1、第五章 金屬基復合材料(MMC)第一節 概 述 一、MMC的沿革與發展二、MMC的分類1、按增強材料形態分類纖維增強金屬基復合材料顆粒和晶須增強金屬基復合材料2、按金屬基體分類鋁基復合材料鈦基復合材料鎂基復合材料高溫合金復合材料金屬間化合物復合材料第二節 金屬基體一、鋁及鋁合金鋁的基本特點：熔點660 ，密度2.7g/cm3具有面心立方結構所以其塑性優異，適合各種形式的冷、熱加工導電、導熱性能好，約為銅的60左右化學活性高，在大氣中鋁表面與氧形成一層薄而又致密的氧化鋁膜，防止鋁繼續氧化強度低鋁合金的分類鋁合金的熱處理：淬火和時效鋁合金的力學性能二、鈦及鈦合金鈦的特點：熔點1678 ，密度4.5

2、1g/cm3重量輕、比強度高。純鈦的強度可通過冷作硬化和合金化而得到顯著的提高如50的冷變形可使強度提高60，適當合金化和熱處理，則抗拉強度可達12001400MPa，含有氫、碳、氧、鐵和鎂等雜質元素的工業純鈦抗拉強度可提高到700MPa，并仍能保持良好的塑性和韌性。高溫性能優良。合金化后的耐熱性顯著提高，可以作為高溫結構材料使用，如航空發動機的壓氣機轉子葉片等，長期使用最高溫度已達540 在大氣和海水中有優異的耐蝕性在硫酸、鹽酸、硝酸相氫氧化納等介質中都很穩定導電與導熱性差.導熱系數只有銅的1l 7和鋁的l10，比電阻為銅的25倍常用鈦合金的性能三、鎂及鎂合金特點：密度1.74g/cm3由于

3、其密度低，比強度、比剛度較高， 鎂具有密排六方結構，室溫和低溫塑性較低，但高溫塑性好可進行各類形式的熱變形加工。減震性能好，能承受較大的沖擊振動負荷四、金屬間化合物具有反常的溫度強度效應脆性很大第三節 MMC制備工藝根據各種制備方法的基本特點，金屬基復合材料的制備工藝分為四大類，即(1)固態法；(2)液態法；(3)噴涂與噴射沉積法；(4)原位復合法。 一、固態法1擴散結合在一定溫度的壓力下，把新鮮清潔表面的相同或不相同的金屆，通過表面原子的互相擴散而連接在一起。工藝流程關鍵步驟纖維的排布；復合材料的疊臺和真空封裝；熱壓纖維排布采用有機粘接劑。將增強纖維的單絲或多絲的條帶分別浸潰加熱后易揮發的有

4、機粘接劑，按復合材料的設計要求的間距排列在全屬基體的薄板或箔上，形成預制件采用帶槽的薄板或箔片，將纖維排布在其中采用等離子噴涂。即先在金屬基體箔片上用排布好一層纖維，然后再噴涂一層與基體金屬相同的金屬纖維表面經化學或物理處理，在基體金屬熔池中充分地浸漬形成金屬基復合絲疊合與封裝為了防止復合材料在熱壓中的氧化，疊合好的復合材料坯科應真空封裝于金屬模套中。為了便于復合材料在熱壓后與金屬模套的分離，在金屬模套的內壁徐上云母粉類的涂料以利分離，注意不能涂與金屬基體發生反應的涂料。熱壓在真空或保護氣氛下直接放入熱壓?；蚱桨暹M行熱壓合熱壓工藝參數主要為：熱壓溫度、壓力和時間擴散結合的優缺點：工藝相對復雜，

5、纖維排布、疊合以及封裝手工操作多，成本高。能按照復合材料的鋪層要求排布。在熱壓時可通過控制工藝參數的辦法來控制界面反應2粉末冶金適用于連續、長纖維增強也可用于短纖維、顆粒或晶須增強的金屬基復合材料長纖維增強：將纖維和金屬粉末按比例混合，密封在容器中，然后進行熱等靜壓其它增強相粉末冶金的優點工藝過程溫度低，可以控制界面反應增強材料(纖維、顆?；蚓ы?與基體金屬粉末可以任何比例混合，纖維含量最高可達75，顆粒含量可達50以上對浸潤性和密度差的要求較小采用熱等靜壓工藝時，其組織細化、細密、均勻，一般不會產生偏析、偏聚等缺陷，可使空隙和其它內部缺陷得到明顯改善，從而提高復合材料的性能可以用傳統的加工方

6、法進行二次加工粉末冶金的缺點工藝過程比較復雜，金屬基體必須制成金屬粉末，增加了工藝的復雜性和成本在制備鋁基復合材料時，還要防止鋁金屬粉末引起的爆炸二、液態法1壓鑄 壓鑄成型(Squeeze casting)，是指在壓力的作用下，將液態或半液態金屬基復合材料或金屬以一定速度充填壓鑄模型腔或增強材料須制體的孔隙中，在壓力下快速凝固成型而制備金屬基復合材料的工藝方法。普通壓鑄工藝過程將包含有增強材料的金屬熔體倒入預熱模具中后迅速加壓，壓力約為70l00MPa，使液態金屬基復合材料在壓力下凝固。待復合材料完全固化后頂出，即制得所需形狀及尺寸的金屬基復合材料的坯料或壓鑄件。增強材料預制體的壓鑄工藝過程將

7、熔融金屬注入裝有增強材料(長、短纖維，顆?；蚓ы?的預制件模具中，并在壓力下使之滲入預制件的間隙，在高壓下迅速凝固成金屬基復合材料壓鑄法的優點其組織細化、無氣孔，可以獲得比一般金屬模鑄件性能優良的壓鑄件。工藝設備簡單，成本低，材料的質量高且穩定易于工業化生產。2半固態復合鑄造將顆粒加入處于半固態的金屬基體中，通過攪拌使顆粒在金屬基體中均勻分布，并取得良好的界面結合，然后澆注成型或將半固態復合材料注入摸具進行壓鑄成型。3熔滲將增強材料制成多孔預制體，置基體金屬熔體的上方或內部，利用毛細力的使熔體作用滲入預制中。也可將預制體和基體金屬坯料裝入一可通入流動氮氣的加熱爐中。通過加熱，基體金屬熔化，自發

8、滲透入網絡狀增強材料預制體中三、噴涂與噴射沉積噴涂沉積主要應用于纖維增強金屬基復合材料的須制層的制備，也可以獲得復合層狀復合材料的坯料。噴射沉積則主要用于制備顆粒增強金屬基復合材料。噴射與噴涂沉積工藝的最大特點是增強材料與基體金屬的潤濕性要求低；增強材料與熔融金屬基體的接觸時間短，界面反應量少。噴涂沉積制備纖維增強金屬基復合材料時，纖維的分布均勻，獲得的薄單層纖維增強預制層可以很容易地通過擴散結合工藝形成復合材料結構形狀和板材。噴涂與噴射沉積工藝，可以與各種陶瓷纖維或顆粒復合，即基體金屬的選擇范圍廣。1、噴涂沉積 噴涂沉積(spray deposition)主要原理是以等離子體或電弧加熱金屬粉

9、末或金屬線、絲，甚至增強材料的粉末，通過噴涂氣體噴涂沉積到沉積基板上。2、噴射沉積（Ospray） 將基體金屬熔煉后，在壓力作用下通過噴咀送入霧化器，在高速惰性氣體外流的作用下液態金屬被分散為細小的液滴，形成“霧化錐”，同時通過一個或多個噴咀向“霧化錐”噴入增強顆粒，使之與金屬液滴一齊在一基板上沉積并快速凝固形成顆粒增強金屬基復合材料。四、原位復合1共晶合金定向凝固原理： 共晶合金定向凝固時，參與共晶反應的兩相同時以棒狀(纖維狀)或層片狀規則排列生成。2直接金屬氧化法唯一基體法：將金屬熔體（鋁和鈦）加熱到較高的溫度，向其中通入反應性氣體（氧氣或氮氣），加入促使氧化反應的合金元素Si和Mg，使熔

10、化金屬通過顯微通道滲透到氧化層外邊，并順序氧化，即鋁被氧化，但液鋁的滲透通道未被堵塞多孔預成型體氧化法3.反應生成法利用各種金屬粉末、液體與非金屬粉末或氣體反應生成金屬或金屬間化合物基體的復合材料。Ti + C + Al = Al + TiC Ti + B + Al = Al + TiB2 Ti +C + Ni + Al = Ni3Al + TiC 第四節 MMC界面一、MMC界面類型與界面結合1金屬基復合材料界面類型界面層的形貌Cf/Ni中Ni向碳纖維擴散層Bf/6Al-4Ti-V 中的界面反應層 2金屬基復合材料界面結合(1)機械結合 屬于無溶解又不互相反應的第I類界面。主要依靠增強材料與

11、基體表面的摩擦力而結合。研究表明，經過表面蝕的增強材料所構成的復合材料的強度要高23倍。但是這種界面結合僅限于受載應力平行于增強材料表面時才能承載。(2)浸潤與溶解結合基體與增強相之間發生潤濕，并伴隨一定程度的相互溶解而產生的種結合，其界面是第II類。一般增強材料與基體有一定的潤濕性，在浸潤后產生局部的互溶才有一定結合力。如果互相溶解嚴重，以至于損傷了增強材料，則會改變增強材料的結構，削弱了增強材料的性能，從而降低復臺材料的性能。(3)化學反應結合 大多數金屬基復合材料，在熱力學上是非平衡體系，也就是在增強材料與基體界面存在化學勢梯度。增強材料與基體之間只要存在有利的動力學條件，就可能發生擴散

12、和化學反應。增強材料與基體界面發生化學反應，在界面上生成新的化合物層，也就是界面層。這種結合形式就形成了第III類界面。這是主要的結合方式。適度的反應層可以增加界面的強度，但生成過量的脆性層有害。(4)混合結合在一定的溫度和應力條件下，第I類界面可能緩慢向第II類和第III類界面轉變。二、MMC界面穩定性對界面的要求要求其在制備過程中獲得良好的界面與結合，并且不削弱增強材料要求其在使用過程中，尤其是在高溫長時間使用條件下，能夠保持這種良好的界面與結合，以保持其性能的穩定性1.界面溶解與析出具有第II類界面的復合材料在制備過程和高溫使用過程中，增強材料與金屬基體在界面會發生互相溶解，也可能發生溶

13、解后析出現象，因此采取適當的措施使增強材料減少發生嚴重損傷的溶解，就可以提高復合材料的性能穩定性。界面溶解的防止涂覆加入合金元素減小溶解度粉末冶金制備的w絲Ni復合材料，在1100左右使用50小時后，鎢絲發生溶解，造成鎢絲直徑僅為原來的60%，大大影響鎢絲的增強作用。為此，可采用鎢絲涂覆阻擋層或在鎳基合金中添加少量臺金元素，如鈦和鋁，可以起到一定的防止鎢絲溶入鎳基臺金的作用。界面析出的危害Cf/Ni復合材料，在600高溫下，在界面碳先溶入鎳，而后又析出，析出的碳是石墨結構，密度增大而在界面留下空隙，給鎳提供了滲入碳纖維擴散聚集的位置，而且隨溫度的提高鎳滲入量增加，嚴重損傷了碳纖維，使其強度嚴重

14、下降2界面反應 界面反應是影響具有第III類界面的復合材料界面穩定性的化學因素。當界面發生化學反應，形成大量脆性化合物時，就會削弱增強材料的增強作用，尤其是在高溫使用條件下，這種界面反應的不穩定性會造成復合材料的脆性破壞。界面反應的地點基體與反應產物界面層之間的邊界上反應產物界面層與增強材料之間的邊界上上述兩種邊界上同時產生界面反應的形式(1)連續界面反應 反應物的量(或界面層厚度)會隨溫度的變化和時間的長短發生變化(2)交換式反應 當增強材料與含有兩種以上元素的金屬基體之間發生化學反應，形成反應產物后，反應產物還會與其它基體元素發生交換反應，產生界面的不穩定硼纖維增強合鋁較高的鈦合金(Ti一

15、8A11Mo一1V) 首先是含鋁的鈦合金與硼反應： Ti(Al) + B = (Ti,Al)B2 形成的(Ti，A1)B2界面反應產物與鈦繼續進行交換反應： (Ti,Al)B2+Ti = TiB2 + Ti(Al) 這樣，界面反應物中的鋁又會重新富集于基體合金一側，甚至形成Ti 3Al金屬間反應物(3)暫穩態界面的變化 暫穩態界面的變化一般是由于增強材料表面局部氧化所造成的。在硼纖維增強鋁中，由于硼纖維上吸附有氧，并與之生成BO2，當這層氧化物在擴散結合時末受到破壞，但它是不穩定的。在一定溫度下，由于鋁與氧親和力強，可以還原BO2，生成Al2O3，這種界面結合亦稱之為氧化結。在長期熱效應的作用

16、下，界面上的BO2氧化膜會發生球化，界面結合狀態發生變化。三、MMC界面浸潤與界面反應控制1.增強材料的表面處理 增強材料的表面性質的類型：第一類增強材料的表面能很低，極不容易被基體熔體所潤濕，但又能與某些金屬基體發生強烈的界面反應。這類增強材料主要有碳纖維與氧化鋁類纖維、顆粒和晶須。第二類增強材料較易于被基體所潤濕，也能與某些金屬基體反應，但比第一類穩定得多，主要有碳化硅和碳化硼類增強材料。日前尚未發現既能滿足潤濕要求，又不與金屬基體發生界面反應的惰性增強材料。增強材料的表面處理表面涂覆涂覆的作用改善增強材料與基體的潤濕性和粘著性防止增強材料與基體之間的擴散、滲透和反應減輕增強材料與基體之間

17、的熱應力集中 2金屬基體改性 在某些金屬基復合材料體系中，采用基體合金中添加某些合金元素以改善增強材料與基體之間的浸潤條件或有效控制界面反應的方法為基體改性。基體改性方法：第一種是控制界面反應。加入改性合金元素應使界面發生反應時的反應速度常數盡可能小，以保持第III類界面的穩定性。第二種是改善界面浸潤性。添加可與增強材料表面進行一定程度界面反應，從而形成一層很薄的反應層的合金元素，提高增強材料的表面能，以增加其與基體的潤濕性；或者在基體中添加的合金元素盡可能不與增強材料表面發生界面反應，但可降低基體液相的表面能。合金元素對硼纖維界面反應速度常數的影響沒有影響 稀釋劑明顯降低通過基體改性增強潤濕

18、性Al2O3f與Al的潤濕角: 660 180 980 60Al2O3f與Al-4.5Cu-3Mg的完全潤濕，生成MgOAl2O3尖晶石Al2O3f與Al-23Li的完全潤濕，生成LiAlO2 第五節MMC的性能1高比強度、比模量2高韌性和高沖擊性能 基體中的裂紋頂端的最大應力接近基體的抗拉強度，而低于纖維的斷裂應力時，裂紋或在界面擴展鈍化，或因基體的塑性剪切變形而鈍化，從而改善了復合材料的斷裂韌性 3.對溫度變化和熱沖擊的敏感性低4.表面耐久性好，表面缺陷敏感性低表面堅實耐久，尤其是顆粒、晶須增強金屬基復合材料?？梢宰鳛楣こ虡嫾械哪湍ゼ褂谩Ｔ谔沾苫鶑秃喜牧现?，由于腐蝕或擦傷等引起的小裂紋

19、可使其強度劇烈降低。這是由于陶瓷的彈性模量高，但塑性和韌性低，不能象金屬基復合材料中的基體那樣可以借助塑性變形來使缺口或裂紋鈍化，而造成應力集中，引起破壞。聚合物基復合材料基體的強度和硬度與金屬基體相比部相當低，像擦傷、磨損等對其表面都有顯著影響。5導熱、導電性能好6良好的熱匹配性有些纖維，如硼纖維與基合金的熱膨脹系數接近，在硼纖維增強鈦基復合材料中熱應力可以降至很低。碳纖維增強鋁基復合材料經過設計后，可使復合材料的熱膨脹系數接近零。這樣，復合材料在重量上比鋁輕，但強度和剛度卻有很大的提高，而且不會因溫度差造成變形。7性能再現性好及制備工藝可借鑒金屬材料二、纖維增強金屬基復合材料的性能 1強度與模量（FRMMC）FRMMC的強度和模量高，耐高溫性能好，但斷裂應變與金屬基體相比要低得多，只有0.010.02。因此在沿纖維軸向拉伸時(縱向)，對于脆性纖維增強MMC的抗拉強度會偏離復合混