金属基复合材料的发展及应用Word格式.docx
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目前在MMCs中仍以SiC和Al2O3颗粒增强铝为主,其次为短纤维增强和连续纤维增强的MMCs。
颗粒增强型MMCs以其高耐磨、高强度、低成本等优点受到广泛关注。
目前已具备批量生产条件,具有良好的发展及应用前景。
11连续纤维增强MMCs
连续纤维增强MMCs由于必须先制成复合丝或复合片等先驱体,工艺复杂而成本高,因此与颗粒增强MMCs相比,其商品化进程相对缓慢。
B/Al是连续纤维增强MMCs得到实际应用的最好范例。
美国于20世纪60年代开始研究,70年代成功应用于航天飞机轨道器上。
用B/Al管材制造的主骨架、肋条桁架的支柱、骨架稳定支架、制动器支撑架等共
第30卷第10期化工新型材料Vol30No102002年10月NEWCHEMICALMATERIALSOct.2002
作者简介:
吴利英,女,1966年生。
工程师、现从事复合材料应用研究工作。
已在航空制造技术、表面技术等杂志发表论文20余篇。
89种243根150kg,比最初设想的铝合金方案减轻145kg,相当于质量降低44%。
我国于70年代开始以实验室规模研制B/Al复合材料,目前与国际研究水平比较接近,但在工程技术应用方面,与技术先进国家相比还有较大的差距。
80年代以后,现代技术的进步推动了原材料、复合材料成型工艺的发展。
在原材料方面有采用先进的CVD（化学气相沉积法生产的表面带有能与相应基体匹配的富碳涂层的各种SiC连续纤维（直径140m,如TSM公司的SCS系列,其中用以增强钛合金的为SCS-6型;
以及用CVD工艺生产的TiB、TiC、SiC涂层的石墨纤维等。
基体有铝基、钛基、镍基、金属间化合物基等,-21S高强度抗氧化钛合金和Ti3Al及其衍生的钛铝金属间化合物为佳品。
航空航天技术的发展,如能水平起降、单级入轨、超音速巡航和可重复使用的航天飞机（NASP的发展等,成为80年代MMCs发展的巨大推动力。
为与NASP高性能发动机材料和NASP的机翼及机身构件相配套,美国空军资助TSM公司建立了世界第一条钛基MMCs的自动化生产线。
又如,战术固体导弹的发展,促进了以SiC（碳芯连续纤维缠绕的、等离子喷涂铝基体的火箭发动机壳体的研制。
这种壳体具有钢的强度和刚度,却比铝合金壳体轻11%,美国前几年已经点火试车成功。
另外,卫星的一些结构件如抛物面天线、太空望远镜光学系统支架等航天器构件也都采用了这种MMCs[3]。
在民用工业方面,台湾的自行车零件商已将铝基编织碳纤维管制成各种高档自行车用的把横管和鞍座立管,并已系列化和商品化[4]。
先进民用运输机的起落架可采用连续增强体MMCs,以降低重量和增强环境抗力。
另外的潜在应用包括需要高温强度的超音速飞机蒙皮和发动机结构件[5]。
12非连续增强体MMCs
非连续增强体MMCs包括颗粒增强、晶须增强和短纤维增强MMCs。
这种材料虽然其增强效应远不及连续纤维,但它主要是可以弥补某些材料性能的不足,如增加刚度、耐磨性、耐热性、抗蠕变等,是70年代以来成果显著、推广应用最广的MMCs。
其中颗粒增强MMCs以其低成本、良好的力学性能、可二次加工性、优异的尺寸稳定性等引起材料界的广泛关注,成为金属基复合材料发展中极具吸引力的发展方向。
试验结果表明,颗粒尺寸越小,其对MMCs的增强效果越大,并且在相同体积分数下,颗粒越细,材料的热膨胀系数越小[6]。
近年来以SiC、Al2O3等硬质陶瓷颗粒、纤维、晶须等增强的MMCs,由于具有优异的耐磨性、高强度、低密度而显示出在摩擦磨损领域很好的应用前景[7]。
SiC颗粒成本低廉、来源广泛,SiC颗粒增强铸造铝基复合材料成本较低、制造工艺简单、容易规模化生产,和普通铸造铝合金一样可重熔铸造成型。
业已证明,它们可通过现有的各种铸造工艺如砂型、金属型、熔模铸造、压铸、消失模等方法生产复合材料铸件。
近年来人们对其进行了广泛的应用研究,并获得了一些应用,国外已出现SiCp/Al复合材料的铸锭商品及其各种型材和构件。
美、日、印度等国已开发出SiCp/Al合金复合材料的活塞、连杆和缸套等汽车内燃机零部件,SiCp、Al2O3颗粒增强MMCs制造的制动盘已在日本的新干线和德国的ICE高速列车上进行试验,它的最大特点是耐磨、比重小、导热性好、热容量大,是高速和超高速列车的理想制动材料[8]。
据报道美国Specialized公司加州分公司以氧化铝陶瓷颗粒与6061-T6铝合金混合烧结的一种MMCs,制造自行车架,获得了空前的效果。
它比纯铝合金制车架的强度和刚度提高了70%,重量只有118kg,整车重量85kg。
国内不少研究单位虽在颗粒增强MMCs的力学性能、失效方式和界面理论等研究方面取得了一定的成果,但实际开发应用方面的研究报道尚不多见[9]。
80年代中期,加拿大Alcan公司在美国的Duralcan分公司发明了真空搅拌复合技术,SiC颗粒增强铸造铝基复合材料的制备工艺取得了突破。
该公司可生产数十种不同类型的复合材料,具有年生产1万吨复合锭的能力,生产的铸锭销售到世界100多个应用厂家。
复合铸锭的价格从开发的25$/kg降到5$/kg,接近普通铝合金的15倍。
国内在该材料的制备方面也开展了不少工作,但多数局限在实验水平,从复合质量和制备容量上与实际应用有一定差距。
北京航空材料研究所的桂满昌等采用真空搅拌工艺,开展了40kg容量SiC颗粒增强铸造铝基复合材料的制备研究,铸锭气孔率小于1%,从质量和数量上满足了复合材料铸件批量性生产要求。
用该材料浇注了卫星遥感器熔模精密铸件和金属型摩托车活塞铸件[10]。
第10期吴利英等:
金属基复合材料的发展及应用∀33∀
13片层叠合MMCs
片层叠合MMCs是由纤维树脂预浸料和薄金属板组成的层间复合材料。
其中的ARALL（AramidFiberAluminiumLaminate是一类具有优良性能的新兴材料,于20世纪80年代问世[11],它是由纤维浸渍树脂基体后和薄铝合金板经过复杂的预处理过程后交叠铺层再热压而形成的层间超混杂复合材料。
它将纤维复合材料和合金铝的良好性能溶为一体[12],具有高强度、低密度、抗冲击、耐高温、抗雷击和耐老化等特性,应用前景广阔。
目前国外在F-27、F-50和C-17等飞机上进行了机翼下蒙皮、机身圆筒段蒙皮和货舱门等的设计与试飞,并取得成功。
它也可以用于其他军工和民用产品上[13]。
2MMCs的制备方法
连续纤维增强MMCs一般先作成预制物再复合成型。
预制物一般有:
粉末布、等离子喷涂无纬布和增强丝与基体金属丝混合编织带等。
复合工艺有:
液相熔铸法（以铝基MMCs为主、半固-半液相热模压法和固态扩散连接法[3]。
非连续增强体MMCs经过30余年的研究和探索,已开发了粉末冶金法、搅拌铸造法、半固态铸造法、压力浸渗法、喷射沉积法等多种工艺。
但上述工艺存在材料制备过程复杂、成本高以及增强颗粒与基体润湿性差、易发生界面反应等难以克服的缺点[14]。
在最近几年开发了几种比较新颖而又有发展前景的新工艺,如原位反应复合法、无压浸渗法和真空压力浸渍法。
用原位反应复合法制作的钛基复合材料,由于其优异的力学性能和耐热性能,在航空、航天和汽车工业中有较广泛的应用前景,而真空压力浸渍法虽存在设备昂贵及工件尺寸有限的缺点,但对小型制件而言,却有不少可取之处,除了增强体的体积含量范围大、制品质量好外,还可以实现近似无余量成型,特别适合于复杂精密制件[15]。
3颗粒增强铝基复合材料的性能及其加工特性
31颗粒增强铝基复合材料的性能
SiC颗粒和铝合金制备成颗粒增强铝基复合材料后,可获得一系列有用的物理性能和力学性能,其中最主要的热膨胀系数、导热率、密度、耐磨性及弹性模量等。
更引人注目的是,这些性能可在一定程度上根据实际需要调整。
常用的铸造铝基复合材料的机械性能、导热系数、热膨胀系数和耐磨性见表1~表4[16]。
表1ZL101/SiCp复合材料的机械性能
材料
拉伸强度
/MPa
屈服强度
弹性模量
/GPa
延伸率
/%
密度
/（g/cm3W1410%32332828837269273
W1415%33692893898201276
W1420%375431861010164278
W2010%34112964848295273
W2015%33973078969098276
W2020%339130441000083278表2几种材料的导热系数/（Cal/cms#
材料20#50#100#150#200#250#300#350#400#
Al203/Al03560319030029302930295029302820256SiCp/Al03760339032003170322033103350330031066-10610054005500546奥氏体铸铁0076007800810086
表3几种材料的热膨胀系数
材料各温度下的线膨胀系数（10-6/#
100#150#200#250#300#350#400#SAE328192320842143219623142363236966-11655181519122009209321572205Al203f/Al1657182418431918200720242096SiCp/Al1665165717611867199420372059高镍奥氏体铸铁1760178018001830
表4SiCp增强66-1复合材料耐磨性能
稀土铝硅
合金
氧化铝纤
维/铝
碳化硅颗
粒/铝
高镍奥氏
体铸铁
磨痕宽度
/mm
最大1947515000942511670
最小1847513250865011275
平均1897014120903711472
由表可看出,与铝合金基体相比,颗粒增强铝基复合材料的弹性模量可提高20%~40%,耐磨性与高镍奥氏体铸铁相当,热膨胀系数可在10~23∃10-6/#范围内调节,导热系数是铸铁的4倍,而密度只有铸铁的1/3。
32颗粒增强铝基复合材料的成型特性
颗粒增强铝基复合材料可采用传统的金属成型加工的设备和工艺,如铸造、挤压、热压、轧制、旋压、机械切削加工等,但成型特性又不同于普通金属。
321铸造
在复合材料的熔炼过程中,必须严格控制熔体温度,以减少和避免界面反应:
Al+SiC%Al4C3+Si。
此反应生成脆性化合物Al4C3和游离态Si,对复合
∀34∀化工新型材料第30卷
材料的组织和性能是有害的。
另外,由于颗粒的加入,复合材料熔体的流动性差,气体不易逸出,易造成铸件的气孔率较高。
而优化搅拌工艺,控制铸件的凝固过程,以使颗粒分布均匀,气孔率较低,这对提高铸锭和零部件的性能是极为关键的。
322挤压
挤压成型是颗粒增强铝基复合材料的重要成型方法。
但由于颗粒的加入使材料的塑性下降,屈服强度升高,所以挤压时所需压力相对较大,因此坯料必须预热以提高材料的塑性,降低屈服强度,减少挤压力,但预热温度不宜过高,否则易造成表面撕裂,影响表面质量。
另外,合理选择挤压速度、改善模具润滑等都是保证挤压成功的关键。
323轧制
复合材料板材轧制包括坯料准备、表面包覆、热轧和冷轧等步骤。
在颗粒含量低时,可采用铸造坯料,经均化处理和包覆后直接轧制。
对高含量颗粒复合材料的轧制,采用热压坯料更为有利。
由于复合材料塑性差,轧制过程中必须注意坯料的加热温度、轧制道次、每次的压下量、中间加热和保温时间。
坯料温度过低、道次过多、压下量过大都会造成严重开裂。
表面包覆、中间退火、裂边修整、减少轧制过程中的温度降低,对轧制成品率的提高有利。
324切削加工
颗粒增强铝基复合材料切削加工的主要问题是切削速度低,刀具磨损,加工精度难以提高。
随颗粒含量的增加,颗粒尺寸增大,刀具的磨损加快,加工精度降低。
一般的硬质合金刀具加工时,宜采用低切削速度和合适的切削进给量;
采用聚晶金刚石刀具,则可提高加工精度,减少刀具磨损,可应用于批量生产中。
4MMCs的回收与再生
MMCs的应用前景十分广阔,其用量会越大越大,随之而来的环境污染问题就会提到议事日程上来。
原则上,除了连续纤维增强的MMCs外,其他非连续增强的MMCs均可采用重熔再铸造的方法来再生。
然而,不少MMCs在高温重熔的过程中会发生界面反应而生成界面产物,以致严重影响重熔再生材料的性能,甚至自行碎裂。
例如,碳化硅颗粒增强纯铝复合材料,经过一次重熔后,由于产生大量的Al4C3容易水解而使材料裂成碎块。
因此,从能够重熔的角度着眼,在材料组分设计时即应有所考虑。
据报道,氧化铝颗粒增强铝合金复合材料由于彼此不会发生反应,经多次重熔后仍可保持性能基本恒定。
另外,选择适当的合金元素可能会获得很好的效果。
例如同样的碳化硅颗粒增强含一定比例硅的铝合金,由于硅元素扩散到界面上起了阻挡反应生成Al4C3的作用,因此经重熔4次尚可保持其力学性能,且材料可长期存放。
通过原位反应得到的MMCs,由于增强体本身是反应的产物,更有利于重熔再生。
对于不能重熔再生的MMCs,只能回收金属。
比较成熟的回收方法是用熔盐炉处理。
目前,有关回收再生的研究还刚刚起步,今后需要开展深入的研究[15]。
参考文献
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79~84
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3林德春NCCM-8,1~10
4曹广毅俞家水NCCM-8,1310~1315
5美国国家研究委员会编中国航空工业总公司译用于下一代民用运输机的新材料国家学术出版社,WashingtonDC,19966徐震,耿林,彭华新NCCM-10,347~351
7卢德宏,顾明元,施忠良NCCM-10,251~256
8杨庆生NCCM-10,1062~1067
9齐海波,樊云昌,丁占来NCCM-10,317~321
10桂满昌,王殿斌,袁广江等NCCM-10,212~216
11毛天祥,韩金虎,卿新林等NCCM-8,877~880
12周元金,夏源明。
NCCM-10,800~804
13陈国民,林德春,周贵臻。
NCCM-8,571~574
14马明臻,于金库,赵玉成材料工程。
2001,3:
28~30
15吴人洁航空制造技术,2001,3:
19~21
16王文龙,欧阳求保,张曾祜等NCCM-10,1084~1089
收稿日期:
2002-01-25
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