金屬基復合材料制備工藝PPT

1、關于金屬基復合材料制備工藝第一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2金屬基復合材料制備及成形工藝 金屬基復合材料的性能、應用、成本等在很大程度上取決于制備技術；研究和發(fā)展有效的制備技術一直是金屬基復合材料研究中最重要的問題之一。第二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 復合材料的概念與定義常規(guī)材料的優(yōu)缺點：定義：采用物理或化學的方法，使兩種或兩種以上的材料在相態(tài)（如連續(xù)相：基體；不連續(xù)體：增強相）以性能相互獨立的形式下共存于一體之中，以達到提高材料的某些性能，或互補其缺點，或獲得新的性能（或功能）的目的。金屬材料的優(yōu)點：優(yōu)良的延展性和可加工性。缺點：強度相對低，耐熱、耐磨、耐蝕性差

2、，如鋁；陶瓷材料的優(yōu)點：強度高、耐熱、耐磨、耐蝕性好，缺點：很脆，加工性能差。復合后利用兩者的優(yōu)勢互補，提高性能。第三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月5金屬基復合材料的制備難點制備溫度選擇難度大；界面反應難以控制；金屬基體與增強材料之間潤濕性差，甚至在制備溫度下完全不潤濕；將增強材料按照設計要求、方向均勻分布于基體中比較困難。第五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月按基體分類第六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月按增強體分類第七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月按分散狀態(tài)分類第八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年

3、6月Company Logo連續(xù)增強相金屬基復合材料的制備工藝不連續(xù)增強相金屬基復合材料的制備工藝 1連續(xù)增強相金屬基復合材料的制備工藝 2第九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2.1.4不連續(xù)增強相金屬基復合材料的制備工藝 鋁合金固態(tài)、液態(tài)、原位生長、噴射成型法 顆粒 鎂合金液態(tài)法 晶須 鈦合金固態(tài)、液態(tài)法、原位生長法 短纖維 高溫合金原位生長法 金屬間化合物粉末冶金、原位生長法第十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2.1.3 連續(xù)增強相金屬基復合材料的制備工藝 鋁合金固態(tài)、液態(tài)法 碳纖維 鎂合金 固態(tài)、液態(tài)法 硼纖維 鈦合金

4、固態(tài)法 SiC纖維 高溫合金固態(tài)法 氧化鋁纖維 金屬間化合物固態(tài)法第十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 2.1金屬基復合材料制備工藝的分類： 1）固態(tài)法：粉末冶金法、真空熱壓擴散結合、熱等靜壓、超塑性成型 / 擴散結合、模壓。 2）液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造。 3）噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成型。 4）原位生長法。 第十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月一.固態(tài)法工藝流程將金屬粉末或金屬箔與增強物（纖維、晶須、顆粒）按設計要求以一定的含量、分布、排布在一起；加熱、加壓擴散粘接：將金屬與增強物復合在一起，形成MMC。特點：整個工藝過程處于較低的溫

5、度，金屬和增強物都處于固態(tài)；界面反應不嚴重。類型：粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、拉拔法。第十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月粉末冶金復合法1.1工藝過程第十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月原料：基體金屬與強化顆粒均為粉料，且越細越好，但必須大于1微米，否則易聚難分散；混合：球磨機混合法；壓粉（壓密）：相當于成形工藝；脫氣：為除去粉末、顆粒表面水分與吸附氣體，防止燒結后材料內(nèi)部氣孔（相當于干燥）；壓粉坯的致密化：冷等靜壓、擠壓法；燒結（固化）：常壓、熱壓、真空熱壓、熱等靜壓、熱塑性變形燒結；塑性加工：賦予材料一定形狀（熱加工溫度下變形）。適合于分散強化型復合材料

6、（顆?；蚶w維強化型）第十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月可以自由選擇基體金屬材料，因為該法在固態(tài)下復合，基體與增強相不易反應；可以自由選擇強化顆粒種類、尺寸，且強化顆粒添加量范圍廣；與鑄造法相比，較易實現(xiàn)強化顆粒的均勻分散（微顆粒除外）。與液相法相比，制備溫度低，界面反應可控；可根據(jù)要求設計復合材料的性能；其組織致密、細化、均勻、內(nèi)部缺陷明顯改善；利于凈成型或近凈成型，二次加工性能好。12 優(yōu)點：第十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月工藝較復雜，成本高；固化方法采用燒結、熱壓、擠壓等方法；除采用原生復合法外，微細顆粒均勻分散較困難；強化顆粒表面污染不易除去，使基體與顆粒界

7、面不如鑄造法。13 缺點第十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月19 熱壓法工藝通常要求先將纖維與金屬基體制成復合材料預制片，然后將預制片按設計要求裁剪成所需的形狀、疊層排布（纖維方向）將疊層放入模具內(nèi)，進行加熱加壓，最終制得復合材料或零件。 熱壓法是目前制造直徑較粗的硼纖維和碳化硅纖維增強鋁基、鈦基復合材料的主要方法。2.真空熱壓擴散結合 可稱為擴散粘結法，或擴散焊接法。第十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月20熱壓法工藝流程在增強材料上鋪金屬箔裁剪成形冷卻取出制品并加以整理抽真空加熱至所需溫度加壓與保壓第二十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月21影響擴散粘結過程的

8、主要參數(shù)是：溫度、壓力和一定溫度及壓力下維持的時間。另外，氣氛對質量也有較大影響。第二十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月22擴散粘結過程分為三個階段：1.粘結表面的最初接觸，由于加熱、加壓，使表面發(fā)生變形、移動、表面膜（氧化膜）破壞；2.隨著時間的進行，發(fā)生界面擴散和體擴散，使接觸面密著粘結；3.由于熱擴散結合界面最終消失，粘結過程完成。第二十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月23 工藝過程：將金屬基體（粉或箔）與增強材料（纖維、晶須、顆粒）按照一定比例混合或排布后，或用預制片疊層后，放入金屬包套（或玻璃包套）中，抽氣密封后裝入熱等靜壓裝置中，進行加熱加壓，復合成金屬基復

9、合材料。3.熱等靜壓法工藝優(yōu)缺點：材質致密、尺寸精度高；但設備投資大，工藝周期長，成本高。第二十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月24采用惰性氣體加壓，工件在各個方向上受到均勻壓力的作用。第二十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月模壓成型也是擴散結合的一種手段。將纖維/基體預制體放置在具有一定形狀的模具中進行擴散結合，最終得到一定形狀的最終制品。常用這種工藝制備各種型材。 4.模壓成型第二十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月26都是塑性成形熱加工方法。熱軋法主要用來將已經(jīng)復合好的顆粒、晶須、短纖維增強金屬基復合材料錠坯進一步加工成板材。熱擠壓和熱拉主要用于顆粒、晶須

10、、短纖維增強復合材料坯料的進一步加工，制成各種形狀的管材、型材、棒材等。經(jīng)擠壓、拉拔后復合材料的組織變得均勻、缺陷較少、性能明顯提高，短纖維和晶須還有一定的擇優(yōu)取向，軸向抗拉強度提高顯著。5.熱軋法、熱擠壓法和熱拉法第二十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月5.1. 粉末軋制法第二十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月5.2 塊（帶）材軋制復合法第二十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月5.3 溫軋復合生產(chǎn)線第二十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月30是利用炸藥產(chǎn)生強大脈沖應力，通過使碰撞的材料發(fā)生塑性變形、粘結處金屬的局部擾動以及熱過程使材料焊接起來。6.爆

11、炸焊接法第三十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月31疊層復合法是先將不同金屬板用擴散結合方法復合，然后采用離子濺射或分子束外延方法交替地將不同金屬或金屬與陶瓷薄層疊合在一起構成金屬基復合材料。這種復合材料性能很好，但工藝復雜難以實用化。目前這種材料的應用尚不廣泛，過去主要少量應用或試用于航空、航天及其它軍用設備上，現(xiàn)在正努力向民用方向轉移，特別是在汽車工業(yè)上有很好的發(fā)展前景。7.疊層復合法第三十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二.液態(tài)金屬法方法：金屬基體處于熔融狀態(tài)下與固體增強物復合成材料的方法。工藝過程：液態(tài)金屬浸漬 擠壓鑄造成型。特點：制備溫度高，易發(fā)生嚴重的界面反應，

12、有效控制界面反應是液態(tài)法的關鍵。工藝類型：擠壓鑄造法、真空吸鑄、液態(tài)金屬浸漬法、真空壓力浸漬法，攪拌復合法。第三十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月液態(tài)法主要面臨問題缺點1.顆粒與金屬熔體的潤濕性差，不易進入和均勻分散在金屬熔體中，產(chǎn)生團聚2.強烈的攪拌容易造成金屬熔體的氧化和大量的吸入空氣。第三十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月34改善缺點的方法 顆粒表面處理；增強顆粒表面在使用前往往被各種有機物污染或吸附了水分，及有害于復合過程的混合、浸潤的氣體，為此在復合前必須對顆粒進行處理，去除有害吸附物以改善與金屬液的浸潤。比較簡單有效的方法是將顆粒進行加熱處理，在高溫下使有害

13、物質揮發(fā)去除，同時在表面形成極薄的氧化層。如SiC顆粒經(jīng)高溫氧化，在表面上形成一層SiO2層，在復合過程中與鋁液反應改善了SiO2顆粒與鋁熔體的浸潤。也有在顆粒表面涂覆Ni、Cu等金屬涂層以改善浸潤性，但不經(jīng)濟。在金屬熔體中添加合金元素改善浸潤性；為了降低鋁熔液的表面張力，改善與陶瓷顆粒的浸潤性，在鋁熔體中加入鈣、鎂、鋰等元素可有效的減小熔體表面張力和增加與陶瓷顆粒的浸潤性，有利于顆粒與鋁熔體的復合。第三十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月35有效的機械攪拌。在液態(tài)金屬攪拌鑄造法中有效的攪拌是使顆粒與金屬液均勻混合和復合的關鍵措施之一。強烈的攪拌和液體金屬以高的剪切速度流過顆粒表面，

14、能有效地改善金屬與顆粒之間的浸潤。在復合過程中可以通過高速旋轉機械攪拌或超聲波攪拌來完成有效的攪拌復合。復合過程的氣氛控制；為了防止液體金屬的氧化和吸氣，對復合過程的氣氛控制十分重要。液體金屬氧化生成的氧化膜阻止金屬與顆粒的混合和浸潤，大量氣體的吸入又會造成大量的氣孔，使復合材料的質量大大下降。一般采用真空、惰性氣體保護以及其他有效措施來防止復合過程中氣體的吸入和金屬熔體的氧化。第三十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1.擠壓鑄造法（squeeze casting ）（1）預制坯體制造（濕模）（2）擠壓鑄造第三十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月37鋁制模具墊圈混合液SiC

15、顆粒壓頭多層濾紙鋁制多孔底蓋濕型法制備預制塊示意圖 第三十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月38壓制成型并保壓低溫烘干后高溫處理澆注及過濾配置溶膠及顆粒清洗添加適量溶膠并震蕩攪拌預制塊的制備工藝流程圖 舉例：擠壓鑄造法-SiCp/Al復合材料 第三十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月39烘干與燒結處理工藝 第三十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月40 SiC顆粒預制塊 第四十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月41SiCp/Al復合材料 第四十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月42影響復合材料質量的主要因素 （1）預制塊的質量（均勻、無裂紋、無氣泡

16、、一定強度）（2）模具和預制塊的預熱溫度（鋁合金約500）（3）澆注溫度（一定過熱度）（4）滲流壓力（致密度）（5）保壓時間（300s左右）第四十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月432.真空壓力浸漬法底部壓入法頂部注入法頂部壓入法第四十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月44預制件的制備和工藝參數(shù)的控制是得到高性能復合材料的關鍵。預制件決定復合材料中纖維、顆粒等增強材料的含量、分布和排列方向。分干法和濕法制備兩種。第四十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月45真空壓力浸漬法工藝過程裝爐裝入預制件第四十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月46真空壓力浸漬法工藝

17、過程提升坩堝抽真空、熔化第四十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月47真空壓力浸漬法工藝過程進入模具通高壓氣體（底部壓入法）第四十七張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月48真空壓力浸漬法工藝過程凝固浸漬開爐第四十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月49頂部壓入法第四十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月50 其中預制件預熱溫度和熔體溫度是影響浸漬是否完全和界面反應程度最主要的因素。預制件預熱溫度越高，金屬熔體不會因滲入預制件而迅速冷卻凝固，因此浸漬越充分。金屬熔體溫度越高，流動性越好，越容易充填到預制件中。但是，二者溫度越高，界面反應越嚴重，因此需要嚴格控制二者溫

18、度。工藝參數(shù)主要包括：預制件預熱溫度、金屬熔體溫度、浸漬壓力、冷卻速度等。浸漬壓力是制備過程的直接驅動力，壓力越高，浸漬能力越強。第五十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月51特點：1.適用面廣，可用于多種金屬基體和連續(xù)纖維、短纖維、晶須和顆粒等增強材料的復合。2.可直接制成復合材料的零件，特別是形狀復雜的零件，基本上無需進行后續(xù)加工。3.浸漬在真空中進行，壓力下凝固，無氣孔、縮松、疏松等鑄造缺陷，組織致密，材料性能高。4.工藝簡單，參數(shù)易于控制，避免嚴重的界面反應。5.該方法設備比較復雜，工藝周期長，制造大尺寸的零件要求大型設備。第五十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月52

19、液態(tài)金屬基體通過特殊的噴嘴，在惰性氣體氣流的作用下，霧化成細小的液態(tài)金屬流，噴向襯底，同時將顆粒加入到霧化的金屬流中，與金屬液滴混合在一起，并沉積在襯底上，凝固形成復合材料。3.共噴沉積法 凝固的過程比較復雜，與金屬的霧化情況、沉積凝固條件或增強體的送入角有關，過早凝固不能復合，過遲的凝固則使增強體發(fā)生上浮下沉而分布不勻。第五十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月53 缺點： 出現(xiàn)原材料被氣流帶走和沉積在效應器壁上等現(xiàn)象而損失較大； 材料中孔隙率較大以及容易出現(xiàn)的疏松； 液滴容易氧化。優(yōu)點：適用面廣：一般基體、增強材料都可采用；生產(chǎn)工藝簡單、效率高；冷卻速度快、成分均勻、防偏析、晶粒細

20、??；有效避免復合材料發(fā)生界面反應，增強顆粒分布均勻。第五十三張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月54強化顆粒第五十四張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月55共噴沉積法示意圖 第五十五張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月56圓錠 板 管第五十六張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月57指用液態(tài)金屬連續(xù)浸漬長纖維，得到復合材料預制品（帶、絲等）的一種方法。核心工藝：是將經(jīng)過涂覆處理的連續(xù)長纖維通過熔體，得到復合絲或帶。如碳纖維增強鋁基、鎂基復合材料。表面涂覆：一般采用化學氣相沉積法（CVD）。缺點：工藝比較復雜；成本很高，應用受限。4.液態(tài)金屬浸漬法第五十七張，PPT共六十九

21、頁，創(chuàng)作于2022年6月58液態(tài)金屬浸漬法的原理是通過對碳(或石墨)纖維表面進行活化處理，經(jīng)處理的碳纖維與鋁液、鎂液相互自發(fā)浸潤。當纖維束經(jīng)過鋁熔池時，金屬液就自發(fā)浸漬到纖維束中，形成復合絲，以后再進行二次復合成零件。第五十八張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月59對石墨纖維進行Ti-B或（液態(tài)）金屬鈉表面涂層處理可以增加纖維與鋁液的潤濕性，防止過量的脆性相Al4C3生成。第五十九張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月5.無壓浸滲法 美國Lanxide公司開發(fā)的一種新工藝。 將增強材料制成預制體，放置于由氧化鋁制成的 容器中。再將基體金屬坯料置于增強材料預制體上部 。然后一齊均裝入可

22、通入流氮氣的加熱爐中。通過加 熱，基體金屬熔化，并自發(fā)浸滲入網(wǎng)絡狀增強材料預 制體中。第六十張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月無壓浸滲法制備Al2O3（f）/Al復合材料工藝原理示意圖 第六十一張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1.3.4 原位（In situ）生長（復合）法 增強相從基體中直接生成，生成相的熱力學穩(wěn)定性好，不存在基體與增強相之間的潤濕和界面反應等問題，基體與增強相結合良好，較好的解決了界面相容性問題。 第六十二張，PPT共六十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）共晶合金定向凝固 ：共晶合金定向凝固要求合金成分為共晶或接近共晶成分，開始為二元合金，后發(fā)展為三元單變共晶，以及有包晶或偏晶反應的兩相結合。定向凝固時，參與共晶反應的和相同時從液相中生成，其中一