颗粒增强铝基复合材料的

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东北大学课程论文论文题目:颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其存在的问题课程名称:冶金新方法与新材料制备任课教师:吴林丽学院:材料与冶金学院班级：冶金0903班学号:20091370姓名:赵志强 颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其存在的问题赵志强（东北大学材料与冶金学院）摘要：综述了颗粒增强铝基复合材料的研究现状，铝基复合材料的制备方法，及其存在的问题。关键词：颗粒；铝基复合材料；制备方法；问题ParticlesReinforcedAluminumCompositeMaterials,thePreparationMethodsandExistingProblemsZHAOzhiqiang（NortheasternUniversityCollegeofMaterialandMetallurgy）Abstract:Thereviewofparticlesreinforcedaluminummatrixcomposites,theresearchdevelopmentofaluminumcompositematerialpreparationmethods,anditsexistingproblems.Keywords:particle；Aluminumcompositematerials；preparationmethods；theproblemofexistence颗粒增强铝基复合材料(PRAMCs)是21世纪最有发展前途的先进材料之一，以其高比强度、高比刚度、高比模量、低密度及良好的高温性能、更耐疲劳和更耐磨，阻尼性能好，热膨胀系数低、导电性能良好等优良的综合力学性能和使用性能。其中弥散增强的铝基复合材料，不仅各向同性特征突出，而且可加工性强、价格低廉以及无高分子复合材料常见的老化、高温蠕变现象和在高真空条件下不释放小分子的特点，这克服了树脂基复合材料在航空领域中使用时存在的缺陷，更是受到复合材料工作者的广泛关注。在航空航天、先进武器系统、汽车、电子封装及体育器材等领域都显示出广阔的应用前景，因此，颗粒增强铝基复合材料已成为铝基复合材料研究领域中最重要、最常用的材料之一。增强机理PRAMCs是以纯铝或铝合金为基体，复合添加一定的颗粒增强相而成的。PRAMCs的强化机理沿用的是弥散强化型合金的理论，并且多从位错运动的角度进行分析。在外加剪应力的作 用下，当基体金属中的位错受力达到临界应力时发生运动，即基体金属发生塑性变形。如果位错运动受到质点(增强颗粒)的阻碍，就会产生位错塞积，从而使质点受到一个较大的应力。塞积位错越多，该力就越大。根据文献可知颗粒的直径间距以及体积分数之间必须满足下式关系否则颗粒将无强化作用。Dp=2dp3Vp12(1-Vp)式中:Dp为颗粒之间的间距;dp为颗粒的直径;Vp为颗粒体积分数制备及成形工艺1搅拌制备法搅拌法又称为漩涡法，其基本原理是将颗粒增强物直接加入到熔融的铝合金熔体中，通过一定方式的搅拌，使颗粒分散在铝合金熔体中，最后复合成PRAMCs熔体。按照增强颗粒与铝液混合搅拌方式，其可分为机械搅拌法、高能超声复合法和电磁搅拌法等。其中机械搅拌法对设备要求低、工艺简单，对颗粒种类和尺寸适应范围广，并且几乎可以采用所有的铸造方法成形，吴召玲等[1]采用该法制备的SiCP/A356复合材料通过差压铸造技术，制备了铁道车辆用制动盘。但是，由于机械搅拌过程中易卷入气体产生铸造缺陷，朱瑞杰等[2]在真空条件下，利用电磁搅拌技术与机械搅拌技术复合法制备了含量为10%的α-Al2O3铝基复合材料，结果表明该复合搅拌方法解决了采用单一械搅拌法制备复合材料易出现增强体分布不均和卷气现象的问题。韩飞等[3]采用机械搅拌法经过后续液态模锻成形工艺，制备5%SiCP/ZL102复合材料SiCP分布均匀、组织致密、无铸造缺陷。2粉末冶金法(PM)PM法是制备高熔点难成型材料的传统工艺。其工艺过程是将固体增强颗粒和铝基粉末用机械手段均匀混合，经过冷压、除气处理，然后加热到固液两相区进行真空热压制成复合材料锭，再经过挤压、轧制、铸造等加工制成所需的型材和零件。用PM法制得的产品具有界面反应少，增强相的含量可以根据需要进行调节且增强相分布均匀，性能稳定可进行传统机械加工等优点。但该方法工艺复杂，成本较高，制品形状和尺寸受到限制，不利于大规模推广应用。美国ARCO公司、英国BP公司用此法在碳化硅颗粒增强铝基复合材料方面取得了显著的成果[5]在PM法基础上开发的机械合金化法实质上也是一种PM工艺，只是它在条件控制、工艺等方面比PM法要求更高。桑吉梅等人[4]用机械合金化法成功制备了B4C/Al复合材料其屈服强度和抗拉强度比常规PM法制备的B4C/Al复合材料分别提高69%和70%。该工艺成功地解决了颗粒分布均匀性和界面结合问题，可制备高性能、高质量的复合材料。3挤压铸造法挤压铸造由于复合材料在高压下结晶凝固，既改善了金属熔体和增强颗粒的浸润性，又消除了疏松、气孔等缺陷，大幅度提高了复合材料的强度和塑性，因此，挤压铸造法制备的铝基复合材料质量较好。李桂荣等用Al2ZrOCl2组元通过熔体直接反应法原位合成了Al3Zr和Al2O3增强铝基复合材料，在720时进行常规浇注和挤压成形实验。结果表明挤压试晶粒细小，没有明显的缩孔疏松等缺陷，有利于提高复合材料的综合力学性能和耐磨性。冷金凤等选用SiC颗粒和鳞片状石墨作为增强体，采用挤压铸造法制备SiCPGr/2024Al复合材料，在保证材料力学性能的前提下改善了材料的加工性能结果表明，复合材料组织致密，石墨和SiC颗粒在基体中 均匀分布；铸态组织中SiC和石墨颗粒与基体Al合金都未发现界面反应物。4压力铸造法PRAMCs加工性较差，因此成型问题(特别是近净成型)成为其能否广泛应用的关键。压力铸造是一种比较先进且应用广泛的近终成形工艺，压铸件的形状可以非常复杂，如能用压铸工艺生产PRAMCs的零部件。则可有效的扩大铝基复合材料的应用范围。同时推动铝基复合材料成形技术的发展。但是，由于PRAMCs重熔后,一般产生颗粒的下沉现象，所以全液态下压铸PRAMCs比较困难。方妍妍等先用机械搅拌的方法将SiC与铝合金熔体混合，复合材料熔体通过中间包进入结晶器后，旋转磁体产生的强大的电磁场对材料施加了强烈的搅拌，冷却凝固后得到复合材料的非树枝晶坯料。通过上述方法制备出不同百分含量SiC的复合材料非树枝晶坯料，然后用中频感应加热设备对坯料进行二次加热后进行半固态压铸得到复合材料的压铸件，效果较好。5喷射沉积法现行的喷射成形PRAMCs制备技术，它的制备过程温度低、界面反应少、晶粒细、偏析程度低。大多是在喷射沉积成形过程中将一定量的增强相颗粒喷人雾化锥中，与金属熔滴强制混合后在沉积器上共沉积以获得复合材料坯件。这类方法的最大缺点是增强颗粒利用率低，材料制备成本高。孙友平等采用多层喷射沉积法制备的SiCP/7090Al复合材料粉末及其锭坯，研究了热挤压工艺对SiC增强颗粒分布均匀性的影响。实验结果表明：多层喷射沉积技术可以实现增强颗粒与合金雾化液滴在空中捕获粘结，实现基体与增强颗粒之间良好的冶金结合；再采用热挤压工艺使复合材料致密化，通过基体发生强烈塑性变形带动增强颗粒发生再分布，从而改善增强颗粒在材料中的微观均匀性，改善或消除微区域内增强体颗粒的偏聚。该技术有效地解决了颗粒在基体中分布不匀和利用率较低的难题，应用该技术已成功地制备出了TiC/Al-20Si-5Fe复合材料。6熔体直接反应法熔体直接反应法是将含有增强颗粒形成元素的固体颗粒或粉末在某一温度加到熔融铝合金表面，然后搅拌使反应充分进行，从而制备内生增强的复合材料。陈子勇等用该工艺使用TiO2粉剂与纯铝熔体反应，生成Al3Ti颗粒，然后采用搅拌铸造法制得了Al/Al3Ti复合材料。生成的Al3Ti颗粒尺寸细小，为23m而且分布均匀，与基体结合好。该工艺具有增强体大小和分布易于控制，可同时获得高强度、高韧性的材料，工艺简单、工期短、复合材料成本低、易于推广等特点。国内颗粒增强铝基复合材料的发展现状国内从上世纪80年代中期开始研究颗粒增强铝基复合材料，在国家“863”计划的支持下，经过多年来各有关单位的共同努力，使我国颗粒增强铝基复合材料的研究水平有了很大的提高。在材料的组织性能，复合材料界面等方面的研究已经接近国外的先进水平。在材料制备技术方面已基本掌握了粉末冶金、搅拌铸造、压力铸造等等多种主要的制备方法。结语PRAMCs的研究在许多方面都取得了一定的突破，使得其在很多重要领域都得到了应用。但与此同时也存在着诸多问题，例如工艺不稳定、成本高、商品化进程慢等。为了使PRAMCs能更好地满足需求，其研究发展应注重的几个方面：①为加强对增强颗粒与基体界面的研究，改善界面的浸润性、控制界面反应以获得较高的界面结合强度，提高PRAMCs性能的稳定性，增强其可靠性；②开展 PRAMCs的机械加工及连接技术的研究，以满足不同的实际需要；③加强有关功能型PRAMCs的研究，使其全面发展而不仅仅局限在结构型材料领域；④21世纪要建设资源节约型和环境友好型社会，因此在研发PRAMCs的同时要发展再生循环利用技术，从而在节约资源的同时防止其对环境造成污染；⑤在保证材料性能的前提下，最大限度地降低成本扩大应用范围。参考文献[1]吴召玲,韩建民,李卫京等．SiCP/A356复合材料的制备质量检验及控制[J]．北京交通大学学报200630(1)100-103．[2]朱瑞杰,张勇,胡志力．铝基复合材料的制备及其耐磨性能研究[J]．山东理工大学学报(自然科学版)200822(2)62-65．[3]韩飞,解念锁,王永善．SiCP/ZL102复合材料液态模锻的研究[J]．锻压技术2001(6)36-37．[4]付永红,何源,张冉阳.颗粒增强铝基复合材料制备及成形技术研究[J]．热加工工艺,HotWorkingTechnology,编辑部邮箱2010年14期[5]郑晶,贾志华马光.碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究进展[J]钛工业进展200623(6)13-16.[6]樊建中;桑吉梅;石力开.颗粒增强铝基复合材料的研制、应用与发展[J]材料导报,MaterialsReview,编辑部邮箱2001年10期.