西安工業(yè)大學復(fù)合材料5

第五章金屬基復(fù)合材料MetalMatrixComposite

(MMC)

5.1概述

金屬基復(fù)合材料是以金屬及其合金為基體，與一種或幾種金屬或非金屬增強相人工合成的復(fù)合材料。其增強材料大多為無機非金屬，如碳化硅、碳、石墨及硼等，也可以是金屬絲，甚至是有機纖維。

MMC是20世紀60年代初,航空航天技術(shù)的發(fā)展，促進了定向凝固復(fù)合材料、難熔金屬絲增強高溫合金材料的研究開發(fā)，并出現(xiàn)了硼纖維增強鋁基復(fù)合材料；70年代中期，碳纖維增強鋁基復(fù)合材料的研制以及應(yīng)用；70年代末期，先后出現(xiàn)了碳化硅和氧化鋁增強鋁、鈦等多種金屬基復(fù)合材料，逐漸形成金屬基復(fù)合材料體系。概述—MMC的沿革與發(fā)展80年初開始，人們開始重視對金屬基復(fù)合材料制備工藝的研究，各種制備工藝相繼問世。這些工藝技術(shù)的不斷出現(xiàn)，又使復(fù)合材料的成本不斷下降，從而使金屬基復(fù)合材料從航空航天與軍工業(yè)轉(zhuǎn)向民用，如汽車工業(yè)的應(yīng)用。

從80年代開始，人們逐漸重視對金屬基復(fù)合材料界面及界面穩(wěn)定性的研究。概述—MMC的沿革與發(fā)展

金屬基復(fù)合材料的發(fā)展只有40多年的歷史，還處在一個蓬勃發(fā)展的新階段。從MMC的發(fā)展看，今后它的研究與開發(fā)主要集中在以下幾個方面：（1）不同金屬基體與不同種類與形態(tài)的增強材料的復(fù)合效果；（2）開發(fā)新型增強材料；（3）制備工藝的研究與開發(fā)；（4）界面優(yōu)化的研究；（5）擴大應(yīng)用領(lǐng)域與范圍。

5.2MMC制備工藝

選擇復(fù)合材料的制備方法時應(yīng)注意：

1.制備過程中應(yīng)保護增強體和金屬基體，最大限度地減少對增強體的損傷；

2.使增強體以設(shè)計的體積分數(shù)和排列在基體中達到預(yù)定的方向與分布；

3.盡量避免增強體與金屬基體之間發(fā)生各種不利的化學反應(yīng)，得到合適的界面結(jié)構(gòu)和性能；

4.工藝方法簡單易行，適于批量生產(chǎn)，盡可能凈成型而將二次加工量減至最低限度。金屬基體材料形式：熔融、粉末或板箔。

金屬基復(fù)合材料制備工藝分為三大類：即（1）液態(tài)法（噴涂與噴射沉積法）；（2）固態(tài)法；（3）原位復(fù)合法。MMC制備工藝In-situMMC制備工藝液態(tài)法固態(tài)法攪拌鑄造、半固態(tài)復(fù)合鑄造擠壓鑄造浸滲法（無壓、加壓、真空）噴涂與噴射沉積法擴散結(jié)合法粉末冶金法定向凝固法高溫自蔓延法、放熱彌散法直接氧化法高能球磨法粉末冶金法一、液態(tài)法

液態(tài)法是指金屬基體在制備復(fù)合材料過程中始終處于液態(tài)的制備工藝，包括攪拌鑄造、半固態(tài)復(fù)合鑄造、擠壓鑄造、以及無壓浸滲法和壓力浸滲。液態(tài)法的工藝及設(shè)備相對簡便易行，制備成本較低，是目前制備顆粒、晶須和短纖維增強MMC的主要工藝方法。1.攪拌鑄造與半固態(tài)復(fù)合鑄造

將顆粒加入處于半固態(tài)的金屬基體中，通過攪拌使顆粒在金屬基體中均勻分布，并取得良好的界面結(jié)合，然后澆注成型或?qū)牍虘B(tài)復(fù)合材料注入模具進行壓鑄成型。它是針對液態(tài)金屬攪拌鑄造法的缺點而改進的工藝。攪拌鑄造示意圖↑↑↑潤濕（a）與不潤濕（b）下液態(tài)金屬對增強體表面的接觸情況氣孔形成（a）（b）基體金屬熔化→除氣→精煉增強體顆粒預(yù)處理攪拌復(fù)合→澆注→冷卻凝固→脫模存在的主要問題：容易發(fā)生增強體偏聚或顆粒叢聚結(jié)團；攪拌過程中不可避免的吸氣、夾雜和形成氣孔；高溫下的有害界面反應(yīng)難以控制；陶瓷增強體含量收到很大限制。攪拌鑄造法的優(yōu)點：工藝簡單、成本低、適于規(guī)模生產(chǎn)，而且所需設(shè)備可使用現(xiàn)有設(shè)備、或簡單改進。半固態(tài)復(fù)合鑄造的原理

是將金屬熔體的溫度控制在液相線與固相線之間，通過攪拌，使部分樹枝結(jié)晶體破碎成固態(tài)相顆粒。當加入預(yù)熱后的增強顆粒時，因熔體中含有一定量的固相金屬顆粒，在攪拌中增強顆粒受阻而滯留在半固態(tài)金屬熔體中，增強顆粒不會結(jié)集和偏聚而得到一定的分散。同時強烈的機械攪拌也使增強顆粒與金屬熔體直接接觸互相反應(yīng)，促進潤濕。半固態(tài)復(fù)合鑄造工藝優(yōu)點：

（1）由于澆注時MMC是處于半固態(tài)熔體，有效抑制了增強體的團聚，分散更均勻。（2）由于是在真空或氬氣中攪拌，能有效防止金屬的氧化和吸氣，鑄件的氣孔率小。（3）攪拌器的作用使組織細小、均勻和致密，使獲得的復(fù)合材料性能好。不足：半固態(tài)復(fù)合鑄造主要應(yīng)用于顆粒增強的MMC，因短纖維、晶須在加入時容易結(jié)團或纏結(jié)在一起，因而不宜采用此法來制備短纖維或晶須增強MMC。

2.擠壓鑄造

擠壓鑄造是將液態(tài)的MMC直接注入擠壓模型腔或?qū)⒔饘僦苯幼⑷敕庞性鰪姴牧项A(yù)制件的型腔中，然后施行擠壓過程，在壓力下使MMC在型腔內(nèi)凝固成型或使金屬壓入預(yù)制件的孔隙中凝固的工藝。MMC典型擠壓鑄造工藝示意圖

典型擠壓鑄造工藝：首先將包含有增強材料的金屬熔體倒入預(yù)熱模具后迅速加壓，使液態(tài)MMC在壓力下凝固。待復(fù)合材料完全固化后頂出，即制得所需形狀及尺寸的MMC的坯料或壓鑄件。工藝優(yōu)點

(降低鑄造溫度、強制流動)

采用擠壓鑄造法生產(chǎn)的MMC零部件，其組織細化、無氣孔，可以獲得的比一般金屬模鑄件性能優(yōu)良的壓鑄件。

和其它MMC制備方法相比，擠壓鑄造工藝設(shè)備簡單，成本低，材料的質(zhì)量高且穩(wěn)定，易于工業(yè)化生產(chǎn)。

3.浸滲法

將增強材料制成預(yù)制體，再將基體金屬坯料加熱熔化，從而滲透入增強材料預(yù)制體中的網(wǎng)絡(luò)狀空隙中。預(yù)制件制備工藝過程將增強材料制成預(yù)制體，放置于由氧化鋁制成的容器之內(nèi)，再將基體金屬坯料置于可滲透的增強材料預(yù)制體上部。氧化鋁容器、預(yù)制體和基體金屬坯料均裝入一可通入流動氮氣的加熱爐中，通過加熱，基體金屬熔化，并自發(fā)滲透入網(wǎng)絡(luò)狀增強材料預(yù)制體中。

無壓滲透法制備的金屬基復(fù)合材料成本較低，但復(fù)合材料的強度較低，而其剛度顯著高于基體金屬，一般可作為強度要求低但需剛度好的零件或者用于制備功能復(fù)合材料，如鎢滲銅耐高壓復(fù)合材料3.1無壓滲透法3.2壓力浸滲／真空浸滲法

壓力浸滲是通過施加外力使液態(tài)金屬滲入增強材料的預(yù)制件孔隙中制造金屬基復(fù)合材料的方法。4、噴射沉積

噴射沉積是一種將混合與凝固兩個過程相結(jié)合的新工藝，主要用于制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料（PRMMC）。工藝過程:基體金屬在坩堝中經(jīng)熔煉后，在壓力作用下送入霧化器，在高速惰性氣體射流的作用下，液態(tài)金屬被分散為細小的液滴，形成所謂的“霧化錐”；同時通過一個或多個噴嘴向霧化錐噴入增強顆粒，使之與金屬霧化液滴一起在基板上沉積并快速凝固形成顆粒增強MMC。工藝優(yōu)點：（1）高致密度，復(fù)合材料的密度可達到理論的95～98%；（2）屬于快速凝固方法，冷速可達103～106K/秒，因此金屬晶粒及組織細化，消除了宏觀偏析，合金成分均勻；（3）增強材料與金屬液滴接觸間時短，很少或沒有界面反應(yīng)；（4）工藝適合多種金屬材料基體，如高、低合金鋼、鋁及鋁合金、高溫合金等；（5）設(shè)計霧化器和收集器的形狀和一定的機械運動，以直接形成盤、棒、管和板帶等接近零件實際形狀的復(fù)合材料坯料；（6）工藝流程短，工序簡單，噴射沉積效率高，利于工業(yè)化生產(chǎn)。工藝缺點：（1）僅適用于制備PRMMC；（2）與擠壓鑄造、半固態(tài)復(fù)合鑄造工藝相比，霧化工藝成本較高，沉積速度較低。1.擴散結(jié)合法

擴散結(jié)合工藝是金屬材料的一種固態(tài)焊接技術(shù)，在一定溫度的壓力下，把相同或不相同的金屬，通過表面原子的互相擴散而連接在一起。

工藝過程為：將經(jīng)過預(yù)處理的連續(xù)纖維按設(shè)計要求在某方向排列好，用基體金屬箔夾緊、疊合、固定，然后將其在真空或惰性氣氛中加熱至基體金屬熔點以下進行熱壓，通過擴散焊接的方式實現(xiàn)材料的復(fù)合化和成形。二、固態(tài)法主要為擴散結(jié)合和粉末冶金兩種方法。

擴散結(jié)合法制備MMC的工藝過程（1）纖維的排布：

a.采用有機粘結(jié)劑粘結(jié)；

b.采用帶槽的箔板，將纖維排布在其中；

c.采用等離子噴涂。即先在金屬基體箔上用纏繞法排布好一層纖維，然后再噴涂一層與基體金屬相同的金屬，將增強纖維與基體金屬粘接固定在一起；

擴散結(jié)合工藝中，主要有三個關(guān)鍵步驟：d.復(fù)合絲排列。將連續(xù)纖維用液態(tài)浸滲法制成復(fù)合絲，再將復(fù)合絲按一定順序排列。復(fù)合絲也可與基體金屬箔交互排列。（2）疊合與封裝：疊合是將排布好纖維的幅片或預(yù)制件經(jīng)剪裁成一定形狀，根據(jù)復(fù)合材料制品的要求疊合成一定厚度。為防止復(fù)合材料在熱壓中氧化，疊合好的復(fù)合材料應(yīng)真空封裝于金屬模套中。（3）熱壓：熱壓工藝參數(shù)主要為熱壓溫度、壓力和時間。在熱壓時，基體金屬箔板在壓力的作用下，發(fā)生塑性變形，經(jīng)過一定溫度和時間的作用擴散而焊接在一起，并將增強纖維固定在其中，形成金屬基復(fù)合材料。工藝優(yōu)點：

1.連續(xù)纖維增強并能按照鋪層設(shè)計要求排布的唯一可行的MMC制備工藝；

2.增強纖維與基體的濕潤問題容易解決；

3.熱壓時可通過控制工藝參數(shù)的辦法來控制界面反應(yīng)；

工藝缺點：

1.工藝過程復(fù)雜，手工操作多，成本高；

2.工藝參數(shù)控制要求嚴格。2.粉末冶金法

用以制造顆粒、短切纖維或晶須增強金屬基復(fù)合材料構(gòu)件，還可以制造復(fù)合材料坯件，再經(jīng)擠壓、軋制、鍛壓、旋壓等二次加工方法制造復(fù)合材料構(gòu)件。

粉末冶金一般工藝是：首先采用超聲波或球磨等方法將金屬粉末與增強體混勻，然后冷壓成型（壓坯），得到復(fù)合坯件，最后通過熱壓燒結(jié)致密化獲得復(fù)合材料成品。熱擠壓示意圖單向冷壓示意圖粉末粒子燒結(jié)頸孔洞固相燒結(jié)原理圖二元共晶相圖(a)和在燒結(jié)前(b)、共晶液相生成前(c)、液相長大初期(d)、合金元素顆粒消失時(e)、液相區(qū)最大時(f)、液相區(qū)減小時(g),以及液相區(qū)消失后(h)的成分分布情況二元共晶體系半固態(tài)燒結(jié)模型

基體合金粉末與顆粒、短切纖維和晶須的混合均勻程度及基體粉末防止氧化的問題是整個工藝的關(guān)鍵。工藝優(yōu)點：（1）熱壓或燒結(jié)溫度低于金屬熔點，從而減小界面反應(yīng)對復(fù)合材料性能的不利影響，同時可以通過熱壓或燒結(jié)時的溫度、壓力和時間等工藝參數(shù)來控制界面反應(yīng)。（2）可根據(jù)MMC的性能要求，使增強材料（顆粒、短切纖維晶須）與基體金屬粉末以任何比例混合。（3）可以降低增強材料與基體互相濕潤的要求，也降低了增強材料與基體粉末的密度差要求。（4）組織細化、均勻，無偏析、偏聚等缺陷。（5）制備的MMC可以通過傳統(tǒng)的金屬加工方法進行二次加工。工藝缺點：

（1）工藝過程復(fù)雜。

（2）受壓機工作噸位限制，制備大尺寸坯件和零件困難。

(3)材料或制件的致密性較差，基體與增強材料界面結(jié)合欠佳。三、原位復(fù)合

原位復(fù)合法是指在復(fù)合材料制造過程中，增強體不是預(yù)先制備而是在基體內(nèi)部就地生成和生長的方法。主要包括共晶合金定向凝固、直接金屬氧化法、放熱彌散法、高溫自蔓延法、高能球磨法等。

由于增強材料（纖維、顆?；蚓ы殻慕饘倩w中直接（即原位）生成，增強材料與金屬基體相容性問題可以得到較好地解決。因為原位生成的增強相與金屬基體之間在晶體結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)共格和半共格的關(guān)系，所以界面結(jié)合良好，生成相的熱力學穩(wěn)定性好，也不存在基體與增強相之間的潤濕和界面反應(yīng)等問題。1.共晶合金定向凝固法

把某種共晶成分的合金原料在真空或惰性氣氛中通過感應(yīng)加熱熔化后，控制冷卻方向進行定向凝固，析出的共晶相沿著凝固方向整齊排列，其中連續(xù)相為基體，條狀或片層狀的分散相為增強體。這樣得到的復(fù)合材料稱為定向凝固共晶復(fù)合材料。

共晶合金定向凝固法要求合金成分為共晶或接近共晶成分。定向凝固時，參與共晶反應(yīng)的α和β兩相同時從液相中生成，其中一相以棒狀（纖維狀）或?qū)悠瑺钜?guī)則排列生成，如圖所示：圖定向凝固共晶合金兩相排列生成示意圖

定向凝固共晶復(fù)合材料的原位生長條件必須滿足三個條件：（1）有正溫度梯度（GL）的凝固方式；（2）滿足平面凝固條件：對二元共晶材料是GL為液相溫度梯度；V1為凝固速度；mL為液相線斜率；CE為共晶成分；C0為合金成分；DL為溶質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)。（3）兩相的成核和生長要協(xié)調(diào)進行。

定向凝固共晶復(fù)合材料的凝固組織是層片狀還是棒狀（纖維狀）取決于共晶中含量較少的組元的體積分數(shù)υf%。在二元共晶中當：

υf<32%(1/π)時呈纖維狀（棒狀）

υf>32%時為層片狀

在一定的溫度梯度的條件下，層片（纖維）間距λ與凝固速度V1之間存在以下關(guān)系：

λ2·V1=K……(5-2)其中K為常數(shù)。

在滿足平面凝固生長條件下，增加定向凝固時的溫度梯度GL，可以加快定向組織生長速度V1，同時也可以降低層片或纖維間距，有利于提高定向凝固共晶復(fù)合材料的性能。定向凝固共晶復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空透平機葉片，此外可作為功能復(fù)合材料，主要應(yīng)用于磁、電和熱相互作用或疊加效應(yīng)的壓電、電磁和熱磁等功能元器件。定向凝固共晶復(fù)合材料的典型組織2.直接金屬氧化法（DIMOXTM）

將氧氣通入金屬熔體中，反應(yīng)生成金屬氧化物顆粒，彌散在基體金屬中得到氧化物顆粒增強復(fù)合材料。

例如制備Al2O3/Al（Al/Al2O3）,則可通過鋁液的氧化來獲取Al2O3增強相。通常Al合金表面迅速氧化，形成結(jié)合成緊密的氧化鋁膜，這層氧化鋁膜使得氧化無法進一步滲透，從而阻止了膜下的鋁進一步氧化。

但在DIMOXTM工藝中，熔化溫度上升到900～1330℃，遠超過鋁的熔點660℃，加入促使氧化反應(yīng)的合金元素Si和Mg，使熔化金屬通過顯微通道滲透到氧化層外邊，并順序氧化，即鋁被氧化，但液鋁的滲透通道未被堵塞。該工藝可以根據(jù)氧化程度來控制Al2O3的量。如果這一工藝過程在所有金屬被氧化之前停止的話，則所制備的復(fù)合材料就是致密的、含有5～30%Al的、互連的Al2O3陶瓷基復(fù)合材料。3.放熱彌散法（XDTM）和自蔓延法（SHS）

它們的工藝是：將預(yù)期通過反應(yīng)能夠構(gòu)成增強體的兩種組分的粉末與基體金屬粉末均勻混合，然后加熱到反應(yīng)溫度以上使之發(fā)生化學反應(yīng)，生成粒徑1μm以下、均勻分布的彌散顆粒，依靠反應(yīng)放出的熱量使反應(yīng)繼續(xù)下去，獲得MMC。如TiC、TiB2、TiN等顆粒增強鋁、鈦、鎳和NiAl、TiAl等MMC。

在XDTM工藝中根據(jù)所選擇的原位生成的增強相的類別或形態(tài)，選擇基體和增強相生成所需的原材料，如一定粒度的金屬粉末，硼或碳粉，按一定比例（反應(yīng)要求）混合，然后加熱到金屬熔點以上，混合物的組成元素進行放熱反應(yīng)，以生成在基體中彌散的微觀顆粒、晶須和片晶等增強相。

形成TiB2增強的鋁基復(fù)合材料。形成TiC增強鈦基復(fù)合材料

例如一定粒度的鋁粉、鈦粉和硼粉以一定比例混合成型，加熱后有以下反應(yīng)生成TiB2:Al+Ti+CTiC+AlXDTM工藝特點：（1）增強相原位形成，具有熱穩(wěn)定性；（2）增強相的類型、形態(tài)可以選擇和設(shè)計，如顆粒、晶須等；（3）各種金屬或金屬間化合物（如TiAl、Ti3A1和NiAl等）均可作為基體；（4）復(fù)合材料可以采用傳統(tǒng)金屬加工方法進行二次加工。4.高能球磨法振動式球磨行星式球磨攪拌式球磨過飽和固溶（機械合金化）：Al（Cu）10%以上固態(tài)反應(yīng)：Al+CuO→Al2O3+Cu

在復(fù)合材料制造過程中，既可以直接制成構(gòu)件，也可以先制成半成品，再經(jīng)過后續(xù)加工獲得成品。對于已成型好的復(fù)合材料板材、長條型材、管材、棒材等還需要按照設(shè)計要求，經(jīng)過切割、機械加工、連接或熱處理等工藝過程，再裝配成構(gòu)件。5.3MMC的二次加工技術(shù)壓力加工：熱（擠）壓、拉拔、軋制、鍛造機械加工：車、銑、磨、鏜、線切割熱處理：連接：機械連接、焊接修復(fù)：表5-1金屬基復(fù)合材料的主要連接方法固態(tài)連接工藝摩擦焊接超聲焊接擴散焊接液態(tài)連接工藝（熔焊）激光束焊接電子束焊接氣體氬弧焊快速紅外連接其他工藝釬焊鑄造鑲嵌連接機械緊固粘結(jié)

5.3.1壓力加工方法和工藝

金屬基復(fù)合材料的壓力加工的目的是致密化（消除孔隙），使短纖維、晶須定向排列，或成型為某種要求的形狀。通常復(fù)合材料的壓力加工有如下特點：①高溫：在高溫下，基體變軟，用很小的力就可變形，成型時，由于纖維僅受到來自基體的弱約束，故能夠無變形地在基體內(nèi)滑動。因此．在高溫時不產(chǎn)生纖維的斷裂就可以成型。②低應(yīng)變速率：降低應(yīng)變速率，有利于應(yīng)力松弛，減少增強相/基體界面的應(yīng)力集中，可有效減小纖維的斷裂傾向。③特種成型工藝：如室溫錐形金屬包層法、滾壓成型法等。幾種常用的壓力加工方法:6.3.1.1擠壓與拉拔

擠壓(extrusion)是在一端施加壓力，將擠壓筒內(nèi)的金屬基復(fù)合材料通過模子擠出成型的塑性加工方法。在擠壓過程中，坯料所處的三向不等的壓應(yīng)力狀態(tài)使材料的塑性變形能力有明顯提高。因此，該工藝方法特別適合于包括金屬基復(fù)合材料在內(nèi)的難變形、低塑性材料，可以使材料產(chǎn)生很大的變形量，從而做到一次成材，獲得棒材、管材、線材、異形材。

拉拔時的應(yīng)變場與擠壓類似。但在變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)具有較小的等靜壓縮力。此外，拉拔一般都在較低溫度下進行。這樣造成的結(jié)果是在拉拔過程中易形成內(nèi)部空洞，特別是在界面強度較低的時候。但拉拔后的表面粗糙度往往非常低。5.3.1.2軋制、模鍛、旋壓

軋制是利用具有旋轉(zhuǎn)軋輥的軋機對金屬基復(fù)合材料所進行的塑性加工方法。這是金屬基復(fù)合材料最主要的塑性加工方法，主要適應(yīng)于基體合金塑性較好（鋁、鋅等）的非連續(xù)增強復(fù)合材料，有時也可用于加工連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料板材。

6.3MMC的二次加工技術(shù)模鍛是根據(jù)鍛件形狀要求用特定的金屬模具來束縛大部分金屬基復(fù)合材料的坯錠進行鍛造成型的方法。與對應(yīng)的基體合金相比，在相同工藝條件下金屬基復(fù)合材料的流變應(yīng)力高、塑性低。這就要求壓力機具有較高的噸位，應(yīng)變速率應(yīng)盡量降低，潤滑狀況良好，而且要嚴格控制工藝溫度，溫度過低難以變形（一般要高于基體合金的常規(guī)模鍛溫度），溫度過高則會引起局部早期熔化和熱裂紋的出現(xiàn)。

旋壓是將平板狀或預(yù)先成型的金屬基復(fù)合材料毛坯固定在旋轉(zhuǎn)模芯的一端，用具有一定邊緣形狀、可作軸向和徑向運動的旋輪對毛坯加壓，經(jīng)過一次或多次的旋轉(zhuǎn)壓加工，得到各種形狀和壁厚的空心回轉(zhuǎn)體制品的塑性加工方法。1-主軸2-模芯3-坯料4-頂塊5-頂尖6-旋輪或趕棒5.3.1.3超塑性及薄板成型工藝金屬基復(fù)合材料的室溫塑性普遍低于基體金屬，這使其成型及應(yīng)用受到了限制。而超塑性成型具有材料塑性高、變形抗力小、可以一次精密成型等優(yōu)點，尤其適應(yīng)于非連續(xù)增強金屬基復(fù)合材料的二次塑性加工成型?，F(xiàn)在已有充分的研究表明，通過熱循環(huán)過程中內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，增強體的存在能促進超塑件行為。這種超塑性的獲得不同于要求具有穩(wěn)定的等軸細晶組織以及特定的溫度和應(yīng)變速率，這種超塑件被稱作內(nèi)應(yīng)力超塑性和不匹配誘發(fā)的超塑性。下圖給出了25mm厚的Bf/Al加工成帽狀的成型過程。5.3.1.5滾壓成型法

圖7－3示出了滾壓成型法的示意圖。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，以防止復(fù)合材料末端變平坦，然后用三個輥子滾壓成型。5.3.2機械加工

機械加工的目的是將復(fù)合材料的構(gòu)件按照設(shè)計要求加工成一定的尺寸、形狀和精度的零部件。通常的機械加工方法有車、銑、鉆、鋸、拋光等。但復(fù)合材料加工會出現(xiàn)一些常規(guī)材料所沒有的問題，如纖維硬且脆（或堅韌），使刀具磨損大；層壓復(fù)合材料在加工時極易分層等。應(yīng)根據(jù)這些特點，采取相應(yīng)措施，如選擇堅硬的金屬合金制造刀具，選擇合理的加工余量，制定專門的加工工藝，加工時應(yīng)采取一些相應(yīng)的潤滑和冷卻措施，有必要時還應(yīng)設(shè)計專門的加工夾具以保證加工質(zhì)量。關(guān)于MMC的諸如精細機加工的開發(fā)仍處于初期階段。以下簡要地綜述當對MMC應(yīng)用此類工藝時，應(yīng)當注意的因素。5.3.2.1機切削

傳統(tǒng)的切、車、銑、磨工藝一般都可用于MMC。但是往往會遇到刀具磨損的問題。一般而言，當增強體的體積分數(shù)和尺寸增加時，這類問題更為顯著，這是因為刀具遇到了更多硬的增強體材料。因此，對于一些單纖維增強的MMC往往必須用有金剛石尖或鑲嵌有金剛石的刀具。對于短纖維或粒子復(fù)合材料，采用碳化鎢，甚至是高速鋼工具有時也是適用的。但是，增強體的強度也有影響，例如，研究發(fā)現(xiàn)，用SiC晶須增強的鋁合金要比其他含較弱纖維的復(fù)合材料更難加工。對于多數(shù)MMC，使用銳利的刀具，合適的切削速度和進刀量，大量的冷卻潤滑劑，可以得到很好的結(jié)果。一般都發(fā)現(xiàn)，金剛石刀具要比硬質(zhì)合金及陶瓷刀具好，可更適于高速車削。反過來，如果使用碳化物刀具，若車削速度低，則刀具壽命長。

6.3MMC的二次加工技術(shù)5.3.2.2電切割

包括利用刀具與工件間電場的一些切割方法都有可能用于MMC。電化學機加工是根據(jù)有形狀的負極決定切削的幾何形狀，通過正極溶解來切割材料。在負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。為切割去除復(fù)合材料中的長纖維，可使用有摩擦力的可動負極，把電化學效應(yīng)與機械磨削結(jié)合起來。傳統(tǒng)的放電加工法（電火花加工、電火花線切割）是將移動的電極線浸于某種介電液流當中。材料通過工件表面上的局部高溫和液體壓力沖刷而達到切削的目的。工件與電極線沒有機械接觸。由于這種切割過程是熱和力的效應(yīng)，而不是什么化學過程，陶瓷纖維因而很容易被切割。但是，這種工藝可能很慢，且有可能造成相當嚴重的損壞。

6.3MMC的二次加工技術(shù)5.3.2.3高能光束(激光刀)及液體噴流切割(噴水刀)

各種高能光束都可用來切割MMC。沿著纖維軸向切割，或加工非連續(xù)復(fù)合材料時，纖維本身并不必要斷裂，需要的是基體的切、熔或揮發(fā)，所用光束可為激光或電子束等。由于光束造成的熱與機械應(yīng)力的作用，纖維便有可能熔化、汽化，以致斷裂。此外，這種切削工藝有可能對微觀組織造成較嚴重的損壞，其形式可為裂紋、界面開裂以及熱效應(yīng)對組織結(jié)構(gòu)的影響。激光切割也已被用于工程陶瓷及CMC（陶瓷基復(fù)合材料）。

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使用高速高集中度的噴射流體既可獲得較高的切割速度，又不致于造成顯著的損壞，所用液體通常為含懸浮磨料顆粒的水。這種方法可用于連續(xù)也可用于非連續(xù)的MMC。由于不會引起溫度的顯著升高，破壞的原因僅僅是機械的，而且只是在靠近表面的地方，所以從綜合潔凈與最快切割速率兩方面而言，流體噴射技術(shù)被認為是最好的方法。一種與此相關(guān)的工藝叫做磨損性流體加工，用這種方法往往可獲得很低的表面粗糙度，在這種方法中，一種含研磨顆粒的黏滯性流體在壓力作用下，流過工件表面，如果要求有拋光的表面，特別是拋光復(fù)雜形狀工件的表面時，這種方法往往很有用。

6.3MMC的二次加工技術(shù)5.3.2.4加工方法及設(shè)備選擇

關(guān)于金屬基復(fù)合材料的加工方法及設(shè)備，一般應(yīng)根據(jù)復(fù)合材料的性能特點、零件的結(jié)構(gòu)尺寸、加工形式及要求等選擇。

(1)切割巳成型好的復(fù)合材料板材、管材、棒材或?qū)訅喊宄Ｐ璋闯叽缫筮M行切割。常用的切割方式有機械切割、砂輪切割、高壓水切割、超聲波切割和激光切割等。用機械切割纖維復(fù)合材料時易產(chǎn)生毛邊或分層現(xiàn)象，故在操作過程中應(yīng)特別注意。高壓水切割、超聲切割和激光切割能保證切割精度，自動化程度高，但需專門設(shè)計的大型設(shè)備，加工成本高。當材料比較薄時可用機械剪切斷；當材料橫截面積不太大時，可用砂輪片切斷；當材料橫截面積較大時可采用一些先進的加工手段，如激光刀、噴水刀、金剛石刀、放電切割等。

6.3MMC的二次加工技術(shù)(2)切削、研磨復(fù)合材料可用常規(guī)機械加工設(shè)備加工，所不同的是對刀具的強度、硬度、耐磨性要求更高。通常采用金剛石、碳化鎢、陶瓷等刀具。

(3)鉆孔復(fù)合材料鉆孔難度較大，一般不能采用常規(guī)鉆頭（如工具鋼、高速鋼鉆頭），必須使用碳化鎢鉆頭，且要求鉆頭有負的傾斜角和較寬的橫刃，以減少加工時的熱量。為了進一步提高加工精度和速度，目前正在開發(fā)電解金剛石加工、放電加工、激光加工和超聲加工等新技術(shù)。

6.3MMC的二次加工技術(shù)5.3.3復(fù)合材料的連接

金屬基復(fù)合材料的連接方法主要包括機械連接和焊接兩類。由于焊接法會顯著改變復(fù)合材料的組織或影響復(fù)合材料的性能，傳統(tǒng)的焊接工藝不太適合于復(fù)合材料的連接，雖然已開展了該方面研究，但目前主要以機械連接方法為主。

6.3MMC的二次加工技術(shù)5.3.3.1機械連接

機械連接主要包括螺栓連接法和鉚接法。螺栓連接法有兩種形式，見圖7－4；鉚接法有五種形式，見圖7－5。螺栓連接可拆卸、比較方便，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；而鉚接強度較高，使用較普遍。

6.3MMC的二次加工技術(shù)5.3.3.2焊接連接

研究開發(fā)高效、高質(zhì)量的金屬基復(fù)合材料的焊接技術(shù)，是獲得某些金屬基復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)及大型結(jié)構(gòu)的必要前提，另外，焊接技術(shù)還可用于對金屬基復(fù)合材料鑄件的某些宏觀缺陷的修補。與對應(yīng)的基體合金相比，非金屬增強體的存在使得金屬基復(fù)合材料連接的技術(shù)難度大為增加。這不僅體現(xiàn)在可選用的焊接技術(shù)種類受到很大限制，而且即便是可用的傳統(tǒng)焊接技術(shù)也必須經(jīng)過改進之后方能奏效。特別是對于連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料，在熔化區(qū)內(nèi)增強體的分布可能受到很大的影響，甚至于從熔化區(qū)內(nèi)消失。

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即使對于顆較增強金屬基復(fù)合材料，在熔化區(qū)內(nèi)的排斥作用也往往會造成復(fù)合材料的明顯不均勻性。而這種顯著的不均勻性又常常使焊縫成為應(yīng)力集中甚至破壞的位置。因此，一般都傾向于采用可使焊合區(qū)較窄的工藝，如釬焊、摩擦焊、激光或電子束焊等連接技術(shù)。表7－1給出了金屬基復(fù)合材料可選用的主要連接方法及其類別。表5-1金屬基復(fù)合材料的主要連接方法固態(tài)連接工藝摩擦焊接超聲焊接擴散焊接液態(tài)連接工藝（熔焊）激光束焊接電子束焊接氣體氬弧焊快速紅外連接其他工藝釬焊鑄造鑲嵌連接機械緊固粘結(jié)

與液態(tài)連接工藝（熔焊）相比，金屬基復(fù)合材料固態(tài)連接工藝的主要特點是溫度較低，所以不易出現(xiàn)有害的界面化學反應(yīng)。與對應(yīng)的基體合金相比，金屬基復(fù)合材料固態(tài)連接時所施加的外力較高。這是因為增強體的加入使金屬基復(fù)合材料的流變應(yīng)力大為提高。

6.3MMC的二次加工技術(shù)

6.3MMC的二次加工技術(shù)

在選擇金屬基復(fù)合材料連接技術(shù)方法和確定、改進技術(shù)參數(shù)時，應(yīng)著重考慮三方面的因素：增強體類型與含量，基體合金的熔點，熱能控制。這些因素的一般影響規(guī)律及應(yīng)遵循的原則是：增強體體積含量越高，可用的傳統(tǒng)連接技術(shù)種類越少；非連續(xù)增強金屬基復(fù)合材料連接的技術(shù)難度要小于連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料；為了防止增強體與基體合金之間化學反應(yīng)，連接時的溫度不宜過高，特別是在基體合金熔點較高的情況下，盡量不選用熔焊技術(shù)；可采用自動焊接或其他特殊的連接技術(shù)，以保證工藝時間盡可能的短、熱能輸入盡可能的少。

6.3MMC的二次加工技術(shù)5.3.4熱處理技術(shù)

對于連續(xù)纖維增強金屬基復(fù)合材料，由于載荷的主要承受組元是連續(xù)纖維而非基體合金。因此對這種復(fù)合材料進行熱處理，其效果自然沒有以基體合金為主承載體的非連續(xù)增強金屬基復(fù)合材料顯著。而非連續(xù)增強金屬基復(fù)合材料的熱處理強化效果不如未增強的基體合金顯著，這是因為非連續(xù)增強體畢竟承擔了一部分載荷，并且對金屬基復(fù)合材料基體還將產(chǎn)生位錯強化等作用。研究發(fā)現(xiàn)，增強體的存在有時會對基體合金的熱處理效應(yīng)及過程有最著的影響。這就使得金屬基復(fù)合材料的有效的熱處理制度不同于其基體合金。甚至形成了一些金屬基復(fù)合材料所特有的、全新的熱處理原理與工藝。下面簡要地將常見的金屬基復(fù)合材料熱處理技術(shù)進行歸納。

6.3MMC的二次加工技術(shù)5.3.4.1時效處理

金屬基復(fù)合材料固溶處理后的時效強化，在原理上基體合金并沒有本質(zhì)區(qū)別。但在過程上、行為上及強化效果上確有不同之處。這是因為，金屬基復(fù)合材料中增強體的存在將對基體合金的時效析出行為產(chǎn)生直接（如通過界面溶質(zhì)偏聚）和間接的影響。間接的影響是指通過影響（一般為提高）基體的位錯密度和空位濃度來改變析出相的形核和長大行為。實驗結(jié)果表明，增強體與基體合金之間的熱（錯配）應(yīng)力對非連續(xù)增強金屬基復(fù)合材料中基體的位錯密度以及空位濃度有很大的影響。

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與基體合金相比，金屬基復(fù)合材料時效析出行為的一般特點是：析出過程的步驟與順序不變，但動力學行為加速，即在基體中高密度位錯上的形核加速了金屬基復(fù)合材料時效析出過程。時效動力學宏觀表現(xiàn)為峰時效的顯著提前，動力學本質(zhì)為形核激活能的下降，而反映在掃描差熱分析結(jié)果上則是析出相形成溫度的降低。為此，金屬基復(fù)合材料的時效處理工藝應(yīng)基體合金有所不同，多為適當縮短時效時間，有時還要適當提高固溶溫度。例如，Al-5％Cu合金190℃人工時效的峰時效時間約為60h，而6％～20％SiCp/Al-5％Cu復(fù)合材料190℃人工時效的峰時效時間則大幅度地提前到16～24h。

6.3MMC的二次加工技術(shù)5.3.4.2淬火強化處理

通過淬火進一步提高金屬基復(fù)合材料基體的位錯密度從而達到強化的目的，這是金屬基復(fù)合材料所特有的