复合材料-金属基复合材料-课件.ppt

1、1、金属基复合材料的使用要求2、金属基复合材料的界面3、金属基复合材料的制备1、金属基复合材料的使用要求、金属基复合材料的使用要求航天、航空领域的结构件航天、航空领域的结构件高比强度和比模量高比强度和比模量以及以及尺寸稳定性尺寸稳定性是最重要的性能要求。是最重要的性能要求。密度小的轻金密度小的轻金属合金属合金镁合镁合金和铝合金作金和铝合金作为基体为基体高强度、高模量的高强度、高模量的石墨纤维、硼纤维石墨纤维、硼纤维等组成石墨等组成石墨/镁、石镁、石墨墨/铝、硼铝、硼/铝铝1、金属基复合材料的使用要求、金属基复合材料的使用要求1、金属基复合材料的使用要求、金属基复合材料的使用要求哈勃太空望远镜哈

2、勃太空望远镜天线波导桅杆天线波导桅杆P100碳纤维碳纤维/6061铝合金铝合金航天飞机主货舱航天飞机主货舱支柱支柱50 vol.%硼纤维硼纤维/60611、金属基复合材料的使用要求、金属基复合材料的使用要求航天、航空领域的发动机构件航天、航空领域的发动机构件要求复合材料不仅有要求复合材料不仅有高比强度高比强度和和比模量比模量，还要具有优良的，还要具有优良的耐高温耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。性能，能在高温、氧化性气氛中正常工作。钛合金、镍钛合金、镍合金以及金合金以及金属间化合物属间化合物碳化硅、钨丝碳化硅、钨丝1、金属基复合材料的使用要求、金属基复合材料的使用要求镍基变形高温合金

3、广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工镍基变形高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、涡轮盘和业燃气轮机的热端部件，如工作叶片，导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。燃烧室等。高温合金高温合金汽车增压器喷嘴环叶片汽车增压器喷嘴环叶片 1、金属基复合材料的使用要求、金属基复合材料的使用要求 汽车发动机、刹车片：汽车发动机、刹车片：要求其零件要求其零件耐热、耐磨、导耐热、耐磨、导热热、一定的高温强度等，同、一定的高温强度等，同时又要求时又要求成本低廉成本低廉，适合于，适合于批量生产批量生产。铝合金铝合金 +陶瓷颗粒、短纤维、陶瓷颗粒、短纤维、如碳化硅如碳化硅大众

4、汽车公司大众汽车公司Lupo汽车汽车后制动鼓后制动鼓20 vol.%SiC/A359铝合金铝合金1、金属基复合材料的使用要求、金属基复合材料的使用要求汽车结构件轻量化与油耗、性能的关系轻量化与油耗、性能的关系(逸动实际试验结果逸动实际试验结果)：1.1.实际油耗：实际油耗：减重减重100kg100kg，油耗降低约0.4L/100km0.4L/100km；2.2.加速性能：加速性能：减重减重100kg100kg，0-100km/h加速性提升提升8-10%8-10%；3.3.制动性能：制动性能：减重减重100kg100kg，制动距离缩短缩短2 27m7m。因对汽车安全性、功能性要求的增加，整车重量

5、逐渐增加。但进入21世纪后，越来越严格的环保和排放法规要求，目前整车重量呈明显现下降的趋势。奥迪A6七代车型重量的变化历程安全性提高、舒适性和功能的增加导致重量增加。油耗与排放的要求使汽车轻量化成为必然趋势1160Kg1230Kg1545Kg1790Kg1990Kg2050Kg1980Kg20121、金属基复合材料的使用要求、金属基复合材料的使用要求v 电子工业：电子工业：集成电路基板和元件需要集成电路基板和元件需要高导热、低高导热、低膨胀、具有一定耐热性膨胀、具有一定耐热性的金属基复合材料。的金属基复合材料。基体：高导热率的银、铜、铝等金属为基体基体：高导热率的银、铜、铝等金属为基体增强体：

6、高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维增强体：高导热性、低热膨胀的超高模量石墨纤维、金刚石纤维2、金属基复合材料的界面、金属基复合材料的界面金属基复合材料中金属基体和增强体之间的界面对复合材金属基复合材料中金属基体和增强体之间的界面对复合材料的性能起着决定性的作用。料的性能起着决定性的作用。主要考察：主要考察：v 界面类型与界面结合界面类型与界面结合v 界面稳定性界面稳定性v 界面浸润界面浸润v 界面反应控制界面反应控制v 第第类界面类界面 基体与增强材料界面基体与增强材料界面既不相互反应，也不互溶。既不相互反应，也不互溶。微观上界面是平整或光滑，微观上界面是平整或光滑，而且只有分子

7、层厚度。界而且只有分子层厚度。界面两侧分别为基体和增强面两侧分别为基体和增强材料，不含其它物质。材料，不含其它物质。如如SiCw/Al的界面。的界面。界面类型界面类型增强材料和基体之增强材料和基体之间相互扩散渗透，间相互扩散渗透，相互溶解而形成的相互溶解而形成的界面。这类界面往界面。这类界面往往在增强材料（如往在增强材料（如纤维）周围，形成纤维）周围，形成环状，界面呈犬牙环状，界面呈犬牙交错的溶解扩散层。交错的溶解扩散层。v 第第IIII类界面类界面Cf/Ni复合材料界面复合材料界面Bf/Ti-6Al-4V中中TiB2反应层反应层（850，100h）v 第第IIIIII类界面类界面 基体与增强

8、材料的界面发生界面反应，界面存在有微米基体与增强材料的界面发生界面反应，界面存在有微米和亚微米级的界面和亚微米级的界面反应产物反应产物。最典型是。最典型是Bf/Ti，Cf/Al复合材复合材料。在高温下料。在高温下 Bf/Ti在界面形成在界面形成TiB2界面反应物层。界面反应物层。v 第第IIIIII类界面类界面碳纤维与铝基体发生严重反应后纤维的损伤碳纤维与铝基体发生严重反应后纤维的损伤 (a)原始纤维形貌 (b)损伤后纤维形貌Cf/Al复合材料中复合材料中Cf与与Al基体发生界面反应，生成基体发生界面反应，生成Al4C3。Cf/Al的界面反应及反应产物的界面反应及反应产物Al4C3v 准准I类

9、界面类界面出现准出现准类界面有两种情况：类界面有两种情况：属属类界面中的增强材料与基体，类界面中的增强材料与基体，从热力学分析会可能发生界面反应，从热力学分析会可能发生界面反应，但当采用固态法制备时，形成但当采用固态法制备时，形成类界类界面；而当采用液态法制备时就可能形面；而当采用液态法制备时就可能形成第成第类界面；类界面；增强材料的表面未处理，存在有增强材料的表面未处理，存在有吸附的氧，在制备时也会与基体产生吸附的氧，在制备时也会与基体产生界面反应。界面反应。如如SiCf/Al，Bf/Al属于此类。属于此类。为此把这类界面称之为准为此把这类界面称之为准类界面。类界面。界面的稳定性界面的稳定性

10、长时间在使用高温度下使用长时间在使用高温度下使用影响界面稳定性的因素主要有物理因素和化学因素，即：影响界面稳定性的因素主要有物理因素和化学因素，即：v 界面溶解与析出界面溶解与析出v 界面反应界面反应界面溶解与析出界面溶解与析出 界面溶解与析出是影响界面溶解与析出是影响MMC第第类界面稳定性的主要类界面稳定性的主要物理因素。典型例子是物理因素。典型例子是Cf/Ni和和Wf/Ni复合材料。复合材料。界面产生互溶后，受温度和时间的影响，界面会出现不界面产生互溶后，受温度和时间的影响，界面会出现不稳定。稳定。例如：例如：Wf/Ni中，采用扩散结合制备时，界面互溶并不严重，中，采用扩散结合制备时，界面

11、互溶并不严重，但随着使用温度的提高和使用时间的增长，如在但随着使用温度的提高和使用时间的增长，如在1100下下经过经过50h，Wf的直径仅为原来的直径仅为原来50，这样就严重影响了，这样就严重影响了Wf/Ni复合材料的使用性能和可靠性。复合材料的使用性能和可靠性。界面反应界面反应 界面反应是影响具有第界面反应是影响具有第类界面的复合材料界面稳类界面的复合材料界面稳定性的化学因素。增强材料与基体发生界面反应时，当定性的化学因素。增强材料与基体发生界面反应时，当形成大量脆性化合物，削弱界面的作用，界面在应力作形成大量脆性化合物，削弱界面的作用，界面在应力作用下发生，引起增强材料的断裂，从而影响复合

12、材料性用下发生，引起增强材料的断裂，从而影响复合材料性能的稳定性。界面反应的发生与增强材料和基体的性质能的稳定性。界面反应的发生与增强材料和基体的性质有关，与反应的温度、时间有关。有关，与反应的温度、时间有关。金属复合材料界面反应分为：金属复合材料界面反应分为：v 连续界面反应；连续界面反应；v 交换式界面反应；交换式界面反应；v 暂稳态界面变化。暂稳态界面变化。v 连续界面反应连续界面反应 MMC在在制备过程中，或在热处理过程，也可在高温使制备过程中，或在热处理过程，也可在高温使用过程，增强材料与基体的界面反应连续进行。连续界面用过程，增强材料与基体的界面反应连续进行。连续界面反应可以反应可

13、以发生在基体或增强材料一侧，也可以在基体和增发生在基体或增强材料一侧，也可以在基体和增强材料界面上同时进行。强材料界面上同时进行。影响影响MMC连续界面反应的因素主要有温度、时间。反连续界面反应的因素主要有温度、时间。反应的量会随温度的变化和时间的长短发生变化。这类界面应的量会随温度的变化和时间的长短发生变化。这类界面反应的典型如反应的典型如Cf/Ni、Bf/Ti、Cf/Al以及以及SiCf/Ti等。等。Bf/Ti-6Al-4V，经，经850100h后界面反应后界面反应 Bf/Ti-6Al-4V的连续界面反应，一般是发生在的连续界面反应，一般是发生在Bf一侧。一侧。Bf表面表面B原子通过界面层

14、向原子通过界面层向Ti基体扩散（在基体扩散（在Bf内部留下空内部留下空洞），并与洞），并与Ti反应生成反应生成TiB2界面反应产物。在一定温度和界面反应产物。在一定温度和时间条件下，界面反应是连续进行的。时间条件下，界面反应是连续进行的。例例1：Bf/Ti-6Al-4V连续界面反应连续界面反应不同不同Cf/Al界面反应界面反应 a)反应产物反应产物Al4C3量随热处理温度的变化量随热处理温度的变化以及以及 b)对复合材料强度的影响对复合材料强度的影响 Cf/Al的连续界面反应，根据微观观察界面反应产物出的连续界面反应，根据微观观察界面反应产物出现的位置，以及现的位置，以及Cf表面变化情况，说明

15、界面反应是发生在表面变化情况，说明界面反应是发生在Al基体一侧。而且与温度有明显的关系。基体一侧。而且与温度有明显的关系。例例2：Cf/Al连续界面反应连续界面反应例例3：SiCf/Ti连续界面反应连续界面反应 SiCf/Ti连续界面反应发生在增连续界面反应发生在增强材料与基体界面两侧。并且界强材料与基体界面两侧。并且界面反应产物也与面反应产物也与Si、C和和Ti的原子的原子扩散速度有关。扩散速度有关。SiCf/Ti连续界面反应产物在界连续界面反应产物在界面上靠面上靠Ti基体一侧为基体一侧为SimTin化物，化物，中间是中间是TiSiC化合物，而靠化合物，而靠SiCf一一侧是侧是TiC。SiC

16、f/Ti-6Al-4V的界面的界面不同位置俄歇电子能谱线扫描不同位置俄歇电子能谱线扫描SiCfTiBf/Ti-6Al-4V界面交换反应示意图界面交换反应示意图v 交换式界面反应交换式界面反应 当增强材料含有两种以上元素的金属基体之间发生化学反应，形当增强材料含有两种以上元素的金属基体之间发生化学反应，形成反应产物后，反应产物还会与其他基体元素发生交换反应，产生界成反应产物后，反应产物还会与其他基体元素发生交换反应，产生界面的不稳定。例如硼纤维增强含铝较高的钛合金（面的不稳定。例如硼纤维增强含铝较高的钛合金（Ti-8Al-1Mo-1V),在在硼纤维和基体界面上会发生交换反应。硼纤维和基体界面上会

17、发生交换反应。Ti(Al)B(Ti,Al)B2 (Ti,Al)B2 Ti TiB2 Ti(Al)即界面先反应生成即界面先反应生成(Ti,Al)B2界面反界面反应产物，该产物可能与应产物，该产物可能与Ti继续进行交继续进行交换反应生成换反应生成TiB2和和Ti(Al)。这样，界。这样，界面反应物中的铝又会重新聚集与基体面反应物中的铝又会重新聚集与基体合金一侧。合金一侧。SiCf/Al、B4Cp/Mg的暂稳态界面的暂稳态界面v 暂稳态界面的变化暂稳态界面的变化 一般由于增强材料表面局部氧化造成。比如硼纤维增强铝，由于硼一般由于增强材料表面局部氧化造成。比如硼纤维增强铝，由于硼纤维上吸附有氧，并生成

18、纤维上吸附有氧，并生成BO2。由于铝的活性强，可以还原。由于铝的活性强，可以还原BO2，生成，生成Al2O3，这种界面结合称为氧化结合；在长期热效应作用下，这种界面结合称为氧化结合；在长期热效应作用下，BO2的氧的氧化膜会发生球化，这种局部球化也会影响材料性能。化膜会发生球化，这种局部球化也会影响材料性能。这种暂稳态界面属于准这种暂稳态界面属于准 类界面。类界面。在在B4Cp/Mg、SiCf或或SiCw/Al中中也同样会出现这种暂稳态界面的变也同样会出现这种暂稳态界面的变化，往往要注意这种界面不稳定性化，往往要注意这种界面不稳定性对对MMC性能的影响。性能的影响。界面浸润与界面反应控制界面浸润

19、与界面反应控制 随着人们对随着人们对MMC界面显著影响复合材料性能认识的提界面显著影响复合材料性能认识的提高，改善增强材料和基体的润湿性以及控制界面反应的速高，改善增强材料和基体的润湿性以及控制界面反应的速率与反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面率与反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或者界面层的产生，已成为或者界面层的产生，已成为MMC界面研究的重要内容。界面研究的重要内容。目前主要有两种方法：目前主要有两种方法：v 增强材料的表面处理，如表面涂覆增强材料的表面处理，如表面涂覆v 基体合金化（或基体改性）基体合金化（或基体改性）根据润湿方程，根据润湿方程，lgslsgco

20、s 要提高增强材料与基体熔体的润湿性，主要是提高要提高增强材料与基体熔体的润湿性，主要是提高 sg，或降低或降低 lg。通过增强材料的表面处理可以增加增强材料的表面能，是通过增强材料的表面处理可以增加增强材料的表面能，是可行的。可行的。金属基体与增强物之间润湿性差，甚至不润湿 （如何保证增强体在基体中的均匀分布是又一难点）（如何保证增强体在基体中的均匀分布是又一难点）(a)液态铸造法 (b)固态粉末冶金法润湿性差造成颗粒在晶粒边界上的聚集润湿性差造成颗粒在晶粒边界上的聚集 增强材料的表面处理，是针对不同基体应用合适的增强材料的表面处理，是针对不同基体应用合适的材料来进行表面涂覆，表面涂层可以在

21、增强材料与基体材料来进行表面涂覆，表面涂层可以在增强材料与基体间起到以下作用：间起到以下作用：v 改善湿润性和粘着性；改善湿润性和粘着性；v 防止相互扩散、渗透和反应（阻挡层）；防止相互扩散、渗透和反应（阻挡层）；v 提高增强材料的抗氧化性提高增强材料的抗氧化性 v 减轻增强材料与基体之间的热应力集中减轻增强材料与基体之间的热应力集中v 防止增强材料的表面损伤。防止增强材料的表面损伤。例：例：采用采用CVD法在碳纤维涂覆法在碳纤维涂覆Ti-B，用于，用于Cf/Al基复合材料基复合材料Cf/Al是一种适宜空间技是一种适宜空间技术的结构和功能复合材料。术的结构和功能复合材料。但是碳纤维和石墨纤维的

22、表但是碳纤维和石墨纤维的表面能很低，一般在正常制备面能很低，一般在正常制备温度下无法被温度下无法被Al液所润湿，液所润湿，只有在只有在10001000高温下才能改高温下才能改善其与善其与Al的润湿性。右图为的润湿性。右图为不同温度下不同温度下Al液与液与C（石墨）（石墨）接触角与温度的关系曲线。接触角与温度的关系曲线。铝液与碳接触角与温度的关系铝液与碳接触角与温度的关系二元铝合金与涂二元铝合金与涂Ti-B后后与石墨的接触角和时间的关系与石墨的接触角和时间的关系 为提高碳和铝的润湿性并控为提高碳和铝的润湿性并控制界面反应，一般采用制界面反应，一般采用CVD法在法在碳纤维上涂覆碳纤维上涂覆TiB涂

23、层或镀涂层或镀Na层，取得了满意的效果。层，取得了满意的效果。二元铝合金与涂二元铝合金与涂Ti-B后石墨后石墨的接触角和时间的关系，可以看的接触角和时间的关系，可以看出不同铝基体上与石墨有良好的出不同铝基体上与石墨有良好的润湿性。润湿性。表面处理后对在空气中加热后表面处理后对在空气中加热后Bf强度的影响强度的影响 表面涂覆后，能显著降低表面涂覆后，能显著降低Bf与基体与基体Ti的界面反应产物，的界面反应产物，起到了控制起到了控制Bf/Ti复合材料的作用。同时复合材料的作用。同时Bf表面涂层还提表面涂层还提高了复合材料的高温抗氧化性。高了复合材料的高温抗氧化性。例：例：在在Bf表面涂覆表面涂覆S

24、iC、B4C，主要用于，主要用于Bf/Ti复合材料复合材料Bf表面处理后对硼纤维表面处理后对硼纤维/钛的界面反应钛的界面反应层厚度的影响层厚度的影响金属基体改性（基体合金化）金属基体改性（基体合金化）在某些金属基复合材料体系中，采用基体合金中添在某些金属基复合材料体系中，采用基体合金中添加某些合金元素以改善增强材料和基体材料之间的浸润加某些合金元素以改善增强材料和基体材料之间的浸润条件或有效控制界面反应的方法为金属基改性。条件或有效控制界面反应的方法为金属基改性。一般基体改性合金化元素应考虑为与增强材料组成一般基体改性合金化元素应考虑为与增强材料组成元素化学位相近的元素，这样亲和力大，容易发生

25、润湿，元素化学位相近的元素，这样亲和力大，容易发生润湿，此外化学位是推动反应的位能，差别小，发生反应的可此外化学位是推动反应的位能，差别小，发生反应的可能性小。能性小。硼纤维硼纤维/钛界面层开裂示意图钛界面层开裂示意图v 基体改性控制界面反应基体改性控制界面反应硼纤维增强钛基复合材料硼纤维增强钛基复合材料硼纤维和钛的界面反应强烈，硼纤维和钛的界面反应强烈，界面反应产物界面反应产物TiB2是脆性物是脆性物质，在达到一定厚度后，在质，在达到一定厚度后，在远低于硼纤维断裂应变条件远低于硼纤维断裂应变条件下，硼化物界面层断裂，引下，硼化物界面层断裂，引起硼纤维的断裂。起硼纤维的断裂。界面反应产物的厚度

26、对界面反应产物的厚度对Bf/Ti应力应变曲线的影响应力应变曲线的影响硼纤维与不同成分钛基体在硼纤维与不同成分钛基体在760界面反应对界面反应对TiB2层厚度影响层厚度影响 在在760时，时，Ti合金与合金与Bf的界面反应生成的的界面反应生成的TiB2层厚层厚(X)与时间与时间(t)的关系如的关系如右图所示。右图所示。符合：符合：基体改性方法就是在基体改性方法就是在Ti合金中添加某些合金元素，以合金中添加某些合金元素，以减少界面反应的量，从而防止减少界面反应的量，从而防止TiB2层过厚。在钛中添加层过厚。在钛中添加的合金元素有：的合金元素有：Si、Sn、Cu、Ge、Al、Mo、V和和Zr等。等。

27、不同基体与不同基体与Bf反应速度常数反应速度常数计算这些合金与计算这些合金与B的反应速度常数的反应速度常数K，得下表，得下表。（1）没有影响。如硅和锡，仍旧保）没有影响。如硅和锡，仍旧保留钛的单一活性；留钛的单一活性；（2）使反应速度稍有下降，下降量）使反应速度稍有下降，下降量和添加量正比，有稀释作用，如铜和和添加量正比，有稀释作用，如铜和锗，实际上在界面起一定的阻挡作用；锗，实际上在界面起一定的阻挡作用；（3）反应速度降低明显，如铝、钼、）反应速度降低明显，如铝、钼、钒和锆。其中钒和锆。其中Al与与Mo基本不与基本不与B反反应，而应，而V，Zr可能先与可能先与B反应，从而反应，从而阻挡了阻挡

28、了Ti与与B的反应。的反应。这些合金元素按界面反应速度常数这些合金元素按界面反应速度常数K作用的大小分为三类：作用的大小分为三类：从从Ti基体合金化与基体合金化与Bf界面反应控制，可以得出，界面反应控制，可以得出，要控要控制或减少液态基体与固态增强材料界面反应，应加入具制或减少液态基体与固态增强材料界面反应，应加入具有以下特性的合金元素：有以下特性的合金元素：不与固态材料表面反应，但对液态金属基体合金不与固态材料表面反应，但对液态金属基体合金起到稀释作用；起到稀释作用；能降低液态金属基体与增强材料的界面反应速度能降低液态金属基体与增强材料的界面反应速度常数常数K K，或者说与增强材料表面进行界

29、面反应的反应活化，或者说与增强材料表面进行界面反应的反应活化能（能（E E）低的合金元素，以优先与固态材料表面发生界面）低的合金元素，以优先与固态材料表面发生界面反应从而抑止基体金属与增强材料的界面反应。反应从而抑止基体金属与增强材料的界面反应。例：例：Mg对对Al2O3/Al界面湿润性影响界面湿润性影响 基体中的基体中的Mg可以与可以与Al2O3纤维或颗粒反应，在界面上形纤维或颗粒反应，在界面上形成类似尖晶石结构的成类似尖晶石结构的nMgO.mAl2O3。反应如下：。反应如下：MgAl2O3 MgOAl nMgOmAl2O3 nMgO mAl2O3 而而nMgOmAl2O3可与可与Al和和A

30、l2O3纤维或颗粒类增强材料都纤维或颗粒类增强材料都形成结合性较强的界面。形成结合性较强的界面。经过试验，当经过试验，当Al-Mg-Si(一种一种Al合金系合金系)与与Al2O3纤维或颗纤维或颗粒复合，如添加粒复合，如添加35 Mg到到Al中，使液态铝合金的表面能中，使液态铝合金的表面能下降，如从下降，如从0.95 N N m m-1-1，降至，降至0.76 N N m m-1-1。因此，在铝中加入。因此，在铝中加入一定量的镁可以起到增加浸润性和提高界面结合的效果。一定量的镁可以起到增加浸润性和提高界面结合的效果。例：例：Li对对Al2O3/Al界面湿润性影响界面湿润性影响 在在Al基体加入基

31、体加入Li可以提高可以提高Al液与液与FP（Al2O3）纤维在真空下湿润性，）纤维在真空下湿润性，从而使从而使FP纤维束在纤维束在Al液中真空下浸渍获得液中真空下浸渍获得FP/Al2O3复合丝工艺成为可复合丝工艺成为可能。能。Al液中的液中的Li与与Al2O3形成形成LiAlO2。同样这类化合物可与。同样这类化合物可与Al及及Al2O3类类增强材料形成结合性较强的界面。增强材料形成结合性较强的界面。当当Al中添加中添加23的的Li，在与，在与Al2O3纤维或颗粒复合时，纤维或颗粒复合时，Li优先与优先与Al2O3纤维或颗粒的表面发生界面反应：纤维或颗粒的表面发生界面反应：6Li+Al2O3 2

32、Li2O2Al Li2O Al2O3 2LiAlO2 2LiAlO2与与Al及及Al2O3均有较好的结合。但均有较好的结合。但Al中的中的Li量不应超过量不应超过3，否则易造成否则易造成Al2O3纤维的退化，影响复合材料的性能。纤维的退化，影响复合材料的性能。由以上由以上Al2O3/Al的用的用Mg、Li进行基体改性改善界面湿进行基体改性改善界面湿润性的事例，可以看出，在润性的事例，可以看出，在Al合金中进行合金化，所添加合金中进行合金化，所添加的合金元素至少需要满足两个条件：的合金元素至少需要满足两个条件：v 添加的合金元素的表面能应低于添加的合金元素的表面能应低于AlAl液的表面能，即：液

33、的表面能，即：v 添加的合金元素与氧反应生成自由能应小于添加的合金元素与氧反应生成自由能应小于AlAl与氧的反与氧的反应生成自由能，即：应生成自由能，即：制备过程中需要考虑到的问题：制备过程中需要考虑到的问题：增强物分布要均匀增强物分布要均匀 防止基体和增强物的性能降低防止基体和增强物的性能降低？避免发生各种不利的反应避免发生各种不利的反应？成本问题（批量生产、加工余料）成本问题（批量生产、加工余料）3、金属基复合材料的制备、金属基复合材料的制备制备过程中需要考虑到的问题：制备过程中需要考虑到的问题：增强物分布要均匀增强物分布要均匀 防止基体和增强物的性能降低防止基体和增强物的性能降低 避免发

34、生各种不利的反应避免发生各种不利的反应 成本问题（批量生产、加工余料）成本问题（批量生产、加工余料）动辄可以耐1000多度高温的各种纤维，为什么突然这么脆弱？3、金属基复合材料的制备、金属基复合材料的制备渗碳体的熔点为1227度两种高熔点的材料混合，会出现低熔点的液相。就算不出现液相，渗碳体中的C元素也可能扩散到基体中，对基体和自身都是致命性的打击。对基体而言，低碳钢成了“中碳钢”对渗碳体而言，不再是渗碳体。制备过程中的主要困难制备过程中的主要困难 控制各种反应控制各种反应 提高浸润性提高浸润性解决办法：解决办法：增强物的表面处理增强物的表面处理 基体中基体中加入合金元素加入合金元素 阻碍扩散

35、、阻碍界面反应阻碍扩散、阻碍界面反应 改善浸润性改善浸润性 优化界面结构优化界面结构 3、金属基复合材料的制备、金属基复合材料的制备根据制备方法的特点，可以把金属基复合材料制备工根据制备方法的特点，可以把金属基复合材料制备工艺的主要方法分为四大类：艺的主要方法分为四大类：固态法（温度较低）固态法（温度较低）液态法液态法 自生成法自生成法 固态法固态法粉末冶金 固态法固态法粉末冶金 固态法固态法热压固结法热压固结法 纤维的排布纤维的排布 复合材料的叠合与真空封装复合材料的叠合与真空封装 热压扩散结合热压扩散结合热压扩散结合工艺的最关键步骤：热压扩散结合工艺的最关键步骤：v 热压时，基体金属箔或薄

36、板在压热压时，基体金属箔或薄板在压力作用下，发生塑性形变，经一力作用下，发生塑性形变，经一定时间和温度的作用扩散而焊合定时间和温度的作用扩散而焊合在一起。形成金属基复合材料，在一起。形成金属基复合材料，热压应有压力下限，如压力不足，热压应有压力下限，如压力不足，金属的塑性变形无法达到与纤维金属的塑性变形无法达到与纤维的界面，会形成的界面，会形成“鱼眼鱼眼”形空洞。形空洞。因压力不足而造成扩散结合不完全所形成的缺陷因压力不足而造成扩散结合不完全所形成的缺陷扩散结合工艺优缺点扩散结合工艺优缺点优点：优点：v 在连续纤维增强在连续纤维增强MMC中，是唯一能按复合材料铺层要中，是唯一能按复合材料铺层要

37、求排布的方法；求排布的方法；v 增强纤维与基体的润湿问题容易解决；增强纤维与基体的润湿问题容易解决；v 可以通过控制热压工艺参数的方法来控制界面反应。可以通过控制热压工艺参数的方法来控制界面反应。v 还可以采用还可以采用热轧和热挤压、拉拔热轧和热挤压、拉拔的二次工艺进行再加的二次工艺进行再加工，还可以采用工，还可以采用超塑性加工超塑性加工方式进行成型加工。方式进行成型加工。缺点：缺点：v 工艺复杂，手工操作多；工艺复杂，手工操作多；v 工艺参数控制要求严格；工艺参数控制要求严格；v 成本高。成本高。固态法固态法热压等静压法热压等静压法 热等静压：将制品放置热等静压：将制品放置到密闭的容器中，向

38、制到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，品施加各向同等的压力，同时施以高温同时施以高温,在高温在高温高压的作用下，制品得高压的作用下，制品得以烧结和致密化。以烧结和致密化。Bodycote IMT Inc.公司的一台大型公司的一台大型 QUINTUS热等静压机热等静压机,炉体热区直径炉体热区直径 1.68 米米 固态法固态法轧制法轧制法有一定的变形量，很容易开裂。固态法固态法 液态法液态法-真空压力浸渍真空压力浸渍在真空和高压惰性气体共同作用在真空和高压惰性气体共同作用下，将液态金属压入增强材料中下，将液态金属压入增强材料中制成预制件，再制备金属基复合制成预制件，再制备金属基复合材料制品。

39、材料制品。主要工艺参数包括主要工艺参数包括:预热预热温度，温度，熔体熔体温度，温度，浸渗压力（驱动力）浸渗压力（驱动力），冷却速度，冷却速度.金属熔体温度越高金属熔体温度越高,流动性越好流动性越好,越容易填充到预制件中越容易填充到预制件中;预制件温度越高预制件温度越高,金属熔体冷却凝固慢金属熔体冷却凝固慢,浸渍越充分浸渍越充分.但是，二者温度越高，界面反应越严重，因此需要严格控制二者温度。但是，二者温度越高，界面反应越严重，因此需要严格控制二者温度。1 1）适用面广，可用于多种金属基体和连续纤维、短纤维、晶）适用面广，可用于多种金属基体和连续纤维、短纤维、晶须和须和 颗粒等增强材料的复合，增强

40、材料的形状、尺寸、含量基颗粒等增强材料的复合，增强材料的形状、尺寸、含量基本上不受限制。也可用来制造混杂复合材料。本上不受限制。也可用来制造混杂复合材料。2 2）可直接制成复合零件，特别是形状复杂的零件，基本上无）可直接制成复合零件，特别是形状复杂的零件，基本上无需进行后继加工。需进行后继加工。3 3）浸渍在真空中进行、压力下凝固，无气孔、疏松、缩孔等）浸渍在真空中进行、压力下凝固，无气孔、疏松、缩孔等铸造缺陷，组织致密，材料性能好。铸造缺陷，组织致密，材料性能好。4 4）工艺简单、参数易于控制，可根据增强材料和基体金属的）工艺简单、参数易于控制，可根据增强材料和基体金属的物理化学特性，严格控

41、制温度、压力等参数，避免严重界面反应。物理化学特性，严格控制温度、压力等参数，避免严重界面反应。5 5）真空压力浸渗法的设备比较复杂，工艺周期长、投资大，）真空压力浸渗法的设备比较复杂，工艺周期长、投资大，制造大尺寸的零件要求大型设备。制造大尺寸的零件要求大型设备。液态法液态法-共喷沉积法共喷沉积法将基体金属在坩埚中熔化后，在压力作用下通过喷咀送入雾化器，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，形成所谓“雾化锥”；通过一个或多个喷嘴向“雾化锥”喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在基板（收集器）上沉积，并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。液态法液态法-共喷沉积法共喷沉积法冷

42、速可达103-106 K/s，金属晶粒及组织细化，消除了宏观偏析增强材料与金属液滴接触时间短，很少或没有界面反应已采用喷射成形工艺成功制备：已采用喷射成形工艺成功制备：（1 1）铝合金、铜合金、合金钢、不锈钢、高温合金和复合材料；）铝合金、铜合金、合金钢、不锈钢、高温合金和复合材料；（2 2）圆锭、管材、板材、带材、环形件等；）圆锭、管材、板材、带材、环形件等；（3 3）大尺寸、高性能的产品）大尺寸、高性能的产品喷射成形技术制备圆锭喷射成形技术制备圆锭 Al-Si合金二元相图合金二元相图过共晶过共晶Al-Si合金合金喷射成形喷射成形普通铸造：先析出大片的普通铸造：先析出大片的Si 液态法液态法

43、-挤压铸造法挤压铸造法压力压力作用下，将液态或者半液态金属基复合材料或金属以一作用下，将液态或者半液态金属基复合材料或金属以一定速度充填压铸模型腔或者增强材料预制体的定速度充填压铸模型腔或者增强材料预制体的孔隙孔隙中。中。金属融体倒入金属融体倒入 迅速加压（迅速加压（70-100 MPa）凝固凝固 顶出顶出带增强材料预制体的压铸法带增强材料预制体的压铸法v 模铸（模铸（die casting）与典型工艺的差别在于：与典型工艺的差别在于：在预热模具中有在预热模具中有预先制备好预先制备好的增强材料的增强材料（长、短纤维，（长、短纤维，颗粒或者晶须）颗粒或者晶须）预制件预制件。将。将熔融金属注入模具

44、并在压力熔融金属注入模具并在压力下使之渗入预制件的间隙，下使之渗入预制件的间隙，在高压下迅速凝固。在高压下迅速凝固。“挤压铸造挤压铸造”也称也称“液态模锻液态模锻”，是一种，是一种介于铸造介于铸造与与锻造锻造之之间的优质、高效、节能的工艺方法。它既能达到同种合金锻间的优质、高效、节能的工艺方法。它既能达到同种合金锻件的内部组织和力学性能，又能实现高效率的大批量生产。件的内部组织和力学性能，又能实现高效率的大批量生产。与普通压铸件相比，可较大程度地提高力学及使用性能；与与普通压铸件相比，可较大程度地提高力学及使用性能；与普通锻件相比，又可节约能源普通锻件相比，又可节约能源 液态法液态法-搅拌铸造

45、法搅拌铸造法 工艺简单，制造成本低工艺简单，制造成本低廉。廉。基本原理是将颗粒直接基本原理是将颗粒直接加入到基体金属熔体中，加入到基体金属熔体中，通过一定方式的搅拌使通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属颗粒均匀地分散在金属熔体中，然后浇铸成锭熔体中，然后浇铸成锭坯、铸件等。坯、铸件等。液态法液态法-搅拌铸造法搅拌铸造法关键技术：关键技术：为了提高增强效果要求加入尺寸为了提高增强效果要求加入尺寸细小的颗粒细小的颗粒，不易进入和均匀分，不易进入和均匀分散在金属熔体中，散在金属熔体中，易产生团聚易产生团聚 强烈的搅拌容易造成金属熔体的强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量吸入空气。氧化和大量吸入

46、空气。因此必须采取有效的措施来改善因此必须采取有效的措施来改善金属熔体对颗粒的润湿性，防止金属熔体对颗粒的润湿性，防止金属氧化和吸气等。金属氧化和吸气等。液态法液态法-搅拌铸造法搅拌铸造法Duralcan法法基体金属溶液基体金属溶液搅拌炉搅拌炉真空真空,Ar气气氛气气氛,保温保温加入增强颗粒加入增强颗粒搅拌搅拌浇铸浇铸涡旋搅拌涡旋搅拌 液态法液态法-复合铸造法复合铸造法颗粒加入半固态金属中颗粒加入半固态金属中，通过这种熔体中固相的金属粒子将，通过这种熔体中固相的金属粒子将颗粒带入熔体中。通过对加热温度的控制将金属熔体中的固颗粒带入熔体中。通过对加热温度的控制将金属熔体中的固相粒子的含量控制在相

47、粒子的含量控制在40406060（质量分数），加入的颗粒（质量分数），加入的颗粒在半固态金属中与固相金属粒子相互碰撞、摩擦，促进与液在半固态金属中与固相金属粒子相互碰撞、摩擦，促进与液态金属的润湿复合，在强烈的搅拌下逐步均匀地分散在半固态金属的润湿复合，在强烈的搅拌下逐步均匀地分散在半固态熔体中，形成均匀分布的复合材料。态熔体中，形成均匀分布的复合材料。复合后，再加热升温复合后，再加热升温到浇铸温度，浇铸成零件或坯料到浇铸温度，浇铸成零件或坯料。自生成法自生成法前面介绍的前面介绍的MMC制备方法中往往或多或少都存在有基体与制备方法中往往或多或少都存在有基体与增强材料相容性问题，即增强材料相容性

48、问题，即 润湿性问题；润湿性问题；界面反应问题。界面反应问题。如果增强材料可以直接从金属基体中反应直接生成（原如果增强材料可以直接从金属基体中反应直接生成（原位生成），则可以解决这些问题。位生成），则可以解决这些问题。原位复合法（原位复合法（In situ）特点：）特点：在基体中可以直接生成（原位）的增强相；在基体中可以直接生成（原位）的增强相；和基体界面接触良好，不存在润湿性；和基体界面接触良好，不存在润湿性；生成相的热力学稳定性好，不存在界面反应。生成相的热力学稳定性好，不存在界面反应。自生成法自生成法原位复合或者原位增强方法目前主要有三种：原位复合或者原位增强方法目前主要有三种：共晶合金

49、定向凝固法共晶合金定向凝固法 直接金属氧化法直接金属氧化法 反应生成法反应生成法定向凝固共晶合金定向凝固共晶合金 该法由单晶的定向凝固制备该法由单晶的定向凝固制备方法衍生而来，要求合金成分方法衍生而来，要求合金成分为共晶或接近共晶成分，开始为共晶或接近共晶成分，开始二元合金，后扩展为三元单变二元合金，后扩展为三元单变度共晶，以及有包晶或偏晶反度共晶，以及有包晶或偏晶反应的两相结合。应的两相结合。二元合金定向凝固时，参二元合金定向凝固时，参与共晶反应的与共晶反应的和和两相同时从两相同时从液相中平稳生成液相中平稳生成，其中一相以，其中一相以棒状（纤维状）或者层片状规棒状（纤维状）或者层片状规则排列

50、生成，如右图所示：则排列生成，如右图所示：定向凝固共晶合金两相平稳生长示意图定向凝固共晶合金两相平稳生长示意图定向凝固的条件：定向凝固的条件：定向凝固共晶复合材料的原位生长必须满足三个条件：定向凝固共晶复合材料的原位生长必须满足三个条件：v 有一定的温度梯度有一定的温度梯度v 满足平面稳定凝固条件满足平面稳定凝固条件v 两相的成核与生长要协调进行两相的成核与生长要协调进行如如Ti、Al、B的粉末，以一定的比例的粉末，以一定的比例混合，加热，有如下放热反应：混合，加热，有如下放热反应：TiAlBTiB2PTiAl 或在或在Al-Ti合金熔体中导入含碳的合金熔体中导入含碳的气体，有如下反应：气体，