【正文】 這種方法工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，成本低，可制造。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。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。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(wàn)件的規(guī)模。這種方法的關(guān)鍵是制備增強(qiáng)物預(yù)制件和模具。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。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。 幾種常見(jiàn)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(jiǎn)單。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。 ? 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。 2022/2/1 229 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。 2022/2/1 227 ? 工藝簡(jiǎn)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。 ? 這類(lèi)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)。 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。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。 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。 2022/2/1 223 原生鑄造復(fù)合法 ? 原生鑄造復(fù)合法（ 也稱(chēng)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(guò)澆鑄成形。 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。 ? 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?zhuān)瑵沧⒊蓮?fù)合材料零件或錠坯。 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。 ? 優(yōu)點(diǎn)：高溫性能好。 ? 它作為一種具有突破性的新工藝方法而受到普遍的重視。 ? 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。 2022/2/1 217 ? 原位自生法也稱(chēng)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。 ? 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(wú)界面反應(yīng)發(fā)生； – 綜合力學(xué)性能優(yōu)異。 ? 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）。 ? 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(lái)的一種復(fù)合方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，保壓時(shí)間在300s左右效果比較好。 ? 所以保壓時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，否則容易發(fā)生界面反應(yīng)，且太長(zhǎng)則形成固態(tài)擠壓，增大鑄造應(yīng)力導(dǎo)致延伸率下降。 ? 但是壓強(qiáng)不宜過(guò)高，否則也會(huì)提高界面反應(yīng)程度。 ? 一般來(lái)說(shuō)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。 ? 但溫度也不能過(guò)高，否則容易引起晶粒長(zhǎng)大，加劇界面反應(yīng)和壓鑄過(guò)程中鋁合金的噴濺等。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。 ? 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(rùn)濕性越好，且金屬液的粘度降低，故其滲透性越好。 ? 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(kāi)裂。 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(rùn)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。 2022/2/1 203 ? 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。 ? 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。 ? 金屬?gòu)囊簯B(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。 ? 擠壓鑄造是鑄、鍛相結(jié)合的方法又稱(chēng)液態(tài)模鍛、鍛鑄法等。 Lawly等人采用含氧 5%～ 12%的氮?dú)?，?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。 2022/2/1 199 ? 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。 2022/2/1 198 ?凝固的過(guò)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(guò)早凝固不能復(fù)合，過(guò)遲的凝固則使增強(qiáng)體發(fā)生上浮下沉而分布不勻。 2022/2/1 197 ? 優(yōu)點(diǎn)： – 適用面廣：一般基體、增強(qiáng)材料都可采用； – 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、效率高； – 冷卻速度快、成分均勻、防偏析、晶粒細(xì)??； – 有效避免復(fù)合材料發(fā)生界面反應(yīng)，增強(qiáng) 顆粒分布均勻。 ? 當(dāng)纖維束經(jīng)過(guò)鋁熔池時(shí)，金屬液就自發(fā)浸漬到纖維束中，形成復(fù)合絲，以后再進(jìn)行二次復(fù)合成零件。 ? 缺點(diǎn)：工藝比較復(fù)雜；成本很高，應(yīng)用受限。如碳纖維增強(qiáng)鋁基、鎂基復(fù)合材料。 2022/2/1 194 2）液態(tài)金屬浸漬法 ? 指用液態(tài)金屬連續(xù)浸漬長(zhǎng)纖維，得到復(fù)合材料預(yù)制品（帶、絲等）的一種方法。 2022/2/1 193 ? 基體金屬與強(qiáng)化顆粒的組合受限制，原因有二方面： – 強(qiáng)化顆粒與熔體基體金屬之間容易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，如 4Al+3SiC→Al 4C3+3Si； – 強(qiáng)化顆粒不易均勻分散在鋁合金一類(lèi)的合金熔體中，這是由于陶瓷顆粒與鋁合金的潤(rùn)滑性較差。 在攪拌復(fù)合后，再加熱升溫到澆鑄溫度，將復(fù)合好的金屬基復(fù)合材料熔體澆鑄成錠或零件。 ?強(qiáng)化顆?；蚨汤w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(duì)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(rùn)濕性并促進(jìn)界面的結(jié)合。 ? 如果在液態(tài)金屬?gòu)囊合嗟焦滔嗬鋮s過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌則使樹(shù)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達(dá) %～ %仍具有一定的流變性。 ?缺點(diǎn)：基體選擇受限，必須選擇在某溫度下能夠析出大量初晶相的合金體系。顆粒加入半固態(tài)金屬中，通過(guò)這種熔體中固相的金屬粒子將顆粒帶入熔體中。 2022/2/1 187 2022/2/1 188 半固態(tài)復(fù)合鑄造法 ? 半固態(tài)復(fù)合鑄造法是從半固態(tài)鑄造法發(fā)展而來(lái)的。 2022/2/1 186 Duralcon法 ? 將熔煉好的基體金屬熔體注入可抽真空或通惰性氣體保護(hù)、并能保溫的攪拌爐中，加入顆粒增強(qiáng)物，攪拌器在真空或充氬氣條件下進(jìn)行高速攪拌。 ? 主要工序：金屬融化 除氣 精煉 攪拌復(fù)合 澆鑄。在復(fù)合過(guò)程中可以通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械攪拌或超聲波攪拌來(lái)完成有效的攪拌復(fù)合。 2022/2/1 183 ?有效的機(jī)械攪拌 –在液態(tài)金屬攪拌鑄造法中有效的攪拌是使顆粒與金屬液均勻混合和復(fù)合的關(guān)鍵措施之一。 – 液體金屬氧化生成的氧化膜阻止金屬與顆粒的混合和浸潤(rùn)，大量氣體的吸入又會(huì)造成大量的氣孔，使復(fù)合材料的質(zhì)量大大下降。也有在顆粒表面涂覆 Ni、 Cu等金屬涂層以改善浸潤(rùn)性，但不經(jīng)濟(jì)。 –比較簡(jiǎn)單有效的方法是將顆粒進(jìn)行加熱處理，在高溫下使有害物質(zhì)揮發(fā)去除，同時(shí)在表面形成極薄的氧化層。 2022/2/1 180 改善缺點(diǎn)的方法 ? 在金屬熔體中添加合金元素改善浸潤(rùn)性； – 為了降低鋁熔液的表面張力，改善與陶瓷顆粒的浸潤(rùn)性，在鋁熔體中加入鈣、鎂、鋰等元素可有效的減小熔體表面張力和增加與陶瓷顆粒的浸潤(rùn)性，有利于顆粒與鋁熔體的復(fù)合。 2022/2/1 179 （ 2） 液態(tài)法 1）液態(tài)金屬攪拌鑄造法 ? 原理：將顆粒直接加入到基體金屬熔體中，通過(guò)一定方式的攪拌，使顆粒均勻地分散在金屬熔體中，并與之復(fù)合，然后澆鑄成錠坯、鑄件等。 ? 這種復(fù)合材料性能很好，但工藝復(fù)雜難以實(shí)用化。 2022/2/1 176 2022/2/1 177 5）爆炸焊接法 ? 是利用炸藥產(chǎn)生強(qiáng)大脈沖應(yīng)力，通過(guò)使碰撞的材料發(fā)生塑性變形、粘結(jié)處金屬的局部擾動(dòng)以及熱過(guò)程使材料焊接起來(lái)。 ? 熱擠壓和熱拉主要用于顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料坯料的進(jìn)一步加工，制成各種形狀的 管材、型材、棒材 等。 2022/2/1 175 4）熱軋法、熱擠壓法和熱拉法 ? 都是塑性成形熱加工方法。 2022/2/1 172 2022/2/1 173 三種熱等靜壓工藝 ? 先升壓后升溫 ：其特點(diǎn)是無(wú)需將工作壓力開(kāi)到最高壓力，隨著溫度升高，氣體膨脹，壓力不斷升高，直至達(dá)到需要壓力，適用于金屬包套的工藝制備； ? 先升溫后升壓 ：適用于玻璃包套制備復(fù)合材料； ? 同時(shí)升溫升壓 ：適合于低壓成形、裝入量大、保溫時(shí)間長(zhǎng)的工件制備。采用惰性氣體加壓，工件在各個(gè)方向上受到均勻壓力的作用。 ?另外， 氣氛 對(duì)質(zhì)量也有較大影響。 2022/2/1 168 熱壓固結(jié)法 (也稱(chēng)擴(kuò)散粘結(jié)法 ) 2022/2/1 169 ? 擴(kuò)散粘結(jié)過(guò)程分為三個(gè)階段： – 粘結(jié)表面的最初接觸，由于加熱、加壓，使表面發(fā)生變形、移動(dòng)、表面膜（氧化膜）破壞； – 隨著時(shí)間的進(jìn)行，發(fā)生界面擴(kuò)散和體擴(kuò)散，使接觸面密著粘結(jié)； – 由于熱擴(kuò)散結(jié)合界面最終消失，粘結(jié)過(guò)程完成。 2022/2/1 166 ? 熱壓工藝通常要求先將纖維與金屬基體制成復(fù)合材料預(yù)制件，然后按照要求裁剪成形，再疊層，將疊層放入模具內(nèi)，進(jìn)行加熱加壓，最終得到復(fù)合材料或零件。 2022/2/1 164 名稱(chēng) ( 縮寫(xiě) ) 內(nèi)容 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 常壓燒結(jié) (S ) 燒結(jié)的一般方法，也稱(chēng)無(wú)壓燒結(jié) 可制成復(fù)雜形狀制品，可大批量生產(chǎn) 強(qiáng)度低，收縮率大，易殘留氣孔 熱壓燒結(jié) (H P ) 用耐熱性模型，同時(shí)加壓、加熱 可將難燒結(jié)物質(zhì)進(jìn)行高密度燒結(jié)，結(jié)晶成長(zhǎng)小 不可制成復(fù)雜形狀的制品 熱等靜壓燒結(jié) (H IP ) 置粉末于耐高溫的袋中，高溫下，高壓氣體加壓燒結(jié) 缺陷少，強(qiáng)度高 密封袋材的設(shè)計(jì)較困難 超高壓燒結(jié) (U H P ) 用超高壓裝置在高溫下加壓燒結(jié) 可不用燒結(jié)助劑 制品尺寸不能過(guò)大 沖擊加壓燒結(jié) (D i na P a c ) 置粉末 于容器中，利用機(jī)械或炸藥產(chǎn)生瞬時(shí)高溫高壓 短時(shí)間內(nèi)可以燒結(jié) 不易控制 液相燒結(jié) (L P S ) 燒結(jié)助劑發(fā)揮燒結(jié)作用 較低溫度下可以進(jìn)行高密度燒結(jié) 若液相以?；癄顟B(tài)殘留，則高溫強(qiáng)度低 氣氛反應(yīng)燒結(jié)(RB) 利用固 氣、固 液反應(yīng)等，在原料合成的同時(shí)進(jìn)行燒結(jié) 尺寸幾乎無(wú)變化，可制復(fù)雜形狀的制品 反應(yīng)物的殘留影響性能 燃燒合成 (CS , S H S ) 利用化學(xué)反應(yīng)熱維持燃燒，合成過(guò)程中進(jìn)行燒結(jié) 溫度高，效率高，節(jié)省能源，設(shè)備簡(jiǎn)單 密度較低 燒結(jié)工藝 2022/2/1 165 2）熱壓法 ? 也可稱(chēng)為 擴(kuò)散粘結(jié)法 ，或 擴(kuò)散焊接法 。 2022/2/1 161 顆粒（晶須） 合金粉末 混合 熱壓 冷壓 燒結(jié) 封裝除氧 擠壓 坯或零件 粉末冶金法的工