材料的特殊制备方法教程文件.ppt

第三部分、材料的特殊制备方法主要内容：（1）快速凝固技术（2）机械合金化（3）复合材料的制备（4）其它现代制备技术1第一章、快速凝固技术2Technology of Rapid Solidification在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下，金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程凝固与结晶铸件尺寸米、厘米液态金属凝固时间:时、分冷却速度102 C /S尺寸毫米、微米液态金属凝固时间:秒冷却速度104109 C /SRS第一节、快速凝固（RS）的技术特点大型砂型铸件/铸锭凝固冷速：10-6 10-3 /S中等铸件/铸锭冷速:10-3100 /S薄壁铸件/压铸件/普通雾化冷速:100102 /SNS1. 快速凝固能达到的冷却速度： 快凝104109 C/S 常规 102 C/S 2. 可以制备 非晶态合金材料超细合金（晶粒尺寸达 m nm 级）3. 制备出的材料优点（如非晶态材料）4. 高强度、高硬度和刚度5. 好塑、韧性6. 高耐蚀性7. 高电阻率、高导磁率、低磁损 晶粒非常细小，成分均匀，空位、位错密度大，形成新的亚稳相因为54. 实现液态金属的快速凝固两途径：5. （1）传统的急冷快速凝固过程；6. （2）深过冷熔体的快速凝固。

5. 两种不同的凝固机制：6. （1）在急冷和深过冷条件下晶体大量形核并快速长大， 而且一些在平衡或近平衡凝固条件下不可能出现 的亚稳相得以形成；7. （2）当冷却足够快或过冷十分大时，通常情况下的晶 体形核与长大受到抑制，从而形成非晶或准晶相6第二节、快速凝固方法气枪法旋铸法表面熔化与自淬火法雾化法常用方法81.气枪法 (gun technique)将熔融的合金液滴在高压（50atm）惰气流的突发冲击作用下，射向用高导热率材料（常为纯铜）制成的急冷衬底上，由于极薄的液态合金与衬底紧密相贴，因而可获得极高的冷却速度（107 C /S），这样得到的是一块多孔的合金薄膜，其最薄厚度3050m/s）液态合金的辊面上凝固成一条很薄的带子（厚度可小至1520 m），条带在凝固时与辊面紧密相贴，冷速可达106107 C/S可获连续、致密的合金条带是制取非晶态合金条带普遍采用的一种方法103.工件表面熔化与自淬火法 (surface melting and self quenching)用激光或电子束扫描工件表面，使表面极薄层的金属熔化，热量由下面基底金属迅速吸收，使表层（10 m）在很高的冷速下（108 C /S）重新凝固。

可在大尺寸工件表面获得快速凝固层，是一种具有工业应用前景的技术114.雾化法 (atomization)普通雾化法：冷速102103 C /S为快冷采取冷却介质强制对流，使合金液在N2、Ar、He等气体的喷吹下，雾化凝固为细粒或使雾化后的合金在高速水流中凝固另一种雾化法：将熔融的合金射向高速旋转（表面线速度100m/s）的铜制急冷盘上，在离心力的作用下，合金液雾化凝固成细粒向周围散开，通过安装在四周的气体喷嘴喷吹惰性气体以加速冷却该法制得合金颗粒尺寸一般为10100 m，在理想条件下可达到106 C /S的冷速第三节、凝固理论的实际应用举例细化铸态金属晶粒Hall-Petch 公式：材料的屈服强度d: 晶粒直径、K 是两个与材料有关的常数d 降低，材料强度提高、塑韧性好13具体方法：(1)增大过冷度抑制晶体生长速率，提高形核率更显著即：提高形核率/生长速率比值，从而晶粒细化 细化结晶晶粒途径： (1)提高形核率 (2)抑制晶体的长大速率2)变质处理 向金属液态中加入一些细小的形核剂（孕育剂或变质剂），作为非均匀形核的基底，使晶核数大量增加，晶粒显著细化14（3）振动、搅拌（机械法、电磁法、超声波法）在浇铸和结晶过程中，可显著细化晶粒。

因为： A.能向金属液体中输入额外能量，增大能量起伏，提 供形核所需形核功 B.可使枝晶碎断，增大晶粒数量如：Al或Al合金中加少量Ti、Zr； 钢中加Ti、Zr、V； 向金属或合金液体中加入同种固体颗粒可增加大量直接作为结晶核心的固相；可提高冷却速度，增大过冷度第二章、机械合金化15Mechanical Alloying在冷态下，组成元素的金属粉末通过反复变形、冷焊、剥落并伴有扩散，最终达到合金化的过程是使人工加入的第二相高度均匀分散的先进粉末冶金工艺第一节、MA的原理和机制两种以上的金属粉和中间合金，在高能球磨机中球磨一定时间后，便可得到合金粉末1.冷焊：很早以前就发现，极平的、纯净的金属表面在冷态 下加压可焊接在一起，此现象在焊接学上叫2.MA过程的机制：塑性金属粉末在球的碾压、冲击下发生形变，并以十分纯净的表面彼此接近到原子作用力的距离，于是在球表面产生冷焊层与此同时脆性粉末被破碎，与反应产物质点一起被挤进冷焊层一定厚度的冷焊层由于不断的加工硬化又从球表面脱落，接着被破碎、冷焊如此反复并伴随扩散过程，最终达到合金化16第二节、机械合金化工艺要求和参数1 、工艺要求（1）使氧化物达到最佳分布状态（2）合金组元的基本合金化（3）较高的出粉率2 、工艺参数（1）原料粉的性质原料冷焊性塑性MA实现扩散激活能Q20Ts（ Q：激活能，Ts：熔点）D=Aoexp(-Q/RT) （D：扩散系数） Q越小越易扩散，所以熔点高而塑性低的金属冷焊性就差。

17W 、 Mo 、 Cr 、 Fe 、 Ni 、 Cu的冷焊性依次增强所以在MA过程中使用的原料粉末中，必须有适当比例的塑性金属粉，否则不能实现机械合金化冷焊过于强烈并不可取，反而会产生严重的粘料现象，一旦发生， MA过程也就终止2）原料粉的粒度尤其是脆性材料，不仅会延长合金化时间，而且粉末粒度大于磨球咬合角时，将不能被破碎，就不能实现机械合金化一般脆性粉的粒度控制在200目以下，对冷焊性较差的W、Mo粉应控制在200300目之间筛网目数是指筛网每平方英寸的孔数（3）高能球磨机中介质对冷焊的作用液体介质使塑性粉的冷焊性丧失，因为液膜妨碍了原子间的扩散氧化性介质使不断露出的纯净表面氧化，严重的阻止冷焊机械合金化应避免湿磨且常用氩气为介质18（4）球料比和球磨时间 球料比和球磨时间的增加促进了合金化，前者更重要 球料比过大，冷焊会相当强烈，形成的永久性冷焊层很难 剥落 所以要将合金化和出粉率适当地结合起来 解决原则：利用冷焊又要控制冷焊，特别是初期的冷焊5）在不同高能球磨机上，工艺参数相同但冷焊程度不同 球磨机转速高，温升大，导致冷焊严重； 反之冷焊轻微不利于合金化19第三节、机械合金化的重要设备1 、高能球磨机：又称搅拌球磨机。

立、卧式（1）带水冷套的圆柱形桶（或底椎形圆桶） 高度和直径比约为2/1（2）搅拌棒（垂直搅拌棒带横臂，减速器，动密封，装料口 和抽气口）搅拌速度80300r/min（3）磨球：粉料随球螺旋上升，在搅拌轴处下降，循环混合 桶、棒、球有冷焊层的保护，无需担心杂质污染，但用于 破碎时，必须考虑污染问题2 、破碎效率球的位能单位时间内碰撞次数20N=42.4/D1/2N：临界转速D：滚筒直径（1）使用大直径（10100mm）磨球则急剧的减少碰撞 点，因此破碎效率是有限的 （2）而高能球磨机的破碎则依赖球的动能和挤压力，几 乎没有临界转速的限制3）可采用小直径（610mm）磨球，碰撞点多，远远 超过普通球磨22第三章、复合材料的制备Preparation of composites231 、基本概念：是由两种或两种以上的物理和化学性质不同 的物质组合而成的一种多相固体材料2 、特点：其各组分材料虽然保持相对独立，但其性能却不 是组分材料性能的简单加和，而有重大改进3 、基体：复合材料中，通常有一相为连续相，称为 增强材料：以独立的形态分布在整个连续相中的分散相 如：增强纤维、颗粒状或弥散的填料 两相间存在相界面。

24第一节、复合材料的几个概念1 、基本概念：是由两种或两种以上的物理和化学性质不同 的物质组合而成的一种多相固体材料2 、特点：其各组分材料虽然保持相对独立，但其性能却不 是组分材料性能的简单加和，而有重大改进3 、基体：复合材料中，通常有一相为连续相，称为 增强材料：以独立的形态分布在整个连续相中的分散相 如：增强纤维、颗粒状或弥散的填料 两相间存在相界面25第一节、复合材料的几个概念1 、命名（1） 增强材料名称+基体材料名称+“复合材料” 如：玻璃纤维和环氧树脂构成的复合材料 “玻璃纤维环氧树脂复合材料” 简：增材/基材+“复合材料” 如：“玻璃/环氧复合材料”第二节、复合材料的命名和分类（2）有时为突出增强材料和基体材料，视强调的组分不同 如：“玻璃纤维复合材料”，“环氧树脂复合材料” 碳纤维和金属基体构成的复合材料叫“金属基复合材料” 或“碳/金属复合材料” 碳纤维和碳构成的复合材料叫“碳/碳复合材料”2、常见分类方法 （1）按增强材料的形态分类： 连续纤维复合材料 短纤维复合材料 粒状填料复合材料 编织复合材料（2）按增强纤维种类分： 玻璃纤维复合材料 碳纤维复合材料 有机纤维复合材料（如芳香族聚脂胺纤维） 金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等） 陶瓷纤维（如Al2O3纤维、SiC纤维、 B纤维等） 两种或两种以上纤维增强同一基体制成的复合材料称为 混杂复合材料。

27（3）按基体材料分类：金属基复合材料 无机非金属基复合材料 聚合物基复合材料 （4）按材料作用分类：结构复合材料 功能复合材料 智能复合材料（5）同质复合材料：增强材料和基体材料属于同种物质的复 合材料，如C/C复合材料 异质复合材料：前述的多属此类 28第三节、复合材料的性能29复合材料是多相材料的复合，其共同特点：（1）可综合发挥各种组合材料的优点，使一种材料具多种性能 如：玻璃增强环氧树脂基复合材料，有类似钢材的强度 和塑料的介电性和耐腐蚀性2）可按性能的需要进行材料的设计和制造（3）可制备所需的任意形状的产品，可避免多次加工工序 如：可避免金属产品的铸造、切削、磨光等工序1 、聚合物基复合材料（PMC）的主要性能（1）比强度大，比模量大 （2）耐疲劳性能好30（3）减震性好材料振动阻尼很高 （4）过载时安全性好 少数纤维断，载荷重新分配，构件在短期内不至于失去承载能力5）具有多种功能性： a.可制成具有较高比热、熔融热和汽化热的材料，以吸收高温烧蚀 时的大量热能； b.有良好的摩擦性能； c.高度的电绝缘性能； d.耐蚀性能； e.特殊的光、电、磁学性能6）有很好的加工工艺性 金属材料疲劳突发聚合物基复材疲劳界面能阻止裂纹扩展2 、金属基复合材料的主要性能（1）高比强度、比模量 因：基体中加入了适量的高强度、高模量、低密度的纤维、晶须、颗粒等构件重量轻、刚性好、强度高（B纤维、C纤维、SiC纤维等）。

2）导热导电性能 金属基占高体积分数，仍保持金属的特性31高集成度电子器件散热（3）热膨胀系数小，尺寸稳定性好 调节增强物含量，获得不同的热膨胀系数如：石墨纤维/镁基，当纤维含40%时，热膨胀系数为零零件不变形，对人造卫星构件特别重要超高模量石墨纤维金刚石纤维金刚石颗粒铝基或铜基导热率比铝、铜还高制成集成电路底板和封装件（4）良好的高温性能 金属基体的高温性能比聚合物高很多，增强纤维、晶须、颗粒在高温下又都具有很高的高温强度和模量5）耐磨性能好陶瓷纤维、晶须、颗粒增强的复合材料具有很好的耐磨性6）良好的疲劳性能和断裂韧性取决于增强物与金属基体的界面结合状态有效传递载荷，阻裂扩，KIC（7）不吸潮、不老化，气密性好金属性质稳定，组织致密，不老化、不分解、不吸潮等聚合物基，分解低分子，污染仪器及环境323 、陶瓷基复合材料的主要性能陶瓷材料优点：强度高、硬度大、耐高温、抗氧化，高温下 抗磨损性好，耐化学腐蚀，热膨胀系数小， 相对密度较小 陶瓷材料缺点：抗弯强度不高，断裂韧性低，限制了其作为 结构材料的使用 用高强度、高模量的纤维和晶须增强后，其。