金属基复合材料的发展与应用
金属基复合材料的发展与应用
090201班 20090533 孙钦巍
摘要:对金属基复合材料的分类、制造方法、性能进行了综述,阐述了国内外研究现状,提出了金属基复合材料研究中存在的问题, 探讨了金属基复合材料的研究方向。
关键词:金属基复合材料;增强相;基体材料;复合材料制备;颗粒增强法;纤维增强法;复合材料性能
伴随航空航天、IT 业和宇宙空间技术及民用行业技术的进步, 金属基复合材料获得了惊人的发展。在航天、机器人、核反应堆等高技术领域, 镁基、铝基、钛基等轻质复合材料起到了支撑作用,SiC 晶须增强的铝基复合材料薄板用于先进战斗机的蒙皮和机尾的加强筋, 钨纤维增强高温合金基复合材料可用于飞机发动机部件, 石墨/铝、石墨/镁复合材料具有很高的比刚度和抗热变形性, 是卫星和宇宙飞行器用的良好的结构材料。金属基复合材料在民用工业中的应用领域十分广阔。以碳氮化物或金属间化合物颗粒为强化剂的钢基复合材料, 能明显提高强度、韧性、耐磨、耐蚀和切削性能。不同基体材料可使复合材料具有耐蚀、耐磨、耐热性能, 尤其是工具、模具、高温合金、夹具和耐磨件。用Al2O3或SiC 晶须或纤维强化的复合材料, 耐高温和具有高强度, 可用于发动机和泵的叶轮及模具。冶金行业用刮板及铲斗的磨损件由普通耐磨钢改为陶瓷复合材料后, 则明显提高了使用寿命。汽车制造行业20%~60%的零件可以用碳纤维复合材料制造, 可减重40%~80%。氧化铝增强铝合金已成功地制成镶圈, 用于活塞环槽及顶部, 以代替含镍奥氏体铸铁, 不仅耐磨性相当好, 而且还减轻重量, 简化工艺和降低成本。另外, 发动机钢套、连杆、连销、刹车盘、运动器材、自行车架、各种型材以及装甲车履带、轻质防弹装甲车等也在使用金属基复合材料。
1 金属基复合材料的分类
金属基复合材料分为宏观组合型和微观强化型两大类。前者指其组分能用肉眼识别和具备两组分性能的材料(如双金属、包履板等); 后者需显微观察分辨组分以改善成分来提高强度为主要目标的材料。金属基复合材料一般分为铝基、镁基、 钢基、铁基及铝合金基复合材料等。按增强相形态的不同分为颗粒增强金属复合材料、晶须或短纤维增强金属基复合材料及连续纤维增强金属基复合材料。 2 金属基复合材料的制备方法
金属基复合材料的制备工艺较复杂, 主要是金属熔点较高, 需高温下操作; 同时不少金属对增强体表面润湿性很差, 甚至不润湿, 加上金属在高温下很活泼, 易与多种增强体发生反应, 通常需向熔体中加入能增加润湿性的活性元素或对陶瓷颗粒
进行预处理[1-2]。虽然已经研制出不少复合工艺, 但各自存在一些问题。本文根据增强相的不同, 分别阐述颗粒增强和纤维增强的制备方法。
2.1 颗粒增强金属基复合材料的制备方法根据制备过程中基体的温度可将制备工艺分为液相工艺、固相工艺和液-固两相工艺[2]。针对不同工艺可以分出不同的制备方法。
(1)液态金属/陶瓷颗粒搅拌铸造法
Surappa 和Rohtgi 最早采用搅拌法制备PRMMCs, 通过机械搅拌在熔体中产生涡流引入颗粒。还可采用其他方法引入颗粒, 如离心铸造法、气流喷射分散法及零动力工艺等。许多研究者多采用此法制备了铝基复合材料; 结果显示对SiC 颗粒进行预处理有利于制备PRMMCs[3-4]。Loyd 和DJ[1]采用涡流法制备了SiCp/2L108 复合材料, 其颗粒分布均匀。熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。利用惰性气体和机械装置作为压力媒体将金属熔体浸渗进多气孔的陶瓷预制块中, 可制备体积分数高达50%的复合材料, 随后用稀释的方法降低体积分数。这种方法被广泛用于制造Toyota 发动机活塞(Al2O3/短纤维/Al合金) 。但缺点是预制块的变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大和界面反应等。
(2)固相工艺PM 法
PM(粉末冶金) 法是最早开发制备PRMMCs 的工艺之一, 一般包括混粉、冷压、除气、热压和挤压过程。它的优点是任何金属都可以作为基体材料; 可以使用非平衡合金, 如快凝合金和快淬粉末制备大体积分数的复合材料; 最大限度地提高材料的弹性模量, 降低热膨胀系数。缺点是复杂的生产过程, 产品的形状受到限制, 生产成本高等, 很难在生产中获得广泛的应用。在短时间内利用高电能和机械能快速固结金属-陶瓷混合物, 短时快速加热可以控制相转变和显微结构粗化, 这是通常其他工艺不能达到的高能高速工艺[2]实质上也是一种PM 工艺。
(3)流变铸造法
流变铸造法是对处于固-液两相区的熔体施加强烈搅拌形成低粘度的半固态浆液, 同时引入颗粒, 利用半固态浆液的触变特性分散增强相, 但存在搅拌工艺的问题。
(4)喷射沉积技术
喷射沉积技术(Sprayeposition)最初是Singer 开发的, 由OspreyMetals 公司投入生产应用[2,5]。它是在雾化器内将陶瓷颗粒与金属熔体相混合, 随后被雾化喷射到水冷基底上形成激冷复合颗粒, 需进行固结能制成大块复合材料。Cuptaletal[6]采用VCM 制备了体积分数为20%的SiC/Al-Li复合材料。该技术优点是基体组织属于快凝范畴; 陶瓷颗粒与金属熔滴接触的时间极短, 界面化学反应能有效控制; 控制工艺气氛可以最大地减少氧化; 适合任何基体/陶瓷体系。
2.2 纤维增强金属基复合材料的制备方法
FRM(纤维增强金属) 的制造方法有固相扩散结合法、粉末冶金法、铸造法及定向凝固法等几大类[7]。
(1)真空铸造法
用真空铸造法制造FRM 时, 先把连续纤维缠绕在绕线机上, 用聚甲丙烯酸等能加热分解的有机高分子化合物粘结剂制成半固化带, 再把数片半固化带叠加在一起压制成预成型体。把预成型体放入铸型中, 加热到500℃使有机高分子分解去除。铸型的一端浸入基体金属液中, 另一端抽真空, 将金属液吸入铸型内浸透纤维, 待冷却凝固后从铸型内取出。
(2)加压凝固铸造法
该法是将金属液浇注铸型后, 加压使金属液在压力下凝固。金属从液态到凝固均处于高压下, 故能充分浸渗、补缩并防止产生气孔, 得到致密铸件。铸、锻相结合的方法又称挤压铸造、锻铸法。加压凝固铸造法可制造较复杂的异型MMC 零件, 亦可局部增强。在熔融状态于压力下复合, 故结合十分牢固, 这种高温下制成的复合坯, 二次成型比较方便, 可实施各种热处理, 达到对材料的多种要求。
(3)压铸法
压铸法是把金属液压射到铸模内, 在压力下凝固的方法。所面临的实际问题是如何把纤维加到金属液中, 还有随静止时间加长, 纤维或上浮或沉淀, 难于在铸型内均匀分布。
(4)半固态复合铸造法
此法是从半固态铸造法发展而来的。可将流变铸造锭重新加热到所要求的固相组分的软化度, 送到压铸机中压铸, 由于压铸时浇口处的剪切作用, 可恢复其流变性而充满铸型, 此法称作触变铸造,可使润湿性改善, 促进界面结合。
(5)定向凝固
FRM 按其制法可分为两大类。一类是将纤维掺入基体中的人工合成法; 另一类是使纤维在基体中生长出来, 得到原位型复合材料。该法是把熔融共晶成分或近共晶成分的合金以大的温度梯度及适当的冷却速度按一定方向凝固, 第二相金属间化合物就按一定的方向长成晶须状, 得到晶须增强金属。
(5)离心铸造法
该方法是将增强体颗粒或短纤维预先置人离心机内, 靠离心力甩出预成型套, 然后浇人液态金属, 利用增强相与基体密度不同, 而得到复合材料, 但是该方法还存在增强体在基体中分布及界面问题。
3 金属基复合材料的性能
3.1 常用的增强相
陶瓷增强体通常以三种形式使用, 即颗粒、晶须和纤维。由于晶须和纤维制造成
本较高, 目前研究中多采用颗粒增强。用于研究的陶瓷颗粒增强相有:Al2O3、SiC 、B4C 、TiB2、AlN 、Si3N4、NbN 、SiO2石墨等。增强相的选择并不是随意的, 选择一个合适的增强相需考虑应用条件、制备工艺和材料成本等因素的要求, 其中Al2O3和SiC 由于其优异的物理性能而倍受青睐, 目前已工业应用的Al 基复合材料多数使用TiC 、SiC 和Al2O3颗粒。
3.2 基体材料
金属基复合材料的开发需要从选择工业上可应用的基体合金和增强体开始。近年的研究已表明, 最佳的结构合金未必是基体合金的最佳选择。大量的研究表明:环境效应、界面反应和相的稳定性强烈地影响复合材料的行为, 这些因素与各组的物理性能、化学性质、温度和时间密切相关。研究基体合金目前主要集中在铝合金、钛合金。铝基复合材料已研究的较深人和全面。但尚未有厂家生产; 钛基复合材料仍在深人研究和发展之中; 铸钢、铸铁基复合材料处在实验研究阶段。由于增强颗粒的加入,PRMMC 具备了一些不同于基体合金的物理和力学性能:力学性能方面,PRMMC 的弹性模量值随增强颗粒的体积分数的增大而增大, 强度也有不同程度的增加。延伸率则随颗粒体积分数的增大而减小。这常常是因为脆性增强颗粒的团聚、弱结合界面及粗大颗粒和杂质元素在界面上的偏聚等原因造成的。材料的拉伸性能δb 、δ0.2则受增强颗粒的尺寸、分布及体积分数等多种因素的影响。对于PRMMC 磨损抗力随着增强颗粒体积分数的增加可以显著增加, 且颗粒尺寸越大, 其耐磨性越好·有分析认为[8-9]:对材料进行温轧等二次加工, 通过塑性变形细化晶粒及增强颗粒或对脆性增强颗粒进行钝化处理可以在改善基体韧性的基础上提高复合材料的断裂韧性。
4 金属基复合材料的研究现状与发展趋势
在航天航空工业及民用工业的推动下, 金属基复合材料的制备和成形制造工艺有了很大的进展。其研究热点主要围绕在轻金属和重金属合金基体材料方面。
4.1 金属基复合材料在汽车领域的研究
金属基复合材料用于汽车工业主要是颗粒增强和短纤维增强的铝基、镁基、钛合金等有色合金基复合材料。由于铝合金、镁合金等是传统的轻质材料, 随着汽车轻量化进程的不断推进和科学技术的日益进步, 在汽车工业中采用铝合金、镁合 金, 要求具有良好的耐磨、抗腐蚀、耐热和尺寸稳定性, 并且要求质量更轻, 强度、刚度更高。这就为铝基复合材料的发展提供了广阔的应用前景。活塞是发动机的主要零件之一。它在高温高压下工作, 与活塞环、汽缸壁不断摩擦, 工作环境恶劣。因此选择合适的活塞材料至关重要。日本丰田公司于1983年首次成功地用Al2O3/Al复合材料制备了发动机活塞, 与原来铸铁发动机活塞相比, 重量减轻了5%~10%,导热性提高了4倍左右[10]。连杆是汽车发动机中继活塞之后第二个成
功地应用金属基复合材料的例子。1984年,Fogar 等人用氧化铝长纤维增强铝合金制造了第一根连杆。但是钛的耐磨性、刚性、热稳定性较差限制了其广泛应用, 通过颗粒增强得到的钛基复合材料(PMMC)可以克服钛的上述缺点。
4.2 金属基复合材料在航空航天领域的研究[12-15]
早在20世纪80年代, 低体积分数(15%~20%)的结构级碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为非主承载结构件成功地应用于飞机,F-18“大黄蜂”战斗机上采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为液压制动器缸体, 与替代材料铝青铜相比, 不仅重量减轻、热膨胀系数降低, 而且疲劳极限还提高一倍以上。更为引人注目的是, 在20世纪90年代末, 碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大型客机上获得正式应用。另外, 目前采用无压浸渗法制备的碳化硅颗粒/铝电子封装复合材料应用在包括:F-18“大黄蜂”战斗机、欧洲“台风”战斗机、EA-6B “徘徊者”预警机、ALE-50型诱饵吊舱以及摩托罗拉铱星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探测器等著名的航天器上。
4.3金属基复合材料在民用行业中的应用与研究相对缓慢。要使其推广使用, 还必须解决以下几个问题(1)金属基复合材料普遍存在制备成本问题。在制备过程中, 制备工艺复杂, 很难应用于生产。若要使复合材料真正进入到产业化, 还需要进行更深一步的研究, 简化制造工艺, 降低制造成本, 增强复合材料的市场竞争力。(2)复合材料性能的优劣性依赖于增强体与基体的结合及增强体的分布状况, 而决定结合及分布状况的主要因素之一是润湿性。由于大多金属基体与增强体润湿差甚至不润湿, 这就给复合材料的制备带来困难。研究[18]表明, 添加合金元素及提高液态金属温度会提高增强体与基体的润湿性, 但该做法会提高成本或牺牲复合材料的性能, 且润湿效果并不十分明显。(3)在较高温度下制备复合材料, 基体与增强体之间不可避免发生程度不同的界面反应及元素偏聚等。界面反应促进润湿对制备复合材料是有利的。产生界面的脆性相, 造成增强体损伤和改变基体成分。这类反应轻微, 不损伤颗粒、晶须等增强体。一旦反应生成脆性相进而形成脆性层, 就会造成增强体严重损伤, 同时造成强界面结合, 复合材料性能急剧下降, 甚至低于基体性能。(4)在制备金属基复合材料过程中, 增强体在基体中偏聚是研究者遇到的难题之一。如何使其分布均匀也同样决定着复合材料的性能。在研究中试图通过离心铸造、加强搅拌、配制中间合金、原位复合等手段解决该问题。因此, 如何使增强体分布均匀始终是众多学者研究的对象。
5.2 金属基复合材料研究趋势
(1)简化制备工艺, 降低制备成本, 始终是研究热点之一。
(2)目前金属基复合材料的强化机制研究还不是很成熟, 学术观点各有所见, 很难达成共识。应加强对强化机制的研究, 探讨复合材料的凝固过程, 研究增强相与基
体的微观作用机理, 进一步推动金属基复合材料的发展。
(3)润湿性问题一直困扰研究金属基复合材料的学者, 给实际制备复合材料带来很大的困难。目前, 有些学者研究了铝基复合材料的润湿性, 并取得了一定的进展
[16]。但对钢基复合材料的研究却很少, 国内目前尚未见报道。如果想制备优良的钢基复合材料, 润湿性问题尤显重要。
(4)研究的重点侧重于增强体与基体的结合界面及增强体在基体中的分布, 却忽略了基体自身的性能。基体本身的性能对复合材料的影响也至关重要, 性能优越的复合材料同样要求有性能优越的基体, 因此应加大对基体和增强体性能同步提高的研究。
结语
PRMMC 是一种有巨大发展潜力的材料, 也是当前材料研究的热点, 并且部分产品已经具备了工业化规模生产的条件、目前金属基复合材料过窄的应用领域已很难适应现代工程结构的要求。如何根据不同的工作条件和性能要求而选择适当的基体和增强颗粒进行优化设计, 以拓宽PRMMC 的应用领域是需要解决的重点问题。为适应工业化规模生产的需要, 降低PRMMC 的生产成本的同时, 要着重考虑PRMMC 的再生和回收问题。铸造金属基复合材料是可以再生和回收, 而粉末冶金技术制备金属基复合材料的再生和回收则难以进行, 这方面的研究也很少。通过电渣重熔技术来回收处理粉末冶金制品的废旧品, 生产出性能优良的新型复合材料, 这既解决了废品的处理问题又有效地利用了资源, 具有良好的经济效益和用前景, 是一项具有很大发展潜力的制备技术。
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