金属基复合材料制备工艺
69页1、,金属基复合材料的制备工艺,金属基复合材料制备及成形工艺,金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于制备技术; 研究和发展有效的制备技术一直是金属基复合材料研究中最重要的问题之一。,2,复合材料的概念与定义,常规材料的优缺点:,定义:采用物理或化学的方法,使两种或两种以上的材料在相态(如连续相:基体;不连续体:增强相)以性能相互独立的形式下共存于一体之中,以达到提高材料的某些性能,或互补其缺点,或获得新的性能(或功能)的目的。,金属材料的优点:优良的延展性和可加工性。缺点:强度相对低,耐热、耐磨、耐蚀性差,如铝; 陶瓷材料的优点:强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好,缺点:很脆,加工性能差。 复合后利用两者的优势互补,提高性能。,金属基复合材料的制备难点,制备温度选择难度大; 界面反应难以控制; 金属基体与增强材料之间润湿性差,甚至在制备温度下完全不润湿; 将增强材料按照设计要求、方向均匀分布于基体中比较困难。,5,按基体分类,按增强体分类,按分散状态分类,连续增强相金属基复合材料的制备工艺,,Company Logo,2.1.4不连续增强相金属基复合材料的制备工艺,2.1.3 连续
2、增强相金属基复合材料的制备工艺,铝合金固态、液态法 碳纤维 镁合金 固态、液态法 硼纤维 钛合金 固态法 SiC纤维 高温合金固态法 氧化铝纤维 金属间化合物固态法,2.1金属基复合材料制备工艺的分类: 1)固态法:粉末冶金法、真空热压扩散结合、 热等静压、超塑性成型 / 扩散结合、模压。 2)液态法:液态浸渗、真空压铸、反压铸造、 半固态铸造。 3)喷射成型法:等离子喷涂成型、喷射成型。 4)原位生长法。,一.固态法,工艺流程 将金属粉末或金属箔与增强物(纤维、晶须、颗粒)按设计要求以一定的含量、分布、排布在一起; 加热、加压扩散粘接:将金属与增强物复合在一起,形成MMC。 特点: 整个工艺过程处于较低的温度,金属和增强物都处于固态;界面反应不严重。 类型:粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、拉拔法。,粉末冶金复合法,1.1工艺过程,原料:基体金属与强化颗粒均为粉料,且越细越好,但必须大于1微米,否则易聚难分散; 混合:球磨机混合法; 压粉(压密):相当于成形工艺; 脱气:为除去粉末、颗粒表面水分与吸附气体,防止烧结后材料内部气孔(相当于干燥); 压粉坯的致密化:冷等静压、挤压法
3、; 烧结(固化):常压、热压、真空热压、热等静压、热塑性变形烧结; 塑性加工:赋予材料一定形状(热加工温度下变形)。,适合于分散强化型复合材料(颗粒或纤维强化型),可以自由选择基体金属材料,因为该法在固态下复合,基体与增强相不易反应; 可以自由选择强化颗粒种类、尺寸,且强化颗粒添加量范围广; 与铸造法相比,较易实现强化颗粒的均匀分散(微颗粒除外)。 与液相法相比,制备温度低,界面反应可控; 可根据要求设计复合材料的性能; 其组织致密、细化、均匀、内部缺陷明显改善; 利于净成型或近净成型,二次加工性能好。,12 优点:,工艺较复杂,成本高; 固化方法采用烧结、热压、挤压等方法; 除采用原生复合法外,微细颗粒均匀分散较困难; 强化颗粒表面污染不易除去,使基体与颗粒界面不如铸造法。,13 缺点,19,热压法工艺通常要求先将纤维与金属基体制成复合材料预制片,然后将预制片按设计要求裁剪成所需的形状、叠层排布(纤维方向)将叠层放入模具内,进行加热加压,最终制得复合材料或零件。 热压法是目前制造直径较粗的硼纤维和碳化硅纤维增强铝基、钛基复合材料的主要方法。,2.真空热压扩散结合,可称为扩散粘结法,或
4、扩散焊接法。,20,热压法工艺流程,在增强材料上铺金属箔,裁剪成形,冷却取出制品 并加以整理,抽真空,加热至所需温度,加压与保压,21,影响扩散粘结过程的主要参数是:温度、压力和一定温度及压力下维持的时间。另外,气氛对质量也有较大影响。,22,扩散粘结过程分为三个阶段:,1.粘结表面的最初接触,由于加热、加压,使表面发生变形、移动、表面膜(氧化膜)破坏;,2.随着时间的进行,发生界面扩散和体扩散,使接触面密着粘结;,3.由于热扩散结合界面最终消失,粘结过程完成。,23,工艺过程:将金属基体(粉或箔)与增强材料(纤维、晶须、颗粒)按照一定比例混合或排布后,或用预制片叠层后,放入金属包套(或玻璃包套)中,抽气密封后装入热等静压装置中,进行加热加压,复合成金属基复合材料。,3.热等静压法,工艺优缺点:材质致密、尺寸精度高;但设备投资大,工艺周期长,成本高。,24,采用惰性气体加压,工件在各个方向上受到均匀压力的作用。,模压成型也是扩散结合的一种手段。将纤维/基体 预制体放置在具有一定形状的模具中进行扩散结合, 最终得到一定形状的最终制品。常用这种工艺制备各 种型材。,4.模压成型,26,都是
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