【正文】 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 引 言 復(fù)合材料 ( Composite Materials) 是為達(dá)到預(yù)期的使用特性將不同性質(zhì)的兩種或兩種以上材料結(jié)合為一體而設(shè)計制造的新材料。 金屬基復(fù)合材料 ( MMCs 即 Metal matrix posites) 集高比模量、高比強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、可控的熱膨脹系數(shù)以及良好的高溫性能于一體 , 為當(dāng)代發(fā)展迅速的重要先進(jìn)材料之一。金屬基復(fù)合材料是以金屬為基體 , 以高強(qiáng)度的第二相為增強(qiáng)體而制得的復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代 , 它的發(fā)展與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展密切相關(guān) 。伴隨航空航天工業(yè)和宇宙空間技術(shù)及民用行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步 ,金屬基復(fù)合材料獲得驚人的發(fā)展。 特別是航天、航空、電子、汽車以及先進(jìn)武器系統(tǒng)的迅速發(fā)展。如航 天技術(shù)和先進(jìn)武器系統(tǒng)的迅速發(fā)展 , 對輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料的需求十分強(qiáng)烈 。 又如大規(guī)模集成電路迅速發(fā)展的關(guān)鍵是需要熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱系數(shù)高的電子封裝材料。 雖然到目前為止，金屬基復(fù)合材料應(yīng)用尚不如高分子基復(fù)合材料普遍，但一般認(rèn)為， 金屬基復(fù)合材料是 21 世紀(jì)發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮母咝阅芙Y(jié)構(gòu)材料之一。金屬基復(fù)合材料的復(fù)合工藝和技術(shù)相對復(fù)雜和困難， 這是由于金屬熔點(diǎn)較高、對增強(qiáng)基體表面潤濕性差等因素造成的，因此，有效而實(shí)用的金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)的研究和發(fā)展是決定此類復(fù)合材料能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問題。 現(xiàn)今 金屬基復(fù)合材料的研 究在美、日和歐洲已取得顯著成果。我國雖然對金屬基復(fù)合材料的研究起步較晚 , 但由于其具有優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能而受到高度重視 , 已成為近年來高新技術(shù)中新材料研究和開發(fā)的重要領(lǐng)域 , 并取得顯著成就。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）報 告紙 共 16 頁 第 2 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 1 金屬基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料的分類 金屬基復(fù)合材料可分為宏觀組合型和微觀強(qiáng)化型兩大類。宏觀組合型指其組分能用肉眼識別和具備兩組分性能的材料 (如雙金屬、包履板等 )。微觀強(qiáng)化型指其組分需用顯微鏡才能分辨的以提高強(qiáng)度為主要目的的材料。根據(jù)復(fù)合材料基體可劃分為鋁基、鎂基、鋼基、鐵基及鋁合金基復(fù)合材料等。按增強(qiáng)相 形態(tài)的不同可劃分為顆粒增強(qiáng)金屬復(fù)合材料、晶須或短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料及連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是利用 顆粒自身的強(qiáng)度 ,基體起著把顆粒組合在一起的作 (Vf)可達(dá) 90%[4]。纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是利用無機(jī)纖維 (或晶須 )及金屬細(xì)線等增強(qiáng)金屬得到輕而強(qiáng)的材料 ,纖維直徑從 3μ m到 150μ m(晶須直徑小于 1μ m),縱橫比 (長度 /直徑 )在 102以上。 金屬基復(fù)合材料的制備方法 金屬基復(fù)合材料的復(fù)合工藝相對比較復(fù)雜和困難。這是由于金屬熔點(diǎn)較高 ,需要在高溫下操作 。同時不少金屬對增強(qiáng)體表面潤濕 性很差 ,甚至不潤濕 ,加上金屬在高溫下很活潑 ,易與多種增強(qiáng)體發(fā)生反應(yīng)。目前雖然已經(jīng)研制出不少復(fù)合工藝 ,但各自存在一些問題。現(xiàn)在較普遍的制造方法可分為擴(kuò)散粘結(jié)法、鑄造法及疊層復(fù)合法。本文又可根據(jù)增強(qiáng)相的不同把制備方法分別分類。 1.. 金屬基復(fù)合材料的制備方法 根據(jù)制備過程中基體的溫度可將制備工藝分為液相工藝、固相工藝和液 固兩相工藝。針對不同工藝可以分出不同的制備方法。 液態(tài)金屬 /陶瓷顆粒攪拌鑄造法 Surappa 和 Rohtgi[3]最早采用攪拌法制備 PRMMCs,通過機(jī)械攪拌在熔體中產(chǎn)生渦流引入顆粒。還 可采用其它方法引入顆粒 ,如離心鑄造法、氣流噴射分散法及零動力工藝等。 LoydDJ[3]采用渦流法制備了 SiCp/2L108復(fù)合材料 ,其顆粒分布均勻。研究結(jié)果還顯示了對 SiC顆粒進(jìn)行預(yù)處理有利于制備 PRMMCs。攪拌工藝取得最重要的突破來自于 Skibo 和 Schuster開發(fā)的 Duralcan 工藝。這種工藝使用普通的鋁合金和未涂覆處理的陶瓷顆粒 ,采用攪拌法引入增強(qiáng)相 ,顆粒尺寸可小到 10μ m增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)可達(dá) 25%。Duralcan工藝在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中處于領(lǐng)先地位。另外 ,HydroAluminumAS公司和 Comala公司可制備與 Duralcan工藝相媲美的復(fù)合材料。盡管攪拌鑄造法的開發(fā)取得了令人鼓舞 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）報 告紙 共 16 頁 第 3 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 的成果 ,但是一些問題仍然存在 ,有待進(jìn)一步解決 ,包括攪拌過程的陶瓷顆粒偏聚、顆粒在液體中的分散和界面反應(yīng)等。此外體積分?jǐn)?shù)還受到一定的限制 。 熔體浸滲工藝包括壓力浸滲和無壓浸滲。當(dāng)前是利用惰性氣體和機(jī)械裝置作為壓力媒體將金屬熔體浸滲進(jìn)多氣孔的陶瓷預(yù)制塊中 ,可制備體積分?jǐn)?shù)高達(dá) 50%的復(fù)合材料 ,隨后采用稀釋的方法降低體積分?jǐn)?shù)。這種方法被廣泛采用 ,已用于制造 Toyot 發(fā)動機(jī)活塞(Al2O3/短纖維 /Al合 金 )。東南大學(xué)的朱光明研制了 Al2O3短纖維局部增強(qiáng)鋁活塞 ,成果于 1989年獲得鑒定。最新的液相工藝是 Primex 無壓浸滲工藝 ,在氮?dú)鈿夥障虏恍枋┘尤魏螇毫?,AlMg合金熔體就能良好的浸滲陶瓷粉末堆積體 ,可制備體積分?jǐn)?shù)高達(dá) 55%的復(fù)合材料 ,增強(qiáng)相可是 SiC和 Al2O3,顆粒尺寸可小至 1μ m。液態(tài)金屬浸滲法是一種制備大體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的好方法 ,但是也存在缺點(diǎn) ,如預(yù)制塊的變形、微觀結(jié)構(gòu)不均勻、晶粒尺寸粗大和界面反應(yīng)等。 半固態(tài)復(fù)合鑄造法是從半固態(tài)鑄造法發(fā)展而來的。通常金屬凝固時 ，初生晶以枝晶方式長大，固相率達(dá) %左右時枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動性。如果在液態(tài)金屬從液相到固相冷卻過程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌則使樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而保留分散的顆粒狀組織形態(tài)，懸浮于剩余液相中， 這種顆粒狀非枝晶的微組織在固相率 %～ %仍具有一定的流變性。液固相共存的半固態(tài)合金因具有流變性，可以進(jìn)行流變鑄造；半固態(tài)漿液同時具有觸變性，可將流變鑄錠重新加熱到固、 液相變點(diǎn)軟化， 由于壓鑄時澆口處及型壁的剪切作用，可恢復(fù)流變性而充滿鑄型。強(qiáng)化顆粒或短纖維強(qiáng)化材料加入到受強(qiáng)烈攪拌的半固態(tài)合金 中，由于半固態(tài)漿液球狀碎晶粒對添加顆粒的分散和捕捉作用，既防止顆粒的凝聚和偏析，又使顆粒在漿液中均勻分布，改善了潤濕性并促進(jìn)界面的結(jié)合。 法 廣泛應(yīng)用于空心件鑄造成形的離心鑄造法，可以通過兩次鑄造成型法成形雙金屬層狀復(fù)合材料，此方法簡單， 具有成本低、鑄件致密度高等優(yōu)點(diǎn)，但是界面質(zhì)量不易控制， 難以形成連續(xù)長尺寸的復(fù)合材料。 加壓凝固鑄造法 該法是將金屬液澆注鑄型后，加壓使金屬液在壓力下凝固。金屬從液態(tài)到凝固均處于高壓下，故能充分浸滲，補(bǔ)縮并防止產(chǎn)生氣孔，得到致密鑄件。鑄 、鍛相結(jié)合的方法又稱擠壓鑄造、液態(tài)模鍛、鍛鑄法等。此法最適合復(fù)雜的異型 MMCs。加壓凝固鑄造法 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）報 告紙 共 16 頁 第 4 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 可制備較復(fù)雜的 MMCs 零件，亦可局部增強(qiáng)。由于復(fù)合材料易在熔融狀態(tài)下壓力復(fù)合， 故結(jié)合十分牢固，可獲得力學(xué)性能很高的零件。這種高溫下制成的復(fù)合坯，二次成型比較方便，可進(jìn)行各種熱處理，達(dá)到對材料的多種要求 。 真空鑄造法 用此法是先將連續(xù)纖維纏繞在繞線機(jī)上，用聚甲丙烯酸等能分解的有機(jī)高分子化合物方法制成半固化帶，把預(yù)成型體放入鑄型中，加熱到 500℃使有機(jī)高分子分解。鑄型的一端浸入基體金屬液，另一端抽 真空，將金屬液吸入型腔浸透纖維。 噴射成形法 噴射成形又稱噴射沉積（ Spray Forming），是用惰性氣體將金屬霧化成微小的液滴，并使之向一定方向噴射，在噴射途中與另一路由惰性氣體送出的增強(qiáng)微細(xì)顆粒會合，共同噴射沉積在有水冷襯底的平臺上， 凝固成復(fù)合材料。凝固的過程比較復(fù)雜，與金屬的霧化情況、 沉積凝固條件或增強(qiáng)體的送入角有關(guān)，過早凝固不能復(fù)合，過遲的凝固則使增強(qiáng)體發(fā)生上浮下沉而分布不勻，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝快速，金屬大范圍偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免復(fù)合材料發(fā)生界面反應(yīng)，增強(qiáng)體分布 均勻。缺點(diǎn)是出現(xiàn)原材料被氣流帶走和沉積在效應(yīng)器壁上等現(xiàn)象而損失較大，還有復(fù)合材料氣孔率以及容易出現(xiàn)的疏松。利用噴射成形原理制備工藝有添加法（ inert spray forming） 和反應(yīng)法（ reactive spray forming）兩種。 Osprey Metals 研究的 Osprey 工藝是噴射成形法的代表， 其強(qiáng)化顆粒與熔融金屬接觸時間短，界面反應(yīng)得以有效抑制。反應(yīng)噴射沉積法是使強(qiáng)化陶瓷顆粒在金屬霧或基體中自動生成的方法。 Law