《现代复合材料》课件第五章金属基复合材料(MMC)

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 金属基复合材料,(,MMC),第一节 概 述,一、,MMC,的,沿革与发展,二、,MMC,的分类,1,、按增强材料形态分类,纤维增强金属基复合材料,颗粒和晶须增强金属基复合材料,2,、按金属基体分类,铝基复合材料,钛基复合材料,镁基复合材料,高温合金复合材料,金属间化合物复合材料,第二节 金属基体,一、铝及铝合金,铝的基本特点：熔点,660,，密度,2.7,g/cm,3,具有面心立方结构所以其塑性优异，适合各种形式的冷、热加工,导电、导热性能好，约为铜的,60,左右,化学活性高，在大气中铝表面与氧形成一层薄而又致密的氧化铝膜，防止铝继续氧化,强度低,铝合金的分类,铝合金的热处理：淬火和时效,铝合金的力学性能,二、钛及钛合金,钛的,特点：熔点,1678,，密度,4.51,g/cm3,重量轻、比强度高。纯钛的强度可通过冷作硬化和合金化而得到显著的提高如,50,的冷变形可使强度提高,60,，适当合金化和热处理，则抗拉强度可达,12001400,MPa，,含有氢、碳、氧、铁和镁等杂质元素的工业纯钛抗拉强度可提高到,700,MPa，,并仍能保持良好的塑性和韧性。,高温性能优良。合金化后的耐热性显著提高，可以作为高温结构材料使用，如航空发动机的压气机转子叶片等，长期使用最高温度已达,540,在大气和海水中有优异的耐蚀性在硫酸、盐酸、硝酸相氢氧化纳等介质中都很稳定,导电与导热性差,.,导热系数只有铜的,1,l 7,和铝的,l10，,比电阻为铜的,25,倍,常用钛合金的性能,三、镁及镁合金,特点：密度,1.74,g/cm,3,由于其密度低，比强度、比刚度较高，,镁具有密排六方结构，室温和低温塑性较低，但高温塑性好可进行各类形式的热变形加工。,减震性能好，能承受较大的冲击振动负荷,四、金属间化合物,具有反常的温度强度效应,脆性很大,第三节,MMC,制备工艺,根据各种制备方法的基本特点，金属基复合材料的制备工艺分为四大类，即,(1),固态法；,(2),液态法；,(3),喷涂与喷射沉积法；,(4),原位复合法。,一、固态法,1,扩散结合,在一定温度的压力下，把新鲜清洁表面的相同或不相同的金届，通过表面原子的互相扩散而连接在一起。,工艺流程,关键步骤,纤维的排布；,复合材料的叠台和真空封装；,热压,纤维排布,采用有机粘接剂。将增强纤维的单丝或多丝的条带分别浸溃加热后易挥发的有机粘接剂，按复合材料的设计要求的间距排列在全属基体的薄板或箔上，形成预制件,采用带槽的薄板或箔片，将纤维排布在其中,采用等离子喷涂。即先在金属基体箔片上用排布好一层纤维，然后再喷涂一层与基体金属相同的金属,纤维表面经化学或物理处理，在基体金属熔池中充分地浸渍形成金属基复合丝,叠合与封装,为了防止复合材料在热压中的氧化，叠合好的复合材料坯科应真空封装于金属模套中。为了便于复合材料在热压后与金属模套的分离，在金属模套的内壁徐上云母粉类的涂料以利分离，注意不能涂与金属基体发生反应的涂料。,热压,在真空或保护气氛下直接放入热压模或平板进行热压合热压工艺参数主要为：热压温度、压力和时间,扩散结合的优缺点：,工艺相对复杂，纤维排布、叠合以及封装手工操作多，成本高。,能按照复合材料的铺层要求排布。,在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应,2,粉末冶金,适用于连续、长纤维增强也可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料,长纤维增强：将纤维和金属粉末按比例混合，密封在容器中，然后进行热等静压,其它增强相,粉末冶金的优点,工艺过程温度低，可以控制界面反应,增强材料,(,纤维、颗粒或晶须,),与基体金属粉末可以任何比例混合，纤维含量最高可达,75,，颗粒含量可达,50,以上,对浸润性和密度差的要求较小,采用热等静压工艺时，其组织细化、细密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使空隙和其它内部缺陷得到明显改善，从而提高复合材料的性能,可以用传统的加工方法进行二次加工,粉末冶金的缺点,工艺过程比较复杂，金属基体必须制成金属粉末，增加了工艺的复杂性和成本,在制备铝基复合材料时，还要防止铝金属粉末引起的爆炸,二、液态法,1,压铸,压铸成型,(,Squeeze casting)，,是指在压力的作用下，将液态或半液态金属基复合材料或金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料须制体的孔隙中，在压力下快速凝固成型而制备金属基复合材料的工艺方法,。,普通压铸工艺过程,将包含有增强材料的金属熔体倒入预热模具中后迅速加压，压力约为,70,l00MPa，,使液态金属基复合材料在压力下凝固。待复合材料完全固化后顶出，即制得所需形状及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸件,。,增强材料预制体的压铸工艺过程,将熔融金属注入装有增强材料,(,长、短纤维，颗粒或晶须,),的预制件模具中，并在压力下使之渗入预制件的间隙，在高压下迅速凝固成金属基复合材料,压铸法的,优点,其组织细化、无气孔，可以获得比一般金属模铸件性能优良的压铸件。,工艺设备简单，成本低，材料的质量高且稳定,易于工业化生产。,2,半固态复合铸造,将颗粒加入处于,半固态,的金属基体中，通过搅拌使颗粒在金属基体中均匀分布，并取得良好的界面结合，然后浇注成型或将半固态复合材料注入摸具进行压铸成型。,3,熔渗,将增强材料制成多孔预制体，置基体金属熔体的上方或内部，利用毛细力的使熔体作用渗入预制中。也可将预制体和基体金属坯料装入一可通入流动氮气的加热炉中。通过加热，基体金属熔化，自发渗透入网络状增强材料预制体中,三、喷涂与喷射沉积,喷涂沉积主要应用于纤维增强金属基复合材料的须制层的制备，也可以获得复合层状复合材料的坯料。喷射沉积则主要用于制备颗粒增强金属基复合材料。喷射与喷涂沉积工艺的最大特点是增强材料与基体金属的润湿性要求低；增强材料与熔融金属基体的接触时间短，界面反应量少。喷涂沉积制备纤维增强金属基复合材料时，纤维的分布均匀，获得的薄单层纤维增强预制层可以很容易地通过扩散结合工艺形成复合材料结构形状和板材。喷涂与喷射沉积工艺，可以与各种陶瓷纤维或颗粒复合，即基体金属的选择范围广。,1,、喷涂沉积,喷涂沉积,(,spray deposition),主要原理是以等离子体或电弧加热金属粉末或金属线、丝，甚至增强材料的粉末，通过喷涂气体喷涂沉积到沉积基板上。,2,、喷射沉积（,Ospray,）,将基体金属熔炼后，在压力作用下通过喷咀送入雾化器，在高速惰性气体外流的作用下液态金属被分散为细小的液滴，形成“雾化锥”，同时通过一个或多个喷咀向“雾化锥”喷入增强颗粒，使之与金属液滴一齐在一基板上沉积并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。,四、原位复合,1,共晶合金定向凝固,原理： 共晶合金定向凝固时，参与共晶反应的两相同时以棒状,(,纤维状,),或层片状规则排列生成。,2,直接金属氧化法,唯一基体法：将金属熔体（铝和钛）加热到较高的温度，向其中通入反应性气体（氧气或氮气），加入促使氧化反应的合金元素,Si,和,Mg，,使熔化金属通过显微通道渗透到氧化层外边，并顺序氧化，即铝被氧化，但液铝的渗透通道未被堵塞,多孔预成型体氧化法,3.,反应生成法,利用各种金属粉末、液体与非金属粉末或气体反应生成金属或金属间化合物基体的复合材料。,Ti + C + Al = Al +,TiC,Ti + B + Al = Al + TiB,2,Ti +C + Ni + Al = Ni,3,Al +,TiC,第四节,MMC,界面,一、,MMC,界面类型与界面结合,1,金属基复合材料界面类型,界面层的形貌,C,f,/Ni,中,Ni,向碳纤维扩散层,B,f,/6Al-4Ti-V,中的界面反应层,2,金属基复合材料界面结合,(1),机械结合,属于无溶解又不互相反应的第,I,类界面。主要依靠增强材料与基体表面的摩擦力而结合。研究表明，经过表面蚀的增强材料所构成的复合材料的强度要高,23,倍。但是这种界面结合仅限于受载应力平行于增强材料表面时才能承载。,(2),浸润与溶解结合,基体与增强相之间发生润湿，并伴随一定程度的相互溶解而产生的,种结合，其界面是第,II,类。一般增强材料与基体有一定的润湿性，在浸润后产生局部的互溶才有一定结合力。如果互相溶解严重，以至于损伤了增强材料，则会改变增强材料的结构，削弱了增强材料的性能，从而降低复台材料的性能。,(3),化学反应结合,大多数金属基复合材料，在热力学上是非平衡体系，也就是在增强材料与基体界面存在化学势梯度。增强材料与基体之间只要存在有利的动力学条件，就可能发生扩散和化学反应。增强材料与基体界面发生化学反应，在界面上生成新的化合物层，也就是界面层。这种结合形式就形成了第,III,类界面。这是主要的结合方式。适度的反应层可以增加界面的强度，但生成过量的脆性层有害。,(4),混合结合,在一定的温度和应力条件下，第,I,类界面可能缓慢向第,II,类和第,III,类界面转变。,二、,MMC,界面稳定性,对界面的要求,要求其在制备过程中获得良好的界面与结合，并且不削弱增强材料,要求其在使用过程中，尤其是在高温长时间使用条件下，能够保持这种良好的界面与结合，以保持其性能的稳定性,1.,界面溶解与析出,具有第,II,类界面的复合材料在制备过程和高温使用过程中，增强材料与金属基体在界面会发生互相,溶解,，也可能发生溶解后,析出,现象，因此采取适当的措施使增强材料减少发生严重损伤的溶解，就可以提高复合材料的性能稳定性。,界面溶解的防止,涂覆,加入合金元素减小溶解度,粉末冶金制备的,w,丝,Ni,复合材料，在,1100,左右使用,50,小时后，钨丝发生溶解，造成钨丝直径仅为原来的,60%,，大大影响钨丝的增强作用。为此，可采用钨丝涂覆阻挡层或在镍基合金中添加少量台金元素，如钛和铝，可以起到一定的防止钨丝溶入镍基台金的作用。,界面析出的危害,Cf,/Ni,复合材料，在,600,高温下，在界面碳先溶入镍，而后又析出，析出的碳是石墨结构，密度增大而在界面留下空隙，给镍提供了渗入碳纤维扩散聚集的位置，而且随温度的提高镍渗入量增加，严重损伤了碳纤维，使其强度严重下降,2,界面反应,界面反应是影响具有第,III,类界面的复合材料界面稳定性的化学因素。当界面发生化学反应，形成大量脆性化合物时，就会削弱增强材料的增强作用，尤其是在高温使用条件下，这种界面反应的不稳定性会造成复合材料的脆性破坏。,界面反应的地点,基体与反应产物界面层之间的边界上,反应产物界面层与增强材料之间的边界上,上述两种边界上同时产生,界面反应的形式,(1),连续界面反应,反应物的量,(,或界面层厚度,),会随温度的变化和时间的长短发生变化,(2),交换式反应,当增强材料与含有两种以上元素的金属基体之间发生化学反应，形成反应产物后，反应产物还会与其它基体元素发生交换反应，产生界面的不稳定,硼纤维增强合铝较高的钛合金,(,Ti,一8,A11Mo,一1,V),首先是含铝的钛合金与硼反应：,Ti(Al) + B = (Ti,Al)B,2,形成的,(Ti,，,A1)B,2,界面反应产物与钛继续进行交换反应：,(Ti,Al)B,2,+Ti,= TiB,2,+ Ti(Al),这样，界面反应物中的铝又会重新富集于基体合金一侧，甚至形成,Ti,3,Al,金属间反应物,(3),暂稳态界面的变化,暂稳态界面的变化一般是由于增强材料表面局部氧化所造成的。在硼纤维增强铝中，由于硼纤维上吸附有氧，并与之生成,BO,2,，,当这层氧化物在扩散结合时末受到破坏，但它是不稳定的。在一定温度下，由于铝与氧亲和力强，可以还原,BO,2,，,生成,Al,2,O,3,，,这种界面结合亦称之为氧化结,。,在长期热效应的作用下，界面上的,BO,2,氧化膜会发生球化，界面结合状态发生变化。,三、,MMC,界面浸润与界面反应控制,1.,增强材料的表面处理,增强材料的表面性质的类型：,第一类增强材料的表面能很低，极不容易被基体熔体所润湿，但又能与某些金属基体发生强烈的界面反应。这类增强材料主要有碳纤维与氧化铝类纤维、颗粒和晶须。,第二类增强材料较易于被基体所润湿，也能与某些金属基体反应，但比第一类稳定得多，主要有碳化硅和碳化硼类增强材料。日前尚未发现既能满足润湿要求，又不与金属基体发生界面反应的惰性增强材料。,增强材料的表面处理表面涂覆,涂覆的作用,改善增强材料与基体的润湿性和粘着性,防止增强材料与基体之间的扩散、渗透和反应,减轻增强材料与基体之间的热应力集中,2,金属基体改性,在某些金属基复合材料体系中，采用基体合金中添加某些合金元素以改善增强材料与基体之间的浸润条件或有效控制界面反应的方法为基体改性。,基体改性方法：,第一种是控制界面反应。加入改性合金元素应使界面发生反应时的反应速度常数尽可能小，以保持第,III,类界面的稳定性。,第二种是改善界面浸润性。添加可与增强材料表面进行一定程度界面反应，从而形成一层很薄的反应层的合金元素，提高增强材料的表面能，以增加其与基体的润湿性；或者在基体中添加的合金元素尽可能不与增强材料表面发生界面反应，但可降低基体液相的表面能。,合金元素对硼纤维界面反应速度常数的影响,没有,影响,稀释剂,明显,降低,通过基体改性增强润湿性,Al,2,O,3f,与,Al,的润湿角,:,660,180,980,60,Al,2,O,3f,与,Al-4.5Cu-3Mg,的,完全润湿，生成,MgO,Al,2,O,3,尖晶石,Al,2,O,3f,与,Al-23Li,的完全润湿，生成,LiAlO,2,第五节,MMC,的性能,1,高比强度、比模量,2,高韧性和高冲击性能,基体中的裂纹顶端的最大应力接近基体的抗拉强度，而低于纤维的断裂应力时，裂纹或在界面扩展钝化，或因基体的塑性剪切变形而钝化，从而改善了复合材料的断裂韧性,3.,对温度变化和热冲击的敏感性低,4.,表面耐久性好，表面缺陷敏感性低,表面坚实耐久，尤其是颗粒、晶须增强金属基复合材料常可以作为工程构件中的耐磨件使用。在陶瓷基复合材料中，由于腐蚀或擦伤等引起的小裂纹可使其强度剧烈降低。这是由于陶瓷的弹性模量高，但塑性和韧性低，不能象金属基复合材料中的基体那样可以借助塑性变形来使缺口或裂纹钝化，而造成应力集中，引起破坏。聚合物基复合材料基体的强度和硬度与金属基体相比部相当低，像擦伤、磨损等对其表面都有显著影响,。,5,导热、导电性能好,6,良好的热匹配性,有些纤维，如硼纤维与基合金的热膨胀系数接近，在硼纤维增强钛基复合材料中热应力可以降至很低。碳纤维增强铝基复合材料经过设计后，可使复合材料的热膨胀系数接近零。这样，复合材料在重量上比铝轻，但强度和刚度却有很大的提高，而且不会因温度差造成变形。,7性能再现性好及制备工艺可借鉴金属材料,二、纤维增强金属基复合材料的性能,1,强度与模量（,FRMMC）,FRMMC,的强度和模量高，耐高温性能好，但断裂应变与金属基体相比要低得多，只有,0.010.02,。因此在沿纤维轴向拉伸时,(,纵向,),，对于脆性纤维增强,MMC,的,抗拉强度会偏离复合混合法则,m,*,为纤维断裂应变基体的强度,Al,2,O,3,纤维含量与性能的关系,纤维方向对性能的影响,温度对,FRMMC,的影响,虽然,FRMMC,在高温下强度和模量有所下降，但和基体金属相比，其强度和模量有显著提高。如,40,W-2ThO,2,钨丝增强镍基高温合金在,1100,下的,100,小时高温持久强度,(193,MPa)，,要比基体合金,(28,MPa),高8.44,倍。,2,冲击性能,纤维含量影响不大,纤维含量和方向的影响,纤维性能的影响,提高韧性：采用大直径的纤维或者纤维束,温度和热历史的影响,3,蠕变与疲劳,金属纤维增强,陶瓷纤维增强的蠕变性能,在含有陶瓷纤维的金属基复合材料中，如,SiC,f,Al,或,Al,2,O,3f,/Al，,由于相应工作使用温度范围相对纤维和基体的熔点分别为,0.1-0.3,T,f,和0.4-0.7,T,m,。,这时金属基体蠕变要比纤维高几个数量级,纤维呈弹性变形，因此蠕变速率不能达到稳定值，而是会逐渐下降，趋于一个平衡值后而趋于零。由于硼纤维和其它陶瓷纤维的抗蠕变性能优异，因此陶瓷纤维增强金属基复合材料的抗蠕变性能要比基体合金优异。,疲劳强度,三、颗粒、晶须增强金属基复合材料的性能,1.,强度与模量,颗粒增强,（,PRMMC,）,mu,：,基体的抗拉强度,my：,基体的屈服强度,Ip,/,dp,：,颗粒的长径比,晶须增强,（,WRMMC）,PRMMC,和,WRMMC,模量符合混合法则,2,断裂韧性,颗粒与晶须塑性与韧性。,影响颗粒或晶须增强金属基复合材料的断裂韧性的因素主要有：,颗粒的大小和含量：尺寸增加、含量减少，韧性增加,晶须的取向：晶须有各向异性,复合材料的加工状态以及热处理等。,