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金属基复合材料的制备工艺2018-02-27

对于复合材料而言,一般是由性能各异的两相构成,即增强体和基体,因而其中一相(增强体)在基体中是否能够均匀分散以及两相之间的界面结合是其制备的最为关键问题,这直接导致了复合材料性能的好坏。按照增强体的不同加入方式,复合材料的制备方法可以分为两大类:内部原位生成法和外部强制加入法。我们主要讨论外来强制加入法。强制加入法可分为固态法和液态法。其中固态法主要是粉末冶金法;液态法包括搅拌熔铸法、液态浸渗法、喷射沉
积法等。

 

(1) 固态制备方法

固态法的特点是制备温度较低,金属基体和复合材料在固体状态,界面反应是不易发生,界面是干净的。金属基复合材料的典型固态制备方法是粉末冶金法,这也是目前最为广泛应用的固态制备方法。粉末冶金法为了解决金属箔材料成本高,难以获得钛铝金属部件的复合铝箔材料的问题。

粉末冶金法首先将增强体与金属基体粉末充分混合后,再压制成预制块,在真空环境下使预制块升温处于固液两相区并烧结,原理是利用粉末原子间的原子热扩散来结合,一般最后还会进行热挤压或冷轧制成件。制备过程中的温度在金属的熔点温度以下,比较低,能够有效抑制金属基体与增强相之间的界面反应。

粉末冶金法的优点是基体的成分可以自由选择,局限少,可以有效地减少金属基体与增强体之间的化学反应;可选择的增强体的种类、尺寸、以及体积分数范围比较大;对以控制各部分材料之间的成分比例,增强体在基体中能够均匀地分布。其缺点是工艺复杂、对设备要求高、成本较高、对于制备大尺寸的零部件会存在一定的困难;细小增强体的均匀性比较差,易于团聚成团,材料的致密度不高,存在一定的孔隙;增强体和基体的界面结合强度以及干净度不如铸造复合材料。对于制备各种颗粒或晶须增强的金属基复合材料,粉末冶金法经常被使用到。

 

(2) 液态法

液态金属制备方法是让处于熔融状态下的金属与增强体结合在一起的方法。其制备关键是要有效控制高温下的金属基体与增强材料的界面反应及基体的氧化反应。液态法可用来直接制备复合材料零件,包括铸造法、液态浸渗法、喷射沉积法等。其中最常用的铸造法,其基本工艺路线是首先将增强体以一定方式(喷射分散法、超声振动法或高速搅拌法使增强体分散开来)直接加入到金属熔体中,或者先和基体合金粉按一定比例混合,并在压力机上压成预制块,然后迅速升温至液相线以上并保温一定时间,然后在一定的压力下直接浇注熔融状态的金属铝液得到所需复合材料。

目前来看液态法还是最适合工业化低成本制备金属基复合材料的技术。复合材料的制备一般是基于液态金属渗透的原理,也可能依赖于活性无压渗透的润湿,也可能依赖于高压气体或者是挤压铸造时活塞的机械运动产生的外压力。但其制备的仍存在很多问题,如基体合金对增强相颗粒界面不润湿或发生界面反应等。碳材料与 Al 基体互不润湿,它们之间难以润湿的原因在于 Al 基体和碳材料的表面张力大。碳材料在 Al 液中易于与基体发生反应,生成不稳定的界面产物 Al4C3。这种脆性界面产物的存在会导致材料在受力状态下产生应力集中,使得增强体脱离基体。而且由于采用液态工艺,复合材料中还易于形成气孔导致材料致密度低等缺陷。
 

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