复合材料第五章金属基复合材料-金属基复合材料的分类课件.ppt

1、u 1.11.1 金属基复合材料的分类金属基复合材料的分类u 1.2 1.2 金属基体材料金属基体材料u 1.3 1.3 金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能特点1 1 金属基复合材料概论（金属基复合材料概论（2 2学时学时）11.1 1.1 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：金属基复合材料：金属或者合金金属或者合金 基体基体 高性能高性能 增强体增强体分分 类：类：种类繁多种类繁多，主要有，主要有三种分类方式三种分类方式。2（1 1）按增强体类型分类）按增强体类型分类 颗粒颗粒、纤维纤维、片层片层 等增强的金属基复合材料等增强的金属基复合材料（2 2）按基体类型

2、分类）按基体类型分类 铝基复合材料铝基复合材料：铝及其合金为基体，：铝及其合金为基体，应用最广应用最广 钛基复合材料钛基复合材料：钛及其合金为基体，：钛及其合金为基体，高温强度保持好高温强度保持好 镁基复合材料镁基复合材料：镁及其合金为基体，：镁及其合金为基体，比性能好比性能好 镍基复合材料镍基复合材料：镍及其合金为基体，：镍及其合金为基体，优良高温性能优良高温性能（3 3）按用途分类）按用途分类 结构复合材料结构复合材料：用作承力构件，用作承力构件，强调强调 材料力学性能材料力学性能 功能复合材料功能复合材料：强调：强调物理性能物理性能（电、磁、声、热、光（电、磁、声、热、光）31.2 1.

3、2 金属基体材料金属基体材料1.2.1 1.2.1 铝及铝合金铝及铝合金纯纯 铝铝：银白色银白色，2.722.72g/cmg/cm3 3，熔点、强度低熔点、强度低导电导热性能优异导电导热性能优异，制造制造电线、电缆电线、电缆铝合金铝合金：密度密度 2.52.882.52.88g/cmg/cm3 3，较好较好机械性能机械性能常用作常用作工程结构材料工程结构材料合金元素合金元素SiSi、CuCu、MgMg、ZnZn、MnMn4图图5.1 5.1 铝合金相图铝合金相图根据根据相图相图铝合金可分为：铝合金可分为：铸造铝合金铸造铝合金：共晶组织：共晶组织 液态流动性好液态流动性好 适于铸造适于铸造 形变

4、铝合金形变铝合金：单相固溶体组织：单相固溶体组织 塑性高塑性高 适于压力加工适于压力加工5表表5.1 5.1 形变铝合金的分类及性能特点形变铝合金的分类及性能特点671.2.2 1.2.2 钛及钛合金钛及钛合金纯钛纯钛：银白色，熔点银白色，熔点16681668，相对密度为，相对密度为4.5g/cm34.5g/cm3，比强度高，热膨胀系数较小，比强度高，热膨胀系数较小，弹性模量较低弹性模量较低 882.5882.5以下为以下为-Ti-Ti，以上，以上-Ti-Ti 耐硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠溶液、湿气、海水耐硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠溶液、湿气、海水 钛合金钛合金：强度、韧性及塑性好，高温抗氧化

5、较强，热强性好强度、韧性及塑性好，高温抗氧化较强，热强性好 室温强度较低，不能进行热处理强化室温强度较低，不能进行热处理强化 钛合金钛合金：良好的塑性但很少应用良好的塑性但很少应用 （比重较大，耐热性差及抗氧化性能低比重较大，耐热性差及抗氧化性能低）a+a+钛合金钛合金：兼有两者优点，耐热性和塑性都比较好兼有两者优点，耐热性和塑性都比较好 可进行热处理强化（可进行热处理强化（）810009 1.2.3 1.2.3 镁及镁合金镁及镁合金纯纯 镁：镁：工业用金属中最轻工业用金属中最轻（1.74 1.74 g/cmg/cm3 3）合金比强度很高合金比强度很高 塑性变形能力差塑性变形能力差（六方晶系，

6、滑移系统少六方晶系，滑移系统少）弹性模量小弹性模量小（有较大变形，可制造冲击零件有较大变形，可制造冲击零件）力学性能较差力学性能较差（不易用作结构材料不易用作结构材料）耐化学腐蚀能力差耐化学腐蚀能力差（表面氧化膜脆而不够致密表面氧化膜脆而不够致密）101.2.4 1.2.4 性能比较性能比较表表5.3 5.3 常用金属基体材料的性能比较常用金属基体材料的性能比较性能性能金属金属TiTiAlAlMgMgNiNiFeFe密度，密度，g/cmg/cm3 34.54.52.72.71.741.748.98.97.867.86熔点，熔点，C C166816686606606516511445144515

7、351535线膨胀系数，线膨胀系数，1010-6-6/C/C9 923.123.1262613.513.511.511.5导热系数，导热系数，W/m/KW/m/K171721821815915961618484弹性模量，弹性模量，GPaGPa112.5112.572.472.443.643.6199199214214111.3 1.3 金属基复合材料的性能特点金属基复合材料的性能特点1.3.1 1.3.1 一般性能特点一般性能特点（1 1）高的比强度、比刚度）高的比强度、比刚度纤维增强：纤维增强：比强度、比模量明显高于金属基体比强度、比模量明显高于金属基体颗粒增强：颗粒增强：比强度无明显增加比

8、强度无明显增加，但比模量明显提高但比模量明显提高12表表5.4 5.4 金属基复合材料的力学性能一览表金属基复合材料的力学性能一览表复合材料复合材料增强相含量增强相含量,vol%抗拉强度，抗拉强度，MPa拉伸模量，拉伸模量，GPa密度，密度，g/cm3BF/AlCVD SiCF/AlNicalon SiCF/AlCF/AlFP Al2O3 F/AlSumica Al2O3F/AlSiCW/AlSiCP/AlCVD SiCF/TiBF/Ti5050354035505018202035451200150013001500700900500800650900500620400510150017501

9、300150020022021023095 11010015022013096 138100210 2302202.62.853.02.62.43.32.92.82.83.93.713（2 2）高的韧性和冲击性能）高的韧性和冲击性能相对聚合物、陶瓷基复合材料而言，相对聚合物、陶瓷基复合材料而言，金属基复合材料具有较高的韧性和耐冲击性能金属基复合材料具有较高的韧性和耐冲击性能 ！原因原因：金属基体属于典型韧性材料金属基体属于典型韧性材料，受到冲击时能通过塑性，受到冲击时能通过塑性变形吸收能量，或使裂纹钝化、减小应力集中而改善韧性变形吸收能量，或使裂纹钝化、减小应力集中而改善韧性14硼硼/铝裂纹扩

10、展铝裂纹扩展1 1）裂纹尖端最大应力可达）裂纹尖端最大应力可达350MPa350MPa，接近基体拉伸强度接近基体拉伸强度2 2）纤维局部强度接近）纤维局部强度接近4.2GPa4.2GPa3 3）裂纹）裂纹垂直于外载荷方向垂直于外载荷方向扩展时，受到纤维扩展时，受到纤维/基体基体界面阻滞界面阻滞4 4）裂纹在）裂纹在界面扩展钝化界面扩展钝化（吸收能量吸收能量）5 5）裂纹因）裂纹因基体塑性剪切变形而钝化基体塑性剪切变形而钝化（吸收能量吸收能量）15图图5.2 5.2 金属基复合材料中裂纹的钝化金属基复合材料中裂纹的钝化16（3 3）良好的高温性能）良好的高温性能金属基体高温性能金属基体高温性能较

11、之聚合物高很多；较之聚合物高很多；增强体增强体多为高温多为高温性能良好的无机材料。性能良好的无机材料。（4 4）导热、导电性能好）导热、导电性能好金属基体具有良好导热、导电性能金属基体具有良好导热、导电性能17（5 5）表面耐久性好，表面缺陷敏感性低）表面耐久性好，表面缺陷敏感性低金属基体能通过金属基体能通过塑性变形塑性变形来接受能量，或使裂纹钝化。来接受能量，或使裂纹钝化。（晶须、颗粒增强复合材料常用做工程中的耐磨部件使用）（晶须、颗粒增强复合材料常用做工程中的耐磨部件使用）（6 6）热膨胀系数小、尺寸稳定性好）热膨胀系数小、尺寸稳定性好硼硼/钛、石墨钛、石墨/镁、碳镁、碳/铝铝等经设计后等

12、经设计后热膨胀系数可非常小热膨胀系数可非常小181.3.2 1.3.2 纤维增强金属基复合材料的性能纤维增强金属基复合材料的性能（1 1）强度和模量）强度和模量纵向性能主要取决于纵向性能主要取决于纤维性能和体积比纤维性能和体积比；横向性能与横向性能与基体性能基体性能关系很大；关系很大；高温性能高温性能同时同时与材料与材料界面结合界面结合和和稳定性稳定性有密切关系。有密切关系。19（2 2）冲击性能）冲击性能室温冲击性能室温冲击性能：大直径纤维：大直径纤维有益有益（相同纤维体积分数相同纤维体积分数）高温冲击性能高温冲击性能：比室温有：比室温有较大提高较大提高（高温时基体韧性好高温时基体韧性好）热

13、处理对冲击性能的影响热处理对冲击性能的影响：明显降低明显降低（界面变得不稳定界面变得不稳定）20（3 3）蠕变性能）蠕变性能蠕变概念蠕变概念：恒定负载恒定负载 下产生的下产生的 与时间有关与时间有关的的 形变形变 蠕变使构件尺寸变化并可能构成对材料的破坏蠕变使构件尺寸变化并可能构成对材料的破坏 蠕变分类蠕变分类：温度不同，蠕变曲线有较大的区别：温度不同，蠕变曲线有较大的区别 温度较低时温度较低时a a曲线曲线，温度较高时，温度较高时b b曲线曲线，温度更高时，温度更高时c c曲线曲线一般称一般称a a曲线和曲线和b b曲线为稳态蠕变曲线为稳态蠕变21图图5.3 5.3 金属材料的蠕变曲线示意图

14、金属材料的蠕变曲线示意图温度较低时（温度较低时（a a曲线曲线），），1 1为瞬时应变，随时间延长为瞬时应变，随时间延长趋于一定值趋于一定值 2 2；温温 较较 高高 时（时（b b曲线曲线），），快速增加快速增加、稳定增加稳定增加、快速增加快速增加三个阶段；三个阶段；温度更高时（温度更高时（c c曲线曲线），稳态蠕变更短，加速阶段很快到来），稳态蠕变更短，加速阶段很快到来22b b曲线稳态蠕变中，曲线稳态蠕变中，蠕变速率与应力和温度蠕变速率与应力和温度有关：有关：=A n=A n exp(-Q/RT)exp(-Q/RT)（阿累尼乌斯方程阿累尼乌斯方程）上式中，上式中，A A、n n：为材料常

15、数：为材料常数 ：所受应力所受应力 Q Q：自扩散激活能：自扩散激活能 R R：气体常数：气体常数 T T：温度温度蠕变产生的原因？高温的作用？蠕变产生的原因？高温的作用？23纤维增强金属基复合材料抗蠕变性能纤维增强金属基复合材料抗蠕变性能：1 1）当基体和增强体熔点接近时，二者均会发生高温蠕变当基体和增强体熔点接近时，二者均会发生高温蠕变2 2）脆性纤维增强时蠕变曲线类似于脆性纤维增强时蠕变曲线类似于a a曲线曲线3 3）B B、SiCSiC纤维复合材料抗蠕变性能优与基体合金纤维复合材料抗蠕变性能优与基体合金24（4 4）疲劳性能）疲劳性能疲劳断裂疲劳断裂：循环应力循环应力(小于断裂应力小于

16、断裂应力)作用下的突然断裂作用下的突然断裂SNSN曲线：曲线：应力极大值应力极大值S S（或（或）对）对循环次数循环次数N N的对数图的对数图疲劳极限：疲劳极限：规定规定循环次数为循环次数为10107 7时产生疲劳断裂所需应力时产生疲劳断裂所需应力25纤维增强金属基复合材料疲劳性能纤维增强金属基复合材料疲劳性能：1 1）与拉伸强度比值达与拉伸强度比值达0.6 0.70.6 0.7，约为基体，约为基体2 2倍！倍！2 2）随加入纤维强度及体积含量增高而增大随加入纤维强度及体积含量增高而增大（轴向有最大值，径向只有少量提高轴向有最大值，径向只有少量提高）26复合材料疲劳产生复合材料疲劳产生（与疲劳

17、裂纹产生有关与疲劳裂纹产生有关）1 1）当纤维与基体强度）当纤维与基体强度比值高比值高时，时，纤维纤维/基体界面起裂基体界面起裂，成为影响疲劳寿命的主要原因；成为影响疲劳寿命的主要原因；2 2）当纤维与基体强度）当纤维与基体强度比值低比值低，裂纹扩展速率影响疲劳寿命裂纹扩展速率影响疲劳寿命，而且裂纹将穿越纤维，造成较低的疲劳性能。而且裂纹将穿越纤维，造成较低的疲劳性能。27高温对纤维高温对纤维/金属基复合材料疲劳性能影响：金属基复合材料疲劳性能影响：有所下降有所下降（纤维性能退化、界面脱粘、基体脆性增加纤维性能退化、界面脱粘、基体脆性增加）其它影响因素其它影响因素：纤维分布、表面缺陷、界面结合

18、纤维分布、表面缺陷、界面结合弱的纤维弱的纤维/基体界面结合有时也会改善材料疲劳性能基体界面结合有时也会改善材料疲劳性能（可形成二次裂纹或改变其方向，能延缓疲劳裂纹扩展可形成二次裂纹或改变其方向，能延缓疲劳裂纹扩展）281.3.3 1.3.3 颗粒、晶须增强金属基复合材料的性能颗粒、晶须增强金属基复合材料的性能（1 1）强度和模量）强度和模量 强度：与颗粒在基体中分布的强度：与颗粒在基体中分布的平均间距平均间距DDp p有关有关（D Dp p越小，屈服强度越高越小，屈服强度越高）模量：与模量：与颗粒形状颗粒形状有关有关（长径比值增大，对混合定律偏差减小长径比值增大，对混合定律偏差减小）29（2

19、2）断裂韧性）断裂韧性影响因素影响因素：颗粒大小颗粒大小、颗粒及晶须取向颗粒及晶须取向 等等随着直径随着直径d d增加、体积含量减少，复合材料断裂韧性增加增加、体积含量减少，复合材料断裂韧性增加PRMMCPRMMC的断裂韧性一般要优于的断裂韧性一般要优于WRMMCWRMMC（晶须前沿会造成应力集中，容易引发裂纹晶须前沿会造成应力集中，容易引发裂纹）30（3 3）蠕变性能）蠕变性能1 1）颗粒及晶须增强金属基复合材料蠕变行为）颗粒及晶须增强金属基复合材料蠕变行为与纤维增强相当与纤维增强相当2 2）颗粒与晶须增强金属基复合材料要比基体）颗粒与晶须增强金属基复合材料要比基体蠕变强度更高蠕变强度更高3

20、 3）与颗粒增强相比，晶须增强时）与颗粒增强相比，晶须增强时蠕变速率更低蠕变速率更低31（4 4）疲劳性能）疲劳性能 1 1）颗粒及晶须增强后疲劳强度、疲劳寿命）颗粒及晶须增强后疲劳强度、疲劳寿命比基体金属高比基体金属高2 2）颗粒增强与晶须增强时复合材料）颗粒增强与晶须增强时复合材料疲劳性能基本接近疲劳性能基本接近32晶须增强时疲劳裂纹萌生位置：晶须增强时疲劳裂纹萌生位置：1 1）晶须端部或与基体的界面处晶须端部或与基体的界面处2 2）晶须密集处及显微缺陷处晶须密集处及显微缺陷处晶须增强时内应力形成：晶须增强时内应力形成：1 1）界面有较大内应力界面有较大内应力（晶须与基体强度和变形能力不同

21、）（晶须与基体强度和变形能力不同）2 2）晶须密集处或基体中显微缺陷处存在较大内应力晶须密集处或基体中显微缺陷处存在较大内应力33 2.1 2.1 金属基复合材料制备工艺概述金属基复合材料制备工艺概述 2.2 2.2 金属基复合材料制备方法金属基复合材料制备方法2 2 金属基复合材料的制备工艺（金属基复合材料的制备工艺（2 2学时）学时）342.1 2.1 金属基复合材料制备工艺概述金属基复合材料制备工艺概述2.1.1 2.1.1 制备工艺分类制备工艺分类（1 1）固态法固态法：真空热压扩散结合、超塑性成型：真空热压扩散结合、超塑性成型/扩散结合、扩散结合、热等静压、粉末冶金法热等静压、粉末冶

22、金法（2 2）液态法液态法：液态浸渗、真空压铸、半固态铸造：液态浸渗、真空压铸、半固态铸造（3 3）喷射法喷射法：等离子喷涂成型、喷射成型：等离子喷涂成型、喷射成型（4 4）原位生长法原位生长法352.1.3 2.1.3 制备工艺研究内容和选择原则制备工艺研究内容和选择原则（1 1）基体与增强体基体与增强体选择（选择（良好物理、化学相容性良好物理、化学相容性）；）；（2 2）界面界面形成、产物控制及界面设计；形成、产物控制及界面设计；（3 3）增强体均匀分布增强体均匀分布（固态法优于液态法固态法优于液态法）（4 4）工艺方法工艺方法及参数选择和优化；及参数选择和优化；（5 5）成本控制成本控制

23、及降低，工业化应用前景。及降低，工业化应用前景。362.2 2.2 金属基复合材料制备方法金属基复合材料制备方法2.2.1 2.2.1 先驱（预制）丝（带、板）的制备先驱（预制）丝（带、板）的制备（1 1）纤维纤维/聚合物粘结剂聚合物粘结剂 先驱先驱 (预制预制)带带 (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粘结剂定位涂敷粘结剂定位图图 5.7 5.7 纤维纤维/聚合物粘结剂先驱（预制）带（板）聚合物粘结剂先驱（预制）带（板）37（2）等离子喷涂纤维等离子喷涂纤维/基体箔材基体箔材 先驱（预制）带（板）先驱（预制）带（板）纤维定向定间距缠绕纤维定向定间距

24、缠绕 等离子喷涂基体粉末定位等离子喷涂基体粉末定位图图5.8 等离子喷涂纤维等离子喷涂纤维/基体箔材先驱（预制）带（板）示意图基体箔材先驱（预制）带（板）示意图38（3 3）PVDPVD法纤维法纤维/基体基体 复合丝复合丝纤维纤维/基体复合丝制备：基体金属基体复合丝制备：基体金属物理气相沉积物理气相沉积到纤维表面到纤维表面复合材料制备：复合材料制备：基体与基体之间扩散结合基体与基体之间扩散结合有利于材料界面改善有利于材料界面改善可控制纤维体积比可控制纤维体积比（沉积层厚度沉积层厚度）39（4 4）粉末法纤维粉末法纤维/基体基体 复合丝复合丝1 1）基体粉末与聚合物粘接剂混合制备成）基体粉末与聚

25、合物粘接剂混合制备成胶体胶体2 2）纤维通过）纤维通过毛细管胶槽毛细管胶槽，表面涂敷一层基体粉末胶体，表面涂敷一层基体粉末胶体3 3）干燥后形成一定直径）干燥后形成一定直径纤维纤维/基体粉末基体粉末复合丝复合丝 复合丝直径取决于复合丝直径取决于胶体粘度胶体粘度、纤维走丝速度纤维走丝速度、毛细管孔径毛细管孔径 聚合物粘接剂必须在低温真空状态下能够完全挥发聚合物粘接剂必须在低温真空状态下能够完全挥发40图图5.10 5.10 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41（5 5）熔池法纤维熔池法纤维/基体基体 复合丝复合丝主要应用于碳纤维增强铝基复合材料主要应用于碳纤维增强铝基复合材

26、料问题提出问题提出：碳纤维与铝液反应生成：碳纤维与铝液反应生成AlAl4 4C C3 3（脆性相）（脆性相）解决方法解决方法：表面：表面ZnZn、TiTi或或NaNa、SnSn涂层处理涂层处理（增加润湿性，防止过量（增加润湿性，防止过量AlAl4 4C C3 3生成）生成）42图图5.11 5.11 熔池法纤维熔池法纤维 /基体复合丝示意图基体复合丝示意图43 2.2.2 2.2.2 固态法固态法 连续增强相金属基复合材料制备工艺连续增强相金属基复合材料制备工艺（1 1）真空热压扩散结合）真空热压扩散结合（Vaccum Press/Diffusion Bonding）工艺特点：工艺特点：制备连

27、续纤维金属基复合材料传统工艺制备连续纤维金属基复合材料传统工艺工艺概要：一定工艺概要：一定温度压力温度压力，先驱丝通过，先驱丝通过表面原子扩散表面原子扩散而连接而连接工艺关键：工艺关键：真空真空，热压工艺参数控制热压工艺参数控制（温度、压力、时间）（温度、压力、时间）44图图5.12 5.12 真空热压扩散结合工艺流程示意图真空热压扩散结合工艺流程示意图45（2 2）热等静压（）热等静压（HIPHIP）工艺特点：工艺特点：扩散结合方法，等静压扩散结合方法，等静压工艺概要：工艺概要：等静压等静压，先驱丝，先驱丝表面原子扩散结合表面原子扩散结合工艺优点：工艺优点：制品制品 组织细化、致密、均匀组织

28、细化、致密、均匀，偏析、偏聚、孔隙等缺陷少偏析、偏聚、孔隙等缺陷少 复合材料性能明显改善复合材料性能明显改善46（3 3）模压成型（模压成型（Mold FormingMold Forming）工艺特点：工艺特点：属于扩散结合属于扩散结合工艺概要：工艺概要：预制体在预制体在模具模具中加压进行中加压进行扩散结合扩散结合工艺优点：工艺优点：制品有一定形状制品有一定形状（可制备各种型材）（可制备各种型材）47（4 4）粉末粉末(冶金冶金)法（法（Slurry Powder MetallurgySlurry Powder Metallurgy）工艺特点：解决了工艺特点：解决了使用金属箔材成本高使用金属箔

29、材成本高问题问题工艺优点：工艺优点：成本低成本低工艺关键：工艺关键：低温真空下聚合物粘接剂必须能够完全挥发低温真空下聚合物粘接剂必须能够完全挥发48工艺概要：工艺概要：1 1）制备基体粉末）制备基体粉末/聚合物粘接剂聚合物粘接剂胶体胶体（可将胶体轧制成薄带）（可将胶体轧制成薄带）2 2）用胶体）用胶体固定纤维固定纤维，干燥获得，干燥获得粉末粉末/纤维预制片纤维预制片3 3）或按）或按粉末法纤维粉末法纤维/基体复合丝基体复合丝方法制备复合丝方法制备复合丝4 4）真空扩散结合真空扩散结合制备复合材料制备复合材料49图图5.16 5.16 粉末（冶金）法制备金属基复合料材料示意图粉末（冶金）法制备金

30、属基复合料材料示意图502.2.3 2.2.3 液态法液态法 非连续增强相金属基复合材料制备工艺非连续增强相金属基复合材料制备工艺（1 1）压铸法（压铸法（Squeeze CastingSqueeze Casting）工艺特点：工艺特点：压力压力、液态或半液态液态或半液态金属金属工艺概要：工艺概要：压力作用压力作用下，液态或半液态金属以下，液态或半液态金属以一定速度一定速度充填增强材料充填增强材料预制体空隙预制体空隙中并中并快速凝固成型快速凝固成型工艺关键：工艺关键：熔融金属温度熔融金属温度、模具预热温度模具预热温度、压力压力、加压速度加压速度51（2 2）半固态复合铸造（半固态复合铸造（Se

31、misolid Slurry CastingSemisolid Slurry Casting）工艺特点：工艺特点：半固态金属熔体半固态金属熔体工艺概要：工艺概要：1 1）增强颗粒加入）增强颗粒加入半固态金属熔体半固态金属熔体中中2 2）搅拌使颗粒在熔体中）搅拌使颗粒在熔体中均匀分布均匀分布（良好界面结合良好界面结合）3 3）将）将半固态复合材料半固态复合材料注入模具进行注入模具进行压铸成型压铸成型工艺关键：工艺关键：1 1）控制熔体温度控制熔体温度，应使其达到，应使其达到3030 50%50%固态；固态；2 2）控制搅拌速度控制搅拌速度，使部分树枝状结晶破碎成固态颗粒，使部分树枝状结晶破碎成固

32、态颗粒52（3 3）喷射成型法喷射成型法工艺概要：工艺概要：1 1）基体金属在坩埚中熔融，加压送入雾化器；）基体金属在坩埚中熔融，加压送入雾化器；2 2）高速惰性气流使之分散为细小液滴（）高速惰性气流使之分散为细小液滴（“雾化锥雾化锥”）3 3）增强颗粒）增强颗粒同时喷射同时喷射，共同沉积在基板上并，共同沉积在基板上并快速凝固快速凝固53图5.20 喷射成型法示意图54工艺优点：工艺优点：（1 1）高致密度高致密度（可达理论密度的（可达理论密度的95-98%95-98%）；）；（2 2）快速凝固快速凝固（冷却速度（冷却速度10103 3-10-106 6 K/S K/S）（晶粒组织细化，成分均

33、匀，很少或没有界面反应晶粒组织细化，成分均匀，很少或没有界面反应）（3 3）通用性、产品多样性通用性、产品多样性（4 4）流程短、工序简单、效率高，可工业化生产流程短、工序简单、效率高，可工业化生产55（4 4）无压浸渗法（无压浸渗法（Pressureless InfiltrationPressureless Infiltration）工艺概要：工艺概要：1 1）制备增强预制体，基体金属置于其上部）制备增强预制体，基体金属置于其上部 2 2）加热使基体熔化，）加热使基体熔化，自发渗入自发渗入预制体孔隙中预制体孔隙中工艺举例：制备工艺举例：制备AlAl2 2OO3 3/Al/Al（N N2 2保

34、护保护，800800 1000 1000 C C）工艺关键：增强体、基体之间满足工艺关键：增强体、基体之间满足润湿条件润湿条件（接触角足够小接触角足够小）56图图5.21 5.21 无压浸渗法工艺原理示意图无压浸渗法工艺原理示意图572.2.4 2.2.4 粉末冶金法粉末冶金法非连续增强相金属基复合材料制备工艺非连续增强相金属基复合材料制备工艺工艺特点：工艺特点：制备非连续增强相金属基复合材料常用方法制备非连续增强相金属基复合材料常用方法工艺优点：工艺优点：（1 1）制备温度低，）制备温度低，界面反应可控界面反应可控（较之液相法）（较之液相法）（3 3）增强相、基体均匀混合（）增强相、基体均匀

35、混合（组织均匀致密、细化组织均匀致密、细化）（4 4）利于净成型或近净成型，）利于净成型或近净成型，二次加工性能好二次加工性能好工艺缺点：工艺缺点：工艺流程较长工艺流程较长、成本较高成本较高58图图5.22 5.22 粉末冶金法制备非连续增强相金属基复合材料制备流程图粉末冶金法制备非连续增强相金属基复合材料制备流程图592.2.5 2.2.5 原位生长法原位生长法工艺特点：工艺特点：1 1）增强体生成相）增强体生成相热力学稳定性好热力学稳定性好2 2）增强相与基体之间）增强相与基体之间不存在润湿、界面反应问题不存在润湿、界面反应问题3 3）增强相与基体）增强相与基体结合良好结合良好（解决了界面

36、相容性解决了界面相容性）60（1 1）共晶合金定向凝固共晶合金定向凝固工艺要求：合金成分为工艺要求：合金成分为共晶或接近共晶成分共晶或接近共晶成分工艺概要：参与共晶反应工艺概要：参与共晶反应 和和 相同时从液相中生成相同时从液相中生成，其中一相以其中一相以棒状或层片状棒状或层片状 定向规则排列定向规则排列工艺关键：工艺关键：合金成分合金成分、温度温度、生长方向生长方向 等的控制等的控制61图图5.23 5.23 二元共晶相图及两相平面稳定生长示意图二元共晶相图及两相平面稳定生长示意图62（2 2）直接金属氧化法直接金属氧化法工艺特点：工艺特点：基体金属基体金属氧化氧化或或氮化氮化获取复合材料获

37、取复合材料工艺举例：工艺举例：1 1）900900 13001300 C C，铝中加入促进氧化反应的，铝中加入促进氧化反应的SiSi、MgMg2 2）熔融铝通过显微通道渗透到氧化铝外部顺序氧化）熔融铝通过显微通道渗透到氧化铝外部顺序氧化3 3）铝的渗透通道未被堵塞，继续氧化）铝的渗透通道未被堵塞，继续氧化4 4）完全氧化之前停止，获得致密）完全氧化之前停止，获得致密Al2O3/AlAl2O3/Al复合材料复合材料其它制备：其它制备：直接氮化直接氮化（AlNAlN/Al/Al、TiNTiN/Ti/Ti）63（3 3）反应生长法反应生长法工艺对象：可生成工艺对象：可生成颗粒颗粒、晶须晶须等增强的复

38、合材料。等增强的复合材料。工艺概要：工艺概要：1 1）选择基体和增强相生成所需的原材料）选择基体和增强相生成所需的原材料2 2）按一定比例混合制成预制体）按一定比例混合制成预制体3 3）加热熔化到反应发生的温度，进行放热反应）加热熔化到反应发生的温度，进行放热反应4 4）增强体在基体中生成）增强体在基体中生成64Al+Ti+2B Al+Ti+2B TiB TiB2 2+Al +Al Al+Ti+C Al+Ti+C TiCTiC+Al+Al图图5.26 5.26 反应生长法工艺原理示意图反应生长法工艺原理示意图65工艺优点：工艺优点：（1 1）增强相）增强相原位生长原位生长，热力学稳定热力学稳定

39、；（2 2）增强相的）增强相的类型、形态类型、形态可选择和设计可选择和设计；（3 3）各种）各种金属或金属间化合物均可作为基体金属或金属间化合物均可作为基体；（4 4）复合材料采用传统金属加工方法）复合材料采用传统金属加工方法可进行二次加工可进行二次加工。663 铝基复合材料铝基复合材料3.13.1颗粒（晶须）增强铝基复合材料颗粒（晶须）增强铝基复合材料（1 1）增强颗粒（晶须）增强颗粒（晶须）增强颗粒（晶须）：增强颗粒（晶须）：碳化硅、氧化铝、碳化硅、氧化铝、碳化硼、氧化硅、碳化钛碳化硼、氧化硅、碳化钛增强体性能特点：增强体性能特点：高强度、高模量、高强度、高模量、高热稳定性和化学稳定性高热

40、稳定性和化学稳定性 67（2 2）制备方法）制备方法固态法固态法：粉末冶金法、热等静压法、挤压法：粉末冶金法、热等静压法、挤压法液态法液态法：压力铸造法、压力浸渍法、搅拌法、喷射法：压力铸造法、压力浸渍法、搅拌法、喷射法 （铝熔点低，液态法较常用铝熔点低，液态法较常用）优优点：点：制造方法简单、增强体价格低廉，应用前景广阔制造方法简单、增强体价格低廉，应用前景广阔68（3 3）性能特点）性能特点SiCSiCp p/Al/Al、SiCSiCw w/Al/Al具有良好的力学性能和耐磨性能具有良好的力学性能和耐磨性能强度强度&模量模量：比基体高比基体高 (增强相体积分数增大，性能提高增强相体积分数增

41、大，性能提高)一般说来增强颗粒越小，则复合材料强度越高一般说来增强颗粒越小，则复合材料强度越高热膨胀系数热膨胀系数：低于基体材料低于基体材料增强相体积分数增加则减小增强相体积分数增加则减小69断裂韧性断裂韧性：较之：较之铝合金铝合金 下降很多下降很多（脆性碳化硅颗粒脆性碳化硅颗粒）耐磨性耐磨性：较之铝合金：较之铝合金耐磨性增加很多耐磨性增加很多（脆性碳化硅颗粒脆性碳化硅颗粒）耐磨性甚至比铸铁还高耐磨性甚至比铸铁还高 常用作常用作汽车刹车片汽车刹车片70表表5.5 5.5 材料耐磨性比较材料耐磨性比较磨痕宽度，磨痕宽度，mmmm稀土铝硅合稀土铝硅合金金66-1266-12Al2O3 Al2O3

42、纤维纤维-铝铝SiCSiC颗粒颗粒-铝铝高镍奥氏体铸高镍奥氏体铸铁铁最大最大1.94751.94751.5001.5000.94250.94251.16701.1670最小最小1.84761.84761.3251.3250.8650.8651.12751.1275平均平均1.8971.8971.4121.4120.90370.90371.14121.1412713.2 3.2 纤维增强铝基复合材料纤维增强铝基复合材料（1 1）分类及制备方法）分类及制备方法纤维分类：纤维分类：长纤维长纤维、短纤维短纤维（前者增强性能一般优于后者前者增强性能一般优于后者）制备方法：制备方法：固态法固态法（热压法、

43、热等静压法热压法、热等静压法）液态法液态法（压力铸造法、浸渍法压力铸造法、浸渍法）72（2 2）长纤维增强铝基复合材料）长纤维增强铝基复合材料硼、碳、碳化硅、氧化铝等纤维和不锈钢丝硼、碳、碳化硅、氧化铝等纤维和不锈钢丝a a）硼纤维）硼纤维/铝基复合材料（铝基复合材料（B Bf f/Al/Al）硼硼 纤纤 维：维：钨、碳芯粗纤维钨、碳芯粗纤维（100140100140微米）（微米）（CVDCVD）性能改进：增强后基体合金性能改进：增强后基体合金性能有很大提高性能有很大提高 （特别是（特别是高温性能有很大提高高温性能有很大提高）B Bf f/Al/Al性能受纤维直径、方向、铺排方式影响很大性能受

44、纤维直径、方向、铺排方式影响很大73室温纵向拉伸强度和模量室温纵向拉伸强度和模量：比基体合金高比基体合金高随增强体体积分数增大而有很大提高随增强体体积分数增大而有很大提高高温纵向拉伸强度和模量高温纵向拉伸强度和模量：随温度升高而下降随温度升高而下降下降不剧烈（下降不剧烈（500500度保持一半强度，度保持一半强度，500MPa500MPa）热膨胀系数热膨胀系数：取决于纤维热膨胀系数取决于纤维热膨胀系数界面存在很大应力集中（热膨胀系数相差大）界面存在很大应力集中（热膨胀系数相差大）74b b）碳纤维碳纤维/铝基复合材料（铝基复合材料（C Cf f/Al/Al）碳纤维：碳纤维：密度小密度小、力学性

45、能非常优异力学性能非常优异、价格便宜价格便宜面临问题：与铝面临问题：与铝浸润性差浸润性差、高温下容易发生化学反应高温下容易发生化学反应（生成严重影响材料性能的生成严重影响材料性能的AlAl4 4C C3 3）解决办法：解决办法：不直接使用不直接使用，进行，进行表面处理表面处理（镀金属）（镀金属）75C Cf f/Al/Al制造方法制造方法：扩散结合扩散结合：纤维黏附基体金属，纤维重叠排列，：纤维黏附基体金属，纤维重叠排列，热压扩散结合（热压扩散结合（纤维先驱体纤维先驱体）挤压铸造挤压铸造：纤维预成型体纤维预成型体置于金属膜中，适当加热，置于金属膜中，适当加热，加压浸入熔融基体金属、高压冷却凝固

46、加压浸入熔融基体金属、高压冷却凝固浸浸 渍渍 法法：纤维预制成型，浸入液态金属冷却凝固。：纤维预制成型，浸入液态金属冷却凝固。温度过高温度过高（注意界面反应控制注意界面反应控制）76c c）碳化硅纤维）碳化硅纤维/铝基复合材料（铝基复合材料（SiCSiCf f/Al/Al）有芯纤维有芯纤维：钨、碳芯经化学气象沉积制备（：钨、碳芯经化学气象沉积制备（直径较粗直径较粗）表面游离碳少、含氧量低，与铝不易反应表面游离碳少、含氧量低，与铝不易反应容易制备复合材料容易制备复合材料无芯纤维无芯纤维：聚碳硅烷热处理获得（：聚碳硅烷热处理获得（一束多丝一束多丝）表面有较多游离碳和氧，易和铝反应表面有较多游离碳和

47、氧，易和铝反应制造复合材料比较困难制造复合材料比较困难77纤维优点纤维优点：优异力学性能、较强高温抗氧化能力优异力学性能、较强高温抗氧化能力(较之较之B Bf f、C Cf f)与铝相容性好与铝相容性好（铝合金的较好增强体）（铝合金的较好增强体）SiCSiCf f/Al/Al制备方法制备方法：热压扩散法、加压铸造法、浸渍法：热压扩散法、加压铸造法、浸渍法SiCSiCf f/Al/Al性能性能：高抗拉强度、抗弯强度和优异耐磨性能高抗拉强度、抗弯强度和优异耐磨性能 优异高温性能优异高温性能（400400度以下强度降低很少度以下强度降低很少）78（3 3）短纤维增强铝基复合材料）短纤维增强铝基复合材

48、料纤维种类纤维种类：AlAl2 2O O3 3、SiCSiC增强优点增强优点：增强体来源广、价格低、成型性好增强体来源广、价格低、成型性好（可采用传统金属成型工艺如（可采用传统金属成型工艺如铸、锻、轧铸、锻、轧等）等）性能特点性能特点：室温拉伸强度室温拉伸强度 无明显改善，有时有降低无明显改善，有时有降低弹性模量弹性模量 在室温和高温都有较大提高在室温和高温都有较大提高基体合金基体合金 高温性能高温性能 得到很大提高得到很大提高基体合金基体合金 耐磨性耐磨性 有明显改善有明显改善热膨胀系数热膨胀系数 减小减小793.3 3.3 铝基复合材料的应用铝基复合材料的应用（1 1）长纤维增强铝基复合材

49、料的应用）长纤维增强铝基复合材料的应用航空航天领域航空航天领域（高比强度比模量、尺寸稳定性好、高比强度比模量、尺寸稳定性好、价格贵价格贵）B Bf f/Al/Al：航天飞机机身框架及支柱、飞机起落架部件、：航天飞机机身框架及支柱、飞机起落架部件、飞机机翼蒙皮、飞机垂直尾翼、导弹构件、飞机机翼蒙皮、飞机垂直尾翼、导弹构件、多层半导体芯片支座散热冷却板多层半导体芯片支座散热冷却板 （导热性好、热膨胀系数与半导体匹配）（导热性好、热膨胀系数与半导体匹配）80 C Cf f/Al/Al：比模量高、导电导热、尺寸稳定性好比模量高、导电导热、尺寸稳定性好 卫星抛物面天线骨架（卫星抛物面天线骨架（尺寸稳定性

50、好尺寸稳定性好）飞机某些构件（飞机某些构件（有助于减轻重量有助于减轻重量）SiCSiCf f/Al/Al：飞机、导弹、发动机的高温构件飞机、导弹、发动机的高温构件（2 2）短纤维、颗粒、晶须增强铝基复合材料的应用）短纤维、颗粒、晶须增强铝基复合材料的应用性能优异，应用前景广阔，价格相对便宜性能优异，应用前景广阔，价格相对便宜（参阅教材参阅教材7474页内容页内容）814 4 钛基复合材料钛基复合材料4.1 4.1 概述概述钛合金钛合金：优良的耐高温性能、耐腐蚀性能、低的密度优良的耐高温性能、耐腐蚀性能、低的密度 性能不能满足航空和航天等领域的进一步要求性能不能满足航空和航天等领域的进一步要求钛