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金屬基復(fù)合材料的制備工藝2018-02-27

對于復(fù)合材料而言,一般是由性能各異的兩相構(gòu)成,即增強(qiáng)體和基體,因而其中一相(增強(qiáng)體)在基體中是否能夠均勻分散以及兩相之間的界面結(jié)合是其制備的最為關(guān)鍵問題,這直接導(dǎo)致了復(fù)合材料性能的好壞。按照增強(qiáng)體的不同加入方式,復(fù)合材料的制備方法可以分為兩大類:內(nèi)部原位生成法和外部強(qiáng)制加入法。我們主要討論外來強(qiáng)制加入法。強(qiáng)制加入法可分為固態(tài)法和液態(tài)法。其中固態(tài)法主要是粉末冶金法;液態(tài)法包括攪拌熔鑄法、液態(tài)浸滲法、噴射沉
積法等。

 

(1) 固態(tài)制備方法

固態(tài)法的特點(diǎn)是制備溫度較低,金屬基體和復(fù)合材料在固體狀態(tài),界面反應(yīng)是不易發(fā)生,界面是干凈的。金屬基復(fù)合材料的典型固態(tài)制備方法是粉末冶金法,這也是目前最為廣泛應(yīng)用的固態(tài)制備方法。粉末冶金法為了解決金屬箔材料成本高,難以獲得鈦鋁金屬部件的復(fù)合鋁箔材料的問題。

粉末冶金法首先將增強(qiáng)體與金屬基體粉末充分混合后,再壓制成預(yù)制塊,在真空環(huán)境下使預(yù)制塊升溫處于固液兩相區(qū)并燒結(jié),原理是利用粉末原子間的原子熱擴(kuò)散來結(jié)合,一般最后還會進(jìn)行熱擠壓或冷軋制成件。制備過程中的溫度在金屬的熔點(diǎn)溫度以下,比較低,能夠有效抑制金屬基體與增強(qiáng)相之間的界面反應(yīng)。

粉末冶金法的優(yōu)點(diǎn)是基體的成分可以自由選擇,局限少,可以有效地減少金屬基體與增強(qiáng)體之間的化學(xué)反應(yīng);可選擇的增強(qiáng)體的種類、尺寸、以及體積分?jǐn)?shù)范圍比較大;對以控制各部分材料之間的成分比例,增強(qiáng)體在基體中能夠均勻地分布。其缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜、對設(shè)備要求高、成本較高、對于制備大尺寸的零部件會存在一定的困難;細(xì)小增強(qiáng)體的均勻性比較差,易于團(tuán)聚成團(tuán),材料的致密度不高,存在一定的孔隙;增強(qiáng)體和基體的界面結(jié)合強(qiáng)度以及干凈度不如鑄造復(fù)合材料。對于制備各種顆粒或晶須增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料,粉末冶金法經(jīng)常被使用到。

 

(2) 液態(tài)法

液態(tài)金屬制備方法是讓處于熔融狀態(tài)下的金屬與增強(qiáng)體結(jié)合在一起的方法。其制備關(guān)鍵是要有效控制高溫下的金屬基體與增強(qiáng)材料的界面反應(yīng)及基體的氧化反應(yīng)。液態(tài)法可用來直接制備復(fù)合材料零件,包括鑄造法、液態(tài)浸滲法、噴射沉積法等。其中最常用的鑄造法,其基本工藝路線是首先將增強(qiáng)體以一定方式(噴射分散法、超聲振動法或高速攪拌法使增強(qiáng)體分散開來)直接加入到金屬熔體中,或者先和基體合金粉按一定比例混合,并在壓力機(jī)上壓成預(yù)制塊,然后迅速升溫至液相線以上并保溫一定時間,然后在一定的壓力下直接澆注熔融狀態(tài)的金屬鋁液得到所需復(fù)合材料。

目前來看液態(tài)法還是最適合工業(yè)化低成本制備金屬基復(fù)合材料的技術(shù)。復(fù)合材料的制備一般是基于液態(tài)金屬滲透的原理,也可能依賴于活性無壓滲透的潤濕,也可能依賴于高壓氣體或者是擠壓鑄造時活塞的機(jī)械運(yùn)動產(chǎn)生的外壓力。但其制備的仍存在很多問題,如基體合金對增強(qiáng)相顆粒界面不潤濕或發(fā)生界面反應(yīng)等。碳材料與 Al 基體互不潤濕,它們之間難以潤濕的原因在于 Al 基體和碳材料的表面張力大。碳材料在 Al 液中易于與基體發(fā)生反應(yīng),生成不穩(wěn)定的界面產(chǎn)物 Al4C3。這種脆性界面產(chǎn)物的存在會導(dǎo)致材料在受力狀態(tài)下產(chǎn)生應(yīng)力集中,使得增強(qiáng)體脫離基體。而且由于采用液態(tài)工藝,復(fù)合材料中還易于形成氣孔導(dǎo)致材料致密度低等缺陷。
 

無機(jī)納米材料

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