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。
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,伴随航空航天工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[1],SiC 晶须增强的铝基复合材料薄板将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。
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,则可明显提高材料使用寿命。
在汽车制造行业中,20～60%的零件可以用碳纤维复合材料制造,一般可减重40～80%[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用,颗粒平均直径在1μm 以上,强化相的容积比(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而强的材料,纤维直径从3μm 到150μm (晶须直径小于1μm ),纵横比(长度/直径)在102以上。
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FRP/CM 2004.No.1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,通过机械搅拌在熔体中产生涡流引入颗粒。
还可采用其它方法引入颗粒,如离心铸造法、气流喷射分散法及零动力工艺等。
Loyd DJ[3]采用涡流法制备了SiCp/2L108复合材料,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粒,采用搅拌法引入增强相,颗粒尺寸可小到10μm,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(Al2O3/短纤维/Al合金)。
东南大学的朱光明研制了Al2O3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,Al2 Mg合金熔体就能良好的浸渗陶瓷粉末堆积体,可制备体积分数高达55%的复合材料,增强相可是SiC和Al2O3,颗粒尺寸可小至1μm。
液态金属浸渗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。
(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,如需要存储大量具有高反应性和易爆炸的微细粉末,复杂的生产过程,产品的形状受到限制,生产成本很高等,使得这种方法很难在生产中获得广泛的应用。
高能高速工艺实质上也是一种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,可生产200kg的铸锭。
Cuptal et al采用VCM制备了体积分数为20%的SiC/Al2Li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:FRP/CM 2004.No.12B+Ti+Al→TiB2+Al3B2O3+3TiO2+10Al→3TiB2+5Al2O33SiO2+4Al→2Al2O3+3SiC+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:N2(气体)+Al→AlN+AlC(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012～1μm,也有报道在0125～115μm范围内。
采用此工艺技术制备复合材料,增强相被液态金属润湿,界面结合牢固,因而非常具有吸引力,成为当前复合材料研究的一个热点。
但过于细小的颗粒会显著增加熔体的粘度,难以进一步铸造成型。
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料加入到半固态金属中后搅拌。