【文章內(nèi)容簡介】 時間，將界面反應(yīng)減少到最低程度。提高加工壓力，用真空 壓力鑄造是優(yōu)化工藝的典型例子。 表面處理對增強材料的影響 ? 大部分金屬基體與增強材料之間浸潤性差，如碳 鋁、碳 鎂、碳化硅 鋁、氧化鋁 鎂等。通過在增強材料表面覆以薄的涂層防止和抑制界面反應(yīng)，獲得合適的界面結(jié)構(gòu)和結(jié)合強度，可以有效地改善增強材料的浸潤性。涂層有金屬、非金屬以及復(fù)合涂層三種。 ? 金屬涂層與基體金屬液間的浸潤性好，但易被溶解引起增強材料和基體金屬的化學(xué)反應(yīng)。金屬涂層密度較大，降低了復(fù)合材料的比強度、比模量。 ? 非金屬涂層一般為氧化物、碳化物或氮化物，與金屬基體之間不易發(fā)生各類反應(yīng)，可有效抑制界面反應(yīng)，但與基體的浸潤性差。 ? 復(fù)合涂層為幾種不同性質(zhì)涂層的組合，它們各自完成不同的功能，滿足工藝和性能的多種需要，包括疊合和梯度等涂層。 ? 表面涂覆的方法有化學(xué)氣相沉淀、物理氣相沉淀、溶膠 — 凝膠、電鍍和化學(xué)鍍等。 制造方法 Metal－ Matrix （一）固態(tài)法 擴散黏結(jié)法 形變法 粉末冶金法 （二）液態(tài)法 擠壓鑄造法 真空壓力浸漬法 液態(tài)金屬攪拌鑄造法 井噴沉積法 （三）其他方法 （ 1）定向凝固法 （ 2）反應(yīng)自生成法 制造方法 Metal－ Matrix ? 固態(tài)法是指基體處于固態(tài)下制造金屬基復(fù)合材料的方法。在整個制造過程中，溫度控制在基體合金的液相線和固相線之間。使整個反應(yīng)控制在較低溫度，盡量避免金屬基體和增強材料之間的界面反應(yīng)。 ? 固態(tài)法包括粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、擠壓法和拉拔法、爆炸焊接法等 制造方法－－固態(tài)法 Metal－ Matrix 擴散黏結(jié)法 在加壓狀態(tài)下，通過固態(tài)焊接工藝，使同類或不同類金屬在高溫下互擴散而黏結(jié)在一起。 （ 1）通常先將纖維與金屬基體 (主要是金屬箔 )制成復(fù)合材料預(yù)制片，然后將預(yù)制片按設(shè)計要求切割成型，疊層排布（纖維方向）后放入模具內(nèi)。 （ 2）加熱、加壓使其擴散黏結(jié)并成型。擴散黏結(jié)過程分為三個階段。 第一階段：黏結(jié)表面之間的最初接觸。由于加熱和加壓使表面發(fā)生變形、移動、表面膜（通常是氧化膜）破壞。 第二階段：隨著時間的進行發(fā)生界面擴散、滲透，使接觸面形成黏結(jié)狀態(tài)。 第三階段：擴散結(jié)合界面最終消失，黏結(jié)過程完成。 （ 3）冷卻脫模后即制得所需產(chǎn)品。 影響擴散黏結(jié)過程的主要因素是：溫度、壓力和加工時間。為保證熱壓產(chǎn)品的質(zhì)量，加熱加壓過程可在真空或惰性氣氛中進行，也可在大氣中進行。 優(yōu)點： 可以焊接品種廣泛的金屬；易控制纖維取向和體積分?jǐn)?shù)。 缺點主要是： 焊接需若干小時，較高的焊接溫度和壓力需要較高的生產(chǎn)成本，只能制造有限尺寸的零件。擴散黏結(jié)法在實際工藝中主要分熱壓法和熱等靜壓法，后者也是熱壓的一種方法，主要使用惰性氣體加壓，工件在各個方向上受到均勻壓力的作用。 制造方法－－固態(tài)法 Metal－ Matrix 制造方法－－固態(tài)法 Metal－ Matrix 形變法 ? 形變法是利用金屬具有塑性成型的工藝特點，通過熱軋、熱拉、熱擠壓等加工手段，使已復(fù)合好的顆粒、晶須、短纖維增強金屬基復(fù)合材料進一步加工成板材。 ? 對金屬 /金屬復(fù)合材料，用擠、拉和軋的方法，使復(fù)合材料的兩相都發(fā)生形變，其中作為增強材料的金屬被拉長成為纖維狀增強相。右圖是用熱拉法制備金屬基復(fù)合材料棒材的示意圖。 制造方法－－固態(tài)法 Metal－ Matrix 粉末冶金法 ? 粉末冶金法就是： ? 將金屬基體粉末和增強體粉末均勻混合， ? 混合后進行冷壓得到半成品，其致密度約為 80%， ? 冷壓的半成品裝入密封模具，升溫至基體合金固相線附近，熱壓或熱等靜壓得到完全致密的復(fù)合材料。 ? 粉末冶金法也可以用來制造晶須增強的金屬基復(fù)合材料。將晶須或短纖維與金屬粉末混合后進行熱壓，制得纖維隨機取向的復(fù)合材料，以這種方法制得的鋁基復(fù)合材料，具有很高的比強度、比模量和耐磨性，已用于飛機、航天器等部件。 制造方法－－固態(tài)法 Metal－ Matrix ? 液態(tài)法是指基體處于熔融狀態(tài)下制造金屬基復(fù)合材料的方法。 ? 為了減少高溫下基體和增強材料之間的界面反應(yīng)，提高基體對增強材料的浸潤性，通常采用加壓滲透、增強材料表面處理、基體中添加合金元素等方法。 ? 液態(tài)法包括真空壓力浸漬法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、井噴沉淀法、熱噴涂法等。 制造方法－－液態(tài)法 Metal－ Matrix 擠壓鑄造法 ? 擠壓鑄造是通過壓機將液態(tài)金屬壓入增強材料預(yù)制件中制造復(fù)合材料的方法。其工藝過程是： ? 先將增強材料按照設(shè)計要求制成一定形狀的預(yù)制件， ? 經(jīng)干燥預(yù)熱后放入同樣預(yù)熱的模具中，澆鑄入熔融金屬， ? 用壓頭加壓，使液態(tài)金屬浸滲入預(yù)制件，并在壓力下凝固。 ? 加壓壓力根據(jù)預(yù)制件的形狀、尺寸一般在 70100MPa。 ? 在這么高的壓力下，如何保護預(yù)制件的形狀、尺寸不發(fā)生變化，熔融金屬不濺出等都對工藝、模具提出較高要求。因此在制造一些高性能、高精密度復(fù)合材料時，此法不能勝任。目前擠壓鑄造法主要用于批量制造低成本陶瓷短纖維、顆粒、晶須增強鋁、鎂基復(fù)合材料的零部件，如用陶瓷纖維增強鋁基復(fù)合材料制造汽車活塞的工藝已得到使用。 制造方法－－液態(tài)法 Metal－ Matrix 真空壓力浸漬法 ? 真空壓力浸漬法是在真空和高壓惰性氣體的共同作用下，使熔融金屬浸滲入預(yù)制件中制造金屬基復(fù)合材料的方法。它綜合了真空吸鑄和壓力鑄造的優(yōu) 點，經(jīng)過不斷改進，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為能夠控制熔體溫度、預(yù)制件溫度、冷卻速率、壓力等工藝參數(shù)的工業(yè)制造方法。 ? 真空壓力浸漬法主要在真空壓力浸漬爐中進行，根據(jù)金屬熔體進入預(yù)制件的方式，主要分為底部壓入式、頂部注入式和頂部壓人式。 ? 右圖為典型的底部壓入式真空壓力浸漬爐的結(jié)構(gòu)簡圖。浸漬爐由耐高壓的殼體、熔化金屬的加熱爐、預(yù)制件預(yù)熱爐、坩堝升降裝置、真空系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、氣體加壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成。金屬熔化過程和預(yù)制件預(yù)熱過程可在真空或保護氣氛下進行，以防止金屬氧化和增強材料損傷。 制造方法－－液態(tài)法 Metal－ Matrix ? 真空壓力浸漬法制備工藝是： （ 1）先將增強材料預(yù)制件放人模具，基體金屬裝入坩堝， （ 2）然后將裝有預(yù)制件的模具和裝入基體金屬的坩堝分別放人浸漬爐的預(yù)熱爐和熔化爐內(nèi)， （ 3）密封和緊固爐體， （ 4）將預(yù)制件模具和爐腔抽真空， （ 5）當(dāng)爐腔內(nèi)達(dá)到預(yù)定真空度后開始通電加熱預(yù)制件和熔化金屬基體?？刂萍訜徇^程使預(yù)制件和熔融基體達(dá)到預(yù)定溫度，保溫一定時間， （ 6）提升坩堝，使模具升液管插入金屬熔體，通入高壓惰性氣體，在真空和惰性氣體高壓的共同作用下，液態(tài)金屬浸入預(yù)制件中形成復(fù)合材料。 （ 7）降下坩堝，接通冷卻系統(tǒng)，待完全凝固后，即可從模具中取出復(fù)合材料零件或坯料。 制造方法－－液態(tài)法 Metal－ Matrix ? 真空壓力浸漬的主要優(yōu)點如下： （ 1）適用面廣?？捎糜诙喾N金屬基體和連續(xù)纖維、短纖維、晶須和顆粒等增強材料的復(fù)合，增強材料的形狀、尺寸、含量基本上不受限制。 （ 2）可直接制成形狀復(fù)雜的復(fù)合材料零件，基本上無需進行后續(xù)加工。 （ 3）浸漬在真空中進行，壓力下凝固，無氣孔、疏松、縮孔等鑄造缺陷，組織致密，材料性能好。 （ 4）工藝簡單、參數(shù)易于控制。可根據(jù)增強材料和基體金屬的物理化學(xué)特性，嚴(yán)格控制溫度、壓力等參數(shù)，避免嚴(yán)重的界面反應(yīng)。 但是，真空壓力浸漬法的設(shè)備比較復(fù)雜，工藝周期長，成本較高，制備大尺寸的零件投資更大。 制造方法－－液態(tài)法 Metal－ Matrix 液態(tài)金屬攪拌鑄造法 ? 液態(tài)金屬攪拌鑄造法是將增強相顆粒直接加入金屬熔體中，通過攪拌使顆粒均勻分散，然后澆鑄成型制成復(fù)合材料制品的方法。它是一種適合于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)顆粒增強金屬基復(fù)合材料的主要方法。 ? 目前用此法生產(chǎn)高性能顆粒增強金屬基復(fù)合材料還需解決兩個主要困難： ? 一是顆粒如何與金屬熔體均勻混合，并防止團聚； ? 二是強烈攪拌容易吸入大量空氣造成金屬熔體的氧化。 ? 與其他制造顆粒增強金屬基復(fù)合材料的方法相比，液態(tài)金屬攪拌鑄造法工藝簡單、生產(chǎn)效率高、制造成本低，適用于多種基體和多種顆粒，具有競爭力。目前這種鑄造方法在不斷地進行改進，如在攪拌方式上就開發(fā)了旋渦法、 Duralcon法、復(fù)合鑄造法、底部真空反旋渦攪拌法等。 制造方法－－液態(tài)法 Metal－ Matrix 井噴沉積法 ? 井噴沉積法就是運用特殊的噴嘴，將液態(tài)金屬基體通過惰性氣體氣流的作用后霧化成細(xì)小的液態(tài)金屬流，將增強相顆粒加入到霧化的金屬流中，與金屬液滴混合在一起并沉積在襯底上，凝固形成金屬基復(fù)合材料的方法。 ? 井噴沉積法主要用于制造顆粒增強金屬基復(fù)合材料。它的工藝過程中有： 基體金屬熔化，液態(tài)金屬霧化，顆粒加入及與金屬霧化流的混合，沉積和凝固等工藝過程。 其中液態(tài)金屬霧化是關(guān)鍵工藝。 ? 液態(tài)金屬霧化液滴的大小和尺寸分布、液滴的冷卻速率影響復(fù)合材料的最后性能。一般金屬液滴的尺寸在 1030μm，到達(dá)沉積表面時保持半固態(tài)和液態(tài)，在沉積表面形成厚度適當(dāng)?shù)囊簯B(tài)金屬薄層，能夠充分填充顆粒間的孔隙，