會(huì)形成平行于擠壓方向的“陶瓷富集帶陶瓷富集帶”(Ceramic Enriched (Ceramic Enriched Bands)Bands)，如圖，如圖5-45-4所示。所示。2.MMC塑性成形塑性成形2.4 非連續(xù)增強(qiáng)非連續(xù)增強(qiáng)MMC的超塑性成形的超塑性成形超塑性變形過程，應(yīng)變速率通常表達(dá)為：超塑性變形過程，應(yīng)變速率通常表達(dá)為： npEdbKTDEbA0式中，為柏氏矢量；D為相關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)； E為彈性模量；K為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)測(cè)試溫度； d為

26、晶粒尺寸；p為晶粒尺寸指數(shù)；為流變應(yīng)力； 0為門檻應(yīng)力；n為應(yīng)力指數(shù)；A為幾何常數(shù)。又稱為轉(zhuǎn)變超塑性或又稱為轉(zhuǎn)變超塑性或變態(tài)超塑性。是材料變態(tài)超塑性。是材料在變動(dòng)頻繁的溫度環(huán)在變動(dòng)頻繁的溫度環(huán)境下受應(yīng)力作用時(shí)經(jīng)境下受應(yīng)力作用時(shí)經(jīng)多次循環(huán)相變或同素多次循環(huán)相變或同素異形轉(zhuǎn)變而得到的很異形轉(zhuǎn)變而得到的很大的變形量大的變形量又稱細(xì)晶超塑性或恒溫又稱細(xì)晶超塑性或恒溫超塑性。指材料晶粒通超塑性。指材料晶粒通過細(xì)化、超細(xì)化和等軸過細(xì)化、超細(xì)化和等軸化，在變形期間保持穩(wěn)化，在變形期間保持穩(wěn)定，在一定變形溫度區(qū)定，在一定變形溫度區(qū)間（間（T0.5TmT0.5Tm）和一定）和一定變形速度條件下變形速度條件下(

27、(應(yīng)變應(yīng)變速率在速率在10-410-410-110-1之間之間) )所呈現(xiàn)出的超塑性。所呈現(xiàn)出的超塑性。其他超塑性主要包括其他超塑性主要包括短暫超塑性、相變誘短暫超塑性、相變誘發(fā)超塑性以及消除應(yīng)發(fā)超塑性以及消除應(yīng)力退火過程中，應(yīng)力力退火過程中，應(yīng)力作用下積蓄在材料內(nèi)作用下積蓄在材料內(nèi)能量釋放獲得的超塑能量釋放獲得的超塑性性u(píng)按實(shí)現(xiàn)超塑性的條件分類按實(shí)現(xiàn)超塑性的條件分類組織組織超塑性超塑性相變相變超塑性超塑性其他其他超塑性超塑性u(píng)超塑性變形過程中組織變化有以下特點(diǎn)超塑性變形過程中組織變化有以下特點(diǎn): :1 12 23 34 4晶粒形晶粒形狀與尺狀與尺寸的變寸的變化化晶粒的晶粒的滑動(dòng)、滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和

28、轉(zhuǎn)動(dòng)和換位換位晶粒晶粒折皺折皺帶帶位錯(cuò)位錯(cuò)5 5空洞空洞另一類為沿晶界，特別另一類為沿晶界，特別是相界產(chǎn)生的圓形空洞是相界產(chǎn)生的圓形空洞或或O O形空洞，它們的形形空洞，它們的形狀多半接近團(tuán)或橢圓。狀多半接近團(tuán)或橢圓。這類空洞可以看作是過這類空洞可以看作是過飽和的空位晶界（或相飽和的空位晶界（或相界）匯流、聚集（沉淀）界）匯流、聚集（沉淀）而形成的。而形成的。 一類為產(chǎn)生于三晶一類為產(chǎn)生于三晶粒交界處的楔形空洞粒交界處的楔形空洞或或V V形空洞，這類空洞形空洞，這類空洞是由于應(yīng)力集中產(chǎn)生是由于應(yīng)力集中產(chǎn)生的的按照空洞按照空洞形狀分類形狀分類 空洞形核兩種觀點(diǎn)空洞形核兩種觀點(diǎn) 1）復(fù)合材料變形前

29、就存在 2）超塑性變形的晶界滑移過程中，經(jīng)過一定的應(yīng)變最后在界面上形成的。 Stroh運(yùn)用Zener的假設(shè)（在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生晶界滑動(dòng)時(shí)，在三叉晶界處產(chǎn)生裂紋）提出的空洞形核條件如下： LG122 式中，為剪切力；為空洞的表面能；L為滑動(dòng)晶面長(zhǎng)度（相當(dāng)于晶界凸起之間距離或晶界粒子之間距離）；G為剪切模量。 在超塑性變形過程中，隨著晶界滑移的進(jìn)行，由于顆粒與基體的彈性模量等物理性能不同，以及硬顆粒對(duì)滑移的阻礙作用必將產(chǎn)生界面應(yīng)力集中，特別對(duì)尺寸較大的顆粒，這些界面應(yīng)力難以釋放，因此，顆粒，基體的界面成為空洞優(yōu)先形核位置。極限顆粒尺寸可由下式表示： 3/1/KTDgb 式中，為原子體積；為流變應(yīng)

30、力；為邊界擴(kuò)散；K為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；為應(yīng)變速率。當(dāng)顆粒尺寸小于時(shí)空洞的生成是有限的，反之，將引起明顯的空洞生成擴(kuò)散。 式中，為原子體積；gb為晶界寬度；gb晶界擴(kuò)散系數(shù)；r為空洞半徑；為表面能; 為流動(dòng)應(yīng)力；為熱力學(xué)溫度；為應(yīng)變速率；為玻爾茲曼常數(shù)；為考慮空洞尺寸與間距的系數(shù)，其值為：/23/21 2/ln4122rrr式中， 為空洞之間的距離。超塑性變形過程中空洞長(zhǎng)大兩種機(jī)制：超塑性變形過程中空洞長(zhǎng)大兩種機(jī)制： 1 1）反應(yīng)力促進(jìn)空洞沿晶界擴(kuò)散的長(zhǎng)大機(jī)制）反應(yīng)力促進(jìn)空洞沿晶界擴(kuò)散的長(zhǎng)大機(jī)制 2 2）空洞周圍材料的塑性變形引起空洞長(zhǎng)大機(jī)制）空洞周圍材料的塑性變形引起空洞長(zhǎng)大機(jī)制1

31、 12 23 34 4通過改變材料通過改變材料的成分、組成的成分、組成和組織等內(nèi)在和組織等內(nèi)在因素，抑制空因素，抑制空洞的形成與長(zhǎng)洞的形成與長(zhǎng)大大通過預(yù)先熱通過預(yù)先熱處理可獲得處理可獲得極細(xì)的晶粒極細(xì)的晶粒度并抑制空度并抑制空洞的形核和洞的形核和長(zhǎng)大長(zhǎng)大通過變形通過變形后的退火后的退火處理，減處理，減少空洞少空洞通過變形通過變形后的熱等后的熱等靜壓壓實(shí)靜壓壓實(shí)使空洞減使空洞減少或根除少或根除 抑制與減少空洞的措施抑制與減少空洞的措施表表5-85-8鋁基復(fù)合材料的超塑變形性能鋁基復(fù)合材料的超塑變形性能表表5-9 5-9 鎂鎂 、鋅、鋅、 鈦基復(fù)合材料的超塑變形性能鈦基復(fù)合材料的超塑變形性能復(fù)合材

32、料復(fù)合材料溫度溫度/K伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率/m值值應(yīng)變速率應(yīng)變速率/s-120TiCp/Mg-5Zn7433400.336.7 71010-2-217%SiCp/Mg-5.5Zn-0.5Zr7233600.33119.7%SiCw/MB156132000.3512AlNp/Mg-5%Zn6731500.310-3(510)%SiCp/SiCp/AZ31AZ317731000.32 21010-3(510)%SiCp/Zn-4Al-3Cu5132600.42 21010-310TiCp/Ti-4Cr10132000.34.17 71010-310TiCp/Ti-6Fe9638200.34.17 7101

33、0-32.MMC塑性成形塑性成形2.5 MMC室溫錐形金屬包層法室溫錐形金屬包層法板狀復(fù)合材料彎曲時(shí)，在中性軸的外側(cè)受拉力，內(nèi)側(cè)受壓縮力，板狀復(fù)合材料彎曲時(shí)，在中性軸的外側(cè)受拉力，內(nèi)側(cè)受壓縮力，而復(fù)合材料受到拉力時(shí)，纖維易斷裂。采用附加金屬包層使彎曲而復(fù)合材料受到拉力時(shí)，纖維易斷裂。采用附加金屬包層使彎曲變形時(shí)中性軸（應(yīng)力為零）偏移，使得復(fù)合材料大部分受壓應(yīng)力，變形時(shí)中性軸（應(yīng)力為零）偏移，使得復(fù)合材料大部分受壓應(yīng)力，小部分受較小拉應(yīng)力，從而解決纖維因拉應(yīng)力斷裂的問題。小部分受較小拉應(yīng)力，從而解決纖維因拉應(yīng)力斷裂的問題。2.MMC塑性成形塑性成形2.5 MMC滾壓成型法滾壓成型法用二張與復(fù)合材

34、料相同厚度的鋁合金板，把復(fù)合材料夾于其中做用二張與復(fù)合材料相同厚度的鋁合金板，把復(fù)合材料夾于其中做成夾層結(jié)構(gòu)，合金板比復(fù)合材料略長(zhǎng)，以防復(fù)合材料末端變平坦，成夾層結(jié)構(gòu)，合金板比復(fù)合材料略長(zhǎng)，以防復(fù)合材料末端變平坦，然后用三個(gè)輥?zhàn)訚L壓成型然后用三個(gè)輥?zhàn)訚L壓成型3.MMC連接成形連接成形3.1 MMCs 的常規(guī)連接技術(shù)的常規(guī)連接技術(shù)3.1.1 3.1.1 熔融焊接熔融焊接各種熔融焊接方法可以用于各種熔融焊接方法可以用于MMCs , MMCs , 但是效果不夠理想但是效果不夠理想, , 特別特別是對(duì)于鋁基是對(duì)于鋁基MMCs , MMCs , 還存在著一系列的問題需要解決還存在著一系列的問題需要解決,

35、 , 主要有主要有: :(1)(1)常規(guī)的熔融焊接需要在高溫下進(jìn)行常規(guī)的熔融焊接需要在高溫下進(jìn)行, ,而高溫會(huì)引起復(fù)合材而高溫會(huì)引起復(fù)合材料基體與加強(qiáng)物界面上的化學(xué)反應(yīng)料基體與加強(qiáng)物界面上的化學(xué)反應(yīng), ,；(2)(2)常規(guī)的熔融焊接加工常規(guī)的熔融焊接加工MMCsMMCs，當(dāng)基體被加熱到熔點(diǎn)以上融化，當(dāng)基體被加熱到熔點(diǎn)以上融化時(shí)，加強(qiáng)物仍然保持固態(tài)，因此熔池粘滯性很高，基體與增時(shí)，加強(qiáng)物仍然保持固態(tài)，因此熔池粘滯性很高，基體與增強(qiáng)物很難融合，在焊池的冷卻過程中會(huì)發(fā)生加強(qiáng)物的剝離；強(qiáng)物很難融合，在焊池的冷卻過程中會(huì)發(fā)生加強(qiáng)物的剝離；(3)(3)如果如果MMCsMMCs采用粉末冶金法制造，閉塞在材料

36、里的氣體會(huì)在采用粉末冶金法制造，閉塞在材料里的氣體會(huì)在焊池凝固時(shí)沖出，導(dǎo)致大量的氣孔在焊池和熱影響區(qū)焊池凝固時(shí)沖出，導(dǎo)致大量的氣孔在焊池和熱影響區(qū)(HAZ) (HAZ) 形成。形成。改進(jìn)：熔池中添加合金化元素、提高焊接熱循環(huán)速度、減少焊改進(jìn)：熔池中添加合金化元素、提高焊接熱循環(huán)速度、減少焊接時(shí)工件的熱輸入接時(shí)工件的熱輸入圖圖5-6 Duralcon5-6 Duralcon公司氬弧焊接的公司氬弧焊接的SiCp/AlSiCp/Al復(fù)合材料傳動(dòng)軸（復(fù)合材料傳動(dòng)軸（a a）以及自行車架）以及自行車架(b)(b)u電子束焊接電子束焊接(EBW)(EBW)EBW EBW 是在真空條件下是在真空條件下, ,

37、 將陰極發(fā)生的電子束通過正電壓加速然將陰極發(fā)生的電子束通過正電壓加速然后用磁透鏡聚焦在工件表面后用磁透鏡聚焦在工件表面, , 電子束撞擊焊接材料表面產(chǎn)生熱電子束撞擊焊接材料表面產(chǎn)生熱量使工件熔融焊接在一起。量使工件熔融焊接在一起。u金屬極惰氣保護(hù)焊接金屬極惰氣保護(hù)焊接(MIG)(MIG)MIGMIG法是把小直徑電極絲放在焊接工件處法是把小直徑電極絲放在焊接工件處, ,電極絲與工件之間電極絲與工件之間產(chǎn)生電弧使工件熔化產(chǎn)生電弧使工件熔化, , 為了保護(hù)熔融的高溫材料為了保護(hù)熔融的高溫材料, , 需在電極需在電極絲周圍通入惰性氣體。絲周圍通入惰性氣體。熔融焊接分類熔融焊接分類TIGTIG法是在惰性

38、氣體保護(hù)下，鎢電極和焊接工件間產(chǎn)生電弧法是在惰性氣體保護(hù)下，鎢電極和焊接工件間產(chǎn)生電弧使工件局部熔化連接在一起使工件局部熔化連接在一起, , 必要時(shí)可添加焊料。必要時(shí)可添加焊料。u鎢鎢極惰氣保護(hù)焊接極惰氣保護(hù)焊接(TIG(TIG）u等離子體焊接等離子體焊接等離子體焊接是把等離子氣體通在鎢電極周圍形成等離子電等離子體焊接是把等離子氣體通在鎢電極周圍形成等離子電弧熔化弧熔化MMCs MMCs 使其焊接在一起使其焊接在一起, , 焊接時(shí)也需通入保護(hù)氣體。焊接時(shí)也需通入保護(hù)氣體。u電容放電焊接電容放電焊接電容放電焊接是把存在大量電容中的電能快速釋放出來熔電容放電焊接是把存在大量電容中的電能快速釋放出來

39、熔融工件使其焊接。融工件使其焊接。u接觸電阻焊接接觸電阻焊接接觸電阻法是利用焊接材料之間的電阻接觸電阻法是利用焊接材料之間的電阻, , 通入外接電流通入外接電流產(chǎn)生熱量完成產(chǎn)生熱量完成MMCs MMCs 的焊接。的焊接。u激光束焊接激光束焊接(LBW)(LBW)采用光學(xué)透鏡聚焦采用光學(xué)透鏡聚焦, , 高能量密度的激光束與工件表面相互作高能量密度的激光束與工件表面相互作用產(chǎn)生耦合效應(yīng)使用產(chǎn)生耦合效應(yīng)使MMCs MMCs 熔融焊接在一起。熔融焊接在一起。擴(kuò)散連接擴(kuò)散連接 擴(kuò)散粘結(jié)主要指固相擴(kuò)散連接擴(kuò)散粘結(jié)主要指固相擴(kuò)散連接(SSDB) (SSDB) 和過渡液相連接和過渡液相連接( TL PDB)

40、( TL PDB) 兩種方法。兩種方法。SSDB SSDB 方法是在連接工件上加一個(gè)小方法是在連接工件上加一個(gè)小載荷載荷, , 然后在保護(hù)氣氛下或真空中升溫使工件發(fā)生微變形并然后在保護(hù)氣氛下或真空中升溫使工件發(fā)生微變形并連接在一起。連接在一起。 TL PDB TL PDB 是將一個(gè)金屬薄片置于連接工件間，對(duì)于鋁基是將一個(gè)金屬薄片置于連接工件間，對(duì)于鋁基MMCsMMCs一般用銅、鋅和銀箔一般用銅、鋅和銀箔, , 加熱工件至銅加熱工件至銅( (鋅、銀鋅、銀) )、鋁的共、鋁的共晶溫度形成共晶晶溫度形成共晶, , 使使MMCs MMCs 粘結(jié)在一起。粘結(jié)在一起。3.1.2 3.1.2 固相連接固相連

41、接 摩擦焊接摩擦焊接 摩擦焊接是通過兩個(gè)工件相對(duì)摩擦產(chǎn)生熱量使工件結(jié)合摩擦焊接是通過兩個(gè)工件相對(duì)摩擦產(chǎn)生熱量使工件結(jié)合。一般是一個(gè)工件固定在軸上。一般是一個(gè)工件固定在軸上, , 另一個(gè)繞其旋轉(zhuǎn)另一個(gè)繞其旋轉(zhuǎn), , 經(jīng)過一段經(jīng)過一段時(shí)間后時(shí)間后, , 停止旋轉(zhuǎn)并加載使工件接合在一起。停止旋轉(zhuǎn)并加載使工件接合在一起。 磁勵(lì)電弧對(duì)焊磁勵(lì)電弧對(duì)焊(MIAB) (MIAB) MIAB MIAB 焊接是電弧在放射性磁場(chǎng)作用下繞管形工件的端部快焊接是電弧在放射性磁場(chǎng)作用下繞管形工件的端部快速轉(zhuǎn)動(dòng)速轉(zhuǎn)動(dòng), , 產(chǎn)生熱量使工件連接產(chǎn)生熱量使工件連接, , 接頭再經(jīng)過鍛造完成焊接。接頭再經(jīng)過鍛造完成焊接。焊接時(shí)需

42、在管形工件內(nèi)通入氬或焊接時(shí)需在管形工件內(nèi)通入氬或Ar-5H2 Ar-5H2 保護(hù)氣體。保護(hù)氣體。MIAB MIAB 法法用于加工直徑用于加工直徑25mm25mm、壁厚、壁厚2 mm 2 mm 的的2124-T4/25SiCp 2124-T4/25SiCp 復(fù)合材料復(fù)合材料管材時(shí)管材時(shí), , 效果較為理想效果較為理想, , 但沒有機(jī)械性能方面的測(cè)試數(shù)據(jù)。但沒有機(jī)械性能方面的測(cè)試數(shù)據(jù)。3.1.3 3.1.3 釬焊釬焊 釬焊與熔融焊接不同釬焊與熔融焊接不同, , 它不必熔化它不必熔化MMCs MMCs 的基體材料的基體材料, , 因此因此不存在基體與加強(qiáng)物的反應(yīng)不存在基體與加強(qiáng)物的反應(yīng), , 加強(qiáng)物

43、的壞大大減少。用釬焊方法加強(qiáng)物的壞大大減少。用釬焊方法焊接焊接MMCs MMCs 時(shí)焊料的選擇和溫度的控制很重要時(shí)焊料的選擇和溫度的控制很重要, , 如釬焊如釬焊6061/ 50B 6061/ 50B 時(shí)采用時(shí)采用AlAl2 2Si Si 焊料焊料, , 會(huì)有會(huì)有Si Si 析出在晶界上析出在晶界上, , 導(dǎo)致工作切向強(qiáng)度導(dǎo)致工作切向強(qiáng)度降低降低, , 而采用而采用AlAl2 2CuZn CuZn 焊料焊料( (熔點(diǎn)熔點(diǎn)380) 380) 不會(huì)發(fā)生這個(gè)問題。不會(huì)發(fā)生這個(gè)問題。3.1.4 3.1.4 膠粘膠粘 膠粘是目前人們較為關(guān)注的膠粘是目前人們較為關(guān)注的MMCs MMCs 連接方法連接方法,

44、 , 連接過程中連接過程中MMCs MMCs 不承受外加熱循環(huán)不承受外加熱循環(huán), , 但連接前需進(jìn)行表面預(yù)處理。膠粘的但連接前需進(jìn)行表面預(yù)處理。膠粘的效果與粘結(jié)劑、表面預(yù)處理方法密切相關(guān)效果與粘結(jié)劑、表面預(yù)處理方法密切相關(guān), , 粘結(jié)劑主要有環(huán)氧樹粘結(jié)劑主要有環(huán)氧樹脂脂(epoxy) (epoxy) 和聚丙烯和聚丙烯(acrylic) , (acrylic) , 表面熱處理方法包括表面刻劃表面熱處理方法包括表面刻劃、陽極氧化、表面磷酸處理等、陽極氧化、表面磷酸處理等。3.2 各種常規(guī)各種常規(guī)MMCs連接技術(shù)的特點(diǎn)與比較連接技術(shù)的特點(diǎn)與比較 熔融焊接的缺點(diǎn)是加強(qiáng)物與基體間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)熔融焊接的缺

45、點(diǎn)是加強(qiáng)物與基體間發(fā)生化學(xué)反應(yīng), , 焊池粘焊池粘滯性高滯性高, , 在凝固過程中發(fā)生加強(qiáng)物顆粒剝離在凝固過程中發(fā)生加強(qiáng)物顆粒剝離, , 這些問題可以通過這些問題可以通過控制熱循環(huán)速度和熱量輸入來解決控制熱循環(huán)速度和熱量輸入來解決, ,。另一方面。另一方面, , 也可以通過添也可以通過添加焊料把合金化元素加入到焊池中來解決加焊料把合金化元素加入到焊池中來解決, , 。 固相連接尤其是摩擦焊接在固相連接尤其是摩擦焊接在MMCsMMCs的焊接方面具有很大潛力的焊接方面具有很大潛力, , 由于是低溫操作由于是低溫操作, , 界面反應(yīng)被抑制界面反應(yīng)被抑制, , 熔融焊池的粘滯性降低熔融焊池的粘滯性降低

46、, , 但但在產(chǎn)生摩擦過程中需要移動(dòng)工件在產(chǎn)生摩擦過程中需要移動(dòng)工件, , 摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)引起表面加摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)引起表面加強(qiáng)顆?；蚣訌?qiáng)纖維的破碎。擴(kuò)散連接法用于強(qiáng)顆?；蚣訌?qiáng)纖維的破碎。擴(kuò)散連接法用于MMCs MMCs 效果也較好效果也較好, , 但在兩連接工件間需添加中間層。與熔融焊接方法相比但在兩連接工件間需添加中間層。與熔融焊接方法相比, , 固相連固相連接更適合于接更適合于MMCsMMCs。 釬焊法的優(yōu)點(diǎn)是不破壞釬焊法的優(yōu)點(diǎn)是不破壞MMCs MMCs 材料材料, , 接頭強(qiáng)度可達(dá)到焊接基接頭強(qiáng)度可達(dá)到焊接基底材料的底材料的80 %80 %90 % , 90 % , 應(yīng)該再度得到人們

47、的注意。應(yīng)該再度得到人們的注意。 膠粘法的特點(diǎn)是不需要在膠粘法的特點(diǎn)是不需要在MMCs MMCs 上外加熱循環(huán)上外加熱循環(huán), , 可在室溫條可在室溫條件下操作件下操作, , 但關(guān)于該方法的研究十分有限但關(guān)于該方法的研究十分有限, , 尚需進(jìn)一步的工作尚需進(jìn)一步的工作, , 重點(diǎn)在優(yōu)化表面處理方法以延長(zhǎng)接頭的壽命。重點(diǎn)在優(yōu)化表面處理方法以延長(zhǎng)接頭的壽命。表表5-11 常規(guī)常規(guī)MMCs連接技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)連接技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)工藝方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)熔融焊接鎢極惰氣保護(hù)焊接在焊接時(shí)可使用金屬焊料以減少Al/SiC 復(fù)合材料中Al3C4的產(chǎn)生, 增加Al/SiC 復(fù)合材料中加強(qiáng)粒子的濕潤性在Al/SiC

48、復(fù)合材料中會(huì)產(chǎn)生Al3C4 ,當(dāng)使用金屬焊料時(shí)焊接強(qiáng)度降低金屬惰氣保護(hù)焊接在焊接時(shí)可使用金屬焊料以減少Al/SiC 復(fù)合材料中Al3C4的產(chǎn)生, 增加Al/SiC 復(fù)合材料中加強(qiáng)粒子的濕潤性在Al/SiC 復(fù)合材料中會(huì)產(chǎn)生Al3C4 ,當(dāng)使用金屬焊料時(shí)焊接強(qiáng)度降低電子束焊接在真空環(huán)境中可高速焊接在Al/SiC 復(fù)合材料中會(huì)產(chǎn)生Al3C4 ,焊接需要在真空環(huán)境下進(jìn)行激光束焊接不需要真空環(huán)境即可高速焊接在Al/SiC 復(fù)合材料中會(huì)產(chǎn)生Al3C4 ,焊接需要有保護(hù)氣體接觸電阻焊接可高速焊接有可能產(chǎn)生加強(qiáng)顆粒偏析,對(duì)焊接工件的幾何形狀有限制固相連接擴(kuò)散連接為了提高連接性能可使用中間層不發(fā)生顆粒2基體間

49、反應(yīng)過量擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致連接性能下降過渡液相擴(kuò)散連接為了提高連接性能可使用中間層,不發(fā)生顆粒-基體間反應(yīng)有可能形成有害的金屬間化合物;工作效率低; 價(jià)格昂貴摩擦焊接不發(fā)生顆粒-基體間反應(yīng); 在熱處理后可達(dá)到很高的連接強(qiáng)度; 適于連接兩種不同的材料需去除毛刺磁勵(lì)電弧對(duì)頭焊接適于連接管形工件只能焊接限定形狀的工件; 焊接后需對(duì)焊接部位進(jìn)行處理(內(nèi)部和外部)釬焊可用于連接兩種不同的材料焊接需要惰性氣體或真空環(huán)境膠粘連接加工時(shí)所需溫度相對(duì)較低為獲得較高強(qiáng)度需表面預(yù)處理3.MMC連接成形連接成形3.3 MMCs 的新型連接技術(shù)的新型連接技術(shù)3.3.13.3.1等離子噴涂法等離子噴涂法等離子噴涂技術(shù)是一種非常適

50、于等離子噴涂技術(shù)是一種非常適于MMCsMMCs連接的新技術(shù)，噴涂過程連接的新技術(shù)，噴涂過程熱輸入非常小，焊接基底材料不發(fā)生熔化熱輸入非常小，焊接基底材料不發(fā)生熔化, ,因此因此, , 接縫處幾乎接縫處幾乎沒有脆性沒有脆性AlAl3 3C C4 4 相、孔洞以及相、孔洞以及HAZ HAZ 區(qū)的形成區(qū)的形成, , 如果選擇合適的如果選擇合適的噴涂粉末、在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下噴涂粉末、在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下, , 接縫處的機(jī)械性能可達(dá)到與接縫處的機(jī)械性能可達(dá)到與焊接的基底復(fù)合材料接近的水平。焊接的基底復(fù)合材料接近的水平。MMCs 的等離子噴涂連接工藝示意圖的等離子噴涂連接工藝示意圖 1）噴涂前的預(yù)熱處理和噴

51、涂后的加強(qiáng)處理噴涂前的預(yù)熱處理和噴涂后的加強(qiáng)處理 焊接基底材料的預(yù)熱處理十分必要焊接基底材料的預(yù)熱處理十分必要, , 它可以防止熱噴涂后材料迅速冷卻它可以防止熱噴涂后材料迅速冷卻, , 降低基底與熱噴涂材料之間熱脹冷縮的差別降低基底與熱噴涂材料之間熱脹冷縮的差別, , 降低焊接基底材料的濕度降低焊接基底材料的濕度, , 防止熔融的噴涂金屬顆粒與基底材料牢固粘結(jié)。防止熔融的噴涂金屬顆粒與基底材料牢固粘結(jié)。 2 2）噴涂參數(shù)與噴涂粉末的選擇）噴涂參數(shù)與噴涂粉末的選擇 噴涂參數(shù)主要包括噴涂距離、噴涂坡口角度、噴涂槍的移動(dòng)速度等噴涂參數(shù)主要包括噴涂距離、噴涂坡口角度、噴涂槍的移動(dòng)速度等, , 坡坡口角

52、度越大口角度越大, , 接頭的粘結(jié)強(qiáng)度越大接頭的粘結(jié)強(qiáng)度越大, , 原因在于隨坡口角度增大原因在于隨坡口角度增大, , 顆粒撞顆粒撞擊力增大擊力增大, , 從而沉積涂層的孔洞數(shù)量減少；噴涂距離有一最佳值，一般坡從而沉積涂層的孔洞數(shù)量減少；噴涂距離有一最佳值，一般坡口角度選擇口角度選擇130130, , 噴涂距離選擇噴涂距離選擇95 mm95 mm。 粉末成份會(huì)顯著影響連接效果。如粉末成份會(huì)顯著影響連接效果。如SiCpSiCp增強(qiáng)鋁合金中，要求鋁合金粉末中增強(qiáng)鋁合金中，要求鋁合金粉末中要含一定量的硅。作用：降低鋁合金熔點(diǎn)，噴涂中易于熔化；減小焊接基要含一定量的硅。作用：降低鋁合金熔點(diǎn)，噴涂中易于

53、熔化；減小焊接基底中鋁與碳化硅的反應(yīng)程度；防止液體合金顆粒氧化底中鋁與碳化硅的反應(yīng)程度；防止液體合金顆粒氧化 3.3.2 3.3.2 快速紅外連接法快速紅外連接法(RIJ )(RIJ ) 快速紅外連接法可用于鈦基復(fù)合材料快速紅外連接法可用于鈦基復(fù)合材料SCS-6121S , SCS-6121S , 21S21S是是Ti-15Mo-2. 7Nb-3Al-0. 25Si %, Ti-15Mo-2. 7Nb-3Al-0. 25Si %, 加強(qiáng)纖維為加強(qiáng)纖維為147m147m的的SiCf , SiCf , 表面有厚度為表面有厚度為3m 3m 的富碳涂層。焊料是的富碳涂層。焊料是厚度為厚度為17m 17

54、m 的的METGLAS METGLAS 釬焊箔釬焊箔5005003 3 , , 成分為成分為Ti-15Cu-Ti-15Cu-15Ni %15Ni %。首先將放置好焊料的鈦基。首先將放置好焊料的鈦基MMCsMMCs樣品置入紅外爐中樣品置入紅外爐中, , 通過碳螺絲固定。連接過程不需要附加壓力通過碳螺絲固定。連接過程不需要附加壓力, , 加工溫度通加工溫度通過接頭處的鎳鉻過接頭處的鎳鉻2 2鎳鋁合金熱電偶控制鎳鋁合金熱電偶控制, , 在熱循環(huán)之前以及在熱循環(huán)之前以及整個(gè)加工過程中均需通入氬氣至加熱室防止氧化整個(gè)加工過程中均需通入氬氣至加熱室防止氧化, , 達(dá)到預(yù)達(dá)到預(yù)定加熱溫度需要定加熱溫度需要2

55、02030 s , 30 s , 加熱溫度在加熱溫度在1100 , 1100 , 加熱時(shí)加熱時(shí)間為間為5 530 s , 30 s , 連接后樣品快速冷卻至室溫。連接后樣品快速冷卻至室溫。4.MMC機(jī)械加工技術(shù)機(jī)械加工技術(shù)4.1 MMCs 機(jī)械加工技術(shù)簡(jiǎn)介機(jī)械加工技術(shù)簡(jiǎn)介機(jī)械加工的目的：機(jī)械加工的目的：是將復(fù)合材料的構(gòu)件按照設(shè)計(jì)要求加工成一是將復(fù)合材料的構(gòu)件按照設(shè)計(jì)要求加工成一定尺寸、形狀和精度的零部件。定尺寸、形狀和精度的零部件。機(jī)械加工方法分類：機(jī)械加工方法分類：u傳統(tǒng)機(jī)加工方法傳統(tǒng)機(jī)加工方法-車、銑、鉆、鋸、磨車、銑、鉆、鋸、磨 加工中易于導(dǎo)致界面分層脫粘，破壞材料的連續(xù)性；需要用超硬的

56、聚晶加工中易于導(dǎo)致界面分層脫粘，破壞材料的連續(xù)性；需要用超硬的聚晶金剛石作刀具材料或銷嵌有金剛石的刀具。金剛石作刀具材料或銷嵌有金剛石的刀具。u電切割電切割 利用刀具與工件間電場(chǎng)的一些切割方法。電化學(xué)機(jī)加工是根據(jù)有形狀的利用刀具與工件間電場(chǎng)的一些切割方法。電化學(xué)機(jī)加工是根據(jù)有形狀的負(fù)極決定切削的幾何形狀，通過正極溶解來切割材料，在負(fù)極與工件的間負(fù)極決定切削的幾何形狀，通過正極溶解來切割材料，在負(fù)極與工件的間隙之間，用某種離子電解質(zhì)溶液沖洗殘屑、未溶解的纖維。隙之間，用某種離子電解質(zhì)溶液沖洗殘屑、未溶解的纖維。u高能光束（激光刀）及液體噴流切割（噴水刀）高能光束（激光刀）及液體噴流切割（噴水刀）

57、各種高能光束都可用來切割各種高能光束都可用來切割MMCMMC。4.2 SiCw/Al復(fù)合材料的切削加工復(fù)合材料的切削加工 4.2.1 SiCw/Al 4.2.1 SiCw/Al復(fù)合材料的切削機(jī)理復(fù)合材料的切削機(jī)理p SiCw/AlSiCw/Al復(fù)合材料的塑性變形特點(diǎn)復(fù)合材料的塑性變形特點(diǎn) SiCw/AlSiCw/Al復(fù)合材料是由塑性很高的鋁合金基體和強(qiáng)度很高并且很脆的復(fù)合材料是由塑性很高的鋁合金基體和強(qiáng)度很高并且很脆的SicSic晶晶須增強(qiáng)體所組成，界面結(jié)合強(qiáng)度很高，在復(fù)合材料的變形和斷裂過程中不須增強(qiáng)體所組成，界面結(jié)合強(qiáng)度很高，在復(fù)合材料的變形和斷裂過程中不發(fā)生界面開裂現(xiàn)象，因此發(fā)生界面開裂

58、現(xiàn)象，因此SiCw/AlSiCw/Al復(fù)合材料的塑性變形是由基體鋁合金的復(fù)合材料的塑性變形是由基體鋁合金的塑性變形和晶須的轉(zhuǎn)動(dòng)或折斷共同協(xié)調(diào)完成的。塑性變形和晶須的轉(zhuǎn)動(dòng)或折斷共同協(xié)調(diào)完成的。 塑性變形有以下三個(gè)特點(diǎn)塑性變形有以下三個(gè)特點(diǎn): : SiCw/AlSiCw/Al復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度較低，但變形強(qiáng)化能力較大。復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度較低，但變形強(qiáng)化能力較大。由于晶須由于晶須的存在，當(dāng)復(fù)合材料受外加應(yīng)力時(shí)，晶須周圍的基體合金將產(chǎn)生應(yīng)力集中的存在，當(dāng)復(fù)合材料受外加應(yīng)力時(shí)，晶須周圍的基體合金將產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部過早出現(xiàn)屈服，因此從宏觀上表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度較低。隨外加應(yīng)，導(dǎo)致局部過早出現(xiàn)屈服，因此從宏

59、觀上表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度較低。隨外加應(yīng)力的增大，這種局部屈服現(xiàn)象增多，同時(shí)這些局部塑性變形又受到其他晶力的增大，這種局部屈服現(xiàn)象增多，同時(shí)這些局部塑性變形又受到其他晶須的阻礙，使塑性變形抗力提高，因此從宏觀上表現(xiàn)為復(fù)合材料的變形強(qiáng)須的阻礙，使塑性變形抗力提高，因此從宏觀上表現(xiàn)為復(fù)合材料的變形強(qiáng)化能力較大?；芰^大。 4.MMC機(jī)械加工技術(shù)機(jī)械加工技術(shù) SiCw/Al SiCw/Al復(fù)合材料受拉伸應(yīng)力時(shí)，從宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂（拉伸斷復(fù)合材料受拉伸應(yīng)力時(shí)，從宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂（拉伸斷裂伸長(zhǎng)率僅為裂伸長(zhǎng)率僅為2%2%左右），但在微觀上卻發(fā)生了大量的塑性變形左右），但在微觀上卻發(fā)生了大量的塑性變形?；?/p>

60、體鋁?；w鋁合金的塑性很好，在復(fù)合材料拉伸過程中，鋁合金很容易發(fā)生塑性變形，合金的塑性很好，在復(fù)合材料拉伸過程中，鋁合金很容易發(fā)生塑性變形，但由于受到晶須的制約，這些塑性變形只能發(fā)生在局部的微觀區(qū)域但由于受到晶須的制約，這些塑性變形只能發(fā)生在局部的微觀區(qū)域. .并且并且各個(gè)區(qū)域的變形方向不一致，所以雖然在一些微觀區(qū)域內(nèi)基體鋁合金發(fā)各個(gè)區(qū)域的變形方向不一致，所以雖然在一些微觀區(qū)域內(nèi)基體鋁合金發(fā)生了大量的塑性變形，但從宏觀上復(fù)合材料在拉伸方向上的伸長(zhǎng)變形卻生了大量的塑性變形，但從宏觀上復(fù)合材料在拉伸方向上的伸長(zhǎng)變形卻很小。很小。SiCw/AlSiCw/Al復(fù)合材料的拉伸斷口復(fù)合材料的拉伸斷口雖然拉