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  金属基复合材料液态浸渗制备工艺_材料科学_工程科技_专业资料。2010年第8期 第28卷 毕节学院 学报 NO.8,2010 V01.28 JOURNAL OF BUlE UNIVERSn'Y (总第121期) GenerM No.121 金属基复

  2010年第8期 第28卷 毕节学院 学报 NO.8,2010 V01.28 JOURNAL OF BUlE UNIVERSn'Y (总第121期) GenerM No.121 金属基复合材料液态浸渗制备工艺 张 萍1a.16 贵州 毕节 551700) (1a、毕节学院化学系,lb、毕节学院图玉馆 摘要:液态浸渗制备工艺是目前金属基复合材料的主要制备方法之一。通过对挤压浸渗技术、 无压渗透法、真空浸渗技术、气压浸渗技术、熔模铸造浸渗技术等各种不同液态浸渗制备工艺的应 用及优缺点的分析,最后认为采用液相浸渗制备工艺能够实现制备组织致密、性能良好的复合材料。 是一种比较经济的复合方法。 关键词:金属基复合材料;液态浸渗;挤压浸渗;线 文献标识码:A 文章编号:1673—7059(2010)08—0073一04 现代科技的飞速发展,特别是航空、航天和海洋开发领域的发展。使材料的使用环境更加恶劣, 对材料的性能提出了更高的要求,不仅要求材料轻质、高强度、高韧性,还要求材料具有耐热、抗疲 劳、抗氧化及抗腐蚀等特性。作为单一的金属及合金材料等虽然仍在不断日新月异地发展.但其强度、 模量和高温性能等已几乎开发到了极限①o其固有的局限性已不能满足现代科学技术发展的需要。而金 属基复合材料不仅继承基体合金原有的金属特性,还具有更高的比强度和比刚度以及良好的高温性能、 尺寸稳定性和功能性能。金属基复合材料的制造工艺和方法在很大程度上决定了其复合材料的结构、 性能、应用和制造成本等,因而金属基复合材料的制造工艺是一个研究较多的领域。目前制备金属基 复合材料的方法主要有固态法和液态法,固态法制备金属基复合材料的整个工艺过程温度较低。金属 基体和增强相都处于固体状态,典型的工艺有粉末冶金法、热压法等,其工艺过程是先将基体合金和 增强体按设计要求均匀混合或排列,经过冷压、热压或烧结等工艺制成复合材料零件。固态法生产工 艺复杂,产品形状受限制。生产成本高,难以获得广泛的应用脚。液态法是金属基体处于熔融状态下与 固体增强物复合而制备金属基复合材料的工艺过程。制备工艺包括液态浸渗法和液态搅拌法。液态法 成形时温度较高,熔融状态的金属流动性好,在一定的条件下利用液态法可容易地制得性能良好的复 合材料,相对于固态成形具有工程消耗小、易于操作、可以实现大规模工业生产和零件形状不受限制 等优点,因而受到人们的青睐。由于界面间润湿性较差且增强体在基体中分布不均。液态搅拌铸造法 难于复合出高性能的材相。液态浸渗法则具有操作简单,制造成本低,可制备高体积分数复合材料和 较复杂形状的近终型的零件等特点【2{】 1挤压浸渗技术 挤压浸渗技术是将熔融金属液浇入预先放置增强体预制件的模具中。再通过压机将金属液强行压 人预制件间隙后凝固而制得复合材料的一种方法。它与一般压铸工艺的区别是在液态金属凝固过程中 总是持续移动,使生长的枝晶变形排列并弥补凝固的收缩网。该方法工艺简单可靠。生产效率高,制造 成本低,适合于批量生产;与铸型材料很好接触导致散热良好,冷却快,形成的组织致密,液态金属 有效的填充可降低孑L隙率;挤压时所用压力为70—100MPa,在这种高压的作用下,促进了金属熔体与 收稿日期:2010-帕l—12 作者简介:张萍(198l一),女,贵州大方人,毕节学院化学系教师。研究方向:材料科学与工程。 ?73? 万方数据 增强材料之间的润湿.增强材料不需要进行表面预处理,熔体与增强材料在高温下接触的时间短,因 此也不会出现严重的界面反应。但是由于挤压铸造的压力较大,要求预制件具有高的力学强度,能 承受高的压力而不变形。由于连续纤维增强金属基复合材料在高压下容易造成纤维的损伤,降低其 机械性能,所以这种方法只适合于制备不连续增强体(如颗粒、晶须等)增强复合材料,不适合于制 备连续增强体金属基复合材料型材,也不能生产大尺寸零件。挤压浸渗技术适用于陶瓷短纤维、颗 粒、晶须增强铝、镁、锌基等复合材料零部件的制备。 2无压渗透法 无压渗透技术【?一61是由美国Lanxide公司于1986年开发出来的。该工艺中,预先把增强体用 适当的粘结剂粘结.做成所需要形状的预制件,把基体合金放在可控制气氛的加热炉中加热到基体 合金液相线以上温度,在不加压力的情况下合金熔体自发渗透到预制件中,最终形成复合材料。无 压浸渗技术的自发渗入方法有三种,即蘸液法、浸液法及上置法。蘸液法是熔体在毛细管压力的驱 动下自下而上地渗人多孔预制件。渗入前沿呈简单几何面向前推进,预制件内气体随渗入前沿向上 推进而排出预制件。这样能较有效地减少缺陷和实现致密化。但此法可能导致重力作用下制品上下 渗入程度欠均匀及凝固时上下熔体补缩量不一致。浸液法是指预制件被淹没在熔体内,熔体在毛细 管压力作用下从预制件周边渗入体内。与蘸液法相比,优缺点恰好相反。但此法操作简便,可实现 规模生产。预制件内气体的排出受液、气表面能降低驱动,经过较复杂的步骤最终能完全排除。在 上置法中.渗体固块放置在支架支撑着的预制件试样上面,它们一同置于小型加热炉内,加热融化 后熔体自上而下渗入体内。这种方法可避免重力作用产生的不均匀性,但凝固补缩及渗流的可控性 较差。自浸渗过程要求金属或金属间化合物熔体能自发浸入陶瓷颗粒预制件中,但该过程中常用金 属与共价化合物陶瓷会发生严重的化学反应;在有限的不发生上述反应的金属(如Cu和A1)一陶瓷 体系中,常发现金属熔体对陶瓷颗粒的浸润性极差,使自发浸入无法进行。因此,需要通过增强体 表面改性和适当控制工艺条件如合金成分、温度、保温时间等,改善增强体与基体之间的润湿,使 自发渗透得以进行。 元压渗透制备金属基复合材料的优点是工艺简单,不需要高压设备;成本较低;可仿形成形, 并可制作大型复杂构件;增强的材料体积分数可调,甚至可达75%。但无压渗透法和传统的铸造法 一样存在着增强相体金属液润湿性差的问题;而且增强体与基体容易发生化学反应,生成脆性化合 物,致使最终的复合材料界面反应,从而对材料的物理机械性能造成不良影响;并且无压渗透工艺 只能在一定的条件下才能实现。另外,增强体的某些部位不能完全渗透(尖角等);产品中可能存在 少量气孔。目前无压渗透法主要应用于颗粒(如SiO:、AI:03、B。等)增强Al基复合材料的制备。 3真空浸渗技术 真空浸渗就是把增强体预制件放入耐压容器内密封,抽真空后注入金属和浸渗剂的混合熔体淹 没预制件,浸渗液靠毛细作用进入预制件间隙,最后经固化得到复合材料。该技术有两种类型rrl, 一种是真空吸铸法.一种是真空压浸法。这两种方法都需要采用预制型。真空吸铸法是将预制型放 入铸型后.将铸型一端进入金属液体中,而将铸型另一端连接真空装置,是基体金属吸入铸型中的 预制型内制备复合材料的一种铸造方法。真空压渗法也称为真空压力浸渗,指在液态金属渗入预制 型的过程中,预制型保持真空态的条件下受压力的液体迅速渗入预制型间隙的方法。 线,可用于多种金属基体和连续纤维、短纤维、晶须和颗粒等增强 材料的复合.增强材料的形状、尺寸、含量基本上不受到限制,也可用来制备混杂复合材料;可直 接制成复合材料零件,特别是形状复杂的零件,基本无需进行后续加工;浸渗在真空中进行,压力 下凝固,元气孔、疏松、缩孔等铸造缺陷,组织致密,材料性能好;在浸渗材料中基体成分及组织 的非均匀性可以通过控制工艺参数得到减小;工艺简单,参数易于控制,可根据增强材料和基体金 属的物理化学特性.严格控制温度、压力等参数,避免严重的界面反应。但真空压力浸渗的设备比 较复杂,工艺周期长.制造大尺寸的零体需要大型设备。 ?74? 万方数据 4熔模铸造浸渗技术 熔模铸造技术【10】首先将长纤维剪断,然后将纤维束置于蜡模中,再将蜡模表面挂浆撤沙,成壳 后失去蜡料,进行焙烧即可浇注金属液。熔模铸造浸渗时,同时可采用挤压法,在挤压法制造拉伸强 度超过750MPa的C/A1复合材料时,将涂层后的碳纤维放入精密铸造的模壳中,在4000MPa的线MPa的空气压力下将合金渗入预热的模壳中。采用加压凝同熔模精密铸造工艺制备1一Al:0,连续 纤维增强铝合金复合材料能得到非常理想的强度性能,热处理(r116)后复合材料沿纤维方向的抗拉强度 6b,0。达到1003MPa,垂直于纤维方向的抗拉强度6b,90。为220MPa【11】。 5气体压力浸渗技术 通过气体压力实现金属熔体浸入增强体预制件的方法称为气体压力浸渗【12l。气体压力浸渗的工艺 过程是先对纤维束或编织物进行处理,如渗入润滑油’或进行化学覆膜;然后通过缠绕、编织、针织、叠 层或粘结制成增强物预制体;放置预制体到铸型中,去除预制型中的非增强材料,如必要的加热使可 挥发物质变成气体去除;通过抽吸排除铸型中的气体;熔化基体金属(预制型上)使其达到浸渗温度, 通入压力气体作用在液态金属表面,使其浸渗进入到预制件间隙后凝固;铸件冷却后取出进行加工并检 验。用该法可以制得较致密的复合材料,由于先抽真空再加以较小的压力,对纤维损伤较小,因而用该法制 得的复合材料具有较好的力学性能。气体浸渗最大的问题是要实现完全浸渗得到合格产品所需要的气 压较高,这样一方面造成铸型壁厚增大,另一方面有可能压碎预制型或使增强材料排挤一堆,造成复合材 料组织不均匀。 气压浸渗技术适用于纤维增强锌、铜、镁、铝基复合材料的制备。相对于挤压浸渗而言,成本较 低,加工更方便,但气压浸渗是一个较为复杂的过程。其中要涉及复杂的流体力学、传热学、传质学、 动量传输学、金属凝固学及力学等理论问题。该工艺涉及液体金属浸渗填充纤维预制件及其后的凝固 过程。其中液体浸渗填充过程是工艺的关键,该过程常导致增强纤维分布状态的变化,而浸渗的不完 整性导致复合材料中孔洞等缺陷的产生,进而影响复合材料的组织与性能。 6离心铸造浸渗和消失模铸造浸渗技术 离心铸造浸渗技术【13】主要应用于制备颗粒增强金属基复合材料,它将颗粒状增强体放置在坩埚的 外径。液态金属在离心力的作用下渗入到增强颗粒的间隙,经凝固后得到复合材料。消失模铸造浸渗 工艺㈣制备复合材料时。先将由增强颗粒、胶熟剂、硼砂与纯碱复合熔剂、溶剂水和少量其他成分如 羧甲基纤维素悬浮剂、表面活性剂和消泡剂等组成的合金化涂料,涂挂在可发性聚苯乙烯模上,干燥 后将之与聚苯乙烯泡沫材料做成的浇注系统粘接好;再涂挂防粘砂涂料,烘干后,置于砂箱中,埋砂 振动紧实,负压浇注,在成型的同时形成耐磨表层。从而获得表面复合材料。在消失模铸渗法中,合 金化涂料和其他工艺因素对表面合金化起决定作用。其中合金颗粒粒度、胶熟剂含量、复合熔剂含量 和浇铸温度起主导作用。 7其他液态浸渗技术 用于制备金属基复合材料的液态浸渗技术还有溶剂浸渗工艺【15】、超声辅助浸渗技术1161。熔剂浸渗 工艺就是通过在金属熔体中加入可以改善增强体与金属间的润湿性的化合物来实现浸渗制备得到复合 材料的工艺。超声辅助浸渗技术是将高能超声引入到增强体与液态金属的混合熔体中,可以明显改善 二者的界面润湿性的方法。 8液态浸渗制备工艺存在的问题 采用液态浸渗工艺能够实现制备组织致密、性能良好的复合材料,是一种比较经济的复合方法。 但增强体如碳纤维、碳化硅颗粒等与基体合金如镁、铝之间的不润湿性,以及二者之间往往存在的物 理性能和化学性能及机械性能方面的不相容性都容易造成复合材料制备的难度。另外由于成形过程是 在高温下进行,往往会影响复合材料界面结构甚至发生界面反应,削弱了增强体本身的力学性能,同 时在基体合金中生成了大量的脆性金属化合物,成为复合材料组织中的裂纹源或应力集中源,降低材料 的强度及韧性。因此,改善复合材料的增强体和基体之间的润湿性和相容性.减少二者之间的化学反 ?75? 万方数据 应,改善复合材料的界面结构和界面性质是今后液态浸渗制备金属基复合材料的重要课题。通过进一 步深入研究增强体的表面改性、基体金属的合金化、复合材料液态成形理论以及复合材料制备的工艺 优化是制备优质复合材料的重要途径。 注释: ①石南林.复合材料导论(讲稿)[M】.沈阳:中国科学院金属研究所,2004:8—11. 参考文献: 【1]LinYC,LI H C,Iiou S S,et a1.Mechanism of plastic deformation of powder metal martYx composites corn- posites of Cu—Sn/SiC and 6061/SIC under compressive stress[J].Mater Sci Eng A,2004,(373):363. 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Liquid Infiltration of Metal Matrix Composites Preparation ZHANG Ping la、lb (1a、Chemistry Department of Bijie Vniversity;lb、Library of 55 Bijie University, Bijie,Guizhou Abstract:Liquid Infiltration Technique is the one 1700,China) of the main methods of metal matrix composite prepa. ration.By analyzing their application and advantages and disadvantages to the different liquid infiltration techniques,such as squeeze infiltration,pressureless infiltration,vacuum filtration,investment casting etc.It Was concluded finally that liquid infiltration,atmospheric pressure infiltration technique can be achieved more saving composite preparation. in. the composite with compact microstructure and high performance,and Key word:Metal Matrix Composites;Liquid was Infiltration;Squeeze Infiltration;Vacuum Infiltration (责编:明茂修责校:张永光) ?76? 万方数据 金属基复合材料液态浸渗制备工艺 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 张萍, ZHANG Ping 毕节学院化学系,贵州,毕节,551700;毕节学院图玉馆,贵州,毕节,551700 毕节学院学报 JOURNAL OF BIJIE UNIVERSITY 2010,28(8) 参考文献(16条) 1.Zhenhai xia;Yaohe Zhou;Zhiying Mao Fabrication of fibre-reinforced Metal-Matrix Composites by Variable Pressure Infiltration 1992(23) 2.孙少纯;马德新;赵玉涛 加压凝固熔模铸造制备纤维增强铝基复合材料[期刊论文]-江苏大学学报(自然科学版) 2009(06) 3.王玲;赵浩峰 金属基复合材料及其浸渗制备的理论与实践erer Ultra high modulus fiber for graphite aluminum and graphite magnesium composites 1979 5.于压顺 金属基复合材料及其制备技术 2006 6.赵浩峰;池成忠 镁合金及其复合材料 2002 7.李崇俊;马伯信;王抗利 无压渗透制备(Al《,2》O《,3》)p/Al复合材料的结构及渗透机理[期刊论文]-固体火箭 技术 1996(04) 8.Aghajanian M K;Rocazella M A;Burkeu J T The fabrication of metal matrix composites by pressureless infiltrationtechnique 1991(02) 9.Vrquhart A W Molten metals MMCs,CMCs 1991(07) 10.徐河;刘静安;谢水生 镁合金制备与加工技术 2007 11.陶杰 金属基复合材料制备新技术导论 2007 12.隋全武;唐风军;郭树启 复合丝的超声制备工艺及其装置r J G Metal Mateix Composite Fabrication by Liguid Infiltration 1974(01) 14.Markus Nolte;Eric Neussl;Peter R Sahm Net-net Shape Processing of Continuous Fiber-renforced Aluminum 1995 15.Klier E M;Mortensen A;Comic J A Fabrication of Cast Particle-reinforcad Metals Via Pressure infihration 1991(26) 16.LinYC;LI H C;Iiou S S Mechanism of plastic deformation of powder metal martrx composites composites of Cu-Sn/SiC and 6061/SiC under compressive stress 2004(373) 本文读者也读过(10条) 1. 闫彬.梁丽娜.YAN Bin.HANG Li-na 拉曼光谱在字画鉴定中的应用[期刊论文]-毕节学院学报2010,28(8) 2. 许善文.许利.王文贤 铸件浸渗[会议论文]-2007 3. 赵浩峰.杨飞宇.高珊.王玲.苏俊义 浸渗铸造复合材料的工艺方法研究及发展[会议论文]-2002 4. 姜春晓.杨方.齐乐华.JIANG Chun-xiao.YANG Fang.QI Le-hua 复合材料液态浸渗挤压过程中关键问题的处理 [期刊论文]-烟台大学学报(自然科学与工程版)2007,20(2) 5. 启明 金属基复合材料[期刊论文]-金属功能材料2005,12(3) 6. 杨姗.YANG Shan 脱毛蛋白酶生产菌株Bacillus cereus SZ-4的筛选及遗传稳定性检测[期刊论文]-毕节学院学 报2010,28(8) 7. 吴玉城 金属基复合材料典型制备方法分析[期刊论文]-中国科技博览2011(34) 8. 来稿须知[期刊论文]-毕节学院学报2010,28(9) 9. 王锦.王庆伟 氧化铝-镍复合粉末的制备[会议论文]-2007 10. 汪仕元.雍志华.李娟.王成钢 铁基粉末冶金零件电镀前的孔隙处理[期刊论文]-电镀与精饰2003,25(1) 本文链接:

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