鋁基合金材料

1、齊魯工業(yè)大學(xué)|機械與汽車工程學(xué)院 鋁基合金材料的發(fā)展與應(yīng)用孫*（齊魯工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院 20130102*）摘要：現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進步，對材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同時，又具備良好的綜合性能。鋁基復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能。本文介紹了鋁基復(fù)合材料的發(fā)展過程、種類及其性能。綜述了顆粒、晶須增強材料的制備方法。列舉了常用顆粒增強體及晶須增強體的部分特性，指出了鋁基復(fù)合材料應(yīng)用潛力及妨礙鋁基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的主要障礙。關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料Abstract：Modern advances in the development of science and te

2、chnology，material properties put forward higher requirements，often want materials with special properties，it also has a good overall performance.Aluminum matrix composites possess excellent performance The development process，types and performances of the aluminum matrix composites have been introdu

3、cedThe preparation method of particle and grain reinforced material has been summarizedPar-tial performances of grain whisker reinforcement and common particulate reinforcement have been enumerated The application potential and main obstacle for widely using aluminum matrix composites have been indi

4、catedKey words：aluminum matrix composite materials1 前言：復(fù)合材料是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展需求而涌現(xiàn)出的具有強大生命力的材料，是由兩種或兩種以上成分不同，性質(zhì)不同，有時形狀也不同的相容性材料以物理方式合理的進行復(fù)合而制成的一種材料。其以最大限度的發(fā)揮各種材料的特長，并賦予單一材料所不具備的優(yōu)良性能，復(fù)合材料的性能還具有可設(shè)計性的重要特征。鋁在制作復(fù)合材料上有許多特點，如質(zhì)量輕、密度小、可塑性好，鋁基復(fù)合技術(shù)容易掌握，易于加工等。此外，鋁基復(fù)合材料【1】比強度和比剛度高，高溫性能好，更耐疲勞和更耐磨，阻尼性能好，熱膨脹系數(shù)低。同其他復(fù)合材料一樣，它能組

5、合特定的力學(xué)和物理性能，以滿足產(chǎn)品的需要【2】。因此，鋁基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料中最常用的、最重要的材料之一。2 鋁基復(fù)合材料的概念鋁及鋁合金很適合作金屬基復(fù)合材料的基體。鋁的資源豐富，容易獲得，價格合理，密度小，質(zhì)量輕，比強度與比彈性模量大，熔點不高，可塑性良好，制造工藝與設(shè)備不甚復(fù)雜，易于與增強材料復(fù)合和進行第二次加工，此外，還有很好的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性、抗蝕性等。這些都是復(fù)合材料為滿足使用要求所應(yīng)具備的特性，也是鋁基復(fù)合材料得到快速發(fā)展的主要原因。當(dāng)前鋁基復(fù)合材料所使用的基體有：工業(yè)純鋁，鑄錠冶金變形鋁合金，粉末冶金變形鋁合金，鑄造鋁合金，先進的新型鋁合金。在鑄錠冶金變形鋁合金中，多采

6、用熱處理可強化的，如2014、2024、2124、2219、2618、6061、7975、7475 鋁合金等，一般不采用含Mn和Cr的鋁合金，因為它們會形成脆性相。在粉末冶金變形鋁合金中可用上述的鑄錠冶金變形鋁合金制成的粉末作復(fù)合材料基體，常用的有6061、7064、8090鋁合金等。鑄造鋁合金中主要使用A356( ZL101)、A357及其他含硅量高的鋁合金等。3 鋁基復(fù)合材料的制備金屬基復(fù)合材料的制備工藝較復(fù)雜，主要是因為金屬熔點較高，需要在高溫下操作，不少金屬對增強體表面的潤濕性很差，加上金屬在高溫下較活潑，易與多種增強體發(fā)生反應(yīng)。目前的制備方法主要是液態(tài)法、固態(tài)法、沉積法和原位法。下面

7、簡單介紹幾種常見的制造工藝【3-4】。3.1 粉末冶金法 (固態(tài)法)粉末冶金法是最早用來制造鋁基復(fù)合材料的方法，是一種比較成熟的工藝。首先，將顆粒增強物和鋁合金粉末用機械手段均勻混合，進行冷壓實，然后加熱除氣，在液相線與固相線之間進行真空熱壓燒結(jié)，得到復(fù)合材料的坯料，再將坯料進行擠壓、軋制、鍛造和拉拔等二次加工，就可以制成所需要的型材零件。該法中鋁合金粉末和增強物混合均勻是整個工藝的關(guān)鍵，應(yīng)使兩者的粒度相差不要太大。采用粉末冶金法可將增強物顆粒和鋁合金按照任意比例混合，隨意調(diào)整工藝路線，制出的復(fù)合材料有高比強、高比模、低膨脹和高抗磨的特點。這種方法制備的鋁基復(fù)合材料中增強相分布均勻、界面反應(yīng)易

8、于控制，在性能和穩(wěn)定性上大大優(yōu)于其他工藝方法制備的材料。但制造工藝及裝備復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。3.2 壓力浸滲工藝 (液態(tài)法)此工藝先將增強體制成預(yù)制件，再將預(yù)制件放入模具后，以惰性氣體或機械裝置為壓力媒體，將鋁液壓入預(yù)制件的間隙，凝固后即形成復(fù)合材料。由于預(yù)制件中的氣體不易在凝固前排出而造成氣孔與疏松，同時預(yù)制件也易產(chǎn)生變形和偏移，由此提出了真空壓力浸滲工藝，即將預(yù)制件放入承壓容器中的模具內(nèi)，抽出預(yù)制件內(nèi)的氣體后，將熔融鋁液有通道壓入模具內(nèi)，使之浸滲預(yù)制件。此法制品質(zhì)量高，增強體含量亦可很高，但需專用設(shè)備。3.3 反應(yīng)自生成法 (原位法)反應(yīng)自生成法分為固態(tài)自生成法和液態(tài)自生成法，兩者均是在基體

9、中通過反應(yīng)生成增強相來增強金屬基體。固相反應(yīng)自生成法是將預(yù)期構(gòu)成增強相的兩種組分均勻混合，加熱到基體熔點以上溫度，當(dāng)達到反應(yīng)溫度時，兩元素發(fā)生放熱反應(yīng)，溫度迅速升高，在基體溶液中生成彌散顆粒增強物。液相反應(yīng)自生成法是在基體熔體中加入能反應(yīng)生成預(yù)期增強顆粒的元素或化合物，在一定溫度下發(fā)生反應(yīng)，生成細小、彌散、穩(wěn)定的顆粒增強物，形成自生增強鋁基復(fù)合材料。4 鋁基復(fù)合材料的加工設(shè)計4.1 納米相增強鋁基復(fù)合材料納米材料的尺寸非常細小( 1100 nm)，形狀多為規(guī)則的近球狀，因此，在鋁基復(fù)合材料的制備中若能以納米級顆粒作為增強相，應(yīng)該能改善增強相與基體的結(jié)合界面，提高結(jié)合強度，進而提高鋁基復(fù)合材料的

10、力學(xué)性能和理化性能等。賀春林等人【5】用粉末冶金法制備了納米SiC(平均尺寸25nm)顆粒增強純Al基復(fù)合材料(Al-MMC)，結(jié)果如下：SiC 體積分數(shù)為1% 、3% 和5% 的納米SiC/Al-MMC 的屈服強度和最大拉伸強度較基體純Al分別提高了6.9%、11. 8%、26.8%和7.2%、 21.2%、30.4%體積分數(shù)為1%和3%的納米MMC的拉伸性能分別好于5%和10%的微米顆粒增強Al-MMC，而5%的納米MMC的屈服強度和最大拉伸強度較5%和10%的微米顆粒增強Al-MMC分別增加29 .2%、16.1%和28.0%、9.9%。由此可見，納米顆粒在含量較低(5%)時，對Al-M

11、MC的增強作用明顯，但由于隨納米顆粒含量的增加，顆粒的團聚趨勢明顯增大。這就涉及到如何解決納米相的團聚問題。在以后的研究過程中，這將成為研究的一大課題。4.2 碳管納米增強鋁基復(fù)合材料隨著碳納米管(CNTs)的出現(xiàn)和納米晶材料研究的深入，為復(fù)合材料性能的進一步提高提供了一個新的途徑。CNTs具有極小的尺度及優(yōu)異的力學(xué)性能，其封閉中空管狀結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，并且具有優(yōu)異的力學(xué)性能，因此，碳納米管作為一維納米晶須增強材料在復(fù)合材料中具有重要的應(yīng)用價值。5 鋁基復(fù)合材料的性能5.1 強度、模量與塑性強度、模量與塑性增強體的加入在提高鋁基復(fù)合材料強度和模量的同時，降低了塑性。大量研究表明，SiC增強

12、的鋁基復(fù)合材料較相應(yīng)的鋁-硅合金具有較高的強度，并隨著SiC體積分數(shù)的增大，其強度和模量均有較大程度的提高，而塑性卻降低，且在SiCP/Al復(fù)合材料中加入更為細小的彌散質(zhì)點Al4C3和Al2O3可以明顯提高復(fù)合材料的強度【6】。另外增強相的加入又賦予材料一些特殊性能【7】，這樣不同金屬與合金基體及不同增強體的優(yōu)化組合，就使金屬基復(fù)合材料具有各種特殊性能和優(yōu)異的綜合性能。5.2 耐磨性高的耐磨性是鋁基復(fù)合材料(SiC、Al2O3 增強)的特點之一。目前對耐磨性的研究主要集中在在鋁基復(fù)合材料-鋼摩擦副，而且增強顆粒體積分數(shù)大都在 10 %35 %，而對鋁基復(fù)合材料-剎車材料摩擦副的摩擦磨損性能研究

13、卻特別少。5.3 疲勞與斷裂韌性鋁基復(fù)合材料的疲勞強度一般比基體金屬高，而斷裂韌性卻下降。影響鋁基復(fù)合材料疲勞性能和斷裂的主要因素有：增強物與基體的界面結(jié)合狀態(tài)、基體與增強物本身的特性和增強物在基體中的分布等。界面結(jié)合狀態(tài)良好，可以有效地傳遞載荷，并阻止裂紋擴展，提高材料的斷裂韌性。有報道用SiC纖維增強的 6061Al和7075Al，疲勞強度增加50%70%。6 鋁基復(fù)合材料的失效形式金屬基復(fù)合材料(MMCs)以其高比強度、比模量、耐熱、耐磨等綜合性能在航空航天、電子、汽車以及先進武器系統(tǒng)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用背景【8】。在這些領(lǐng)域的應(yīng)用中，材料或部件不可避免會遭受高速載荷的沖擊或碰撞。研究表

14、明，動載荷沖擊下金屬基復(fù)合材料較基體合金更易發(fā)生絕熱剪切失效。Ling Z研究表明：顆粒越小，鋁基復(fù)合材料中絕熱剪切帶形成的可能性越大。也有研究表明，隨著增強相含量增加，鋁基復(fù)合材料的應(yīng)變局域化趨勢和絕熱剪切敏感性越明顯。也就是說，高體積分數(shù)金屬基復(fù)合材料更容易發(fā)生絕熱剪切失效。鋁基復(fù)合材料比單純鋁合金更易受到腐蝕，電偶接觸、活性反應(yīng)產(chǎn)物、金屬間粒子界面和空位等都是影響鋁基復(fù)合材料腐蝕性能的主要因素。Cf /Al復(fù)合材料比基體金屬具有更大的腐蝕傾向，如果碳纖維未暴露在外，僅表面的Al暴露于海洋環(huán)境中，則Al在海水或海洋大氣中會分別以0.025 mm/a0.035 mm/a或 0.5 mm/a0

15、.76 mm/a的平均速度發(fā)生孔蝕，少數(shù)小孔的擴展速度有可能大大高于平均速度。當(dāng)Al表面與其它物質(zhì)構(gòu)成縫隙時，也容易發(fā)生縫隙腐蝕。7 鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀鋁基復(fù)合材料的研究始于20世紀50年代。近20年來，從理論上、技術(shù)上，都取得了較大成就【9】。第一代復(fù)合材料用于受力不大的簡單零件，如方向舵，襟翼輕重量約20%第二代復(fù)合材料用于機翼，垂直安定面等受力較大的零件?？蓽p輕重量約30%，第三代復(fù)合材料用于機身，可減輕重量約50%?，F(xiàn)今Al-MMC已廣泛用于航空航天、汽車和休閑物品。當(dāng)前鋁基復(fù)合材料的研究主要集中在兩個方面。7.1 航空、航天及軍事工業(yè)的應(yīng)用鋁基復(fù)合材料由于自身的一些特殊優(yōu)點，在航

16、空、航天和軍事部門備受青睞，應(yīng)用十分廣泛。例如，DWC特種復(fù)合材料公司制造的Cr/ Al復(fù)合材料應(yīng)用于NASA公司的衛(wèi)星導(dǎo)波管上，其導(dǎo)電性好，熱脹系數(shù)小，比原來使用的石墨/環(huán)氧樹脂導(dǎo)波管要輕30%左右。俄羅斯航空材料研究所將B/Al復(fù)合材料用于安一28飛機的機體結(jié)構(gòu)上，零件質(zhì)量減少25%左右。此外，Al基復(fù)合材料還用于制造光學(xué)和電子零件，美國亞利桑那大學(xué)研制了一種超輕空間望遠鏡，采用SiC/Al復(fù)合材料制造行架、支架和副鏡等，使質(zhì)量大大減輕。7.2 交通運輸方面的應(yīng)用交通運輸工具始終是鋁基復(fù)合材料最重要的民用領(lǐng)域之一，但這一領(lǐng)域特別是汽車工業(yè)對價格極為敏感，因此競爭也格外激烈。所以，連續(xù)纖維增

17、強鋁基復(fù)合材料以及成本偏高的非連續(xù)(如晶須)增強鋁基復(fù)合材料就被排除在這一應(yīng)用領(lǐng)域之外。因此也就剩下了廉價的顆粒增強鋁基復(fù)合材料，尚有大規(guī)模應(yīng)用的可能。8 鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用展望縱觀國內(nèi)外，對鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用研究方面，主要集中在SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料，并且取得很大的成就。少數(shù)國家如美國、日本、加拿大等已進入應(yīng)用階段，取得了顯著的經(jīng)濟效益。我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，大多數(shù)仍處于實驗室階段，而且研究的深度和廣度也很有限，工業(yè)上的研究才剛剛開始。鋁基復(fù)合材料以其優(yōu)良的性能，問世以來在汽車工業(yè)、航空航天、電子、軍工和體育等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素 (如工藝復(fù)雜、成本高)等問

18、題正逐步得到消除，許多國家已建立了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)鋁基復(fù)合材料的工廠，相信在不久的將來，鋁基復(fù)合材料的制造工藝會更簡單，成本會更低，使用范圍會更廣。參考文獻【1】陸剛，李興普。 現(xiàn)代汽車用材料應(yīng)用手冊M。北京：中國電力出版社，2007：:42-518?！?】 白蕓，韓恩厚，譚若兵等。 鋁基復(fù)合材料性能的研究現(xiàn)狀J。材料保護，2013，36(9)：5-8?！?】 黃勇攀，李道火，王銳等。 鋁基復(fù)合材料的性能、應(yīng)用及制造工藝 J。湖南冶金，2014，32 (2):3-6?！?】 賀春林，劉常升，孫旭東等。 納米SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的拉伸性能 J。東北大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版)， 2015，26 (6):554-556。【5】賀春林，王建明，于文馨，等. 納米SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與拉伸行為J。稀有金屬材料與工程，2013，35（2）：156-160.【6】 陰瑜娟，趙玉厚，夏永喜。 原位生成鋁基復(fù)合材料增強相的研究現(xiàn)狀J。熱加工工藝，2014，35(17)：70-73?！?】Ramachandra M，Radhakrishna K. Effect of reinforcement of flyash on sliding wea