48金属基复合材料的发展与研究现状2004年1月
金属基复合材料的发展与研究现状
李凤平
(辽宁工程技术大学机械学院, 辽宁阜新 123000)
摘要: 本文对金属基复合材料的分类、制造方法进行了综述, 阐述了国内外研究现状, 提出了在重金属基复合材料的研究中存在的问题, 探讨了重金属基复合材料的研究方向。
关键词: 金属基复合材料; 制造方法; 分类; 研究现状; 研究方向
中图分类号:TB331 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2004) 01-0048
近20年来, 及民用行业技术的进步, 的发展。镁基、铝基用[1],SiC 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。美国航天航空局采用石墨/铝复合材料作为航天飞机中部长20m 的货舱架。此外, 金属基复合材料还可以用于光学与精密仪器, 美国把金属基复合材料高性能反光镜用于红外探测系统, 航天激光系统及超轻量太空望远镜, 通过改变SiC 强化颗粒占铝基合金的比例, 能使反光镀层的热膨胀系数与复合材料相同, 有助于提高跟踪和命中率。
在民用工业中, 复合材料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。美国在各类合金钢中用适当工艺加入TiC , 称之为TiC 2铁基复合材料, 前苏联称这类复合材料为碳化物钢。这类材料的特点是重量轻、尺寸稳定、硬度高、摩擦系数小。根据不同基钢, 可使复合材料具有耐蚀、耐磨、耐热性能, 也可做成无磁材料。尤其是工具、模具钢、高温合金、夹具和耐磨件, 采用这类复合材料能有效提高寿命和性能, 日本和前苏联将用粉末冶金制取得这类材料称为新型硬质合金。用Al 2O 3或SiC 晶须或纤维强化的复合材料, 由于耐
,20～60%
, 一般可减重～80%[1]。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, 而且还可以减轻重量, 简化工艺和降低成本。另外, 发动机钢套、连杆、连销、刹车盘等也在使用金属基复合材料制造, 如果能打开市场, 将会有较大的产量。其他方面, 如运动器材、自行车架、各种型材以及装甲车履带、轻质防弹装甲车等也初步应用复合材料。
1 金属基复合材料的分类
金属基复合材料可分为宏观组合型和微观强化型两大类[2]。宏观组合型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) ; 微观强化型指其组分需用显微镜才能分辨的以提高强度为主要目的的材料。根据复合材料基体可划分为铝基、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可划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。颗粒增强金属基复合材料是利用颗粒自身的强度, 基体起着把颗粒组合在一起的作
μm 以上, 强化相的容积比用, 颗粒平均直径在1
(Vf ) 可达90%[4]。纤维增强金属基复合材料是利用无机纤维(或晶须) 及金属细线等增强金属得到轻
μm 到150μm (晶须直径而强的材料, 纤维直径从3
μm ) , 纵横比(长度/直径) 在102以上。小于1
2 金属基复合材料的制备方法
金属基复合材料的复合工艺相对比较复杂和困难。这是由于金属熔点较高, 需要在高温下操作; 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
高温和高强度, 可用于发动机和泵的叶轮, 也可加工成模具。如果工程机械用刮板及铲斗和冶金行业用磨损件由普通耐磨钢改为陶瓷复合材料, 则可明显
收稿日期:2003207221
作者简介:李凤平(1956-) , 男, 副教授, 从事产品造型设计。
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应。目前虽然已经研制出不少复合工艺, 但各自存在一些问题。现在较普遍的制造方法可分为扩散粘结法、铸造法及叠层复合法。本文又可根据增强相的不同把制备方法分别分类。
211 颗粒增强金属基复合材料的制备方法
(3) 固相工艺2PM 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; 允许使用所有种类的增强相; 可以使用非平衡合金, 如快凝合金和快淬粉末可以制备大体积分的复合材料; 最大限度地提高材料的弹性模量, 降低热膨胀系数。但是它也存在许多缺点, , 产, , 。
PM 工艺。它通过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PM 工艺不能达到的。
(4) 流变铸造法
流变铸造法是对处于固2液两相区的熔体施加强烈搅拌形成低粘度的半固态浆液, 同时引入陶瓷颗粒, 利用半固态浆液的触变特性分散增强相, 但存在搅拌工艺所有的问题。
(5) 喷射沉积技术
喷射沉积技术(Spray deposition ) 最初是Singer 开发的, 由Osprey Metals 公司投入生产应用。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, 需随后进行固结才能制成大块复合材料。可变多相共积技术(VCM ) 是Osprey 的一种改进型, 其区别在于陶瓷颗粒是喷射到已雾化的金属熔滴流中, 金属熔滴与陶瓷颗粒同时沉积。VCM 工艺的沉积率可达6～10kg/min 。Alcan 公司对此工艺进行产业开发, 可
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2固两相工艺[5]。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 [3]最早采用搅拌法制备PRMMCs , 粒。。DJ ]流法制备了, 其颗粒分布均匀。研究结果还显示了对SiC 颗粒进行预处理有利于制备PRMMCs 。搅拌工艺取得最重要的突破来自于Skibo 和Schuster 开发的Duralcan 工艺[9]。这种工艺使用普通的铝合金和未涂覆处理的陶瓷颗
μm , 粒, 采用搅拌法引入增强相, 颗粒尺寸可小到10增强相体积分数可达25%。Duralcan 工艺在产业
化进程中处于领先地位。另外, Hydro Aluminum AS 公司和Comala 公司可制备与Duralcan 工艺相媲
美的复合材料。尽管搅拌铸造法的开发取得了令人鼓舞的成果, 但是一些问题仍然存在, 有待进一步解决, 包括搅拌过程的陶瓷颗粒偏聚、颗粒在液体中的分散和界面反应等。此外体积分数还受到一定的限制。
(2) 熔体浸渗法
熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。当前是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, 随后采用稀释的方法降低体积分数。这种方法被广泛采用, 已用于制造Toyoto 发动机活塞(Al 2O 3/短纤维/Al 合金) 。东南大学的朱光明研制了Al 2O 3短纤维局部增强铝活塞, 成果于1989年获得鉴定。最新的液相工艺是Primex 无压浸渗工艺, 在氮气气氛下不需施加任何压力,Al 2Mg 合金熔体就能良好的浸渗陶瓷粉末堆积体, 可
生产200kg 的铸锭。Cuptal et al 采用VCM 制备了体积分数为20%的SiC/Al 2Li 复合材料。喷射沉积技术用于制备PRMMCs 具有以下优点:所得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, 界面化学反应得到有效控制; 控制工艺气氛可以最大地减少氧化; 几乎适合任何基体/陶瓷体系。采用此技术生产PRMMCs 的成本介于粉末冶金法与液相搅拌法之间。
(6) XD 技术
这是由Martin Marietta 公司开发的专利技术, 利用金属2金属之间或金属2化合物之间发生的放热反应在金属熔体中原位产生新的所希望获得的金属间化合物2陶瓷增强相, 例如:
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制备体积分数高达55%的复合材料, 增强相可是
μm 。液态金属浸渗SiC 和Al 2O 3, 颗粒尺寸可小至1
法是一种制备大体积分数复合材料的好方法, 但是也存在缺点, 如预制块的变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大和界面反应等。
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2B +Ti +Al →TiB 2+Al
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料加入到半固态金属中后搅拌。显然事先混合法不适于制造连续纤维增强FRM 。
(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, , 将金属夜, (, 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、液态模锻、锻铸法。此法最适于制造纤维增强MMC 。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。由于复合材料是在熔融状态于压力下复合, 故结合十分牢固, 可获得力学性能很高的零部件。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。半固态合金具有流变性, 可进行流变铸造; 半固态浆液具有触变性, 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, 此称作触变铸造。颗粒或短纤维增强材料加入到强烈搅拌的半固态合金中。由于半固态浆液中球状碎晶粒子对添加粒子的分散和捕捉作用, 既防止了添加粒子的上浮、下沉和凝聚, 又使添加粒子在浆液中均匀分散。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
3B 2O 3+3TiO 2+10Al →3TiB 2+5Al 2O 33SiO 2+4Al →2Al 2O 3+3Si C +Ti +Al →TiC +Al
另外一种原位反应合成方法是向金属液中喷入氨气或含碳气体而成:N 2(气体) +Al →AlN +Al
C (含碳气体) +Ti +Al →TiC +Al
原位反应产生的增强相颗粒尺寸一般为012～
μm , 也有报道在0125～115μm 范围内。采用此工1
艺技术制备复合材料, , 结合牢固, 体的粘度, 。
用于PRMMCs 的制备技术有各种各样, 这里仅就几种较为先进的, 有可能转化为产业生产的制备技术进行了介绍。铸造法同其它工艺相比, 制备简单, 可实现近净成型, 制备成本最低, 因而铸造法是最有可能转化为产业化的技术。目前最趋于产业化生产的是Duralcan 工艺。Duralcan 工艺提供的复合材料锭的价格为6美元/kg 。但真正实现产业化还需要解决增强相与金属基体之间的界面反应与控制、颗粒微观分布均匀性问题、组织与性能的再现性、进一步降低生产成本, 而这些问题又是相互关联相互影响的。212 纤维增强金属基复合材料的制备方法
FRM 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。铸造法根据增强材料的加入方法分为熔浸法和事先混合法两类[4]。
对长纤维和连续纤维增强, 为控制好纤维分布状态, 往往先制出纤维预成型体, 把纤维预成型体下到铸型中, 然后浇金属液, 这是制备FRM 的最简单方法。但此方法获得的材料中存在大量孔洞, 原因是金属液对纤维的润湿性不好。故制造FRM 的关键是采取措施、使金属液浸透到增强纤维的间隙内, 从而确定复合材料的致密性和结合强度。常用的方法有真空吸铸、加压凝固铸造及压铸等。
对短纤维和颗粒增强材料随机均匀分布的MMC 来说, 多采用事先混合法。该法按复合时金属液状态分为液相法和半固态法。液相法系采用搅拌器搅动金属液出旋涡后加入增强材料, 从而使增强材料在金属液中均匀分布。半固态法是把增强材FRP/CM 2004. No. 1
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, 即自身生长出各向异性的纤维组织, 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
2004年第1期玻璃钢/复合材料51
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。
(6) 离心铸造法该方法是将增强体颗粒或短纤维预先置入离心机内, 靠离心力甩出预成型套, 然后浇入液态金属, 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。
12X18H10T 为基体的复合材料, 就碳化物含量和热
处理制度对此类材料性能的影响进行了很多研究。E 1pagounis , U 1k 1Lindroos 采用热等静压法制备了
体积分数高达30%的陶瓷颗粒增强钢基复合材料。其研究结果表明在所有增强体中, TiC 和钢的结合最好, 加入陶瓷颗粒后, 钢的耐磨性显著提高, 而抗拉强度、延展性和冲击韧性反而下降, 这和轻金属有很大区别。
13 金属基复合材料的研究现状
受航天工业的影响, 轻金属基复合材料有了很大的发展, 已开发出很多成型制造工艺。另外, 目前对钢、入研究, 现状。
311 国外重金属基复合材料的研究[1]
:①提高增强体的表面能; ②降低固液界面能; ③降低液态金属的表面张力。具体方法如下:对颗粒表面进行覆盖, 如气相沉积镍或铜; 使金属液合金化; 热处理颗粒等。
D 1NA TH and P 1K 1ROHA TG L 采用离心铸造
美国Alloy Technology International 公司开发了热等静压法制造TiC 复合材料。例如Cs 240是以含20%Cr的不锈钢为基体, 掺和45%(体积) TiC 的复合材料, 可以用于制造标准件、阀座和机械密封件。它在油中或惰性气体下淬火, 硬度达到HRC68, 此类材料对食品加工所需要的环境具有良
法制备了颗粒增强复合材料。研究结果表明:离心铸造时易造成颗粒偏聚区, 偏聚区宽度随浇注温度提高和颗粒尺寸的增大而减小。312 我国重金属基复合材料的研究
东北大学刘进平等采用离心预成型套法制成了SiC 颗粒/铸铁复合材料。这种方法是依靠离心力
好的横向破断强度, 可用作工具及承受很高的弯曲和拉伸应力的制品, 最易切削加工, 并具有良好的耐热震性。另据报道,Ferro 2TiC 复合材料在磨损条件下使用与工具钢相比, 寿命提高约20倍。
日本Kurimoto 公司研制了由烧结碳化钨合金粉和高铬铸铁组成的复合材料, 在一层烧结碳化钨合金粉上浇注熔化的高络铸铁形成复合板。新开发的这种超级耐腐复合材料, 用作运输机的衬板, 工作寿命超过670d , 而原来用的高络铸铁仅为30～50d 。日本富士电机公司开发了用以制作水轮机和水泵等部件的耐气蚀、耐砂土腐蚀的复合材料, 金属基体是一种双相不锈钢(含Cr20230%, Ni3210%, Mo125%) , 硬质颗粒为Cr3C2、SiC 、WC 等, 添加量5～60%(重量) , 比原来用的Cr13铸钢件的耐气蚀性提高10倍。
西德蒂森特钢公司用粉末冶金法生产了Ferro 2Titantit 复合材料。该材料含45%(体积) TiC , Tic 均匀分布并镶嵌在高合金钢中。用它制成的模具比用莱氏体铬钢的寿命提高5～10倍, 可用普通方法进行车、铣、钻削加工, 最后淬硬到HRC70而不发生变形。前苏联开发应用了在干摩擦条件下使用的以
把增强颗粒分布于铸件外表面, 获得一定复合层厚度的复合材料, 最大复合层厚度可达6～8mm 。刘政等研究了纤维增强金属基复合材料的界面。结果表明界面在材料磨损中具有重要的保护作用。复合材料可通过界面消耗裂纹扩散能量, 阻止裂纹扩散, 减轻材料的破坏程度。这种机制为基体合金所不及, 且在较大载荷下, 复合材料的耐磨性更佳。哈尔滨工业大学李道明等研究了金属基复合材料的拉伸断裂过程[6], 详细论述了微观裂纹的萌生及扩展, 探讨了断裂机制, 并对拉伸断裂行为与纤维强度分布进行了微机模拟。结果表明, 随着纤维强度分布的变动系数CV 增加, MMC 断裂形式由非积累型向积累型过渡, 纤维的平均承载能力随之下降。徐大庆研究了金属基复合材料的抗冲蚀性[7]。研究表明复合材料的组织从表层至心部可分为复合层、过渡层、和基体三部分。复合材料的抗冲蚀性能优于渗碳A3钢, WC 粒度对抗冲蚀性能影响不大, 铁基复合材料的基体应选择有较高硬度和强度的材料。权高峰等研究了增强体种类及含量对金属基复合材料性能的影响。研究结果表明, 粉末冶金法制备非连续增强金属基复合材料可获得较高的强度和
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弹性模量, 复合材料的断裂应变随增强体含量增加而减小。
412 重金属基复合材料研究方向
(1) 加强对制备工艺的研究。简化制备工艺, 降
4 存在的问题及发展方向
411 存在的问题
低制备成本, 始终是研究热点之一。
(2) 加强对强化机制的研究。目前金属基复合材料的强化机制研究还不是很成熟, 各家学者各有所见[10], 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, 给实际制备, 有些学者研究了, 并取得了一定的进展[10]。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) 提高基体性能, 进而提高复合材料的性能。目前多数学者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[11～12], 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。
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重金属基复合材料在民用行业中的应用与研究相对缓慢。如果要使其推广使用, 还必须解决以下几个问题。
(1) 制备成本与制备技术
重金属基复合材料普遍存在制备成本问题。在制备过程中, 所用设备专一, 制备工艺复杂, 很难应用于生产。, , 成本, (2) 增强体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便是润湿性。由于大多数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[10]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, 但该做法又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) 增强体与基体的界面
由于金属基体熔点较高, 需要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。界面反应的程度决定了界面的结构性能。界面反应的主要结果有促进增强体与基体的润湿, 产生界面反应物2脆性相, 造成增强体损伤和改变基体成分。界面反应促进润湿对制备复合材料是有利的。这类反应轻微, 不损伤颗粒、晶须等增强体。但是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) 增强体在基体中的分布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。在国内的研究中, 试图通过离心铸造[11]、加强搅拌、配制中间合金、原位复合等手段解决该问题。但上述方法中还存在许多缺点, 如离心铸造只能获得表面复合层和中间合金的材料性能等。因此, 如何使增强体分布均匀始终是众多学者研究的对象。FRP/CM 2004. No. 1
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(下转第13页)
2004年第1期玻璃钢/复合材料13
层相应的预浸料铺贴后采用热压罐成型工艺制成。从表2可以看出, QW280/改性环氧树脂复合材料与TC 8/32K 2TO/改性环氧树脂复合材料力学性能基本相当。3. 2 石英纤维织物/改性环氧复合材料介电性能
图1、2中的曲线分别描绘出了在2～16GHz
宽
频测试范围内,QW280/改性环氧树脂和TC 8/32K 2
TO/改性环氧树脂复合材料层压板随频率增加介电性能变化的趋势。从图中可看出, 上述两种材料的介电性能相当, 且在2～16GHz 范围内随频率增加两种复合材料的介电常数和介质损耗角正切变化较小。
4 结 论
(1) QW280和TC 8/32K 2TO 石英纤维织物/改性
, 且在2;
) 及8//改, 上述。
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PR OPERT Y STU DY OF QUARTZ FABRIC REINFORCE D COMPOSITES CHEN Meng 2yi , J I Pei 2jun , CAI Liang 2yuan , CU I Y i , ZHAN G Hua (Beijing Institute of Aeronautical Materials , Beijing 100095, China )
Abstract :The mechanic and dielectric properties of QW280and TC 8/32K 2TO quartz fabric/modified e 2poxy resin composites are studied in this paper. The results show that the mechanic and dielectric properties of QW280/modified epoxy resin composites are equal to these of TC 8/32K 2TO /modified epoxy resin composites.
K ey w ords :quartz fabric ; composites ; mechanic oproperties ; dielectric constants ; loss angle tangent (上接第52页)
DEVE LOPMENT AN D CURRENT STU DY OF METAL MATRIX COMPOSITE MATERIAL
L I Feng 2ping
(Liaoning Technical University , Fuxing of Liaoning Prov. 123000, China )
Abstract :This paper studied the classifications , manufacturing methods of metal matrix composites , ex 2pounded the current study of metal matrix composites in the world and at last pointed out the problems and the study direction in the field.
K ey w ords :metal matrix composite material ; manufacturing methods ; classifications ; current study ; study direction
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金属基复合材料的发展与研究现状
李凤平
(辽宁工程技术大学机械学院, 辽宁阜新 123000)
摘要: 本文对金属基复合材料的分类、制造方法进行了综述, 阐述了国内外研究现状, 提出了在重金属基复合材料的研究中存在的问题, 探讨了重金属基复合材料的研究方向。
关键词: 金属基复合材料; 制造方法; 分类; 研究现状; 研究方向
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近20年来, 及民用行业技术的进步, 的发展。镁基、铝基用[1],SiC 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。美国航天航空局采用石墨/铝复合材料作为航天飞机中部长20m 的货舱架。此外, 金属基复合材料还可以用于光学与精密仪器, 美国把金属基复合材料高性能反光镜用于红外探测系统, 航天激光系统及超轻量太空望远镜, 通过改变SiC 强化颗粒占铝基合金的比例, 能使反光镀层的热膨胀系数与复合材料相同, 有助于提高跟踪和命中率。
在民用工业中, 复合材料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。美国在各类合金钢中用适当工艺加入TiC , 称之为TiC 2铁基复合材料, 前苏联称这类复合材料为碳化物钢。这类材料的特点是重量轻、尺寸稳定、硬度高、摩擦系数小。根据不同基钢, 可使复合材料具有耐蚀、耐磨、耐热性能, 也可做成无磁材料。尤其是工具、模具钢、高温合金、夹具和耐磨件, 采用这类复合材料能有效提高寿命和性能, 日本和前苏联将用粉末冶金制取得这类材料称为新型硬质合金。用Al 2O 3或SiC 晶须或纤维强化的复合材料, 由于耐
,20～60%
, 一般可减重～80%[1]。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, 而且还可以减轻重量, 简化工艺和降低成本。另外, 发动机钢套、连杆、连销、刹车盘等也在使用金属基复合材料制造, 如果能打开市场, 将会有较大的产量。其他方面, 如运动器材、自行车架、各种型材以及装甲车履带、轻质防弹装甲车等也初步应用复合材料。
1 金属基复合材料的分类
金属基复合材料可分为宏观组合型和微观强化型两大类[2]。宏观组合型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) ; 微观强化型指其组分需用显微镜才能分辨的以提高强度为主要目的的材料。根据复合材料基体可划分为铝基、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可划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。颗粒增强金属基复合材料是利用颗粒自身的强度, 基体起着把颗粒组合在一起的作
μm 以上, 强化相的容积比用, 颗粒平均直径在1
(Vf ) 可达90%[4]。纤维增强金属基复合材料是利用无机纤维(或晶须) 及金属细线等增强金属得到轻
μm 到150μm (晶须直径而强的材料, 纤维直径从3
μm ) , 纵横比(长度/直径) 在102以上。小于1
2 金属基复合材料的制备方法
金属基复合材料的复合工艺相对比较复杂和困难。这是由于金属熔点较高, 需要在高温下操作; 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
高温和高强度, 可用于发动机和泵的叶轮, 也可加工成模具。如果工程机械用刮板及铲斗和冶金行业用磨损件由普通耐磨钢改为陶瓷复合材料, 则可明显
收稿日期:2003207221
作者简介:李凤平(1956-) , 男, 副教授, 从事产品造型设计。
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应。目前虽然已经研制出不少复合工艺, 但各自存在一些问题。现在较普遍的制造方法可分为扩散粘结法、铸造法及叠层复合法。本文又可根据增强相的不同把制备方法分别分类。
211 颗粒增强金属基复合材料的制备方法
(3) 固相工艺2PM 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; 允许使用所有种类的增强相; 可以使用非平衡合金, 如快凝合金和快淬粉末可以制备大体积分的复合材料; 最大限度地提高材料的弹性模量, 降低热膨胀系数。但是它也存在许多缺点, , 产, , 。
PM 工艺。它通过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PM 工艺不能达到的。
(4) 流变铸造法
流变铸造法是对处于固2液两相区的熔体施加强烈搅拌形成低粘度的半固态浆液, 同时引入陶瓷颗粒, 利用半固态浆液的触变特性分散增强相, 但存在搅拌工艺所有的问题。
(5) 喷射沉积技术
喷射沉积技术(Spray deposition ) 最初是Singer 开发的, 由Osprey Metals 公司投入生产应用。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, 需随后进行固结才能制成大块复合材料。可变多相共积技术(VCM ) 是Osprey 的一种改进型, 其区别在于陶瓷颗粒是喷射到已雾化的金属熔滴流中, 金属熔滴与陶瓷颗粒同时沉积。VCM 工艺的沉积率可达6～10kg/min 。Alcan 公司对此工艺进行产业开发, 可
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2固两相工艺[5]。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 [3]最早采用搅拌法制备PRMMCs , 粒。。DJ ]流法制备了, 其颗粒分布均匀。研究结果还显示了对SiC 颗粒进行预处理有利于制备PRMMCs 。搅拌工艺取得最重要的突破来自于Skibo 和Schuster 开发的Duralcan 工艺[9]。这种工艺使用普通的铝合金和未涂覆处理的陶瓷颗
μm , 粒, 采用搅拌法引入增强相, 颗粒尺寸可小到10增强相体积分数可达25%。Duralcan 工艺在产业
化进程中处于领先地位。另外, Hydro Aluminum AS 公司和Comala 公司可制备与Duralcan 工艺相媲
美的复合材料。尽管搅拌铸造法的开发取得了令人鼓舞的成果, 但是一些问题仍然存在, 有待进一步解决, 包括搅拌过程的陶瓷颗粒偏聚、颗粒在液体中的分散和界面反应等。此外体积分数还受到一定的限制。
(2) 熔体浸渗法
熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。当前是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, 随后采用稀释的方法降低体积分数。这种方法被广泛采用, 已用于制造Toyoto 发动机活塞(Al 2O 3/短纤维/Al 合金) 。东南大学的朱光明研制了Al 2O 3短纤维局部增强铝活塞, 成果于1989年获得鉴定。最新的液相工艺是Primex 无压浸渗工艺, 在氮气气氛下不需施加任何压力,Al 2Mg 合金熔体就能良好的浸渗陶瓷粉末堆积体, 可
生产200kg 的铸锭。Cuptal et al 采用VCM 制备了体积分数为20%的SiC/Al 2Li 复合材料。喷射沉积技术用于制备PRMMCs 具有以下优点:所得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, 界面化学反应得到有效控制; 控制工艺气氛可以最大地减少氧化; 几乎适合任何基体/陶瓷体系。采用此技术生产PRMMCs 的成本介于粉末冶金法与液相搅拌法之间。
(6) XD 技术
这是由Martin Marietta 公司开发的专利技术, 利用金属2金属之间或金属2化合物之间发生的放热反应在金属熔体中原位产生新的所希望获得的金属间化合物2陶瓷增强相, 例如:
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制备体积分数高达55%的复合材料, 增强相可是
μm 。液态金属浸渗SiC 和Al 2O 3, 颗粒尺寸可小至1
法是一种制备大体积分数复合材料的好方法, 但是也存在缺点, 如预制块的变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大和界面反应等。
50
2B +Ti +Al →TiB 2+Al
金属基复合材料的发展与研究现状2004年1月
料加入到半固态金属中后搅拌。显然事先混合法不适于制造连续纤维增强FRM 。
(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, , 将金属夜, (, 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、液态模锻、锻铸法。此法最适于制造纤维增强MMC 。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。由于复合材料是在熔融状态于压力下复合, 故结合十分牢固, 可获得力学性能很高的零部件。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。半固态合金具有流变性, 可进行流变铸造; 半固态浆液具有触变性, 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, 此称作触变铸造。颗粒或短纤维增强材料加入到强烈搅拌的半固态合金中。由于半固态浆液中球状碎晶粒子对添加粒子的分散和捕捉作用, 既防止了添加粒子的上浮、下沉和凝聚, 又使添加粒子在浆液中均匀分散。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
3B 2O 3+3TiO 2+10Al →3TiB 2+5Al 2O 33SiO 2+4Al →2Al 2O 3+3Si C +Ti +Al →TiC +Al
另外一种原位反应合成方法是向金属液中喷入氨气或含碳气体而成:N 2(气体) +Al →AlN +Al
C (含碳气体) +Ti +Al →TiC +Al
原位反应产生的增强相颗粒尺寸一般为012～
μm , 也有报道在0125～115μm 范围内。采用此工1
艺技术制备复合材料, , 结合牢固, 体的粘度, 。
用于PRMMCs 的制备技术有各种各样, 这里仅就几种较为先进的, 有可能转化为产业生产的制备技术进行了介绍。铸造法同其它工艺相比, 制备简单, 可实现近净成型, 制备成本最低, 因而铸造法是最有可能转化为产业化的技术。目前最趋于产业化生产的是Duralcan 工艺。Duralcan 工艺提供的复合材料锭的价格为6美元/kg 。但真正实现产业化还需要解决增强相与金属基体之间的界面反应与控制、颗粒微观分布均匀性问题、组织与性能的再现性、进一步降低生产成本, 而这些问题又是相互关联相互影响的。212 纤维增强金属基复合材料的制备方法
FRM 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。铸造法根据增强材料的加入方法分为熔浸法和事先混合法两类[4]。
对长纤维和连续纤维增强, 为控制好纤维分布状态, 往往先制出纤维预成型体, 把纤维预成型体下到铸型中, 然后浇金属液, 这是制备FRM 的最简单方法。但此方法获得的材料中存在大量孔洞, 原因是金属液对纤维的润湿性不好。故制造FRM 的关键是采取措施、使金属液浸透到增强纤维的间隙内, 从而确定复合材料的致密性和结合强度。常用的方法有真空吸铸、加压凝固铸造及压铸等。
对短纤维和颗粒增强材料随机均匀分布的MMC 来说, 多采用事先混合法。该法按复合时金属液状态分为液相法和半固态法。液相法系采用搅拌器搅动金属液出旋涡后加入增强材料, 从而使增强材料在金属液中均匀分布。半固态法是把增强材FRP/CM 2004. No. 1
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, 即自身生长出各向异性的纤维组织, 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
2004年第1期玻璃钢/复合材料51
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。
(6) 离心铸造法该方法是将增强体颗粒或短纤维预先置入离心机内, 靠离心力甩出预成型套, 然后浇入液态金属, 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。
12X18H10T 为基体的复合材料, 就碳化物含量和热
处理制度对此类材料性能的影响进行了很多研究。E 1pagounis , U 1k 1Lindroos 采用热等静压法制备了
体积分数高达30%的陶瓷颗粒增强钢基复合材料。其研究结果表明在所有增强体中, TiC 和钢的结合最好, 加入陶瓷颗粒后, 钢的耐磨性显著提高, 而抗拉强度、延展性和冲击韧性反而下降, 这和轻金属有很大区别。
13 金属基复合材料的研究现状
受航天工业的影响, 轻金属基复合材料有了很大的发展, 已开发出很多成型制造工艺。另外, 目前对钢、入研究, 现状。
311 国外重金属基复合材料的研究[1]
:①提高增强体的表面能; ②降低固液界面能; ③降低液态金属的表面张力。具体方法如下:对颗粒表面进行覆盖, 如气相沉积镍或铜; 使金属液合金化; 热处理颗粒等。
D 1NA TH and P 1K 1ROHA TG L 采用离心铸造
美国Alloy Technology International 公司开发了热等静压法制造TiC 复合材料。例如Cs 240是以含20%Cr的不锈钢为基体, 掺和45%(体积) TiC 的复合材料, 可以用于制造标准件、阀座和机械密封件。它在油中或惰性气体下淬火, 硬度达到HRC68, 此类材料对食品加工所需要的环境具有良
法制备了颗粒增强复合材料。研究结果表明:离心铸造时易造成颗粒偏聚区, 偏聚区宽度随浇注温度提高和颗粒尺寸的增大而减小。312 我国重金属基复合材料的研究
东北大学刘进平等采用离心预成型套法制成了SiC 颗粒/铸铁复合材料。这种方法是依靠离心力
好的横向破断强度, 可用作工具及承受很高的弯曲和拉伸应力的制品, 最易切削加工, 并具有良好的耐热震性。另据报道,Ferro 2TiC 复合材料在磨损条件下使用与工具钢相比, 寿命提高约20倍。
日本Kurimoto 公司研制了由烧结碳化钨合金粉和高铬铸铁组成的复合材料, 在一层烧结碳化钨合金粉上浇注熔化的高络铸铁形成复合板。新开发的这种超级耐腐复合材料, 用作运输机的衬板, 工作寿命超过670d , 而原来用的高络铸铁仅为30～50d 。日本富士电机公司开发了用以制作水轮机和水泵等部件的耐气蚀、耐砂土腐蚀的复合材料, 金属基体是一种双相不锈钢(含Cr20230%, Ni3210%, Mo125%) , 硬质颗粒为Cr3C2、SiC 、WC 等, 添加量5～60%(重量) , 比原来用的Cr13铸钢件的耐气蚀性提高10倍。
西德蒂森特钢公司用粉末冶金法生产了Ferro 2Titantit 复合材料。该材料含45%(体积) TiC , Tic 均匀分布并镶嵌在高合金钢中。用它制成的模具比用莱氏体铬钢的寿命提高5～10倍, 可用普通方法进行车、铣、钻削加工, 最后淬硬到HRC70而不发生变形。前苏联开发应用了在干摩擦条件下使用的以
把增强颗粒分布于铸件外表面, 获得一定复合层厚度的复合材料, 最大复合层厚度可达6～8mm 。刘政等研究了纤维增强金属基复合材料的界面。结果表明界面在材料磨损中具有重要的保护作用。复合材料可通过界面消耗裂纹扩散能量, 阻止裂纹扩散, 减轻材料的破坏程度。这种机制为基体合金所不及, 且在较大载荷下, 复合材料的耐磨性更佳。哈尔滨工业大学李道明等研究了金属基复合材料的拉伸断裂过程[6], 详细论述了微观裂纹的萌生及扩展, 探讨了断裂机制, 并对拉伸断裂行为与纤维强度分布进行了微机模拟。结果表明, 随着纤维强度分布的变动系数CV 增加, MMC 断裂形式由非积累型向积累型过渡, 纤维的平均承载能力随之下降。徐大庆研究了金属基复合材料的抗冲蚀性[7]。研究表明复合材料的组织从表层至心部可分为复合层、过渡层、和基体三部分。复合材料的抗冲蚀性能优于渗碳A3钢, WC 粒度对抗冲蚀性能影响不大, 铁基复合材料的基体应选择有较高硬度和强度的材料。权高峰等研究了增强体种类及含量对金属基复合材料性能的影响。研究结果表明, 粉末冶金法制备非连续增强金属基复合材料可获得较高的强度和
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52金属基复合材料的发展与研究现状2004年1月
弹性模量, 复合材料的断裂应变随增强体含量增加而减小。
412 重金属基复合材料研究方向
(1) 加强对制备工艺的研究。简化制备工艺, 降
4 存在的问题及发展方向
411 存在的问题
低制备成本, 始终是研究热点之一。
(2) 加强对强化机制的研究。目前金属基复合材料的强化机制研究还不是很成熟, 各家学者各有所见[10], 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, 给实际制备, 有些学者研究了, 并取得了一定的进展[10]。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) 提高基体性能, 进而提高复合材料的性能。目前多数学者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[11～12], 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。
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重金属基复合材料在民用行业中的应用与研究相对缓慢。如果要使其推广使用, 还必须解决以下几个问题。
(1) 制备成本与制备技术
重金属基复合材料普遍存在制备成本问题。在制备过程中, 所用设备专一, 制备工艺复杂, 很难应用于生产。, , 成本, (2) 增强体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便是润湿性。由于大多数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[10]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, 但该做法又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) 增强体与基体的界面
由于金属基体熔点较高, 需要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。界面反应的程度决定了界面的结构性能。界面反应的主要结果有促进增强体与基体的润湿, 产生界面反应物2脆性相, 造成增强体损伤和改变基体成分。界面反应促进润湿对制备复合材料是有利的。这类反应轻微, 不损伤颗粒、晶须等增强体。但是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) 增强体在基体中的分布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。在国内的研究中, 试图通过离心铸造[11]、加强搅拌、配制中间合金、原位复合等手段解决该问题。但上述方法中还存在许多缺点, 如离心铸造只能获得表面复合层和中间合金的材料性能等。因此, 如何使增强体分布均匀始终是众多学者研究的对象。FRP/CM 2004. No. 1
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(下转第13页)
2004年第1期玻璃钢/复合材料13
层相应的预浸料铺贴后采用热压罐成型工艺制成。从表2可以看出, QW280/改性环氧树脂复合材料与TC 8/32K 2TO/改性环氧树脂复合材料力学性能基本相当。3. 2 石英纤维织物/改性环氧复合材料介电性能
图1、2中的曲线分别描绘出了在2～16GHz
宽
频测试范围内,QW280/改性环氧树脂和TC 8/32K 2
TO/改性环氧树脂复合材料层压板随频率增加介电性能变化的趋势。从图中可看出, 上述两种材料的介电性能相当, 且在2～16GHz 范围内随频率增加两种复合材料的介电常数和介质损耗角正切变化较小。
4 结 论
(1) QW280和TC 8/32K 2TO 石英纤维织物/改性
, 且在2;
) 及8//改, 上述。
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PR OPERT Y STU DY OF QUARTZ FABRIC REINFORCE D COMPOSITES CHEN Meng 2yi , J I Pei 2jun , CAI Liang 2yuan , CU I Y i , ZHAN G Hua (Beijing Institute of Aeronautical Materials , Beijing 100095, China )
Abstract :The mechanic and dielectric properties of QW280and TC 8/32K 2TO quartz fabric/modified e 2poxy resin composites are studied in this paper. The results show that the mechanic and dielectric properties of QW280/modified epoxy resin composites are equal to these of TC 8/32K 2TO /modified epoxy resin composites.
K ey w ords :quartz fabric ; composites ; mechanic oproperties ; dielectric constants ; loss angle tangent (上接第52页)
DEVE LOPMENT AN D CURRENT STU DY OF METAL MATRIX COMPOSITE MATERIAL
L I Feng 2ping
(Liaoning Technical University , Fuxing of Liaoning Prov. 123000, China )
Abstract :This paper studied the classifications , manufacturing methods of metal matrix composites , ex 2pounded the current study of metal matrix composites in the world and at last pointed out the problems and the study direction in the field.
K ey w ords :metal matrix composite material ; manufacturing methods ; classifications ; current study ; study direction
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