先进复合材料的制备方法课件

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1、专题讲座先进复合材料的制备方法宋延沛引言金属基复合材料(ＭＭＣ:MetalMatrixComposites)作为21世纪的一种新材料，虽然仅有30多年的发展历史,但已显示出强大的生命力。金属基复合材料大量的研究工作主要是针对航空、航天和国防军工应用的迫切需求所推动的。然而由于近十多年来国际局势发生变化，以和平发展经济为主流，因此迫使复合材料向民用工业领域发展。经过材料科学工作者长期不懈的不懈努力，复合材料已汽车、冶金、矿山、建材等领域获得应用。与聚合物基复合材料相比,金属基复合材料具有以下特点:1.高温强度好;2.横向强度高;3.导热性好,线膨胀系数小、组织结构稳定;4.抗腐蚀，可焊接，并且

2、能够局部强化。因此，金属基复合材料被誉为21世纪的新材料。其中陶瓷颗粒增强金属基复合材料(ＰＭＭＣ)更具有吸引力。金属基复合材料研究多以镁、锌、铜等有色金属基复合材料为多，而对传统的钢铁材料由于其熔点高，比重大，比强度小，制造工艺复杂等，使钢铁基复合材料的研究受到限制，随着民用工业的迅速发展，对材料的性能价格比要求越来越高，高高温速磨损条件下工作的零件向钢铁材料提出更高的要求，近年来,材料科学工作者开始对钢铁基复合材料的制备工艺、界面反应以及材料的结构和性能展开了研究，业已取得了一定成绩，目前已在钢铁企业和矿山企业得到了一定的应用。目前关于钢铁基复合材料的研究工作主要集中于材料组成及界面反应、

3、制备及合成工艺、材料结构及性能等方面。2.复合材料的制备方法2.1粉末冶金法粉末冶金法又称固态金属扩散粘结法[6]，该方法是将固态粉末和增强粒子机械混合，在一定的温度和压力下，金属在增强颗粒周围被迫流动扩散。粉末冶金法有以下几个优点:①制造温度低于铸造法,因高温引起的界面反应少。②可在同一机件不同位置加入不同数量或品种的增强物,以得到不同的性能。③增强物分布均匀,不易出现偏析和偏聚。用这种方法开发了WC增强钢基复合材料。适用于全焊接型整流器、可控硅的代Ｍｏ新型低膨胀高导热金属基复合材料ＤＧ1合金。此种材料和基体可以任意比例混合。美国的Ｎoramet公司、英国ＢＰ公司以及我国沈阳金属所都已应用此

4、法成功地制造了碳化硅颗粒增强铝基(Ａl/ＳiＣp)复合材料。在粉末冶金工业中,热压锭还必须经二次加工,如挤压、轧制、锻造等,以提高材料的致密度,并使增强体的分布进一步均匀化。但应用上受到很大限制,因制备工艺复杂、生产周期长、成本高、工件形状和尺寸有一定的局限性。据美国ＤＷＡ公司1988年的报道,他们用粉末冶金法生产的铝颗粒复合材料,产品价格为每千克11023～22046美元,比基体合金约高10倍左右,所以还只能用于航天航空和军事用途,未能在民用工业推广应用。复合轧辊外层应具有高的耐磨性及足够的韧性,内层应具有良好的韧性及足够的强度和一定的耐磨性，并且还应具有与外层材料尽量接近的热膨胀系数,且价

5、格便宜、制作方便。为此,国内有些学者选用WC-28NiCo系硬质合金作外层，铁基复合材料作内层。复合时,外层为已烧结好的硬质合金辊套,内层为铁基复合材料粉体,该粉体由铁基粉末中加入适量硬质相颗粒经混合而成。在外层硬质合金辊套的芯部和端部填充铁基复合粉体,将辊套上需复合铁基内层的表面掩埋,然后整体密封于金属包套内,置于热等静压机中处理。在高温高压下,通过包套的变形传压使铁基粉体烧结致密,同时与外层辊套形成冶金结合。采用热等静压（HIP）方法在1180℃、100MPa条件下制备了陶瓷颗粒（Al2O3、TiC、Cr2C3、TiN）增强高铬白口铸铁基复合材料和不锈钢基复合材料。铸造法是目前生产基复合材

6、料采用较多的一种方法，它包括铸造渗透法、浸渗法、半固态铸造法和离心铸造法等。用于铸造的钢铁复合材料必须满足以下3个基本条件:①铸锭必须能重熔且不改变其性能。②熔化的金属与标准的铸造合金成分一致。③获得的铸件缺陷少,其力学性能均匀性能好。但在液态成型中,由于金属液体很难浸入到增强材料(颗粒或纤维)之间,结果使材料内部形成大量孔洞缺陷。另外,增强材料和基体材料往往在物理性能(如热膨胀性、密度)、化学性能(如电化学势、组元扩散能力)及力学性能(如强度及韧性)方面存在较大差异,这将影响复合材料的质量。液态成形中遇到的第三个问题是金属液体和增强材料之间的界面反应,其中包括溶解和吸附反应以及化学反应。界面

7、化学反应生成的脆性金属化合物往往成为裂纹源或应力集中源,降低材料的强度及韧性。1、2铸造法1.2.1铸造渗透法熔体浸渗工艺有两种方法。一种方法是预制件浸渗法,另一种是离心浸渗。液态金属铸渗法：这种方法的实质是按铸件形状或需要增强部分的形状,将增强颗粒或纤维粘合成一个有一定孔隙度的预构件,并置于型内,然后将金属液浇入,在一定条件下,金属液渗入增强体间的孔隙中而形成一个整体。金属液渗入增强体间孔隙是一