复合材料制备与加工1

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1、复合材料制备与加工第三章金属复合材料的制备与加工3.1粉末冶金复合粉末冶金(P/MPowderMetallurgy)粉末高速钢粉末热等静压法粉末烧结法铸锻法3.1粉末冶金复合粉末冶金（PowderMetallurgy，略为P/M）复合法适合于分散强化型复合材料（颗粒、晶须或纤维强化型复合材料）的制备与成形,其基本原理与工艺过程与常规的粉末冶金法相同。粉末冶金复合法包括烧结成形法（近终形烧结、或烧结后直接机加工成零部件）、烧结制坯＋塑性加工成形法等。对于颗粒弥散强化金属基复合材料，按照强化颗粒是预先加入基体粉末之中，还是在烧结过程中利用高温下的化学反应获得的，粉末冶

2、金复合法又可分为强化颗粒掺入复合法（常规复合法）与原生复合法。3.1.1粉末冶金复合法的特点优点：基体金属（合金）的成份可以自由选择。可以采用一些只有采用快速凝固法才能制得的粉末合金做基体材料。强化颗粒的种类、尺寸可以较自由地选择,还可以同时选用几种不同的颗粒做强化相（多种颗粒混杂强化）。强化颗粒添加量的范围广。较容易实现强化颗粒的均匀分散（除微细颗粒）。缺点：(1)工艺较复杂,成本高；(2)固化方法主要采用烧结、热压、挤压等方法,制品的尺寸与形状受限制；(3)除采用原生复合法外,由于颗粒的凝聚作用,微细强化颗粒（1m以下）的均匀分散通常很困难，颗粒与基体之间的

3、界面不如铸造复合法好（颗粒表面的污染不易被除去而带入基体中）。3.1.2粉末冶金复合的工艺过程(1)原料基体金属与强化颗粒均为粉末状原料。从提高强化效果,增加强化颗粒含量的要求来看,希望基体金属粉末与强化颗粒越细越好。但如上所述,颗粒越细,其凝聚性越大,且单位重量(或体积)的颗粒数迅速增加。所以,要使1m以下的微细强化颗粒均匀分散于基体之中反而很困难。通常,基体金属粉末的平均粒度为十几～数十m,而强化颗粒的平均粒度为几～十几m。(2)混合通常采用高能量球磨机等进行混合,这种方法也称为机械合金化法（MechanicalAlloying:MA）,是INCO公司的

4、J.S.Benjamin为研制飞机发动机涡轮叶片用Ni基超合金（Ni-Y2O3）而开发的。为了防止混合过程中粉末的发热、氧化,混合容器的外周采用水冷,而内部则通入惰性或还原性气体进行保护。搅拌轮的转速一般为每分数百转,搅拌时间视基体金属与强化颗粒的种类、尺寸（粒度）、添加量等而定,在1小时至数十小时之间。(3)压粉（压密、压型）金属粉末与强化颗粒均匀混合后,除采用真空热压烧结固化的工艺外,一般均需对粉末混合体进行压密处理,通过压型模或金属包套赋予压粉体以一定的形状,同时提高其初始密度。对于在常压下烧结直接制取制品的情形,需要施加较高的压粉压力,以获得较高的初始密度

5、,减少后续烧结过程中的收缩。(4)脱气脱气处理的目的是为了除去粉末、颗粒表面的水分与吸附气体,防止烧结后材料内部产生气孔、松疏等现象。当采用热压（hotpress）烧结,或直接采用热塑性变形烧结时,需要进行专门的脱气处理。当采用真空热压烧结时,在真空热压机内首先进行预脱气处理,然后压密、脱气、烧结三者同时进行。(5)压粉坯的致密化根据需要,可在烧结之前对粉末坯施以冷等静压（CIP）处理,或轧制、挤压变形,以达到致密化的目的。(6)烧结烧结的方式有:常压烧结、热压烧结、真空热压烧结、热等静压（HIP）烧结、热塑性变形烧结等多种方式。由于金属在烧结温度下容易氧化,所以

6、常压烧结多在保护性气氛下烧结。从烧结后的制品性能来看,以热塑性变形烧结法最好,热等静压法次之,常压烧结最差。塑性变形（挤压、锻造、轧制）可以破坏粉末表面的氧化膜,压合材料内部的孔隙,有利于烧结的进行,提高其致密度与性能。(7)塑性加工塑性加工又称为二次加工。金属基复合材料的特点之一,是在热加工温度条件下具有较好的变形性能。塑性加工的目的之一,是如上所述的提高复合材料的性能;其另一目的是为了赋予材料一定的形状。例如,通过挤压加工可以获得断面形状较为复杂的型材。3.1.3原生复合法利用烧结高温下的化学反应,在烧结体内直接生成强化颗粒。由内部氧化反应制取Al2O3颗粒强

7、化铜基复合材料是1950年开发的。其基本原理是在Al固溶Cu合金粉末中加入CuO粉末,通过反应2Cu-Al＋3CuO→5Cu＋Al2O3制备粒径0.003～0.012m、颗粒间隔为0.05～0.1m的非常细小的Al2O3颗粒强化铜基复合材料。获得如此细小、均匀颗粒弥散强化复合材料是常规的P/M法、铸造法（I/M法:IngotMetallurgy）所无法实现的。氧化物弥散强化铜基复合材料氧化物弥散强化铜基复合材料，是在铜基体中引入热稳定性极高、呈弥散分布的第二相粒子，以阻碍位错运动和抑制再结晶，从而使基体强度，特别是高温强度得到大幅度提高的一种复合材料。常用的氧

8、化物弥散相