材料復(fù)合設(shè)計(jì)論文-纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

材料復(fù)合設(shè)計(jì)材料復(fù)合設(shè)計(jì)《材料復(fù)合設(shè)計(jì)》課程論文題 目：纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)學(xué)院： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào):目錄摘要 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽前言 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽1、纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)2、應(yīng)用背景 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽1、纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)2、應(yīng)用背景 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽3、材料復(fù)合體系的選擇 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽 5.錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 5.錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。 6? 6 6..，錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。、基體材料的選擇 2?、增強(qiáng)體的選擇 2.4、本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容與預(yù)期目標(biāo) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。5、擠壓鑄造法制備碳纖維鎂基復(fù)合材料的工藝設(shè)計(jì)方案 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽5.1、工藝實(shí)驗(yàn)原理與工藝流程圖設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。5.2、擠壓鑄造法的優(yōu)勢(shì) 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。5.3、擠壓鑄造法的工藝參數(shù)、比壓 、加壓時(shí)間 、加壓速度???????、保壓時(shí)間???????5.3.5、金屬澆注溫度5.3.6、其他 5.4、注意事項(xiàng) TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"6、噴射沉積法制備碳纖維鎂基復(fù)合材料的工藝設(shè)計(jì)方案 ?6\o"CurrentDocument"、工藝實(shí)驗(yàn)原理與工藝流程圖設(shè)計(jì) 6\o"CurrentDocument"、噴射沉積技術(shù)的特點(diǎn) 9.\o"CurrentDocument"、條件計(jì)算及分析 9.\o"CurrentDocument"、影響因素 10\o"CurrentDocument"、霧化錐流率mmax 10\o"CurrentDocument"、霧化錐寬度d 12\o"CurrentDocument"、沉積器半徑r 12\o"CurrentDocument"、沉積器旋轉(zhuǎn)速度3 12\o"CurrentDocument"、沉積器往復(fù)速度v 127、 總結(jié) 128、 致謝 13\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 13材料復(fù)合設(shè)計(jì)材料復(fù)合設(shè)計(jì)纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)歐陽(yáng)超指導(dǎo)老師：向道平老師（海南大學(xué)材料與化工學(xué)院，郵編： 570228）摘要：本設(shè)計(jì)選擇鎂作為復(fù)合材料的基體，選擇碳纖維作為增強(qiáng)體，根據(jù)鎂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能上的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了復(fù)合方案，并介紹了纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)和應(yīng)用前景等。本文設(shè)計(jì)采用壓擠鑄造法和噴射沉積法制備碳纖維鎂基復(fù)合材料的工藝方案。通過(guò)分析這兩種制備方法的原理確定了這兩種設(shè)計(jì)方案的工藝流程圖，并對(duì)工藝流程具體問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié)。關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)；鎂基；擠壓鑄造法；噴射沉積法；工藝流程前言：傳統(tǒng)鎂金屬及其合金雖然有著良好的強(qiáng)度、剛度、韌性，但是其耐腐蝕性、耐氧化性以及塑性等方面卻不盡人意。而在通過(guò)材料復(fù)合后，其表現(xiàn)出的良好的化學(xué)性能、耐磨損耐疲勞、耐高溫等一系列優(yōu)良的性能備受航空航天、汽車(chē)、機(jī)械及電子等高技術(shù)領(lǐng)域的重視⑴。自二十世紀(jì)八十年代至今，鎂基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)之一［2-3］。纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)與傳統(tǒng)的金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)度、比剛性、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐磨損耐疲勞以及優(yōu)良的阻尼減震性能等諸多優(yōu)良的性能特點(diǎn)M11］，它由于其簡(jiǎn)單的制備工藝、微觀組織均勻、材料性能各項(xiàng)同性等優(yōu)點(diǎn)目前正朝著工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用的方向不斷發(fā)展著， 其中鋁基復(fù)合材料發(fā)展最快［5］。另一方面，由于鎂的密度比鋁更低，具有更好的比強(qiáng)度、比剛度,且具有良好的電磁屏蔽和阻尼性能等優(yōu)點(diǎn)⑹，鎂基復(fù)合材料成為了另一具有強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)力的輕金屬基復(fù)合材料，目前鎂基復(fù)合材料是應(yīng)用于汽車(chē)制造、航空航天、電子科技等多領(lǐng)域的理想材料之一⑺。目前對(duì)鎂金屬進(jìn)行材料復(fù)合的增強(qiáng)體有纖維、晶須和顆粒等［8］。而以碳和石墨纖維等對(duì)鎂金屬進(jìn)行材料復(fù)合能得到一種具有高比強(qiáng)度、 高比模量和良好熱穩(wěn)定性的鎂基復(fù)合材料［9］。其復(fù)合材料的性能取決于碳纖維的類(lèi)型和性能、含量、分布和與基體界面結(jié)合狀態(tài)，就比模量和熱穩(wěn)定性而言，石墨纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料是各種材料中最高的一種。當(dāng)石墨纖維含量達(dá)到 50%左右，石墨纖維增強(qiáng)鎂復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為零，根據(jù)纖維的狀態(tài)可分為連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鎂和不連續(xù)碳纖維增強(qiáng)鎂復(fù)合材料。連續(xù)長(zhǎng)纖維可按設(shè)計(jì)要求鋪排，為各向異性材料。單向纖維增強(qiáng)的鎂基復(fù)合材料沿纖維方向性能高于垂直于纖維方向的性能 ［10］［29］。應(yīng)用背景在目前工程用金屬中，鎂合金密度小但強(qiáng)度高、剛性好，其鎂合金的剛度隨厚度的增加而成立方比增加，故而鎂合金制造剛性好的性能對(duì)整體構(gòu)件的設(shè)計(jì)十分有利。而且，鎂合金的韌性好，很適合應(yīng)于受沖擊的零件一車(chē)輪；其減震性能優(yōu)良，是避免由于振動(dòng)、噪音而引起工人疲勞等場(chǎng)合的理想材料。另一方面，鎂合金的熱容量低、凝固速度快、壓鑄性能好、優(yōu)良的切削加工性[12]0但是，鎂金屬很活潑，容易與空氣中的氧氣作用發(fā)生自燃，而且金屬表面容易氧化，形成疏松多空的氧化鎂，不能有效阻絕氧氣的侵入，從而加快鎂金屬被氧氣氧化，導(dǎo)致其耐腐蝕性能變差。另外，鎂金屬的室溫塑性差。鎂屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其在室溫下只有1個(gè)滑移面和3個(gè)滑移系，因此它的塑性變形主要依賴(lài)于滑移與孿生的協(xié)調(diào)動(dòng)作，但鎂晶體中的滑移僅發(fā)生在滑移面與拉力方向相傾斜的某些晶體內(nèi)，因而滑移的過(guò)程將會(huì)受到極大地限制，而且在這種取向下孿生很難發(fā)生，所以晶體很快就會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂。在溫度超過(guò) 250C時(shí)，鎂晶體中的附加滑移面開(kāi)始起作用，塑性變形能力變強(qiáng)。于是科研人員針對(duì)鎂金屬的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，開(kāi)始研究對(duì)鎂金屬進(jìn)行材料復(fù)合，以達(dá)到改善金屬的各項(xiàng)性能指標(biāo)的目的，而纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料就是一種良好的改善途徑之一。材料復(fù)合體系的選擇3.1基體材料的選擇現(xiàn)目前，鋁基復(fù)合材料憑借著其高比強(qiáng)度、高比模量、耐磨損、耐腐蝕等諸多優(yōu)良的性能已經(jīng)得到了快速的發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、電子和光學(xué)儀器以及體育用品等領(lǐng)域。而本文在選擇基體材料時(shí)，考慮到鎂的密度更低(1.74g/cm3)，僅為鋁的2/3，具有更高的比強(qiáng)度、比剛度，而且具有良好的阻尼性能和電磁屏蔽等性能，而鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體碳纖維具有良好的耐高溫、 耐腐蝕、不溶不脹等特性，因而復(fù)合材料會(huì)具有很高的比強(qiáng)度、比剛性、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐磨損耐疲勞以及優(yōu)良的阻尼減震性能等性質(zhì)⑺0一般來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料所具有的諸多性質(zhì)取決于基體和增強(qiáng)體材料本以及材料之間的相互作用情況，所以為了得到性能優(yōu)良的鎂基復(fù)合材料，必須對(duì)其成分配比、界面控制、工藝流程以及參數(shù)控制進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧，找到最佳條件，才能找到綜合性能優(yōu)良、適應(yīng)工藝流程化、產(chǎn)業(yè)化的新型復(fù)合材料。另一方面，由于目前鋁基復(fù)合材料的制備工藝已日趨成熟，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出諸多方法進(jìn)行合成制備，而由于鎂的熔點(diǎn)與鋁相近，鎂基復(fù)合材料的制備工藝與鋁基復(fù)合材料相似，所以在工藝流程設(shè)計(jì)上可以參考鋁基復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝方法，并進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)鎂基復(fù)合材料。因此本設(shè)計(jì)選取鎂材料作為材料復(fù)合的基體。增強(qiáng)體的選擇增強(qiáng)相的選擇要求基本與鋁基復(fù)合材料相同，一般均要求其物理、化學(xué)相容性好，潤(rùn)濕性良好，載荷承受能力強(qiáng)，盡量避免增強(qiáng)相與基體之間的界面反應(yīng)。一般常見(jiàn)的鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)相主要有纖維增強(qiáng)、 晶須增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)。顆?；蚓ы毜确沁B續(xù)性物增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料使各項(xiàng)同性的， 有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、二次成型等。但要強(qiáng)調(diào)的是，近年迅速發(fā)展起來(lái)的高性能纖維增強(qiáng)輕質(zhì)鎂基復(fù)合新型材料，在低密度、高比剛度和高比強(qiáng)度等方面更具有突出優(yōu)勢(shì)，使其成為輕量化、高性能結(jié)構(gòu)材料中有力的競(jìng)爭(zhēng)者，正在逐漸成為現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域最有希望采用的復(fù)合材料⑸。本文介紹了纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料中常用的碳纖維，并對(duì)碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料制備工藝進(jìn)行論述，展望了其制備工藝的發(fā)展前景。對(duì)于碳纖維增強(qiáng)體而言，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、剛性好，但長(zhǎng)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料性能良好，但是造價(jià)昂貴，且材料本身各向異性［13］。而短纖維卻可以很好的彌補(bǔ)這一點(diǎn)，故本文選擇了短碳纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體。本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容與預(yù)期目標(biāo)本文章分別采用擠壓鑄造法、噴射沉積法制備碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，根據(jù)基體與增強(qiáng)體之間的相互作用關(guān)系，選擇出能夠避免鎂本身的不足以及材料復(fù)合后可能造成的不足問(wèn)題。通過(guò)設(shè)計(jì)工藝流程，在前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改良，盡量做到工藝簡(jiǎn)單，效果明顯。預(yù)期目標(biāo)是能夠在原有的制備方法上能有所改變，結(jié)合文獻(xiàn)知識(shí)，加入自己的想法，模擬生產(chǎn)流程，得到更加優(yōu)良的復(fù)合材料。擠壓鑄造法制備碳纖維鎂基復(fù)合材料的工藝設(shè)計(jì)方案5.1 工藝實(shí)驗(yàn)原理與工藝流程圖設(shè)計(jì)鎂基復(fù)合材料的傳統(tǒng)制備方法主要有攪拌鑄造法、擠壓鑄造法、粉末冶金法、熔體浸滲法等。同時(shí)，機(jī)械合金法、熔體浸滲法、自蔓延高溫合成法等新型工藝，也得到了廣泛的應(yīng)用［4］。而對(duì)于碳纖維增強(qiáng)體來(lái)說(shuō)，通過(guò)擠壓鑄造法制備得到的材料性能更優(yōu)越，由于在制備過(guò)程中基體和增強(qiáng)體之間的配比可以控制調(diào)節(jié)， 增強(qiáng)體分布均勻，可以使得生產(chǎn)工藝變得簡(jiǎn)單，成本降低。擠壓鑄造的通常工藝流程是：熔制、混料、合模、加壓、保壓、泄壓，分模、毛坯脫模、復(fù)位等工序得到擠壓鑄造成型后的成品。得到的成品可以采用阿基米德法測(cè)試試樣的氣孔率，用三點(diǎn)彎曲法測(cè)彎曲強(qiáng)度和單邊切口梁法測(cè)斷裂韌性。用X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行物相分析，用掃描電鏡觀察試樣的顯微結(jié)構(gòu)，采用MH-5型顯微硬度測(cè)定儀對(duì)拋光處理后的試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試［14］。如圖1為本工藝設(shè)計(jì)路線(xiàn)圖。擠壓鑄造成型一1泄壓卜一保壓-一加壓合橈圖1擠壓鑄造法制備碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的工藝流程圖

本設(shè)計(jì)的具體方案為：采用200目的鎂粉和短碳纖維粉末，由于在擠壓鑄造法中碳纖維的潤(rùn)濕性好，不易產(chǎn)生氣孔，所以不需對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性。本設(shè)計(jì)采用VV型擠壓鑄造機(jī)［15］。首先分別把基體和增強(qiáng)體粉末進(jìn)行研磨，然后將鎂粉在惰性氣體氬氣的保護(hù)下在內(nèi)壁噴涂料的熔爐里無(wú)熔劑熔煉，溫度升至650C，待鎂粉熔化至液態(tài)后絕氣下加入碳纖維，并進(jìn)行攪拌混合，另外，模具需提前預(yù)熱，然后設(shè)定擠壓工藝參數(shù)，進(jìn)行合模、充型、加壓、保壓、泄壓、分模、毛坯脫模、復(fù)位，即得到成型制體。工藝流程簡(jiǎn)單如下圖：3(a)鑄造準(zhǔn)備；(b)澆注;廠. ,I3(a)鑄造準(zhǔn)備；(b)澆注;廠. ,Ic)合模加壓；(d)開(kāi)型取件擠壓鑄造法的優(yōu)勢(shì)擠壓鑄造作為一種加壓的鑄造工藝，它的關(guān)鍵是低速(0.05-1.50m/s)和高壓，以便于金屬液較平穩(wěn)地充型和補(bǔ)縮凝固。從形式上擠壓鑄造兼具鑄造和鍛造的特點(diǎn)，但是相比傳統(tǒng)的壓力鑄造，擠壓鑄造沒(méi)有澆冒口系統(tǒng)，充型平穩(wěn)，可消除鑄件內(nèi)氣孔等缺陷，鑄件組織致密，機(jī)械性能也得到提高。由于無(wú)需冒口補(bǔ)縮和最后清理，因而液態(tài)金屬或合金利用率高，工序簡(jiǎn)化。而較之模鍛工藝，擠壓鑄造生產(chǎn)率高，需要成形能量低，零件尺寸精度高，機(jī)械強(qiáng)度指標(biāo)與之接近，但縱向和橫向所具有的力學(xué)性能要比模鍛件均勻［16］o具體優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：能避免和減少氣孔等缺陷。由于擠壓鑄造過(guò)程中金屬液以較低的速度進(jìn)行平穩(wěn)充型，減少了金屬液流動(dòng)形成的渦流，進(jìn)而降低了澆注過(guò)程中從模具型腔外部卷入氣體的可能性。金屬液在結(jié)晶過(guò)程中，又輔之高壓幫助凝固，可以壓出凝固體中的氣體和壓破形成的氣泡，從而減少甚至消除氣孔、氣泡和縮松等缺陷。提高了鑄件的機(jī)械性能。由于在金屬結(jié)晶凝固過(guò)程及時(shí)施加高壓，并使凝固體產(chǎn)生一定量的塑性變形，擠壓鑄件獲得了致密的樹(shù)狀結(jié)晶體，在半固態(tài)擠壓鑄造工藝中，可以獲得更細(xì)密的晶體。適用范圍更廣、更節(jié)約能源。擠壓鑄造由于兼具鑄造和模鍛二者的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍擴(kuò)大。相比鍛造，擠壓鑄造需要的機(jī)械壓力更小，能源消耗少；而較之壓鑄，擠壓鑄造作用于鑄件上的有效壓力增大，避免了過(guò)大的壓力損失。擠壓鑄造工藝能夠生產(chǎn)近凈成形鑄件，而且能獲得較高的表面粗糙度。這減少了工件后續(xù)制作工序，節(jié)省了用于繼續(xù)加工的能源和資金，并縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。（4）適合大規(guī)模生產(chǎn)。擠壓鑄造法更加適合中小型鑄件的成形，同時(shí)由于機(jī)械壓力的作用，擠壓鑄造時(shí)金屬液在凝固過(guò)程始終保持與模具型腔面的接觸，熱傳輸效率更高，鑄件的凝固時(shí)間更短，一定程度上提高了生產(chǎn)效率何17］。擠壓鑄造法的工藝參數(shù)5.3.1比壓比壓又稱(chēng)擠壓壓力，指直接或間接作用于金屬液表面上機(jī)械壓力［］。它的作用是保證金屬液與模具內(nèi)壁全接觸，使金屬液在等靜壓的作用下結(jié)晶、補(bǔ)縮和凝固，以及時(shí)消除鑄件氣孔、縮孔和縮松等鑄造缺陷，從而獲得較好的內(nèi)部組織和較高的機(jī)械性能，而壓力大小對(duì)鑄件的物理力學(xué)性能、鑄造缺陷、組織、熔點(diǎn)及相平衡等都有直接影響，所以在設(shè)計(jì)工藝流程時(shí)必須合理選擇比壓以保證成品的質(zhì)量。如果比壓過(guò)小，鑄件表面與內(nèi)在質(zhì)量都不能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，比壓過(guò)大，對(duì)性能的提高不十分明顯，還容易使模具損壞，且要求較大合模力的設(shè)備。一般地,比壓的選擇應(yīng)在保證鑄件質(zhì)量的前提下盡量取低值。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)制備的實(shí)心鑄錠，其比壓應(yīng)隨著直徑的增加而減小，隨著鑄件高度的增加而增加［16］?？紤]到工藝中各參數(shù)的波動(dòng)情況，實(shí)際實(shí)際生產(chǎn)時(shí)采用的壓力，一般應(yīng)高于實(shí)驗(yàn)值，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定為500MPa5.3.2加壓時(shí)間加壓時(shí)間是指施壓前金屬液在型腔內(nèi)的停留時(shí)間。 研究表明，型腔中的金屬液冷卻到液相線(xiàn)溫度以下時(shí)加壓可獲得最佳加壓效果。一般壓前停留時(shí)間盡量短些為好。加壓前停留時(shí)間越長(zhǎng)，所需壓力越大，會(huì)延長(zhǎng)加壓時(shí)間，也會(huì)降低鑄件的機(jī)械性能。加壓速度加壓速度是指擠壓沖頭接觸到金屬液面以后的運(yùn)動(dòng)速度，它決定了金屬液的充型速度。加壓速度過(guò)慢，液態(tài)金屬自由結(jié)殼太厚而影響加壓效果；過(guò)快（如過(guò)0.8m/s）時(shí)則易使液態(tài)金屬渦流形成而卷進(jìn)氣體， 增加液態(tài)金屬的飛濺，促使鑄件形成披縫，甚至產(chǎn)生裂紋。為保證質(zhì)量，沖頭擠壓時(shí)的合適速度，小鑄件為0.2-0.4m/s;大鑄件為0.1m/s。一般加壓速度快一點(diǎn)為好。加壓速度快，則凸模能很快地將壓力施加于金屬上，便于成形、凝固和塑性變形。

534保壓時(shí)間534保壓時(shí)間保壓時(shí)間，即比壓保持的時(shí)間，一般該時(shí)間持續(xù)到鑄件完全凝固時(shí)為止。因此，保壓時(shí)間與鑄件的材料、形狀和斷面厚度相關(guān)。保壓時(shí)間過(guò)短，會(huì)使制件心部在尚未完全凝固時(shí)卸壓，造成制內(nèi)部得不到補(bǔ)縮而產(chǎn)生縮孔、縮松；過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使脫模困難，降低模具使用壽命延長(zhǎng)生產(chǎn)周期。壓力保持時(shí)間在保證成形和完全凝固的前提下，保壓時(shí)間以短好。金屬澆注溫度利于提高鑄件內(nèi)部質(zhì)量和鑄型工作壽命，鑄型垂直合型擠壓鑄造時(shí)的金屬澆注溫度比砂型鑄造和金屬型鑄造偏低。一般擠壓鑄造時(shí)金屬澆注溫度比該金屬的液相線(xiàn)溫度高50-100度。冋17］其他本工藝設(shè)計(jì)的鎂粉和短碳纖維的質(zhì)量比為30:1。原料研磨1小時(shí)，爐具升溫速率低于5°C/min，攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為50r/min，原料混合1小時(shí)。5.4 注意事項(xiàng)擠壓鑄造主要采用金屬型(個(gè)別使用泥型，如鑄造鐵鍋)。常用耐熱模具鋼制造，如3Cr2W8V4W2CrSiV等［18］。鑄型的潤(rùn)滑。為鑄件凝固后沖頭能很順利地自鑄件中抽出，鑄件與凹型的脫離也應(yīng)同樣順利，降低鑄件與鑄型間的摩擦力，在澆注時(shí)和進(jìn)行擠壓成形之前，需對(duì)鑄型和沖頭工作表面刷涂潤(rùn)滑劑。一般選用水劑膠體石墨、硅涂料(白涂料)、石墨和機(jī)油或豬油的混合物等?？稍谠O(shè)計(jì)鑄型時(shí)，設(shè)置溢流器，以使多余金屬在擠壓鑄造成型時(shí)進(jìn)入該處，保證鑄件尺寸不會(huì)因澆注金屬太多而出現(xiàn)偏差 ［19］。噴射沉積法制備碳纖維鎂基復(fù)合材料的工藝設(shè)計(jì)方案6.1工藝實(shí)驗(yàn)原理與工藝流程圖設(shè)計(jì)噴射沉積法是近30年發(fā)展起來(lái)的利用快速凝固、方法直接制備金屬材料坯料或半成品的一種先進(jìn)的成形技術(shù)，主要由熔融金屬的氣體霧化、霧化熔滴的沉積等連續(xù)過(guò)程組成，它是制備顆粒、晶須或纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料比較成熟的一種工藝[20]。一種工藝[20]。噴射沉積法的原理是：把液態(tài)純鎂或者鎂合金在高壓惰性氣體噴射下霧化，形成熔融純鎂或者鎂合金噴射流，同時(shí)將增強(qiáng)顆粒噴入熔融純鎂或者鎂合金射流中，使液固兩相混合并共同沉積到經(jīng)預(yù)處理的襯底上， 最終凝固得到顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料問(wèn)。這里，針對(duì)短碳纖維增強(qiáng)體，可以預(yù)先把短碳纖維顆?；?，在達(dá)到一定的尺寸大小后噴入純鎂的射流中。噴射沉積過(guò)程的工藝流程大致可以分為五個(gè)階段：金屬釋放階段、氣體霧化階段、噴射階段、沉積階段及沉積體凝固階段［21］。如圖2-3為本工藝設(shè)計(jì)路線(xiàn)圖。金屬釋放過(guò)程?霧化過(guò)程噴射過(guò)程 ?沉積時(shí)液滴的狀態(tài)1增強(qiáng)體表面改性沉積過(guò)程后顆?；练e體冷卻及凝固過(guò)程 v圖2噴射沉積法制備碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的工藝流程圖工藝齧數(shù) 1：藝瀕程圖3工藝流程及其對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)復(fù)合材料性能的優(yōu)劣性依賴(lài)于增強(qiáng)體與基體的結(jié)合及增強(qiáng)體的分布狀況， 而決定結(jié)合及分布狀況的主要因素之一便是潤(rùn)濕性。唯有當(dāng)金屬熔體與增強(qiáng)體之間有良好的浸潤(rùn)性（接觸角小于90度）時(shí)金屬熔體才能自發(fā)的滲入增強(qiáng)體的間隙中，基體金屬與增強(qiáng)體之間才能實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)合［21］o但對(duì)于碳/鎂復(fù)合材料，基體金屬與增強(qiáng)體之間浸潤(rùn)性很差，而增強(qiáng)纖維很細(xì)，特別是碳纖維，一束纖維由數(shù)百根，甚至上千上萬(wàn)根單纖維組成。金屬需要滲入到纖維之間，一般為幾微米的間隙中去，浸潤(rùn)性差是難以實(shí)現(xiàn)的。研究表明，添加合金元素及提高液態(tài)金屬溫度會(huì)提高增強(qiáng)體與基體的潤(rùn)濕性， 但該做法又會(huì)

提高成本或犧牲復(fù)合材料的性能，且潤(rùn)濕效果并不十分明顯。針對(duì)這一現(xiàn)象，對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性顯得尤為重要。目前，碳纖維常見(jiàn)的表面處理方法有表面涂層處理（包括氣相沉積處理、聚合物涂層）、氧化處理（包括氣相氧化法、液相氧化法、電化學(xué)氧化法）、等離子處理等方法［9］，以及溶膠-凝膠法［31］。這里詳細(xì)介紹電化學(xué)氧化法。該方法利用了碳纖維的導(dǎo)電性，以碳纖維作陽(yáng)極而浸在電解質(zhì)中的碳電極充當(dāng)陰極，電解液中含氧陰離子在電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極碳纖維移動(dòng)， 在其表面放電生成新生態(tài)氧繼而使其氧化，生成羥基、羧基、羰基等含氧官能團(tuán)。同時(shí)碳纖維也會(huì)受到一定程度的刻蝕⑻0電解質(zhì)種類(lèi)不同，氧化刻蝕的歷程也不同。如果電解質(zhì)屬于酸類(lèi)，由水分子電解生成的氧原子被纖維表面的不飽和碳原子吸附，并于相鄰吸附氧原子的碳原子相互作用脫落一個(gè)碳原子而產(chǎn)生CO,從而使石墨微晶被刻蝕，邊緣與棱角的活性碳原子數(shù)目增加，使表面能增加的一個(gè)重要因素，其反應(yīng)為：C（固）+H2O-C（固）0（吸附）+2H++2e2C（固）0（吸附）-C02+C（固）如果電解質(zhì)屬于堿類(lèi)，0H的碳原子相互作用而產(chǎn)生如果電解質(zhì)屬于堿類(lèi)，0H的碳原子相互作用而產(chǎn)生0，從而增加了表面活性碳原子數(shù)目。其反應(yīng)為：C（固）+0H--C（固）0H（吸附）+e

4C（固）0H（吸附）—4C（固）+2H20+02本設(shè)計(jì)的具體方案是：首先將短碳纖維顆粒化，然后進(jìn)行對(duì)其表面電化學(xué)

氧化，使得處理后的碳纖維表面與鎂元素潤(rùn)濕性良好。在高速惰性氣體 （氬氣或氮?dú)猓┑淖饔孟聦⑷廴诮饘倩蚝辖鹨毫黛F化成細(xì)小彌散的熔滴射流；霧化熔滴射流在高速氣流動(dòng)量作用下加速，并與氣流進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換；將處理后的碳纖維顆粒噴入液態(tài)顆粒中；原料；到達(dá)沉積表面以前，小于某一臨界尺寸的熔滴凝固成為固體顆粒，較大尺寸的仍然為液態(tài)，而中間尺寸的熔滴則為含有一定比例液相的半凝固顆粒；這些大大小小凝固程度不同的熔滴高速撞擊沉積表面， 并在沉積表面附著、鋪展、堆積、熔合形成一個(gè)薄的半液態(tài)層后順序凝固結(jié)晶，逐步沉積生長(zhǎng)成為一個(gè)大塊致密的金屬實(shí)體一一沉積坯［21］。工藝效果圖簡(jiǎn)單如下：IS性％體1~增強(qiáng)體y十IS性％體1~增強(qiáng)體y十—?射高度6.2 噴射沉積技術(shù)的特點(diǎn)例如，在室溫和650C下IN718和Waspaloy等合金采用噴射沉積+HIP(熱等靜壓)，噴射沉積+環(huán)形滾壓或噴射沉積+HIP+環(huán)形滾壓的處理方法噴射沉積與傳統(tǒng)制造工藝的抗拉強(qiáng)度可與傳統(tǒng)鍛造比較[22]:材料工藝1X718U72CWaspaloy打.]/MPao/0/a、、-ir￡■MPa疔h/MPa/%a2Ml^/MPa,0/0/rZO1 "1ca1 11L50、z.11E1350681120133015.6()] 6‘i；?、乎111370呂0I113308Of>!l't1 _-J\f1550f193010606.71AQA136098601180bo!：J95011009.31 1 i?1 1.UU11501185011909注：1為鑄鍛工藝；2為噴射沉積工藝不難看出，噴射沉積工藝得到的材料性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鑄鍛工藝。噴射沉積工藝有如下幾個(gè)性能：經(jīng)濟(jì)性好。噴射沉積技術(shù)是一種近成形技術(shù)。工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)效率高、成本低。冷卻速度大。金屬顆粒飛行中冷卻速度為102?104K/s，在沉積后的速度為101?102K/s。比傳統(tǒng)的粉末霧化工藝略低，但比鑄造工藝高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。含氧量低。整個(gè)工藝過(guò)程是在惰性或半惰性氣氛中進(jìn)行的，液態(tài)金屬直接生產(chǎn)為接近最終的產(chǎn)品，省去了粉末冶金工藝所要經(jīng)歷的粉末制備、貯存、運(yùn)輸、篩分等工序，氧化的可能性很小。成分均勻、組織細(xì)小。噴射沉積工藝的冷卻速度大，液滴中有大量細(xì)小的晶核產(chǎn)生，并且在短時(shí)間內(nèi)來(lái)不及長(zhǎng)大。同時(shí)，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散和偏聚過(guò)程受到抑制，使材料繼承了金屬液體的成分均勻、偏析小的特征，故可得到成分均勻、組織細(xì)小的坯錠。多樣性。噴射沉積工藝不僅能夠制備各種形狀和尺寸的產(chǎn)品，而且可生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料(顆粒增強(qiáng)、短纖維增強(qiáng)、層狀復(fù)合等)。對(duì)不同的產(chǎn)品不須對(duì)設(shè)備作太大的改進(jìn)，通用性較好[23][24]。條件計(jì)算及分析霧化噴射沉積過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)過(guò)程，許多工作試圖把最重要的材料參數(shù)：如合金成分、凝固區(qū)間、熔體粘度和純潔度等和過(guò)程參數(shù)：如熔體過(guò)熱溫度、金屬和氣體的質(zhì)量流率、沉積距離以及沉積器表面狀況等通過(guò)一定的模型聯(lián)系起來(lái),用以預(yù)測(cè)顆粒、沉積體的物理及熱狀態(tài)。E.J.Lavernia[25]經(jīng)過(guò)對(duì)霧化液滴的尺寸分布、溫度、運(yùn)動(dòng)速度和冷速的計(jì)算，提出最佳沉積距離是熔滴撞擊沉積表面時(shí)所含液相的重量百分?jǐn)?shù)應(yīng)在15—30%之間。Singer[26]對(duì)臨界沉積條件做了專(zhuān)門(mén)分析，把沉積看作是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程，認(rèn)為無(wú)論是霧化顆粒的速度，還是單位體積內(nèi)顆粒數(shù)量都是時(shí)間和所處位置的函數(shù)，只有對(duì)特定的噴射過(guò)程，可以認(rèn)為與時(shí)間無(wú)關(guān)。Singer提出的臨界條件為：q/pV<4［(T-Ti)h+H］其中，q 單位面積的傳熱速率p 噴射流密度，即單位體積射流中金屬的質(zhì)量V――沉積顆粒在垂直于沉積表面方向的速率h——金屬的比熱H――熔化潛熱T――顆粒到達(dá)沉積表面時(shí)的溫度Ti――金屬固相線(xiàn)溫度其中pV是代表金屬向沉積表面沉積的速率，維持高的pV值對(duì)沉積有利。而q值在沉積過(guò)程中是不斷變化的，高的q值對(duì)提高液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成預(yù)成形坯件和發(fā)揮快速凝固的冶金優(yōu)點(diǎn)有利，卻使沉積向臨界條件接近。隨著沉積的進(jìn)行雖然q值迅速降低，但由于沉積表面受較冷的噴射氣流的強(qiáng)制對(duì)流冷卻，冷速仍可達(dá)到104?106KS-1［27］。影響因素下圖3歸納了噴射沉積過(guò)程所涉及的主要基本過(guò)程及其影響因素。 顯然這些基本過(guò)程各自受不同影響因素的控制， 但又相互關(guān)聯(lián)。前一過(guò)程的結(jié)果往往作為下一過(guò)程的初始條件或邊界條件，對(duì)沉積材料的最終組織和性能有直接或間接的影響［30］。本文討論的主要影響參數(shù)為：霧化錐流率 mmax、霧化錐寬度d、噴射距離h、沉積器半徑r、沉積器的旋轉(zhuǎn)角速度①及沉積器往復(fù)速度V對(duì)管坯噴射沉積特性的影響［28］。6.4.1霧化錐流率mmax對(duì)于不同的霧化錐流率max,管坯沉積模型均呈現(xiàn)出中間凸出，兩邊邊緣部分為平緩的斜面，符合高斯分布。在沉積器軸向某一相同位置點(diǎn)，霧化錐流率gax與單層沉積厚度之間成正比的關(guān)系。但是，過(guò)寬的霧化錐流率會(huì)引起大量液滴的正向過(guò)噴，從而導(dǎo)致低的金屬生產(chǎn)率。這里介紹兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：霧化錐流率max反映了霧化錐中的金屬液滴的質(zhì)量分布。噴射沉積過(guò)程中，假設(shè)霧化錐的主霧化流率獨(dú)立于時(shí)間，主霧化流率 m和中心主霧化流率mmax存在以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：HlAXHlAX其中，r°.5是霧化錐寬度的一半霧化錐霧化流率的空間分布方程:

642 霧化錐寬度d霧化錐寬度d,即螺旋輪廓寬度，也即噴射高度h處的霧化錐直徑，其對(duì)噴射沉積成形模型及單層沉積厚度均有著直接的影響。 當(dāng)霧化錐寬度d變大時(shí)，沉積厚度明顯增長(zhǎng)。與此同時(shí)，霧化錐寬度d受霧化錐流率mmax與噴射距離h的影響，當(dāng)霧化錐流率mmax增大，即霧化錐流率空間分布增大時(shí)，霧化錐寬度d則會(huì)相應(yīng)增大；當(dāng)噴射距離h增大時(shí)，霧化錐寬度d也會(huì)相應(yīng)增大。6.4.3 沉積器半徑r在其它相關(guān)參數(shù)不變的情況下，隨著沉積器半徑r的增加，其噴射沉積形狀越平緩；同時(shí)，其單層沉積厚度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。沉積器半徑的增大，其表面積也相應(yīng)增大，而相同時(shí)間內(nèi)噴射的金屬總量是相同的，這些金屬分?jǐn)偨o面積較小的沉積器表面時(shí)，便會(huì)得到較厚的沉積厚度。因而，沉積器半徑較小時(shí)將得到較厚的沉積層；沉積器半徑較大時(shí)將會(huì)得到較薄的沉積層。沉積器旋轉(zhuǎn)速度3在噴射沉積過(guò)程中，當(dāng)沉積器旋轉(zhuǎn)速度3變小時(shí)，噴射沉積模型將會(huì)變得陡峭，其單層沉積厚度有增大的趨勢(shì)，當(dāng)沉積器旋轉(zhuǎn)速度3達(dá)到某一特定值時(shí)，沉積器旋轉(zhuǎn)速度3再增大時(shí)，其噴射沉積成形模型及單層沉積厚度的變化將不會(huì)很明顯。沉積器往復(fù)速度v在噴射沉積過(guò)程中，隨著沉積器往復(fù)速度v的增加，噴射沉積模型將會(huì)變得平緩，沉積層厚度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)沉積器往復(fù)速度較快的情況下，單位時(shí)間內(nèi)霧化錐在沉積器表面掃過(guò)的面積大，所以得到的噴射沉積形貌較為平緩，沉積層更??；與之相反，當(dāng)沉積器往復(fù)速度較慢時(shí)，噴射的金屬會(huì)集中在較小的沉積器表面，所以得到的噴射沉積形貌較為陡峭，沉積層增厚 [28]?？偨Y(jié)通過(guò)短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，可以有效地遏制鎂及其合金較差的耐腐蝕性、耐氧化性。同時(shí)，也能在制備復(fù)合材料時(shí)有效地減少氣泡，提高材料本身的比強(qiáng)度、比剛性、耐高溫等性能，并具有熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐磨損耐疲勞以及優(yōu)良的阻尼減震性能等諸多性質(zhì)。在擠壓鑄造法下，能夠有效地減少材料本身的缺陷，提高機(jī)械性能。通過(guò)預(yù)前對(duì)短碳纖維的表面進(jìn)行處理，可以很好地解決其潤(rùn)濕性低的不足問(wèn)題，通過(guò)與鎂通過(guò)噴射沉積，可以得到更加高質(zhì)量的鎂基復(fù)合材料致謝感謝向老師能夠給我們這次機(jī)會(huì)，讓我們有機(jī)會(huì)通過(guò)查閱大量的中外文獻(xiàn)，并結(jié)合自己所學(xué)習(xí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，學(xué)以致用，不斷培養(yǎng)自主創(chuàng)新的精神！最后，感謝向老師對(duì)我的工作的細(xì)心指導(dǎo)！參考文獻(xiàn):董群,陳禮清,趙明久,畢敬.鎂基復(fù)合材料制備技術(shù)、性能及應(yīng)用發(fā)展概況[J].材料導(dǎo)報(bào).2004,4.18 （4）.李偉,王曉亮,楊紹斌,,徐振振.纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料制備工藝的研究現(xiàn)狀[J].HotWorkingTechnology.2014.43（12）.阮?lèi)?ài)杰,馬立群,潘安霞,丁毅.鎂基復(fù)合材料制備工藝研究進(jìn)展[J].有色金屬.2011,5.63（2）.谷雪花,楊方,齊樂(lè)華,周計(jì)明.鎂基復(fù)合材料新型制備工藝及其應(yīng)用[J].塑料工程學(xué)報(bào).2011,4.18 （2）.⑸譚娟，馬南鋼.鎂基復(fù)合材料的制備方法研究[J].材料導(dǎo)報(bào).2006,11.20（7）.⑹陳曉，傅高升,錢(qián)匡武.鎂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)電技術(shù).2003,12.田君,李文芳,韓利發(fā),彭繼華,劉剛.鎂基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].材料導(dǎo)報(bào).2009,9.杜文博.鎂基復(fù)合材料的制備方法與新工藝[J].稀有金屬材料與工程.2009,3.38（3）.趙慧鋒.碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備研究[D].上海交通大學(xué)：上海交通大學(xué).2007,2.任福忠.短碳纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備及其性能的研究 [D].重慶大學(xué)：重慶大學(xué).2011,4.羅小萍,張敏剛，呂春祥，呂曉軒.炭纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的制備[J].復(fù)合材料.2011.31（5）.王金星,李賀君,齊樂(lè)華,王振軍.C纖維增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料熱成形微觀組織模型[J].塑性