金属基复合材料1.pptx

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1、1金属基复合材料金属基复合材料(MMC)，这一术语包括，这一术语包括很广的成分与结构，共同点是有连续的很广的成分与结构，共同点是有连续的金属基体（包括金属间化合物基体）。金属基体（包括金属间化合物基体）。目的：目的：把基体的优越的塑性和成形性与强化体的承把基体的优越的塑性和成形性与强化体的承受载荷能力及刚性结合起来。受载荷能力及刚性结合起来。把基体的高热传导性与强化体的低热膨胀系把基体的高热传导性与强化体的低热膨胀系数结合起来。数结合起来。第1页/共70页2金属基复合材料金属基复合材料相对于相对于传统的金属材传统的金属材料料来说，具有来说，具有较高的较高的比强度比强度与与比刚度比刚度；而与而与

2、树脂基复合材料树脂基复合材料相比，它又具有相比，它又具有优良的优良的导电性导电性与与耐热性耐热性；与与陶瓷基材料陶瓷基材料相比，它又具有相比，它又具有高韧性高韧性和和高冲击性能高冲击性能。第2页/共70页3金属基复合材料的例子可追溯到古文明时期。金属基复合材料的例子可追溯到古文明时期。在土耳其发现的公元前在土耳其发现的公元前7000年的铜锥子，它年的铜锥子，它是经过反复拓平与锤打研制成的。在这个过程是经过反复拓平与锤打研制成的。在这个过程个，非金属夹杂物被拉长。个，非金属夹杂物被拉长。弥散强化金属材料：始于弥散强化金属材料：始于1924年，年，Schmit关关于铝氧化铝粉末烧结，导致上世纪于铝

3、氧化铝粉末烧结，导致上世纪50及及60年代的广泛研究。年代的广泛研究。沉淀强化的理论开始于沉淀强化的理论开始于30年代，并在以后的几年代，并在以后的几十年里得到了发展。十年里得到了发展。第3页/共70页4金属基复合材料真正的起步是在金属基复合材料真正的起步是在20世纪世纪50年年代末或代末或60年代初年代初。美国国家航空和宇航局美国国家航空和宇航局(NASA)成功地制备出成功地制备出W丝增强的丝增强的Cu基复合材料基复合材料，成为金属基复合，成为金属基复合材料研究和开发的标志性起点。材料研究和开发的标志性起点。随后，对随后，对纤维金属基复合材料纤维金属基复合材料的研究在的研究在20世纪世纪60

4、年代迅速发展起来。那时，主要的力量集中年代迅速发展起来。那时，主要的力量集中在以在以钨和硼纤维增强的铝和铜为基钨和硼纤维增强的铝和铜为基的系统。在的系统。在这种复合材料里，这种复合材料里，基体的主要功能在于把载荷基体的主要功能在于把载荷传递和分配给纤维。传递和分配给纤维。增强体的体积分数一般都增强体的体积分数一般都很高很高(约约40-80)，得出的轴向性能都很好，得出的轴向性能都很好，因而基体的组织与强度似乎是次要的。因而基体的组织与强度似乎是次要的。第4页/共70页5关于连续纤维增强的复合材料的研究在关于连续纤维增强的复合材料的研究在70年代年代里有点滑坡，主要归咎干该材料的昂贵价格和里有点

5、滑坡，主要归咎干该材料的昂贵价格和受生产制造的限制。受生产制造的限制。涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材料的涡轮发动机的各个部件对于高温高效性材料的不断需求，触发了对金属基复合材科特别是钛不断需求，触发了对金属基复合材科特别是钛基材料的广泛兴趣的复苏。基材料的广泛兴趣的复苏。第5页/共70页6由于金属基复合材料具有极高的比强度、比由于金属基复合材料具有极高的比强度、比刚度，以及高温强度，首先在航空航天上得刚度，以及高温强度，首先在航空航天上得到应用，今后也将在航空航天领域占据重要到应用，今后也将在航空航天领域占据重要位置。位置。随后，在汽车、体育用品等领域也得到了应随后，在汽车、体育用品等领

6、域也得到了应用，特别是晶须增强复合材料和颗粒增强复用，特别是晶须增强复合材料和颗粒增强复合材料在日本的民用领域得到较好的应用。合材料在日本的民用领域得到较好的应用。第6页/共70页7金属基复合材料的研究重点：金属基复合材料的研究重点：1）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能；）不同基体和不同增强相复合效果、复合材料的设计和性能；2）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；3）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；4）新型增强剂的研究开发；）新型增强剂的研究开发；5）复合材料的扩大应用。）复合材

7、料的扩大应用。第7页/共70页8一、金属基复合材料概述一、金属基复合材料概述金属基复合材料的分类金属基复合材料的分类金属基复合材料的分类金属基复合材料的分类按增强材料分类：按增强材料分类：按增强材料分类：按增强材料分类：颗粒、晶须增强金属基复合材料颗粒、晶须增强金属基复合材料颗粒、晶须增强金属基复合材料颗粒、晶须增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料第8页/共70页9金属基粒子复合材料又称金属基粒子复合材料又称金属基粒子复合材料又称金属基粒子复合材料又称金属陶瓷金属陶瓷金属陶瓷金属陶瓷，是由钛、镍、，是由钛、镍、，是由钛、镍、

8、，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、钴、铬等金属与碳化物、钴、铬等金属与碳化物、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物氮化物、氧化物、硼化物氮化物、氧化物、硼化物氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。等组成的非均质材料。等组成的非均质材料。等组成的非均质材料。碳化物金属陶瓷作为工具碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作材料已被广泛应用，称作硬质合金硬质合金硬质合金硬质合金。硬质合金通常。硬质合金通常以以CoCo、NiNi作为作为粘结剂粘结剂粘结剂粘结剂，WCWC、TiCTiC等作为强化相。等作为强化相。硬质合金组织(Co+WC)硬质合金铣刀硬质合金铣刀第9页/共70页10纤维增

9、强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料纤维增强金属基复合材料金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（材料（材料（材料（MMCMMC）可以使用在较高温的工作环境之下。）可以使用在较高温的工作环境之下。）可以使用在较高温的工作环境之下。）可以使用在较高温的工作环境之下。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁

10、合金。l l作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、维主要有硼纤维、SiCSiC和和和和C C纤维；纤维；纤维；纤维；AlAl2 2OO3 3纤维通常以短纤维的纤维通常以短纤维的纤维通常以短纤维的纤维通常以短纤维的形式用于形式用于形式用于形式用于MMCMMC中。中。中。中。MMCMMC的的SEMSEM照片照片第10页/共70页11按基体材料分类：按基体材料分类：按基体材料分类：按基体材料分类：铝基复合材料铝基复合材料铝基复合材料铝基复合材料镁基复合材料镁基复合材料镁基复合材料镁基复合材料钛基复合材料钛基复合材料钛基

11、复合材料钛基复合材料高温合金基复合材料高温合金基复合材料高温合金基复合材料高温合金基复合材料金属间化合物基复合材料金属间化合物基复合材料金属间化合物基复合材料金属间化合物基复合材料第11页/共70页12按用途分类：按用途分类：结构复合材料结构复合材料：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要：高比强度、高比模量、尺才稳定性、耐热性等是其主要性能特点。用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结性能特点。用于制造各种航天、航空、汽车、先进武器系统等高性能结构件。构件。功能复合材料功能复合材料：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨性等物理性：高导热、导电性、低膨胀、高阻尼、高耐磨

12、性等物理性能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。强调具有能的优化组合是其主要特性，用于电子、仪器、汽车等工业。强调具有电、热、磁等功能特性电、热、磁等功能特性智能复合材料智能复合材料：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。：强调具有感觉、反应、自监测、自修复等特性。应当注意，功能复合材料和智能复合材料容易混淆。应当注意，功能复合材料和智能复合材料容易混淆。第12页/共70页13二、金属基复合材料的制备工艺二、金属基复合材料的制备工艺 1 1、金属基复合材料制备工艺的选择原则：金属基复合材料制备工艺的选择原则：金属基复合材料制备工艺的选择原则：金属基复合材料制备工艺的选择原则

13、：1）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合；）基体与增强剂的选择，基体与增强剂的结合；2）界面的形成机制，界面产物的控制及界面设计；）界面的形成机制，界面产物的控制及界面设计；3）增强剂在基体中的均匀分布；）增强剂在基体中的均匀分布；4）制备工艺方法及参数的选择和优化；）制备工艺方法及参数的选择和优化；5）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景。）制备成本的控制和降低，工业化应用的前景。第13页/共70页14金属基复合材料是金属基复合材料是怎么得到的？怎么得到的？第14页/共70页15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）固态法固态法：真空热压扩散结合、超塑性成型：

14、真空热压扩散结合、超塑性成型/扩散结合、模压、热等静压、粉末扩散结合、模压、热等静压、粉末冶金法。冶金法。2）液态法液态法：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。：液态浸渗、真空压铸、反压铸造、半固态铸造。3）喷射成型法喷射成型法：等离子喷涂成型、喷射成型。：等离子喷涂成型、喷射成型。4）原位生长法原位生长法。第15页/共70页16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、液态法镁合金镁合金 固态、液态法固态、液态法钛合金钛合金 固态法固态法高温合金高温合金 固态法固态法金属间化合物金属间化合物 固态法固态法碳纤维碳纤维硼纤维硼纤维

15、SiC纤维纤维Al2O3纤维纤维第16页/共70页17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、喷射成型法镁合金镁合金 液态法液态法钛合金钛合金 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、原位生长法颗粒颗粒晶须晶须短纤维短纤维第17页/共70页18第18页/共70页192.1 2.1 先驱（预制）丝（带、板）的制备先驱（预制）丝（带、板）的制备2 2、金属基复合材料制备工艺的分类：、金属基复合材料

16、制备工艺的分类：纤维纤维纤维纤维/(/(/(/(基体箔材基体箔材基体箔材基体箔材)聚合物粘结剂聚合物粘结剂聚合物粘结剂聚合物粘结剂先驱先驱先驱先驱(预制预制预制预制)带带带带(板板板板)：缠绕鼓缠绕鼓(基体箔材基体箔材)纤维定向定间距缠绕纤维定向定间距缠绕 涂敷聚合物粘结剂定位。涂敷聚合物粘结剂定位。第19页/共70页20等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂纤维纤维纤维纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）：基体箔材先驱（预制）带（板）：基体箔材先驱（预制）带（板）：基体箔材先驱（预制）带（板）：纤维定向定间距缠绕纤维定向定间距缠绕 等离子喷涂基体粉末定位。等离子喷涂基体粉末定位。第20页/共

17、70页21PVDPVDPVDPVD法法法法纤维纤维纤维纤维/基体复合丝基体复合丝基体复合丝基体复合丝 采用采用物理气相沉积物理气相沉积（PVDPVD）手段将基体金属）手段将基体金属均匀沉积到纤维表面上，均匀沉积到纤维表面上，形成形成纤维纤维纤维纤维/基体复合丝。基体复合丝。基体复合丝。基体复合丝。PVD PVD法纤维表面金属基体沉积层法纤维表面金属基体沉积层 物理气相沉积物理气相沉积物理气相沉积物理气相沉积是通过蒸发，是通过蒸发，电离或溅射等过程，产生电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件应形成化合物沉积在工件表面。表面。第21页/共70页22

18、粉末法粉末法纤维纤维/基体复合丝基体复合丝 金属基体粉末与聚合物粘接剂金属基体粉末与聚合物粘接剂混合制成混合制成基体粉末基体粉末基体粉末基体粉末/聚合物粘聚合物粘聚合物粘聚合物粘接剂胶体接剂胶体接剂胶体接剂胶体；将纤维通过带有一定孔径的胶将纤维通过带有一定孔径的胶槽，在纤维表面均匀地涂敷上槽，在纤维表面均匀地涂敷上一层一层基体粉末胶体基体粉末胶体基体粉末胶体基体粉末胶体，干燥后形，干燥后形成一定直径的纤维成一定直径的纤维/基体粉末基体粉末复合丝。复合丝。复合丝的直径取决于胶体的粘复合丝的直径取决于胶体的粘度、纤维走丝速度以及胶槽的度、纤维走丝速度以及胶槽的毛细管孔径等。毛细管孔径等。要求聚合物

19、粘接剂在要求聚合物粘接剂在真空状态真空状态真空状态真空状态的低温下的低温下的低温下的低温下能够完全挥发。能够完全挥发。粉末法纤维粉末法纤维/基体复合丝示意图基体复合丝示意图 第22页/共70页23熔池法熔池法纤维纤维/基体复合丝基体复合丝 第23页/共70页24这种复合丝制备方法主要是应用于碳纤维或石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。墨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由于碳纤维或石墨纤维与铝液接触会反应生成Al4C3界面生成物。过量的脆性相界面生成物。过量的脆性相Al4C3生成会生成会严重影响复合材料的性能。严重影响复合材料的性能。对

20、纤维进行对纤维进行Ti-B或（液态）金属钠表面涂层处或（液态）金属钠表面涂层处理可以增加纤维与铝液的润湿性，防止过量的理可以增加纤维与铝液的润湿性，防止过量的脆性相脆性相Al4C3生成。生成。熔池法熔池法纤维纤维/基体复合丝基体复合丝 第24页/共70页25扩散结合扩散结合 扩散结合扩散结合是在一定温度和压力下，把是在一定温度和压力下，把均匀排布均匀排布均匀排布均匀排布的基的基体箔片或（复合）先驱丝通过体箔片或（复合）先驱丝通过基体金属表面原子的基体金属表面原子的基体金属表面原子的基体金属表面原子的相互扩散相互扩散相互扩散相互扩散而连接在一起。而连接在一起。扩散结合在真空中进行。其关键是热压工

21、艺参数的扩散结合在真空中进行。其关键是热压工艺参数的控制，包括温度、压力和时间。其控制，包括温度、压力和时间。其压力压力压力压力应有一定下应有一定下限，防止压力不足金属不能充分扩散包围纤维而形限，防止压力不足金属不能充分扩散包围纤维而形成空洞缺陷。成空洞缺陷。模压成型（模压成型（Mold Forming）：将纤维：将纤维/基体预制体基体预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合，最终得到一定形状的最终制品。得到一定形状的最终制品。2.2 2.2 固相法固相法第25页/共70页26粉末冶金法粉末冶金法将金属或非金属粉末将金属或非金属粉末混合混合混合混

22、合后后压制压制压制压制成形，并在低于金属熔点的成形，并在低于金属熔点的温度下进行温度下进行烧结烧结烧结烧结，利用粉末间原子，利用粉末间原子扩散扩散扩散扩散来使其来使其结合结合结合结合的过程被的过程被称做称做粉末冶金粉末冶金粉末冶金粉末冶金工艺。工艺。一、粉料制备与压制成型一、粉料制备与压制成型一、粉料制备与压制成型一、粉料制备与压制成型 粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进行压制成型，粉粒间粉末混料均匀并加入适当的助剂，再进行压制成型，粉粒间的原子通过的原子通过固相扩散和机械咬合作用固相扩散和机械咬合作用固相扩散和机械咬合作用固相扩散和机械咬合作用，使制件结合为具有一，使制件结合为具有一定强度的

23、整体。定强度的整体。二、烧结二、烧结二、烧结二、烧结 将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧将压制成型的制件放置在采用还原性气氛的闭式炉中进行烧结，烧结温度约为基体金属熔点的结，烧结温度约为基体金属熔点的2/32/33/43/4倍。由于高温下倍。由于高温下不同种类原子的不同种类原子的扩散扩散扩散扩散，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉，粉末表面氧化物的被还原以及变形粉末的末的再结晶再结晶再结晶再结晶，使粉末颗粒相互结合。，使粉末颗粒相互结合。第26页/共70页27粉末冶金工艺过程粉末冶金工艺过程原料粉末原料粉末原料粉末原料粉末其它添加剂其它添加剂其它添加剂其它添加剂热压热压 松装烧

24、结松装烧结 粉浆烧注粉浆烧注混合混合压制压制等静压制等静压制 轧制轧制 挤压挤压烧结烧结烧结烧结浸适浸适 热处理热处理 电镀电镀预烧结预烧结高温烧结高温烧结 复压复压锻打锻打复烧复烧拉丝拉丝烧缩烧缩精整精整锻造锻造 轧制轧制 挤压挤压 烧结烧结（浸油）（浸油）热处理热处理粉末冶金成品粉末冶金成品第27页/共70页28常用的粉末冶金材料常用的粉末冶金材料常用的粉末冶金材料常用的粉末冶金材料 （1 1）粉末冶金减摩材料。）粉末冶金减摩材料。通过在材料孔隙中浸润滑油或通过在材料孔隙中浸润滑油或在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制在材料成分中加减摩剂或固体润滑剂制得。广泛用于制造轴承、支承

25、衬套或作端面密封等。造轴承、支承衬套或作端面密封等。（2 2）粉末冶金多孔材料。）粉末冶金多孔材料。又称多孔烧结材料。材料内部又称多孔烧结材料。材料内部孔道纵横交错、互相贯通，一般有孔道纵横交错、互相贯通，一般有30306060的体积孔的体积孔隙度，孔径隙度，孔径1 1100100微米。透过性能和导热、导电性能好，微米。透过性能和导热、导电性能好，耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、耐高温、低温，抗热震，抗介质腐蚀。用于制造过滤器、多孔电极、灭火装置、防冻装置等。多孔电极、灭火装置、防冻装置等。（3 3）粉末冶金结构材料。）粉末冶金结构材料。又称烧结结构材料。能承受拉又称烧结结构

26、材料。能承受拉伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。伸、压缩、扭曲等载荷，并能在摩擦磨损条件下工作。第28页/共70页29（4 4）粉末冶金工模具材料。）粉末冶金工模具材料。包括包括 硬质合金硬质合金 、粉末冶金、粉末冶金高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔高速钢等。后者组织均匀，晶粒细小，没有偏析，比熔铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。铸高速钢韧性和耐磨性好，热处理变形小，使用寿命长。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。可用于制造切削刀具、模具和零件的坯件。（5 5）粉末冶金电磁材料。）粉末冶金电磁材料。包括电工材料和磁性材料。用包括电工材料和磁性材料

27、。用于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。于制造各种转换、传递、储存能量和信息的磁性器件。（6 6）粉末冶金高温材料。）粉末冶金高温材料。包括粉末冶金高温合金、难熔包括粉末冶金高温合金、难熔金属和合金、金属和合金、金属陶瓷金属陶瓷 、弥散强化和纤维强化材料等。、弥散强化和纤维强化材料等。用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高用于制造高温下使用的涡轮盘、喷嘴、叶片及其他耐高温零部件。温零部件。第29页/共70页30粉末冶金技术的主要应用：粉末冶金技术的主要应用：粉末冶金技术的主要应用：粉末冶金技术的主要应用：汽车动力系统：第30页/共70页31汽车发动机用粉末烧结钢零件汽车发

28、动机用粉末烧结钢零件第31页/共70页32汽车变速器系统用粉末烧结钢件汽车变速器系统用粉末烧结钢件:第32页/共70页33齿轮保持架齿轮保持架(Ford)(Ford)(Ford)(Ford)第33页/共70页34温压成型连杆：第34页/共70页35 在压力的作用下，将在压力的作用下，将液态或半液态金属以一定液态或半液态金属以一定速度充填速度充填压铸模型腔压铸模型腔压铸模型腔压铸模型腔或或增增增增强材料预制体的空隙强材料预制体的空隙强材料预制体的空隙强材料预制体的空隙中，中，在压力下快速凝固成型。在压力下快速凝固成型。主要工艺因素有熔融金主要工艺因素有熔融金属的温度、模具预热温度、属的温度、模具

29、预热温度、压力和加压速度等。压力和加压速度等。2.3 液态法液态法(1)压铸法（压铸法（Squeeze Casting）第35页/共70页36(2)(2)半固态复合铸造（半固态复合铸造（半固态复合铸造（半固态复合铸造（Semisolid Slurry CastingSemisolid Slurry Casting）将颗粒加入将颗粒加入半固态的金属熔体半固态的金属熔体半固态的金属熔体半固态的金属熔体中，然后将半固态复合材料注入模中，然后将半固态复合材料注入模具进行具进行压铸成型压铸成型压铸成型压铸成型。金属熔体的温度控制在液相线金属熔体的温度控制在液相线和固相线之间，通过搅拌，使部分和固相线之间

30、，通过搅拌，使部分树枝状结晶体破碎成固态颗粒。树枝状结晶体破碎成固态颗粒。当加入当加入预热后预热后预热后预热后的增强颗粒时，的增强颗粒时，在在搅拌搅拌搅拌搅拌中增强颗粒受到金属颗粒中增强颗粒受到金属颗粒阻阻阻阻碍碍碍碍而滞留在半固态熔体中减少集结而滞留在半固态熔体中减少集结和偏聚，同时搅拌可促进颗粒与金和偏聚，同时搅拌可促进颗粒与金属基体的属基体的接触和润湿接触和润湿接触和润湿接触和润湿。第36页/共70页37(3)(3)喷射成型法（喷射成型法（喷射成型法（喷射成型法（OsprayOspray，Spray Co-Spray Co-depositiondeposition）在高速在高速惰性气体射

31、流惰性气体射流惰性气体射流惰性气体射流的作用下，液态金属形成的作用下，液态金属形成“雾化锥雾化锥”；同时通过一；同时通过一个或多个喷嘴向个或多个喷嘴向“雾化锥雾化锥”喷射入增强颗粒，使之喷射入增强颗粒，使之与金属雾化液滴一齐在一与金属雾化液滴一齐在一基板（收集器）上沉积并基板（收集器）上沉积并快速凝固形成快速凝固形成颗粒增强金颗粒增强金颗粒增强金颗粒增强金属基复合材料属基复合材料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 第37页/共70页38(4)无压浸渗法（无压浸渗法（Lanxide法）法）美国美国LanxideLanxide公司开发的一公司开发的一种新工艺。将种新工艺。将

32、增强材料制增强材料制增强材料制增强材料制成预制体成预制体成预制体成预制体，放置于由氧化，放置于由氧化铝制成的容器中。再将铝制成的容器中。再将基基基基体金属坯料体金属坯料体金属坯料体金属坯料置于增强材料置于增强材料预制体上部。然后一齐装预制体上部。然后一齐装入可通入流动入可通入流动氮气氮气氮气氮气的加热的加热炉中。通过炉中。通过加热加热加热加热，基体金，基体金属熔化，并自发浸渗入网属熔化，并自发浸渗入网络状增强材料预制体中。络状增强材料预制体中。无压浸渗法工艺原理示意图无压浸渗法工艺原理示意图 第38页/共70页39以制备以制备AlN/Al复合材料为例，将增强剂预制体复合材料为例，将增强剂预制体

33、放入同样形状的陶瓷槽中，铝合金坯料放在预制放入同样形状的陶瓷槽中，铝合金坯料放在预制体上。体上。在流动氮气的气氛下，加热至在流动氮气的气氛下，加热至800 1000 C时，时，铝合金熔化并自发渗入预制体内，氮气与铝反应铝合金熔化并自发渗入预制体内，氮气与铝反应生成生成AlN。控制氮气流量、温度和渗透速度，可。控制氮气流量、温度和渗透速度，可控制控制AlN的生成量。的生成量。AlN起到提高复合材料刚度、降低热膨胀系数的起到提高复合材料刚度、降低热膨胀系数的作用，但强度较低。这是一个低成本的制备工艺。作用，但强度较低。这是一个低成本的制备工艺。第39页/共70页404、原位（、原位（In situ

34、）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定性好，不存在基体与增强相之间的润湿和界润湿和界润湿和界润湿和界面反应面反应面反应面反应等问题，基体与增强相等问题，基体与增强相结合结合结合结合良好，较好良好，较好的解决了的解决了界面相容性界面相容性界面相容性界面相容性问题。问题。第40页/共70页41直接金属氧（氮）化法直接金属氧（氮）化法 通过基体金属的氧化或氮化来获取复合材料通过基体金属的氧化或氮化来获取复合材料通过基体金属的氧化或氮化来获取复合材料通过基体金属的氧化或氮化来获取复合材料。制备

35、制备Al2O3/Al时，时，900 1300 C的温度下，使熔融铝通的温度下，使熔融铝通过显微通道渗透到氧化铝层外部，并顺序氧化；即铝被氧过显微通道渗透到氧化铝层外部，并顺序氧化；即铝被氧化，但液态铝的渗透通道未被堵塞。可根据氧化程度控制化，但液态铝的渗透通道未被堵塞。可根据氧化程度控制Al2O3的量。所制备的复合材料就是含有的量。所制备的复合材料就是含有Al的、互连的的、互连的Al2O3陶瓷基复合材料。陶瓷基复合材料。直接氮化获得直接氮化获得AlN/Al、和、和TiN/Ti等金属或陶瓷基复合等金属或陶瓷基复合材料。材料。第41页/共70页42典型的金属基复合材料典型的金属基复合材料硬质合金硬

36、质合金硬质合金是指以一种或几种难熔碳化物（如硬质合金是指以一种或几种难熔碳化物（如碳化钨、碳化钛等）的粉末为主要成分，加碳化钨、碳化钛等）的粉末为主要成分，加人起粘结作用的金属钴粉末，用粉末冶金法人起粘结作用的金属钴粉末，用粉末冶金法制得的材料。制得的材料。1、硬质合金的性能特点、硬质合金的性能特点硬质合金硬度极高，高于任何一种钢，且热硬硬质合金硬度极高，高于任何一种钢，且热硬硬质合金硬度极高，高于任何一种钢，且热硬硬质合金硬度极高，高于任何一种钢，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在刀体上使性、耐磨性好，一般做

37、成刀片，镶在刀体上使用。脆性大。用。脆性大。用。脆性大。用。脆性大。第42页/共70页43常用硬质合金的分类与牌号 （1 1 1 1）钨钴类硬质合金）钨钴类硬质合金）钨钴类硬质合金）钨钴类硬质合金：碳化钨和粘结剂钴，碳化钨和粘结剂钴，其牌号是由其牌号是由“YGYG”（“硬、钴硬、钴”两字汉语拼音字首）两字汉语拼音字首）和平均含钴量的百分数组成和平均含钴量的百分数组成(YG8YG8表示表示CoCo的的质量质量质量质量分数分数分数分数为为8%8%的钨钴类硬质合金的钨钴类硬质合金)。（2 2 2 2）钨钛钴类硬质合金）钨钛钴类硬质合金）钨钛钴类硬质合金）钨钛钴类硬质合金：碳化钨、碳化钛及碳化钨、碳化

38、钛及粘结剂钴，其牌号由粘结剂钴，其牌号由“YTYT”（“硬、钛硬、钛”两字汉语两字汉语拼音字首）和碳化钛平均含量组成拼音字首）和碳化钛平均含量组成(YT15YT15表示表示TiCTiC的的质量分数质量分数质量分数质量分数为为15%15%的钨钴钛类硬质合金的钨钴钛类硬质合金)第43页/共70页44硬质合金刀具：第44页/共70页45成型方法：成型方法：压制压制烧结烧结第45页/共70页46三、金属基复合材料的界面和界面设三、金属基复合材料的界面和界面设计计 1 1 1 1、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

39、型 3纤维与基体纤维与基体互不反互不反互不反互不反应亦不溶解应亦不溶解应亦不溶解应亦不溶解纤维与基体互不反纤维与基体互不反应但应但相互溶解相互溶解相互溶解相互溶解纤维与基体纤维与基体反应反应反应反应形成界形成界面反应层面反应层钨丝钨丝/铜铜Al2O3 纤维纤维/铜铜Al2O3 纤维纤维/银银硼纤维（硼纤维（BN表面涂表面涂层）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/同同一合金一合金钨丝钨丝/铜铜 钛合金钛合金碳纤维碳纤维/铝（铝（580 C）Al2O3 纤维纤维

40、/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/钛钛第46页/共70页47 第一类界面：界面微观是平整的，而且只有分第一类界面：界面微观是平整的，而且只有分子层厚度。界面除了原组成物质外，基本不含子层厚度。界面除了原组成物质外，基本不含其它物质。其它物质。第二类界面：基体与增强相经过扩散第二类界面：基体与增强相经过扩散 渗透相渗透相互溶解而形成界面。这类界面往往在增强相周互溶解而形成界面。这类界面往往在增强相周围，如纤维周围，形成围，如纤维周围，形成溶解扩散层溶解扩散层溶解扩散层溶解扩散层。第三类界面：界面处有微米和亚微米级的第三类界面：界面处有微米和

41、亚微米级的界面界面界面界面反应物质层反应物质层反应物质层反应物质层。有时并不是一个完整的界面层，。有时并不是一个完整的界面层，而是在界面上存在着而是在界面上存在着界面反应产物界面反应产物界面反应产物界面反应产物。第47页/共70页482 2、金属基复合材料的界面结合、金属基复合材料的界面结合 在金属基复合材料中，需要在增强相和基体界面上建立一定的在金属基复合材料中，需要在增强相和基体界面上建立一定的结合力。在不同的界面结合受载时，如结合太弱，纤维大量拔结合力。在不同的界面结合受载时，如结合太弱，纤维大量拔出，强度低；结合太强，纤维受损，材料脆断，既降低强度，出，强度低；结合太强，纤维受损，材料

42、脆断，既降低强度，又降低塑性。只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高又降低塑性。只有界面结合适中的复合材料才呈现高强度和高塑性。塑性。第48页/共70页49金属基复合材料的界面结合形式金属基复合材料的界面结合形式 （1 1 1 1）机械结合）机械结合）机械结合）机械结合：第一类界面。主要依靠增强剂的粗糙表面：第一类界面。主要依靠增强剂的粗糙表面的机械的机械“锚固锚固”力结合。力结合。（2 2 2 2）浸润与溶解结合）浸润与溶解结合）浸润与溶解结合）浸润与溶解结合：第二类界面。如相互溶解严重，：第二类界面。如相互溶解严重，也可能发生溶解后析出现象，严重损伤增强剂，降低复合也可能发生溶解后析出

43、现象，严重损伤增强剂，降低复合材料的性能。材料的性能。如采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料如采用熔浸法制备钨丝增强镍基高温合金复合材料以及碳纤维以及碳纤维/镍基复合材料在镍基复合材料在600600 C C下碳在镍中先溶解后析出的现象下碳在镍中先溶解后析出的现象等。等。（3 3 3 3）化学反应结合）化学反应结合）化学反应结合）化学反应结合：第三类界面。大多数金属基复合材：第三类界面。大多数金属基复合材料的基体与增强相之间的界面处存在着化学势梯度。只要料的基体与增强相之间的界面处存在着化学势梯度。只要存在着有利的动力学条件，就可能发生相互扩散和化学反存在着有利的动力学条件，就可能发生相互

44、扩散和化学反应。应。第49页/共70页503 3、金属基复合材料的界面优化以及界面设、金属基复合材料的界面优化以及界面设计计 改善增强剂与基体的润湿性以及控制界面反应的速度和反改善增强剂与基体的润湿性以及控制界面反应的速度和反应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或界面层的应产物的数量，防止严重危害复合材料性能的界面或界面层的产生，进一步进行复合材料的界面设计，是金属基复合材料界产生，进一步进行复合材料的界面设计，是金属基复合材料界面研究的重要内容。面研究的重要内容。从界面优化的观点来看，增强剂与基体的在从界面优化的观点来看，增强剂与基体的在润湿润湿润湿润湿后又能发后又能发生适当的生适当

45、的界面反应界面反应界面反应界面反应，达到化学结合，有利于增强界面结合，提，达到化学结合，有利于增强界面结合，提高复合材料的性能。高复合材料的性能。第50页/共70页51界面优化以及界面设计一般有以下几种途径：界面优化以及界面设计一般有以下几种途径：1 1 1 1 增强剂的表面改性处理增强剂的表面改性处理增强剂的表面改性处理增强剂的表面改性处理（1 1）改善增强剂的力学性能（保护层）；）改善增强剂的力学性能（保护层）；（2 2）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿层）；）改善增强剂与基体的润湿性和粘着性（润湿层）；（3 3）防止增强剂与基体之间的扩散、渗透和反应（阻挡层）防止增强剂与基体之间的

46、扩散、渗透和反应（阻挡层）；（4 4）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的）减缓增强剂与基体之间因弹性模量、热膨胀系数等的不同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性差的现象不同以及热应力集中等因素所造成的物理相容性差的现象（过渡层、匹配层）。（过渡层、匹配层）。常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有：常用的增强材料的表面（涂层）处理方法有：PVDPVD、CVDCVD、电化学、溶胶电化学、溶胶-凝胶法等。凝胶法等。第51页/共70页522 2 金属基体改性（添加微量合金元素）金属基体改性（添加微量合金元素）在金属基体中添加某些微量合金元素以改善增强剂与在金属基体中添加某些微量合金元素以

47、改善增强剂与基体的润湿性或有效控制界面反应。基体的润湿性或有效控制界面反应。（1 1 1 1）控制界面反应。）控制界面反应。）控制界面反应。）控制界面反应。如在纯钛中加入合金元素如在纯钛中加入合金元素AlAl、MoMo、V V、ZrZr等可显著减小钛合金与硼纤维的反应速度常数。等可显著减小钛合金与硼纤维的反应速度常数。（2 2 2 2）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备温度）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备温度）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备温度）增加基体合金的流动性，降低复合材料的制备温度和时间。和时间。和时间。和时间。如采用液态浸渗法制备铝基复料时，在铝液中如采用液

48、态浸渗法制备铝基复料时，在铝液中加入一定量的加入一定量的SiSi元素，明显地降低了铝合金的熔点、提元素，明显地降低了铝合金的熔点、提高了铝液的流动性，因而降低了复合材料的浸渗温度。高了铝液的流动性，因而降低了复合材料的浸渗温度。（3 3 3 3）改善增强剂与基体的润湿性。）改善增强剂与基体的润湿性。）改善增强剂与基体的润湿性。）改善增强剂与基体的润湿性。如将如将3%3%的合金元素镁作为的合金元素镁作为活性元素添加到铝中后，可使液态铝的表面能下降。活性元素添加到铝中后，可使液态铝的表面能下降。第52页/共70页53四四四四 铝基金属复合材料介绍铝基金属复合材料介绍铝基金属复合材料介绍铝基金属复合

49、材料介绍第53页/共70页54 航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材航空航天工业中需要大型的、重量轻的结构材料，例如波音料，例如波音747大型运输机、远距离通信天线、大型运输机、远距离通信天线、巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问巨型火箭及宇航飞行器等。在设计这些结构时，问题之一就涉及到平方题之一就涉及到平方立方尺寸关系，即结构的立方尺寸关系，即结构的强强强强度与刚度度与刚度度与刚度度与刚度随其尺寸的随其尺寸的平方平方平方平方增加而增加而重量重量重量重量却随其线尺却随其线尺寸的寸的立方立方立方立方增加。所以，假若要保证大型结构的机动增加。所以，假若要保证大型结构的机动性和高效率，就

50、需要更完善的设计和更好的材料。性和高效率，就需要更完善的设计和更好的材料。引引 言言第54页/共70页55 铝基复合材料铝基复合材料是在金属基复合材料中是在金属基复合材料中应用得最广应用得最广应用得最广应用得最广的一种。由于的一种。由于铝的基体铝的基体铝的基体铝的基体为为面心立方面心立方面心立方面心立方结构，因此具有良好的结构，因此具有良好的塑塑塑塑性和韧性性和韧性性和韧性性和韧性，再加之它所具有的，再加之它所具有的易加工性易加工性易加工性易加工性、工程可靠性工程可靠性工程可靠性工程可靠性及及价格价格价格价格低廉低廉低廉低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利的条件。等优点，为其在工程上应用创造