金屬基復合材料的制備工藝原理課件

第三章金屬基復合材料的制備方法第三章金屬基復合材料的制備方法增強體AlMgTiCu…SiCAl2O3B4CC…性能設(shè)計物理性質(zhì)化學性質(zhì)力學性質(zhì)…種類形態(tài)尺寸分布…制備工藝界面金屬基復合材料應用技術(shù)的關(guān)鍵問題：低成本、高品質(zhì)的制備與成型技術(shù)；復合材料界面狀態(tài)調(diào)控問題；復合材料性能設(shè)計問題；基體金屬基復合材料增AlSiC性能設(shè)計物理性質(zhì)化學性質(zhì)力學性質(zhì)種類制備工藝界面3.1概述

金屬基復合材料制造技術(shù)是影響金屬基復合材料迅速發(fā)展和廣泛應用的關(guān)鍵問題。金屬基復合材料的性能、應用、成本等在很大程度上取決于金屬基復合材料的的制造方法和工藝。目前雖然已經(jīng)研制出不少制造方法和工藝，但仍存在一系列問題。因此,研究發(fā)展有效的金屬基復合材料制造方法一直是金屬基復合材料研究中最重要的問題之一。

3.1概述金屬基復合材料制造技術(shù)是

根據(jù)各種方法的基本特點，把金屬基復合材料的制備工藝分為四大類：(1)固態(tài)法：粉末冶金、熱壓法和熱等靜壓法、擴散結(jié)合、軋制法、擠壓和拉拔法、爆炸成型法；(2)液態(tài)法：真空壓力浸滲法、擠壓鑄造法、無壓滲透法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸滲法。(3)噴射與噴涂沉積法；(4)新型方法：原位自生成法，放電等離子燒結(jié)(SPS)、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、化學鍍和電鍍法及復合鍍法等。常用的金屬基復合材料制備工藝根據(jù)各種方法的基本特點，把金屬基復合材料的制備工藝分為四1975年大眾汽車公司Lupo汽車后制動鼓20vol.%SiC/A359鋁合金哈勃太空望遠鏡天線波導桅桿P100碳纖維/6061鋁合金1990年1999年航天飛機主貨艙支柱50vol.%

硼纖維/6061金屬基復合材料的制備1975年大眾汽車公司Lupo汽車后制動鼓20vol.%連續(xù)增強相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——

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)法連續(xù)增強相復合材料的制備工藝7不連續(xù)增強相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7不連續(xù)增強相復合材料的制備工藝

制造技術(shù)應具備的條件(1)使增強材料均勻地分布金屬基體中，滿足復合材料結(jié)構(gòu)和強度要求;(2)能使復合材料界面效應、混雜效應或復合效應充分發(fā)揮;(3)能夠充分發(fā)揮增強材料對基休金屬的增強、增韌效果;(4)設(shè)備投資少，工藝簡單易行，可操作性強；便于實現(xiàn)批量或規(guī)模生產(chǎn);(5)能制造出接近最終產(chǎn)品的形狀，尺寸和結(jié)構(gòu)，減少或避免后加工工序.制造技術(shù)應具備的條件(1)使增強材料均勻地分布金屬基體中

金屬基復合材料制備的關(guān)鍵性技術(shù)在高溫下易發(fā)生不利的化學反應;增強材料與基體浸潤性差;增強材料在基體中的分布。金屬基復合材料制備的關(guān)鍵性技術(shù)在高溫下易發(fā)生不利的化學反應固態(tài)法：是指基體處于固態(tài)制備金屬基復合材料的方法。整個工藝過程處于較低的溫度，金屬基體與增強物均處于固體狀態(tài)。由于溫度較低，金屬與增強物之間的界面反應不嚴重。粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、擴散結(jié)合、軋制法、熱擠壓法、拉拔法等均屬于固態(tài)復合成型方法。3.2固態(tài)法3.2固態(tài)法11是最早用來制備金屬基復合材料的方法。早在1961年，Kopenaal等人就利用粉末冶金法制備了碳纖維增強的鋁基復合材料。但由于性能較差，這種方法已經(jīng)不用來制備長纖維增強的復合材料，而主要用于顆?；蚓ы氃鰪姷慕饘倩鶑秃喜牧?。3.2.1粉末冶金法11是最早用來制備金屬基復合材料的方法。早在1961年，Ko

粉末冶金是用于制備與成型非連續(xù)增強型金屬基復合材料的一種傳統(tǒng)的固態(tài)工藝法。生產(chǎn)陶瓷有相似的地方利用粉末冶金原理，將基體金屬粉末和增強材料按設(shè)計要求的比例在適當?shù)臈l件下均勻混合，然后再壓坯、燒結(jié)或擠壓成型，或直接用混合粉料進行熱壓、熱軋制、熱擠壓成型，也可將混合料壓坯后加熱到基體金屬的固-液相溫度區(qū)間內(nèi)進行半固態(tài)成型，獲得復合材料或制件。粉末冶金可用于短纖維、顆粒或晶須增強的金屬基復合材料。3.2.1粉末冶金法粉末冶金是用于制備與成型非連續(xù)增強型金屬基復合材料的一種傳顆粒（晶須）合金粉末混合熱壓冷壓-燒結(jié)封裝除氧擠壓毛坯或零件粉末冶金法的工藝流程顆粒（晶須）合金粉末混合熱壓冷壓-燒結(jié)封裝除氧擠壓毛坯或零件粉末冶金工藝的基本工序是：1、原料粉末的制備現(xiàn)有的制粉方法大體可分為兩類：機械法和物理化學法。而機械法可分為：機械粉碎及霧化法；物理化學法又分為：電化腐蝕法、還原法、化合法、還原-化合法、氣相沉積法、液相沉積法以及電解法。不銹鋼真空球磨罐QM-星行球磨機粉末冶金工藝的基本工序是：1、原料粉末的制備現(xiàn)有的制粉方法大2、壓制成坯塊成型的目的是制得一定形狀和尺寸的壓坯，并使其具有一定的密度和強度。成型的方法基本上分為加壓成型和無壓成型。加壓成型中應用最多的是模壓成型。2、壓制成坯塊成型的目的是制得一定形狀和尺寸16液壓機原理圖16液壓機原理圖

燒結(jié)是粉末冶金工藝中的關(guān)鍵性工序。成型后的壓坯通過燒結(jié)使其得到所要求的最終物理機械性能。燒結(jié)又分為單元系燒結(jié)和多元系燒結(jié)。對于單元系和多元系的固相燒結(jié)，燒結(jié)溫度比所用的金屬及合金的熔點低；對于多元系的液相燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般比其中難熔成分的熔點低，而高于易熔成分的熔點。除普通燒結(jié)外，還有松裝燒結(jié)、熔浸法、熱壓法等特殊的燒結(jié)工藝。

溫度,時間,氣氛.3、坯塊的燒結(jié)燒結(jié)是粉末冶金工藝中的關(guān)鍵性工序。成型后的壓坯通過燒結(jié)使金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件燒結(jié)后的處理，可以根據(jù)產(chǎn)品要求的不同，采取多種方式。如精整、浸油、機加工、熱處理及電鍍。此外，近年來一些新工藝如軋制、鍛造也應用于粉末冶金材料燒結(jié)后的加工，取得較理想的效果。致密化：加熱，加壓（熱擠壓）4、產(chǎn)品的后序處理燒結(jié)后的處理，可以根據(jù)產(chǎn)品要求的不同，采取多種方式。如精整、燒結(jié)溫度低于金屬熔點，由于高溫引起的增強材料與金屬基體的界面反應少，減小了界面反應對復合材料性能的不利影響。同時可以通過熱等靜壓或燒結(jié)時的溫度、壓力和時間等工藝參數(shù)來控制界面反應。降低增強材料與基體互相濕潤及密度差的要求，使顆?；蚓ы毦鶆蚍植荚诮饘倩鶑秃喜牧系幕w中。采用熱等靜壓工藝時，其組織細化、致密、均勻，一般不會產(chǎn)生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他內(nèi)部缺陷得到明顯改善，提高復合材料的性能。金屬基復合材料可通過傳統(tǒng)的金屬加工方法進行二次加工，得到所需形狀的復合材料構(gòu)件毛坯。粉末冶金法的優(yōu)點

燒結(jié)溫度低于金屬熔點，由于高溫引起的增強材料與金屬基體的界面工藝過程比較復雜；理論上可根據(jù)性能要求，使增強材料（纖維、顆?；蚓ы殻┡c基體金屬粉末以任何比例混合，但實際應用過程中，增強體含量較高時，孔隙率較高；界面結(jié)合難以優(yōu)化；金屬基體必須制成粉末，增如了工藝的復雜性和成本；在制備鋁基、鎂基復合材料時，還要防止粉末引起的爆炸。

粉末冶金法的缺點工藝過程比較復雜；粉末冶金法的缺點工藝適應性

該工藝適于制造SiCp/Al、SiCW/Al、Al2O3/Al、TiB2/Ti等金屬基復合材料零部件、板材或錠坯等。

常用的增強材料有：SiCP、Al2O3、SiC、W、B4CP等顆粒、晶須及短纖維等。

常用的基體金屬有：Al、Cu、Ti等。工藝適應性擴散結(jié)合也稱擴散粘接法或擴散焊接法，是加壓焊接的一種，包括熱壓法和熱等靜壓法。在一定的溫度和壓力下，把表面新鮮清潔的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。擴散結(jié)合是在較長時間的高溫及不大的塑性變形作用下依靠接觸部位原子間的相互擴散進行的。擴散結(jié)合的過程：粘接表面之間的最初接觸，由于加熱和加壓使表面發(fā)生變形、移動、表面膜破壞；發(fā)生界面擴散和體擴散，使接觸面密著粘接；熱擴散界面最終消失，粘接過程完成。擴散結(jié)合成為一種制造連續(xù)纖維增強金屬基復合材料的傳統(tǒng)工藝方法。3.2.2擴散結(jié)合法擴散結(jié)合也稱擴散粘接法或擴散焊接法，是加壓焊接的一種，包括

a)金屬箔復合法b)金屬無緯帶重疊法c)表面鍍有金屬的纖維結(jié)合法

擴散結(jié)合工藝過程示意圖a)金屬箔復合法擴散結(jié)合工藝過程示意圖擴散結(jié)合工藝中，增強纖維與基體的結(jié)合主要分為三個關(guān)鍵步驟：①纖維的排布；②復合材料的疊合和真空封裝；③熱壓。預制片的制備：等離子噴涂法、箔粘接法及液態(tài)金屬浸漬法。熱壓的工藝參數(shù)：溫度、壓力及時間。熱壓法的應用：Bf/Al、SiCf/Al、SiC/TiC/Al、Cf/Mg等復合材料零部件、管材及板材。直徑較粗的硼纖維和碳化硅纖維增強鋁基、鈦基及鎢絲-超合金、鎢絲-銅等復合材料的主要方法。擴散結(jié)合工藝過程擴散結(jié)合工藝中，增強纖維與基體的結(jié)合主要分為三個關(guān)鍵步驟：密度g/cm3泊松比比熱J/kg

K平行纖維方向垂直纖維方向抗拉強度MPa彈性模量GPa抗拉強度MPa彈性模量GPaP100/6061Al2.50.23812905342.525.035.4密度g/cm3泊松比比熱J/kgK平行纖維方向垂直纖維采用擴散結(jié)合方式制備金屬基復合材料，工藝相對復雜，工藝參數(shù)控制要求嚴格，纖維排布、疊合以及封裝手工操作多，成本高。但擴散結(jié)合是連續(xù)纖維增強并能按照鋪層要求排布的唯一可行的工藝。在擴散結(jié)合工藝中，增強纖維與基體的濕潤問題容易解決，而且在熱壓時可通過控制工藝參數(shù)的辦法來控制界面反應。在金屬基復合材料的早期生產(chǎn)中大量采用擴散結(jié)合工藝。擴散結(jié)合的特點采用擴散結(jié)合方式制備金屬基復合材料，工藝相對復雜，工藝參數(shù)控

3.2.3熱等靜壓法熱等靜壓（HotIsostaticPressing，簡稱HIP）工藝是將制品放置到密閉的容器中，向制品施加各向同等的壓力，同時施以高溫,在高溫高壓的作用下，制品得以燒結(jié)和致密化。也是熱壓法的一種。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。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，復合成金屬基復合材料。3.2.3熱等靜壓法熱等靜壓（HotIsostat金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件

熱等靜壓設(shè)備的組成:大多數(shù)生產(chǎn)型熱等靜壓機的最高使用溫度約1400°C，最大壓力在100～200兆帕(1000～2000大氣壓)之間?，F(xiàn)代最大的熱等靜壓機的總噸位約40萬千牛（4萬噸力）。壓力容器加熱爐壓縮機真空泵冷卻裝置計算機控制系統(tǒng)影響擴散粘接過程的主要參數(shù)是溫度、壓力和一定溫度及壓力下維持的時間，其中溫度和氣氛最為重要.熱等靜壓設(shè)備的組成:大多數(shù)生產(chǎn)型熱等靜壓機的最高使用溫金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件BodycoteIMTInc.公司的一臺大型QUINTUS?熱等靜壓機,爐體熱區(qū)直徑1.68米BodycoteIMTInc.公司的一臺大型QUIN在熱等靜壓機中生產(chǎn)從金屬粉末直接成型的接近凈形狀零件在熱等靜壓機中生產(chǎn)從金屬粉末直接成型的接近凈形狀零件在熱等靜壓機中處理的鈦合金鑄件,用于消除在鑄造過程中形成的內(nèi)部微空和缺陷在熱等靜壓機中處理的鈦合金鑄件,用于消除在鑄造過程中形成在熱等靜壓機中處理的人工關(guān)節(jié),用于消除在鑄造過程中形成的內(nèi)部微空和缺陷.在熱等靜壓機中處理的人工關(guān)節(jié),用于消除在鑄造過程中形成的三種熱等靜壓工藝先升壓后升溫：其特點是無需將工作壓力開到最高壓力，隨著溫度升高，氣體膨脹，壓力不斷升高，直至達到需要壓力，適用于金屬包套的工藝制備；先升溫后升壓：適用于玻璃包套制備復合材料；同時升溫升壓：適合于低壓成形、裝入量大、保溫時間長的工件制備。材質(zhì)致密、尺寸精度高；但設(shè)備投資大，工藝周期長，成本高。三種熱等靜壓工藝先升壓后升溫：其特點是無需將工作壓力開到最高3.2.4熱軋法、熱擠壓法和熱拉法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、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。3.2.4熱軋法、熱擠壓法和熱拉法都是塑性成形熱加工方法。21八月202339熱軋機工作原理示意圖鋁錠→熔煉爐→靜置爐→過濾→鑄嘴→軋機→中間機組→卷取機熱軋系統(tǒng)基本流程為：04八月202339熱軋機工作原理示意圖鋁錠→熔煉爐→靜40熱軋區(qū)放大示意圖厚度:0.3-12mm;寬度:600-1560mm;剪切長度:500-4500mm;機列速度:90m/min.

產(chǎn)品指標40熱軋區(qū)放大示意圖厚度:0.3-12mm;寬度:600金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件2003年6月擠壓

2003年6月擠壓金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件擠壓筒擠壓嘴定型帶L擠壓筒擠壓嘴定型帶L金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件3.3液態(tài)制造技術(shù)液態(tài)制造技術(shù)是金屬基復合材料主要的制造技術(shù)液態(tài)制造技術(shù)包括:真空壓力浸滲技術(shù)擠壓鑄造技術(shù)液態(tài)金屬攪拌鑄造技術(shù)液態(tài)金屬浸滲技術(shù)無壓浸滲技術(shù)3.3液態(tài)制造技術(shù)液態(tài)制造技術(shù)是金屬基復合材料主要的制造3.3.1真空壓力滲技術(shù)在真空和高壓惰性氣體共同作用下，將液態(tài)金屬壓入增強材料中制成預制件，再制備金屬基復合材料制品。

其兼?zhèn)湔婵瘴T和壓力鑄造的優(yōu)點。

該技術(shù)由美國的Alcon公司于1960年最先發(fā)明，經(jīng)過不斷改進，逐步發(fā)展成能控制熔體溫度、預制件溫度、冷卻速度、壓力等工藝參數(shù)的工業(yè)性制造方法。熔體進入預制件有三種方式:底部壓入式頂部注入式頂部壓入式3.3.1真空壓力滲技術(shù)在真空和高壓惰性氣體共同浸滲爐：耐高壓的殼體、熔化金屬的加熱爐、頂制件預熱爐、坩堝升降裝置、真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、氣體加壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成。金屬熔化過程和預制件預熱過程可在真空或保護氣氛條件下進行，以防止金屬氧化和增強材料損傷。浸滲爐：耐高壓的殼體、熔化金屬的加熱爐、頂制件預熱爐、坩堝升金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件1、工藝過程主要工藝參數(shù)包括:預熱溫度，熔體溫度，浸滲壓力（驅(qū)動力），冷卻速度.金屬熔體溫度越高,流動性越好,越容易填充到預制件中;預制件溫度越高,金屬熔體冷卻凝固慢,浸漬越充分.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度。1、工藝過程主要工藝參數(shù)包括:金屬熔體溫度越高,流動性越好52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。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度。浸漬壓力是制備過程的直接驅(qū)動力，壓力越高，浸漬能力越強。52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(guān)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。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(guān)鍵。預制濕法制備預制件的工藝流程圖濕法制備預制件的工藝流程圖55濕法制備預制件的工藝過程

攪拌制模擠壓干燥吸取脫模干燥55濕法制備預制件的工藝過程攪拌鋁制模具墊圈混合液SiC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

鋁制模具墊圈混合液SiC顆粒壓頭多層濾紙鋁制多孔底蓋濕型法制金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件真空壓力浸滲技術(shù)的特點:

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，增強材料的形狀、尺寸、含量基本上不受限制。也可用來制造混雜復合材料。

2）可直接制成復合零件，特別是形狀復雜的零件，基本上無需進行后繼加工。

3）浸漬在真空中進行、壓力下凝固，無氣孔、疏松、縮孔等鑄造缺陷，組織致密，材料性能好。

4）工藝簡單、參數(shù)易于控制，可根據(jù)增強材料和基體金屬的物理化學特性，嚴格控制溫度、壓力等參數(shù)，避免嚴重界面反應。

5）真空壓力浸滲法的設(shè)備比較復雜，工藝周期長、投資大，制造大尺寸的零件要求大型設(shè)備。真空壓力浸滲技術(shù)的特點:1）適用面廣，可用于多種金屬基工藝適應性：該工藝適于制造C/Al、C/Cu、C/Mg、SiCp/Al、SiCW+SiCp/Al等復合材料零部件、板材、錠坯等。常用的增強材料為：各種纖維、晶須、顆粒等增強材料。常用的基體金屬為：Al、Mg、Cu、Ni等及其合金。工藝適應性：該工藝適于制造C/Al、C/Cu、C/Mg、Si3.3.2擠壓鑄造法該法是將金屬液澆注鑄型后，加壓使金屬液在壓力下凝固。擠壓鑄造是鑄、鍛相結(jié)合的方法又稱液態(tài)模鍛、鍛鑄法等。此法最適合復雜的異型MMCs。金屬從液態(tài)到凝固均處于高壓下，故能充分浸滲，補縮并防止產(chǎn)生氣孔，得到致密鑄件。加壓凝固鑄造法可制備較復雜的MMCs零件，亦可局部增強。由于復合材料易在熔融狀態(tài)下壓力復合，故結(jié)合十分牢固，可獲得力學性能很高的零件。這種高溫下制成的復合坯，二次成型比較方便，可進行各種熱處理，達到對材料的多種要求。3.3.2擠壓鑄造法該法是將金屬液澆注鑄型后，加壓使金屬液“擠壓鑄造”也稱“液態(tài)模鍛”，是一種介于鑄造與鍛造之間的優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能的工藝方法。它既能達到同種合金鍛件的內(nèi)部組織和力學性能，又能實現(xiàn)高效率的大批量生產(chǎn)。與普通壓鑄件相比，可較大程度地提高力學及使用性能；與普通鍛件相比，又可節(jié)約能源。因此多年來，國內(nèi)外廠商均把此項工藝用做汽車高檔有色金屬鑄件的方法之一并迅速發(fā)展?！皵D壓鑄造”也稱“液態(tài)模鍛”，是一種介于鑄造與鍛造之間的優(yōu)質(zhì)壓力浸滲法（擠壓鑄造法）

材料品質(zhì)好、易于成分設(shè)計后續(xù)加工量大，材料體積尺寸受限壓力浸滲法（擠壓鑄造法）通常的壓力浸滲浸滲中途和浸滲完了剖面浸滲方向通常的壓力浸滲專利技術(shù)：溫度場控制、流場控制、

自排氣壓力浸滲技術(shù)通常的壓力浸滲浸滲中途和浸滲完了剖面浸滲方向通常的壓力浸滲專氣孔區(qū)縮松區(qū)氣孔區(qū)縮松區(qū)0.15μm-Al2O3/6061Al的拉伸性能（Vf30%）高品質(zhì)，體現(xiàn)出高的致密度和易加工性適應范圍廣，長短纖維、各種顆粒、納米增強相

克服了界面浸潤問題，不浸潤的材料也能復合0.15μm-Al2O3/6061Al金相組織(a)普通壓力浸滲(b)自排氣壓力浸滲0.15μm-Al2O3/6061Al的拉伸性能高品金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件2003年6月成功制備第一塊銅基復合材料

2003年6月成功制備第一塊銅基復合材料2005年9月制備的最大尺寸復合材料

2005年9月制備的最大尺寸復合材料金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件金屬基復合材料的制備工藝原理ppt課件特點：用于批量制造陶瓷短纖維、顆粒、晶須增強鋁、鎂基復合材料的零部件；由于高壓的作用，可以促進熔體對增強材料的潤濕，增強材料不需要進行表面預處理；熔體與增強材料在高溫下接觸時間短，不必擔心發(fā)生嚴重的界面反應；成本低。特點：3.3.3液態(tài)金屬攪拌鑄造技術(shù)適合于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn);工藝簡單，制造成本低廉?；驹硎菍㈩w粒直接加入到基體金屬熔體中，通過一定方式的攪拌使顆粒均勻地分散在金屬熔體中，然后澆鑄成錠坯、鑄件等。關(guān)鍵技術(shù)：一是為了提高增強效果要求加入尺寸細小的顆粒，10～30μm之間的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，易產(chǎn)生團聚；二是強烈的攪拌容易造成金屬熔體的氧化和大量吸入空氣。因此必須采取有效的措施來改善金屬熔體對顆粒的潤濕性，防止金屬氧化和吸氣等。3.3.3液態(tài)金屬攪拌鑄造技術(shù)適合于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn);74攪拌鑄造工藝流程PouringPouring鎂合金熔體(Melting)澆注成型加顆粒攪拌靜置除氣加熱熔化鎂合金材料體系：SiCp/AZ91Grp/AZ91Csf/AZ9174攪拌鑄造工藝流程PouringPouring鎂合金熔體(75半固態(tài)渦流攪拌液態(tài)無渦流攪拌50mm45mm攪拌鑄造過程實時圖片75半固態(tài)渦流攪拌液態(tài)無渦流攪拌50mm45mm攪拌鑄造過程注意事項與措施（1）在金屬熔體中添加合金元素。（2）顆粒表面處理。（3）復合過程的氣氛控制。（4）有效的機械攪拌。

強烈的攪動可使液態(tài)金屬以高的剪切速度流過顆粒表面，能有效改善金屬與顆粒之間的潤濕性。注意事項與措施（1）在金屬熔體中添加合金元素。（2）顆粒表面2、攪拌工藝方法液態(tài)金屬攪拌鑄造法根據(jù)工藝特點從所選用的設(shè)備可分為:旋渦法Duralcon法復合鑄造法2、攪拌工藝方法液態(tài)金屬攪拌鑄造法根據(jù)工藝特點從所選用的設(shè)備旋渦法的基本原理:利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌器的槳葉攪動金屬熔體，使其強烈流動，并形成以攪拌器轉(zhuǎn)軸為對稱中心的旋渦，將顆粒加到旋渦中，依靠旋渦的負壓抽吸作用，顆粒進入金屬熔體中。經(jīng)過一時間的強烈攪拌，顆粒逐漸均勻地分布在金屬熔體中，并與之復合在一起。四寬葉螺旋槳式攪拌器

旋渦法的基本原理:四寬葉螺旋槳式攪拌器旋渦法的主要工序:基體金屬熔化、除氣、精煉、顆粒預處理、旋渦攪拌.主要工藝參數(shù):攪拌復合工序的攪拌速度:500～1000r/min;攪拌時基體金屬熔體的溫度:在基體金屬液相線溫度以上100℃;旋渦攪拌法工藝簡單，成本低。主要用來制造含較粗顆粒（直徑50～100μm）的耐磨復合材料，如Al2O3-Al-Mg，ZrO2-Al-Mg，Al2O3-Al-Si，SiC-Al-Si，SiC-Al-Mg，石墨－鋁等復合材料。旋渦法的主要工序:旋渦攪拌法工藝簡單，成本低。Duralcan法

液態(tài)金屬攪拌法是20世紀80年代中期由Alcon公司研究開發(fā)的一種顆粒增強鋁、鎂、鋅基復合材料的方法:無旋渦攪拌法。這種方法現(xiàn)已成為一種工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)方法，可以制造高質(zhì)量的SiCp/Al，Al2O3/Al等復合材料，產(chǎn)量達1.1萬噸的顆粒增強金屬基復合材料的工廠已在加拿大魁北克建立。主要制造工藝:基體金屬溶液攪拌爐真空,Ar氣氣氛,保溫加入增強顆粒攪拌①②③④澆鑄⑤Duralcan法液態(tài)金屬攪拌法是20世紀80年代中期由攪拌鑄造法攪拌鑄造法復合鑄造法

復合鑄造法采用機械攪拌將顆?；烊虢饘偃垠w中，其特點是攪拌在半固態(tài)金屬中進行，而不在完全液態(tài)的金屬中進行。顆粒加入半固態(tài)金屬中，通過這種熔體中固相的金屬粒子將顆粒帶入熔體中。通過對加熱溫度的控制將金屬熔體中的固相粒子的含量控制在40％～60％（質(zhì)量分數(shù)），加入的顆粒在半固態(tài)金屬中與固相金屬粒子相互碰撞、摩擦，促進與液態(tài)金屬的潤濕復合，在強烈的攪拌下逐步均勻地分散在半固態(tài)熔體中，形成均勻分布的復合材料。復合后，再加熱升溫到澆鑄溫度，澆鑄成零件或坯料。復合鑄造法復合鑄造法采用機械攪拌將顆?；烊虢饘偃垠w利用超聲波在鋁合金熔體中產(chǎn)生的聲空化效應和聲流效應所引起的力學效應中的攪拌、分散、除氣等來促使顆?；烊脘X合金熔體，改善顆粒與熔體間的潤濕性，迫使顆粒在熔體中均勻分散。是高效的復合方法，能在極短時間內(nèi)實現(xiàn)顆粒在基體中的潤濕和分散，并能除氣、除渣，是一種工藝簡單、成本低廉的制備方法。高能超聲法利用超聲波在鋁合金熔體中產(chǎn)生的聲空化效應和聲流效應所引起的無壓滲透工藝能明顯降低金屬基復合材料的制造成本，復合材料的剛度顯著高于基體金屬，但強度較低。例如以55-60%Al2O3或SiC預制成零件的形狀，放入同樣形狀的剛玉陶瓷槽內(nèi)，將含有3%-10%Mg的鋁合金（基體）坯料放置在增強材料預制體上，在流動的氮氣氣氛下，加熱至800-1000℃，鋁合金熔化并自發(fā)滲入預制體內(nèi)。由于氮氣與鋁合金發(fā)生反應，在金屬基復合材料的顯微組織中還有AlN?？刂频獨饬髁?、溫度以及滲透速度，可以控制AIN的生成量。AlN在鋁基復合材料中起到提高復合材料剛度，降低熱膨脹系數(shù)的作用。采用這種方法制備的Al2O3/Al的剛度是鋁合金基體的兩倍，而SiC/Al的剛度也達到鋼的水平，但強度水平較低。3.3.5無壓浸滲法無壓滲透工藝能明顯降低金屬基復合材料的制造成本，復合材料的剛

無壓浸滲法

成本低、可制備二維尺寸較大的板材、可一次復雜成型、

基體合金成分受限、制約性能、有反應剩余產(chǎn)物無壓浸滲法86噴射成形(sprayforming),又稱噴射鑄造(spraycasting)或噴射沉積(spraydeposition),是繼鑄造和粉末冶金之后發(fā)展的第三類金屬材料制備方法。它把液態(tài)金屬的霧化和熔滴的沉積結(jié)合起來，在一步冶金操作中完成，以較少工序直接從液態(tài)金屬制備整體致密、組織細化、成分均勻、結(jié)構(gòu)完整并接近零件實際形狀的材料和坯件。

該工藝的基本過程是：金屬液流先經(jīng)高壓惰性氣體霧化成細小的液滴，再被高速氣體噴射到收集器上形成連續(xù)致密、具有一定形狀（如錠、管、板等）的近終形坯。噴射成形也可以通過離心霧化來實現(xiàn)，并制得大型的環(huán)形件。

3.4噴射沉積法86噴射成形(sprayforming),又稱噴射鑄造將基體金屬在坩堝中熔化后，在壓力作用下通過噴咀送入霧化器，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“霧化錐”；通過一個或多個噴咀向“霧化錐”噴射入增強顆粒，使之與金屬霧化液滴一齊在基板（收集器）上沉積，并快速凝固形成顆粒增強金屬基復合材料。3.3噴射沉積法將基體金屬在坩堝中熔化后，在壓力作用下通過噴咀送入霧化器，在工藝流程短，工序簡單，噴射沉積效率高，有利于工業(yè)化生產(chǎn)；

高致密度，直接沉積的復合材料密度一般可達到理論的95%-98%；屬快速凝固方法，冷速可達103-106K/s，金屬晶粒及組織細化，消除了宏觀偏析，合金成分均勻，同時增強材料與金屬液滴接觸時間短，很少或沒有界面反應；具有通用性和產(chǎn)品多樣性。工藝適于多種金屬材料基體，如高、低合金鋼、鋁及鋁合金、高溫合金等。通過設(shè)計霧化器和收集器的形狀和一定的機械運動，直接形成盤、棒、管和板帶等接近零件實際形狀的復合材料的坯料。噴射沉積法的優(yōu)點工藝流程短，工序簡單，噴射沉積效率高，有利于工業(yè)化生產(chǎn)；噴1968年，英國Swansea大學的A.Singer教授發(fā)明了噴射沉積方法。1974年，英國的R.Brooks等發(fā)展了Osprey工藝，并取得兩項專利。1979年，美國MIT的N.J.Grant教授提出了液體動壓成形工藝。1988年，美國加州大學E.J.Lavernia等開發(fā)了噴射共沉積技術(shù)。1990年，美國的A.Lawley教授等提出了反應噴射成形技術(shù)。已采用噴射成形工藝成功制備：（1）鋁合金、銅合金、合金鋼、不銹鋼、高溫合金和復合材料；（2）圓錠、管材、板材、帶材、環(huán)形件等；（3）大尺寸、高性能的產(chǎn)品噴射成形的發(fā)展概況1968年，英國Swansea大學的A.Singer教授發(fā)噴射成形技術(shù)—Osprey工藝制備圓錠噴射成形技術(shù)—Osprey工藝制備圓錠Osprey工藝制備板材Osprey工藝制備板材Spraycast-X工藝制備高溫合金環(huán)形件Waspaloy耐熱鎳基合金環(huán)（Spraycast-X+HIP+Machined）Spr