【正文】 料中孔隙率較大以及容易出現(xiàn)的疏松； – 液滴容易氧化。 2022/2/1 198 ?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。 ?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。 2022/2/1 199 ? 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(shí)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(dòng)生成的方法。 Lawly等人采用含氧 5%～ 12%的氮?dú)猓瑢?FeAl熔霧合金霧化，使其生成 Al2O3獲得非常細(xì)小的 Al2O3彌散強(qiáng)化鐵基復(fù)合材料的預(yù)成形體。 2022/2/1 200 強(qiáng)化顆粒 2022/2/1 201 2022/2/1 202 4）擠壓鑄造法 ? 該法是將金屬液澆注鑄型后，加壓使金屬液在壓力下凝固。 ? 擠壓鑄造是鑄、鍛相結(jié)合的方法又稱液態(tài)模鍛、鍛鑄法等。此法最適合復(fù)雜的異型 MMCs。 ? 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。 ? 加壓凝固鑄造法可制備較復(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(duì)材料的多種要求。 2022/2/1 203 ? 擠壓鑄造的壓力比真空壓力浸漬的壓力高得多，因此要求預(yù)制件具有高的機(jī)械強(qiáng)度、能承受高的壓力而不變形。 ? 模具的設(shè)計(jì)要求高：不允許擠壓過程中熔體濺出，保證模具和預(yù)制件中空氣能暢通排出，但熔體不滲漏。 2022/2/1 204 ? 特點(diǎn)： – 用于批量制造陶瓷短纖維、顆粒、晶須增強(qiáng)鋁、鎂基復(fù)合材料的零部件； – 由于高壓的作用，可以促進(jìn)熔體對(duì)增強(qiáng)材料的潤濕，增強(qiáng)材料不需要進(jìn)行表面預(yù)處理； – 熔體與增強(qiáng)材料在高溫下接觸時(shí)間短，不必?fù)?dān)心發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)； – 成本低。 2022/2/1 205 （晶須、短纖維、顆粒） 2022/2/1 206 壓制成型并保壓 低溫烘干后高溫處理 澆注及過濾 配置溶膠及顆粒清洗 添加適量溶膠并震蕩攪拌 預(yù)制塊的制備工藝流程圖 舉例：擠壓鑄造法 SiCp/Al復(fù)合材料 2022/2/1 207 烘干與燒結(jié)處理工藝 2022/2/1 208 SiC顆粒預(yù)制塊 2022/2/1 209 SiCp/Al復(fù)合材料 2022/2/1 210 影響復(fù)合材料質(zhì)量的主要因素 （ 1） 預(yù)制塊的質(zhì)量 ? 預(yù)制塊的好壞是影響 SiCp/Al復(fù)合材料質(zhì)量的重要因素之一，只有預(yù)制塊均勻、無裂紋和氣泡時(shí)，才能得到良好的復(fù)合材料。 ? 此外還要保證預(yù)制塊有一定的強(qiáng)度，否則澆注時(shí)預(yù)制塊容易壓碎或開裂。 2022/2/1 211 （ 2）模具和預(yù)制塊的預(yù)熱溫度 ? 一般認(rèn)為模具和預(yù)制件預(yù)熱溫度理論上存在一臨界值，模具和預(yù)制塊的預(yù)熱溫度低于此值基體合金不能完全滲透預(yù)制塊。 ? 實(shí)驗(yàn)表明，模具和預(yù)制塊的預(yù)熱溫度越高，其表面活性越高，與鋁的潤濕性越好，且金屬液的粘度降低，故其滲透性越好。 ? 但溫度也不宜過高，否則容易引起晶粒長大和加劇界面反應(yīng)。所以模具和預(yù)制塊的預(yù)熱溫度應(yīng)該低于鋁合金的熔點(diǎn)，而又要高于一定溫度，大約控制在500度左右。 2022/2/1 212 （ 3）澆注溫度 ? 鋁合金的澆注溫度應(yīng)該在鋁合金的液相線之上有一個(gè)較大的過熱度，以保證液態(tài)鋁合金在完全滲入預(yù)制塊之前不發(fā)生凝固。 ? 但溫度也不能過高，否則容易引起晶粒長大，加劇界面反應(yīng)和壓鑄過程中鋁合金的噴濺等。 2022/2/1 213 （ 4）滲流壓力 ? 合金在壓力下凝固，一方面使金屬液強(qiáng)制流動(dòng)，加強(qiáng)補(bǔ)縮，保證基體合金順利滲入預(yù)制塊，另一方面消除合金與預(yù)制塊之間的氣隙，改善傳熱條件，加速凝固，使合金性能提高。 ? 一般來說在一定壓力范圍內(nèi)，復(fù)合材料的性能隨壓力上升而提高。壓強(qiáng)越大，所得到的復(fù)合材料組織越致密，孔隙率越低。 ? 但是壓強(qiáng)不宜過高，否則也會(huì)提高界面反應(yīng)程度。 2022/2/1 214 （ 5）保壓時(shí)間 ? 復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度隨保壓時(shí)間的增加而上升，而延伸率先是有所提高，然后下降。 ? 所以保壓時(shí)間不能過長，否則容易發(fā)生界面反應(yīng)，且太長則形成固態(tài)擠壓，增大鑄造應(yīng)力導(dǎo)致延伸率下降。 ? 保壓時(shí)間太短，基體合金滲透不充分，復(fù)合材料不致密、組織粗大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，保壓時(shí)間在300s左右效果比較好。 2022/2/1 215 5）熱噴涂法 ? 包括：等粒子噴涂（目前主要采用的方法）、氧 乙炔焰噴涂。 ? 等粒子噴涂：利用等粒子弧的高溫將基體熔化后，噴射到增強(qiáng)材料上，冷卻并沉積下來的一種復(fù)合方法。 – 原料：粉末狀，一般顆粒尺寸為 1045微米。 ? 特點(diǎn)： – 不能直接制成零件，只能制成預(yù)制片； – 組織不夠致密，必須進(jìn)行二次加工（ HP或 HIP）。 2022/2/1 216 （ 3）其他制備方法 1）原位自生法 ? 指增強(qiáng)材料在復(fù)合材料制備過程中，不是外加的，而是在基體中形核和生長的方法。 ? 優(yōu)點(diǎn)： – 基體與增強(qiáng)材料之間相容性好； – 界面干凈、結(jié)合牢固，能有效傳遞應(yīng)力； – 對(duì)基體組織有細(xì)化作用； – 無界面反應(yīng)發(fā)生； – 綜合力學(xué)性能優(yōu)異。 ? 包括：定向凝固法、反應(yīng)自生法等。 2022/2/1 217 ? 原位自生法也稱反應(yīng)合成技術(shù)，最早出現(xiàn)于 1967年前用 SHS法合成 TiB2/Cu功能梯度材料的研究中。 ? 金屬基復(fù)合材料的反應(yīng)合成法是指借助化學(xué)反應(yīng)，在一定條件下在基體金屬內(nèi)原位生成一種或幾種熱力學(xué)穩(wěn)定的增強(qiáng)相的一種復(fù)合方法。 ? 這種增強(qiáng)相一般為具有高硬度、高彈性模量和高溫強(qiáng)度的陶瓷顆粒，即氧化物、碳化物、氯化物、硼化物、甚至硅化物，它們往往與傳統(tǒng)的金屬材料，如 Al、 Mg、 Ti、 Fe、Cu等金屬及其合金，或（ NiTi）、（ TiAl）等金屬間化合物復(fù)合，從而得到具有優(yōu)良性能的結(jié)構(gòu)材料或功能材料。 2022/2/1 218 ? 金屬基復(fù)合材料的原位復(fù)合工藝基本上能克服其它工藝中常出現(xiàn)的一系列問題，如： – 基體與增強(qiáng)體浸潤不良； – 界面反應(yīng)產(chǎn)生脆性相； – 增強(qiáng)體分布不均勻； – 對(duì)微小的（ 亞微米和納米級(jí)）增強(qiáng)體極難進(jìn)行復(fù)合等。 ? 它作為一種具有突破性的新工藝方法而受到普遍的重視。 2022/2/1 219 定向凝固法 ? 在共晶合金凝固過程中，通過控制冷凝方向，在基體中生長出排列整齊的類似纖維的條狀或?qū)悠瑺罟簿г鰪?qiáng)材料。 ? 優(yōu)點(diǎn)：高溫性能好。 ? 缺點(diǎn)： – 需要慢的生長速率、效率低； – 材料體系的選擇和共晶增強(qiáng)材料的體積分?jǐn)?shù)有很大的局限性。 2022/2/1 220 反應(yīng)自生法 ? 包括： XD法、原生鑄造復(fù)合法、直接氧化法等。 ? 特點(diǎn)：增強(qiáng)材料在基體中通過反應(yīng)生成，不用外加。 ? XD法原理：先將預(yù)期形成增強(qiáng)材料的兩種組分的粉末與基體金屬粉末均勻混合，加熱到反應(yīng)溫度以上，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成均勻分布的彌散顆粒，然后將反應(yīng)得到的預(yù)制體放入基體熔體中稀釋，澆注成復(fù)合材料零件或錠坯。 2022/2/1 221 XD技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)： ? 可合成的增強(qiáng)相種類多，包括硼化物、碳化物、硅化物等； ? 增強(qiáng)相粒子的體積百分比可以通過控制增強(qiáng)相組分物料的比例和含量加以控制； ? 增強(qiáng)相粒子的大小可以通過調(diào)節(jié)加熱溫度加以控制； ? 可以制備各種 MMC； ? 由于反應(yīng)是在融熔狀態(tài)下進(jìn)行，可以進(jìn)一步近終形成型。 2022/2/1 222 ? XD技術(shù)是合成顆粒增強(qiáng)金屬基及金屬間化合物基復(fù)合材料的最有效的工藝之一。 ? 但用 XD工藝制成的產(chǎn)品存在著較大孔隙度的問題，目前一般采用在反應(yīng)過程中直接壓實(shí)來提高致密度。 2022/2/1 223 原生鑄造復(fù)合法 ? 原生鑄造復(fù)合法（ 也稱液相接觸反應(yīng)合成技術(shù)Liquid Contact Reaction： LCR） 是將生產(chǎn)強(qiáng)化顆粒的原料加到熔融基體金屬中，利用高溫下的化學(xué)反應(yīng)生成強(qiáng)化相，然后通過澆鑄成形。 ? 如 TiB強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料原生復(fù)合法的化學(xué)反應(yīng)是： 2B+Ti+Al→TiB 2+Al。 2022/2/1 224 ?這種工藝的特點(diǎn)是顆粒與基體材料之間的結(jié)合狀態(tài)良好，顆粒細(xì)?。? ～ ）均勻彌散，含量可高達(dá) 40%，故能獲得高性能復(fù)合材料。 ?常用的元素粉末有鈦、碳、硼等，化合物粉末有Al2O TiO B2O3等。該方法可用于制備 A1基、Mg基、 Cu基、 Ti基、 Fe基、 Ni基復(fù)合材料。強(qiáng)化相可以是硼化物、碳化物、氮化物等。 2022/2/1 225 2022/2/1 226 直接氧化法 ? 直接氧化法是由氧化性氣體在一定工藝條件下使金屬合金液直接氧化形成復(fù)合材料。 ? 通常直接氧化法的溫度比較高，添加適量的合金元素如 Mg、Si 等，可使反應(yīng)速度加快。 ? 這類復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性取決于形成粒子的狀態(tài)和最終顯微組織形態(tài)。 ? 由于形成的增強(qiáng)體可以通過合金化及其反應(yīng)熱力學(xué)進(jìn)行判斷，因此可以通過合金化、爐內(nèi)氣氛的控制來制得不同類型增強(qiáng)體的復(fù)合材料。 2022/2/1 227 ? 工藝簡介 強(qiáng)化體材料懸浮于熔融金屬之上，在氧化氣氛中發(fā)生定向氧化： 2Al +3/2O2 +（ 添加元素 ） ? Al2O3 + （殘留 Al） 2022/2/1 228 2）物理氣相沉積法 ? 材料源的不斷氣化和在基材上冷凝沉積，最終獲得層狀材料。 ? 包括： – 真空蒸鍍； – 濺射； – 離子噴涂等。 2022/2/1 229 3）化學(xué)氣相沉積法 ? 是指化合物以氣態(tài)，在一定溫度下發(fā)生分解或化學(xué)反應(yīng)，分解或反應(yīng)產(chǎn)物以固態(tài)沉積在工件上得到涂層的一種方法。 2022/2/1 230 4）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。 2022/2/1 231 1．固態(tài)擴(kuò)散粘結(jié)法 這是目前制造連續(xù)纖維（硼纖維、碳化硅纖維、碳 (石墨纖維））增強(qiáng)鋁基、鎂基、鈦基復(fù)合材料零 (構(gòu) )件的主要方法。這種方法研究發(fā)展最早，工藝比較成熟， 70年代起就成功地制造了航天飛機(jī)主艙框架用的 B/Al管， Bl飛機(jī)的垂直尾翼，高性能發(fā)動(dòng)機(jī) SiC/Ti葉片，傳動(dòng)軸，人造衛(wèi)星用 Gr/Mg復(fù)合材料拋物面天線等實(shí)用零 (構(gòu) )件。這種方法制造工藝較復(fù)雜，需先制成復(fù)合絲 (帶、片 )，再進(jìn)行優(yōu)化排布和熱壓成型，制造成本高，主要用于制造性能要求高的航天領(lǐng)域用的零 (構(gòu) )件。 幾種常見制備方法總結(jié) 2022/2/1 232 2．液態(tài)金屬壓力浸滲法 這是一種直接制造連續(xù)纖維、短纖維、晶須、顆粒以及混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件的方法，適用面廣，工藝簡單。日前主要用它生產(chǎn)高含量碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料，碳 (石墨 )纖維增強(qiáng)鋁、鎂、銅基復(fù)合材料，晶須和顆?；祀s增強(qiáng)鋁、鎂基復(fù)合材料的零 (構(gòu) )件。與精密鑄造工藝相結(jié)合可以生產(chǎn)出形狀尺寸精確的復(fù)合材料零件。己用這種方法制備出高集成度電子器件用的封裝零件，光學(xué)反射鏡、慣性導(dǎo)航儀器用基座等零件。這種方法發(fā)展迅速，已逐漸為金屬基復(fù)合材料零 (構(gòu) )件的主要制造方法之一。 2022/2/1 233 3．?dāng)D壓鑄造法 這種方法適合于鑄造短纖維、晶須增強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料零件，工藝簡單可靠，適合于批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高。這種方法的關(guān)鍵是制備增強(qiáng)物預(yù)制件和模具。制造出的零件組織致密，已成為短纖維、晶須增強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料零件的主要方法。工藝成熟，制造成本低，已成功地制造出內(nèi)燃機(jī)活塞、連桿和各種機(jī)械零件，活塞生產(chǎn)已形成年產(chǎn)數(shù)百萬件的規(guī)模。 2022/2/1 234 4．粉末冶金法 粉末冶金法是一種成熟的金屬制品制造技術(shù)，用于制造短纖維、晶須、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料零件。適用于鋁基、鈦基、耐熱合金、難熔金屬、金屬間化合物基復(fù)合材料零件制造。這種方法必須將基體金屬制成粉末，并與增強(qiáng)物均勻混合，用專用的模具壓制成型、燒結(jié)等。工藝復(fù)雜，成本高，主要用于制造高性能顆粒、晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、鈦基復(fù)合材料以及高溫金屬基復(fù)合材料零件。 2022/2/1 235 5．液態(tài)金屬攪拌鑄造法 這是目前生產(chǎn)顆粒增強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料的最主要方法，已形成年產(chǎn)萬噸的生產(chǎn)規(guī)模。這種方法工藝簡單，生產(chǎn)效率高，成本低