1、金屬基復合材料凝固制備金屬基復合材料凝固制備研究現狀研究現狀XXXXXXXXXXXX上海大學1目錄目錄 1.金屬基復合材料制備概述 2.原位反應法制備金屬基復合材料 3.原位TiB2/Al復合材料制備及凝固過程研究 4.三維網絡SiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織 5.參考文獻21.1.金屬基復合材料概述金屬基復合材料概述金屬基復合材料金屬基復合材料 是采用相應的制備工藝，將不同種類、不同形態的陶瓷、非金屬增強相分布在金屬基體中而獲得的復合材料，按所用金屬基體及增強體的不同，使用溫度在300-1200 。它的性能它的性能 兼備了金屬基體與增強相的優點，具有高的比強度和比剛度、耐高溫、耐磨損

2、、橫向性能及層間剪切強度高，并具有高的熱穩定性和體積穩定性，以及材料的可設計性，因而最先在航天領域得到應用。關明，常志梁.金屬基復合材料制備技術的進展J. Material&Heat Treatment. 2010.制備方法制備方法（工藝）（工藝）液態制備方法液態制備方法攪拌熔鑄法攪拌熔鑄法液態浸滲法液態浸滲法噴射沉積法噴射沉積法固態制備方法固態制備方法粉末冶金法粉末冶金法熱壓法熱壓法制備方法制備方法（有無原位反應）（有無原位反應）外加增強體外加增強體原位反應原位反應2.2.原位反應法制備金屬基復合材料原位反應法制備金屬基復合材料傳統的金屬基復合材料制造工藝是采用外加增強體外加增強體的

3、復合方法，增強體易偏聚，材料結構不均勻。原位反應合成法基本原理：原位反應合成法基本原理：是在一定的條件下，通過元素之間或元素與化合物之間的化學反應，生成相在原位形核、長大，因此生成相熱力學穩定相強。這種反應在金屬基體內原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強相，從而達到強化金屬基體的目的。朱曉光,王為民,張金詠. 原位反應復合材料研究進展J.武漢理工大學學報, 2005,11.原位反應主要分為：原位反應主要分為：放熱彌散法放熱彌散法氣液反應法氣液反應法接觸反應法接觸反應法直接熔體反應法直接熔體反應法機械合金化機械合金化自然浸滲法自然浸滲法3 3 原位原位TiBTiB2 2/Al/Al復合

4、材料制備及凝固過程研究復合材料制備及凝固過程研究朱曉光,王為民,張金詠. 原位反應復合材料研究進展J.武漢理工大學學報, 2005,11.目前，對于顆粒增強金屬基復合材料的凝固過程的研究大多集中在對凝固組織的分析以及力學性能的研究等方面。本研究測定了原位內生TiB2顆粒增強鋁基TiB2/Al復合材料的凝固動態曲線，并分析了其凝固特性，對實際應用具有一定的參考意義。研究背景：研究背景：實驗過程：實驗過程：純TiO2粉末純B2O3粉末1:11:1混合混合球磨壓制成型（100 MPa）鋁箔包裹在60預熱1h加入熔融的純鋁液中抽真空后通入氬氣邊升溫邊攪拌830左右時，預制塊與鋁熔體發生原位反應，繼續攪

5、拌（完全反應后）靜置5min然后精煉、除氣、撇渣，降溫至740熔體經過泡沫陶瓷過濾網過濾至金屬型中常溫下凝固3 3 原位原位TiBTiB2 2/Al/Al復合材料制備及凝固過程研究復合材料制備及凝固過程研究實驗裝置：實驗裝置：基本反應：基本反應：3 3 原位原位TiBTiB2 2/Al/Al復合材料制備及凝固過程研究復合材料制備及凝固過程研究凝固動態曲線測定：凝固動態曲線測定：凝固動態曲線測定方法示意圖凝固動態曲線測定方法示意圖鑄型鑄型XWT電子平衡記錄儀電子平衡記錄儀熱電偶熱電偶澆注系統澆注系統記錄自金屬液注入型腔起至任意時刻鑄件斷面上各測溫點的溫度一時間曲線。3 3 原位原位TiBTiB2

6、 2/Al/Al復合材料制備及凝固過程研究復合材料制備及凝固過程研究凝固動態曲線測定：凝固動態曲線測定： 縱坐標分子x是鑄件表面向中心方向的距離 因凝固是從鑄件壁兩側同時向中心進行，所以x/R表示已凝固至鑄件中心。鑄件斷面的溫度一時間曲線，鑄件斷面的溫度一時間曲線，1、2、3、4、5、6為相應熱電偶所測得的曲線為相應熱電偶所測得的曲線TiB2/ Al復合材料凝固動態曲線復合材料凝固動態曲線液相邊界液相邊界固相邊界固相邊界3 3 原位原位TiBTiB2 2/Al/Al復合材料制備及凝固過程研究復合材料制備及凝固過程研究凝固動態曲線分析：凝固動態曲線分析：在第1min，距鑄件表面x/R=0.6處金

7、屬開始凝固，由該處至鑄件中心的金屬仍為液態(液相區)；x/R=0.5處金屬剛剛凝固完畢，從該處至鑄件表面的金屬為固態(固態區)；二者之間是液一固兩相區(凝固區)。在3.2 min時，液相區消失。在3.4 min，鑄件凝固完畢，所以這兩條線是表示鑄件斷面上液相和固相等溫線由表面向中心推移的動態曲線。“液相線”邊界從鑄件表面向中心移動，所到達之處凝固開始。過一段時間，“固相線”邊界離開鑄件表面向中心移動，所到達之處就凝固完畢。4 4 三維網絡三維網絡SiC/CuSiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織金屬基復合材料的凝固顯微組織SiC/Cu金屬基復合材料具有良好的導熱、導電、耐磨和耐氧化等性能因此

8、在航空航天、電子和國防等領域有廣闊的應用前景。三維網絡SiC/Cu金屬基復合材料的制備工藝與粉末冶金法不同，其通過將事先制備好的SiC陶瓷骨架用擠壓鑄造法與銅合金進行復合，從而制備出一種具有特殊性能的三維網絡連通的金屬基復合材料。 近年來，鑄造金屬材料的凝固顯微組織由于對性能有著非常重要的影響而被廣泛關注。但有關陶瓷/金屬復合材料凝固顯微組織的研究卻并不多見。研究背景：研究背景：4 4 三維網絡三維網絡SiC/CuSiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織金屬基復合材料的凝固顯微組織制備過程：制備過程：用無水乙醇將三維網絡用無水乙醇將三維網絡SiC骨架超骨架超聲清洗聲清洗20 min，再用去離子

9、水超聲清洗再用去離子水超聲清洗15 min，然后放入然后放入100的干燥箱中。的干燥箱中。在在100 kW中頻感應電爐中將銅合金熔化中頻感應電爐中將銅合金熔化將將SiC骨架迅速放入模具骨架迅速放入模具并澆注銅合金熔液，在并澆注銅合金熔液，在一定壓力下加壓復合成一定壓力下加壓復合成型。型。邢宏偉,曹小明,胡宛平,趙龍志,張勁松.三維網絡SiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織J.材料研究學報, 2004,12.銅合金中合金元素含量銅合金中合金元素含量4 4 三維網絡三維網絡SiC/CuSiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織金屬基復合材料的凝固顯微組織鑄造壓力對晶粒形態的影響：在一定范圍內，鑄造

10、壓力的提高不僅使晶體長大的速度提高，也提高了液態金屬中的形核率。在加壓條件下，形核率的增加超過長大速度，則加壓可使宏觀晶粒細化；當形核率的增加幅度低于長大速度時，宏觀晶粒度變粗。 濟王驥，擠壓鑄造(北京，國防工業出版社，1984) p.2780MPa80MPa100MPa100MPa如圖：此復合材料的擠壓鑄造，當SiC骨架的網孔足夠小時，增大壓力對復合材料基體凝固組織的晶粒度影響不明顯。 解釋：SiC網絡骨架的存在使形核變得比較容易，形核率顯著提高并占主導地位使其影響超過壓力的影響.這是壓力對晶粒度的影響不十分明顯的原因。4 4 三維網絡三維網絡SiC/CuSiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微

11、組織金屬基復合材料的凝固顯微組織骨架預熱溫度對晶粒形態的影響：200下預熱下預熱400下預熱下預熱可見骨架預熱溫度的提高對晶粒尺寸的影響不顯著。其原因是，無論骨架的預熱溫度為200還是400，在骨架與基體Cu合金之間均能達到較好的反應潤濕，形成界面反應層。界面反應層的存在，使網孔內部由反應層至骨架中心區域形成均勻的等軸晶組織。可見，界面反應層的存在弱化了骨架預熱溫度對基體晶粒度的影響。但是骨架預熱溫度不能過低，否則液態金屬凝固時將在基體與SiC骨架之間產生較大的內應力，導致界面脫粘或產生裂紋。4 4 三維網絡三維網絡SiC/CuSiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織金屬基復合材料的凝固顯微組

12、織澆筑溫度對晶粒形態的影響：澆筑溫度對晶粒形態的影響：10501200澆注溫度的降低有細化晶粒的作用，但最佳澆注溫度應高于液相線溫度50左右。澆注溫度過低會影響液態金屬的充型和補縮，在骨架內出現縮孔或疏松，澆注溫度過高導致金屬熔液嚴重氧化。4 4 三維網絡三維網絡SiC/CuSiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織金屬基復合材料的凝固顯微組織骨架對鉛分布的影響：骨架對鉛分布的影響：鉛在純基體分布鉛在純基體分布鉛在復合材料基體分布鉛在復合材料基體分布如圖：對于純基體合金和SiC骨架增強復合材料，鉛的分布總體上是比較均勻的。在中孔和小孔徑復合材料中沒有發現鉛有嚴重偏析，但是在無骨架基體的中心和大孔

13、徑復合材料(直徑2.5 mm)的網孔中心，出現鉛的局部聚集。這些結果表明，在擠壓鑄造工藝條件下，雖然壓力對金屬熔液有攪拌作用，使鉛的偏析受到抑制，但是較長的凝固時間導致了鉛的聚集和偏析。在無骨架基體和大孔徑骨架的中心凝固速度較慢，鉛有足夠的時間在液相中沉積，從而產生比重偏析。對于中孔或小孔徑骨架，液態合金的凝固速度較快，鉛來不及偏析。4 4 三維網絡三維網絡SiC/CuSiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織金屬基復合材料的凝固顯微組織骨架對形核和結晶的作用：骨架對形核和結晶的作用：在液態金屬的凝固過程中，三維骨架的網絡結構為晶體的形核提供了基底，導致大量晶核在骨架表面形成并長大。實驗結果表明

14、，骨架在某種程度上具有使液態金屬定向結晶一形成織構的作用。當骨架與基體間不發生界面反應，即沒有界面過渡層時，由于骨架表面粗糙不平，為樹枝晶的形成創造了條件。因而金屬液體在骨架上形核并垂直于骨架表面長大(如圖b)。隨著凝固前沿向網孔的中心推進，網孔內的基體合金形成典型的樹枝晶“織構”網絡（如圖a） 宋維錫，金屬學，第二版，(北京冶金工業出版社，1989)p.124圖圖b .骨架的邊緣晶體結構骨架的邊緣晶體結構圖圖a.金屬液與骨架金屬液與骨架4 4 三維網絡三維網絡SiC/CuSiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織金屬基復合材料的凝固顯微組織骨架對形核和結晶的作用：骨架對形核和結晶的作用：垂直生

15、長的樹枝晶取向呈現明顯的規律性發展，在網孔中心形成具有相同中心的三角形網絡群(圖c).這種結構說明，骨架網孔內晶體的形核和生長沒有受到壓力的影響而使枝晶碎斷.可見，在加壓的瞬間骨架內即充滿基體熔液，壓力的保持沒有破壞前期形成的凝固顯微組織。與其它“織構”不同，三維網絡SiC/Cu復合材料中的“織構”網絡不會造成復合材料性能的各向異性，因為雖然樹枝晶在每個網孔內都垂直于骨架表面生長，但復合材料中的網絡孔徑分布是均勻的，因此復合材料的性能是各向同性的.圖圖c.樹枝晶在骨架內形成樹枝晶在骨架內形成4 4 三維網絡三維網絡SiC/CuSiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織金屬基復合材料的凝固顯微組織

16、骨架對形核和結晶的作用：骨架對形核和結晶的作用：當骨架中的游離硅與基體間發生反應時，液相金屬直接進入表面多孔的SiC骨架表層并在骨架內部開始形核，由于晶核在長大過程中受到SiC的阻礙，因而無法長成粗大的樹枝晶;同時，網孔中心的熔液借助骨架表面作為基底形核的能力大為減弱，自發形核的趨勢明顯增強，這些都為形成等軸晶創造了條件(圖d).圖圖c.樹枝晶在骨架內形成樹枝晶在骨架內形成SiC過渡層過渡層金屬液金屬液4 4 三維網絡三維網絡SiC/CuSiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織金屬基復合材料的凝固顯微組織骨架對晶粒及組織的影響：骨架對晶粒及組織的影響：如圖：液態金屬在SiC骨架網孔內形成典型的

17、等軸晶組織，靠近骨架表面的晶粒與網孔中心的晶粒大小相近，分布均勻.有骨架時金屬的凝固組織不會出現大的區域偏析，微小的顯微偏析只出現在網孔內部的細小晶粒中，這是基體在凝固過程中發生了包晶反應和非平衡結晶的結果。骨架邊緣與網孔中心的晶粒形態骨架邊緣與網孔中心的晶粒形態骨架邊緣骨架邊緣網孔中心網孔中心4 4 三維網絡三維網絡SiC/CuSiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織金屬基復合材料的凝固顯微組織骨架對晶粒及組織的影響：骨架對晶粒及組織的影響：無骨架擠壓鑄造的基體形成典型的樹枝晶組織。鑄件的近表層枝晶細小，分布較為均勻(圖e)；而遠表層枝晶發達、粗大，最長枝晶接近600um，枝晶間距明顯加寬，

18、宏觀偏析較為嚴重(圖f)。說明整個鑄件的溫度分布不均勻，表層溫度低而靠近中心處的溫度高。因此，骨架的存在使鑄件內外溫度分布趨于均勻，從而偏析程度顯著減輕。無骨架靠近表層的晶體結構無骨架靠近表層的晶體結構無骨架遠離表層的晶體結構無骨架遠離表層的晶體結構4 4 三維網絡三維網絡SiC/CuSiC/Cu金屬基復合材料的凝固顯微組織金屬基復合材料的凝固顯微組織骨架對晶粒及組織的影響：骨架對晶粒及組織的影響：有骨架時金屬的凝固組織不會出現大的區域偏析，微小的顯微偏析只出現在網孔內部的細小晶粒中，這是基體在凝固過程中發生了包晶反應和非平衡結晶的結果。此外，網絡孔徑對晶粒形態也有影響，細小的網孔有利于等軸晶的形成(圖a, b, c)，而粗大