第四章第二节金属基复合材料(MMC)制备工艺.ppt

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第二节第二节金属基复合材料（金属基复合材料（MMC）制备工艺）制备工艺2.12.1概述概述2.1.1金属基复合材料的研究重点金属基复合材料的研究重点11）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能；设计和性能；22）增强相）增强相/基体的界面优化、界面设计；基体的界面优化、界面设计；33）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本；）制备工艺的研究，以提高复合材料的性能和降低成本；44）新型增强剂的研究开发；）新型增强剂的研究开发；55）复合材料的扩大应用。

）复合材料的扩大应用。

2.1.2金属基复合材料制备工艺的分类：

金属基复合材料制备工艺的分类：

1）固态法：

真空热压扩散结合、热等静压、固态法：

真空热压扩散结合、热等静压、超塑性成型超塑性成型/扩散结合、模压、粉末冶金法。

扩散结合、模压、粉末冶金法。

22）液态法：

液态浸渗、真空压铸、反压铸造、）液态法：

液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。

半固态铸造。

33）喷射成型法：

等离子喷涂成型、喷射成型。

）喷射成型法：

等离子喷涂成型、喷射成型。

44）原位生长法。

）原位生长法。

2.1.3连续增强相金属基复合材料的制备工艺连续增强相金属基复合材料的制备工艺铝合金铝合金固态、液态法固态、液态法碳纤维碳纤维镁合金镁合金固态、液态法固态、液态法硼纤维硼纤维钛合金钛合金固态法固态法SiCSiC纤维纤维高温合金高温合金固态法固态法氧化铝纤维氧化铝纤维金属间化合物金属间化合物固态法固态法2.1.42.1.4不连续增强相金属基复合材料的制备工艺不连续增强相金属基复合材料的制备工艺铝合金铝合金固态、液态、原位生长、喷射成型法固态、液态、原位生长、喷射成型法颗粒颗粒镁合金镁合金液态法液态法晶须晶须钛合金钛合金固态、液态法、原位生长法固态、液态法、原位生长法短纤维短纤维高温合金高温合金原位生长法原位生长法金属间化合物金属间化合物粉末冶金、原位生长法粉末冶金、原位生长法2.2先驱（预制）丝（带、板）的制备先驱（预制）丝（带、板）的制备2.2.1粉末法纤维粉末法纤维/基体复合丝基体复合丝首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合首先将金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成基体粉末制成基体粉末/聚合物粘接剂胶体，然后将纤聚合物粘接剂胶体，然后将纤维通过带有一定孔径毛细管的胶槽，在纤维表维通过带有一定孔径毛细管的胶槽，在纤维表面均匀地涂敷上一层基体粉末胶体，干燥后形面均匀地涂敷上一层基体粉末胶体，干燥后形成一定直径的纤维成一定直径的纤维/基体粉末复合丝。

基体粉末复合丝。

2.2.2PVDPVD法纤维法纤维/基体复合丝基体复合丝采用磁控溅射等物理气相沉积（采用磁控溅射等物理气相沉积（PVDPVD）手段将基体金）手段将基体金属均匀沉积到纤维表面上，形成纤维属均匀沉积到纤维表面上，形成纤维/基体复合丝。

基体复合丝。

PVD法纤维法纤维/基体复合丝原理图基体复合丝原理图2.2.32.2.3等离子喷涂纤维等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：

基体箔材先驱（预制）带（板）：

2.2.52.2.5熔池法纤维熔池法纤维/基体复合丝基体复合丝这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石墨纤维增强铝基复合材料。

由于碳纤维或石墨纤维与铝纤维增强铝基复合材料。

由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成液接触会反应生成Al4C3界面生成物。

过量的脆性相界面生成物。

过量的脆性相Al4C3生成会严重影响复合材料的性能。

生成会严重影响复合材料的性能。

对石墨纤维进行对石墨纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表面涂层处理可以增加纤维或（液态）金属钠表面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性，防止过量的脆性相与铝液的润湿性，防止过量的脆性相Al4C3生成。

生成。

2.32.3金属基复合材料（金属基复合材料（MMCMMC）制备方法）制备方法2.3.1粉末冶金法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）粉末冶金法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料粉末冶金法也是一种制备非连续增强相金属基复合材料常采用的工艺。

其优点如下：

常采用的工艺。

其优点如下：

1）与液相法相比，制备温度低，界面反应可控；与液相法相比，制备温度低，界面反应可控；2）可根据要求设计复合材料的性能；可根据要求设计复合材料的性能；3）利于增强相与金属基体的均匀混合。

利于增强相与金属基体的均匀混合。

4）其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善；5）利于净成型或近净成型，二次加工性能好。

利于净成型或近净成型，二次加工性能好。

但工艺流程较长，成本较高是这种工艺的缺点。

但工艺流程较长，成本较高是这种工艺的缺点。

8.3.28.3.2固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺）固态法（连续增强相金属基复合材料制备工艺）（11）真空热压扩散结合）真空热压扩散结合（22）热等静压（）热等静压（HIPHIP）热等静等静压制制备金属基复合材料管材示意金属基复合材料管材示意图（33）模压成型）模压成型模模压成型也是成型也是扩散散结合的一种手段。

将合的一种手段。

将纤维/基体基体预制体放置在具有一定形状的模具中制体放置在具有一定形状的模具中进行行扩散散结合，合，最最终得到一定形状的最得到一定形状的最终制品。

常用制品。

常用这种工种工艺制制备各各种型材种型材。

8.3.38.3.3液态法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）液态法（非连续增强相金属基复合材料制备工艺）（11）压铸法）压铸法在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固压铸模型腔或增强材料预制体的空隙中，在压力下快速凝固成型。

成型。

（22）半固态复合铸造）半固态复合铸造将颗粒加入半固态的金属熔体中，通过搅拌使颗粒在基将颗粒加入半固态的金属熔体中，通过搅拌使颗粒在基体中分布均匀，并取得良好的界面结合，然后将半固态复合体中分布均匀，并取得良好的界面结合，然后将半固态复合材料注入模具进行压铸成型。

材料注入模具进行压铸成型。

（33）喷射成型法）喷射成型法喷射沉积工艺是一种喷射沉积工艺是一种8080年代逐渐成熟的将粉末冶金年代逐渐成熟的将粉末冶金工艺中混合与凝固两个过程相结合的新工艺。

工艺中混合与凝固两个过程相结合的新工艺。

该工艺过程是将基体金属在坩埚中熔炼后，在压力该工艺过程是将基体金属在坩埚中熔炼后，在压力作用下通过喷嘴送入雾化器，在高速惰性气体射流的作作用下通过喷嘴送入雾化器，在高速惰性气体射流的作用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成用下，液态金属被分散为细小的液滴，形成“雾化锥雾化锥”；同时通过一个或多个喷嘴向同时通过一个或多个喷嘴向“雾化锥雾化锥”喷射入增强颗粒，喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在一基板（收集器）上沉积并使之与金属雾化液滴一齐在一基板（收集器）上沉积并快速凝固形成颗粒增强金快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。

属基复合材料。

喷射成型法示意图喷射成型法示意图（44）无压浸渗法）无压浸渗法美国美国LanxideLanxide公司开发的一种新工艺。

公司开发的一种新工艺。

将增强材料制成预制体，放置于由氧化铝制成的将增强材料制成预制体，放置于由氧化铝制成的容器中。

再将基体金属坯料置于增强材料预制体上部容器中。

再将基体金属坯料置于增强材料预制体上部。

然后一齐均装入可通入流氮气的加热炉中。

通过加。

然后一齐均装入可通入流氮气的加热炉中。

通过加热，基体金属熔化，并自发浸渗入网络状增强材料预热，基体金属熔化，并自发浸渗入网络状增强材料预制体中。

制体中。

无压浸渗法无压浸渗法制制备AlAl22OO33（ff）/Al/Al复合材料复合材料工艺原理示意图工艺原理示意图1.3.41.3.4原位（原位（InsituInsitu）生长（复合）法）生长（复合）法增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳定增强相从基体中直接生成，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强相之间的认识润湿和界面反性好，不存在基体与增强相之间的认识润湿和界面反应等问题，基体与增强相结合良好，较好的解决了界应等问题，基体与增强相结合良好，较好的解决了界面相容性问题。

面相容性问题。

（11）共晶合金定向凝固）共晶合金定向凝固：

共晶合金定向凝固要求合共晶合金定向凝固要求合金成分为共晶或接近共晶成分，开始为二元合金，后金成分为共晶或接近共晶成分，开始为二元合金，后发展为三元单变共晶，以及有包晶或偏晶反应的两相发展为三元单变共晶，以及有包晶或偏晶反应的两相结合。

定向凝固时，参与共晶反应的结合。

定向凝固时，参与共晶反应的和和相同时从相同时从液相中生成，其中一相以棒状（纤维状）或层片状规液相中生成，其中一相以棒状（纤维状）或层片状规则排列生成（上图）。

则排列生成（上图）。

定向凝固共晶合金复合材料的原位生长必须满足三个条件：

定向凝固共晶合金复合材料的原位生长必须满足三个条件：

（1）有温度梯度（）有温度梯度（GL）的加热方式；）的加热方式；

（2）满足平面凝固条件；）满足平面凝固条件；GL/VI=mL（CEC0）/DL式中：

式中：

GL：

液相温度梯度；：

液相温度梯度；VI：

凝固速度；：

凝固速度；mL：

液相线斜率；：

液相线斜率；CE：

共晶成分：

共晶成分：

C0：

合金成分；：

合金成分；DL：

溶质在液相中的扩散系数。

：

溶质在液相中的扩散系数。

（3）两相的成核和生长要协调进行。

）两相的成核和生长要协调进行。

（22）反应生长法（）反应生长法（XDTM）该工艺可生成颗粒、晶须或共同增强的金属和金属间该工艺可生成颗粒、晶须或共同增强的金属和金属间化合物基复合材料。

根据所选择的原位生长的增强相的类化合物基复合材料。

根据所选择的原位生长的增强相的类别或形态，选择基体和增强相生成所需的原材料，如一定别或形态，选择基体和增强相生成所需的原材料，如一定粒度的金属粉末、硼或碳粉，按一定比例混合制成预制体，粒度的金属粉末、硼或碳粉，按一定比例混合制成预制体，并加热到熔化或自蔓延燃烧（并加热到熔化或自蔓延燃烧（SHS）反应发生的温度时，）反应发生的温度时，预制体的组成元素进行放热反应，以生成在基体中弥散的预制体的组成元素进行放热反应，以生成在基体中弥散的微观增强颗粒、晶须和片晶等微观增强颗粒、晶须和片晶等例如：

例如：

Al+Ti+BTiB2+AlTiB2/AlAl+Ti+CTiC+AlTiC/AlFe2O3+AlAl2O3+Fe+850KJAl2O3/Fe反应生长法（反应生长法（XDTM）工艺原理示意图）工艺原理示意图2.42.4金属基复合材料的界面和界面设计金属基复合材料的界面和界面设计2.4.12.4.1金属基复合材料的界面金属基复合材料的界面类类型型1类类型型2类类型型3纤维与基体互纤维与基体互不反应亦不溶不反应亦不溶解解纤维与基体互纤维与基体互不反应但相互不反应但相互溶解溶解纤维与基体反应形纤维与基体反应形成界面反应层成界面反应层钨丝钨丝/铜铜Al2O3纤维纤维/铜铜Al2O3纤维纤维/银银硼纤维（硼纤维（BN表表面涂层）面涂层）/铝铝不锈钢丝不锈钢丝/铝铝SiC纤维纤维/铝铝硼纤维硼纤维/铝铝硼纤维硼纤维/镁镁镀铬的钨丝镀铬的钨丝/铜铜碳纤维碳纤维/镍镍钨丝钨丝/镍镍合金共晶体丝合金共晶体丝/同一合金同一合金钨丝钨丝/铜铜钛合金钛合金碳纤维碳纤维/铝（铝（580C）Al2O3纤维纤维/钛钛硼纤维硼纤维/钛钛硼纤维硼纤维/钛钛-铝铝SiC纤维纤维/钛钛SiO2纤维纤维/钛钛2.4.22.4.2金属基复合材料的界面优化以及界面设计金属基复合材料的界面优化以及界面设计改善增强剂与基体的润湿性以及控制界面反应的速度改善增强剂与基体的润湿性以及