铝基合金材料

齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第1页铝基合金材料的发展与应用孙*（齐鲁工业大学机械与汽车工程学院20130102****）摘要：现代科学的发展和技术的进步，对材料性能提出了更高的要求，往往希望材料具有某些特殊性能的同时，又具备良好的综合性能。铝基复合材料具有优异的性能。本文介绍了铝基复合材料的发展过程、种类及其性能。综述了颗粒、晶须增强材料的制备方法。列举了常用颗粒增强体及晶须增强体的部分特性，指出了铝基复合材料应用潜力及妨碍铝基复合材料广泛应用的主要障碍。关键词：铝基复合材料Abstract：Modernadvancesinthedevelopmentofscienceandtechnology，materialpropertiesputforwardhigherrequirements，oftenwantmaterialswithspecialproperties，italsohasagoodoverallperformance.Aluminummatrixcompositespossessexcellentperformance．Thedevelopmentprocess，typesandperformancesofthealuminummatrixcompositeshavebeenintroduced．Thepreparationmethodofparticleandgrainreinforcedmaterialhasbeensummarized．Par-tialperformancesofgrainwhiskerreinforcementandcommonparticulatereinforcementhavebeenenumerated．Theapplicationpotentialandmainobstacleforwidelyusingaluminummatrixcompositeshavebeenindicated．Keywords：aluminummatrixcompositematerials齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第2页1前言：复合材料是应现代科学发展需求而涌现出的具有强大生命力的材料，是由两种或两种以上成分不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式合理的进行复合而制成的一种材料。其以最大限度的发挥各种材料的特长，并赋予单一材料所不具备的优良性能，复合材料的性能还具有可设计性的重要特征。铝在制作复合材料上有许多特点，如质量轻、密度小、可塑性好，铝基复合技术容易掌握，易于加工等。此外，铝基复合材料【1】比强度和比刚度高，高温性能好，更耐疲劳和更耐磨，阻尼性能好，热膨胀系数低。同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要【2】。因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。2铝基复合材料的概念铝及铝合金很适合作金属基复合材料的基体。铝的资源丰富，容易获得，价格合理，密度小，质量轻，比强度与比弹性模量大，熔点不高，可塑性良好，制造工艺与设备不甚复杂，易于与增强材料复合和进行第二次加工，此外，还有很好的导电性与导热性、抗蚀性等。这些都是复合材料为满足使用要求所应具备的特性，也是铝基复合材料得到快速发展的主要原因。当前铝基复合材料所使用的基体有：工业纯铝，铸锭冶金变形铝合金，粉末冶金变形铝合金，铸造铝合金，先进的新型铝合金。在铸锭冶金变形铝合金中，多采用热处理可强化的，如2014、2024、2124、2219、2618、6061、7975、7475铝合金等，一般不采用含Mn和Cr的铝合金，因为它们会形成脆性相。在粉末冶金变形铝合金中可用上述的铸锭冶金变形铝合金制成的粉末作复合材料基体，常用的有6061、7064、8090铝合金等。铸造铝合金中主要使用A356(ZL101)、A357及其他含硅量高的铝合金等。3铝基复合材料的制备金属基复合材料的制备工艺较复杂，主要是因为金属熔点较高，需要在高温下操作，不少金属对增强体表面的润湿性很差，加上金属在高温下较活泼，易与多种增强体发生反应。目前的制备方法主要是液态法、固态法、沉积法和原位法。齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第3页下面简单介绍几种常见的制造工艺【3-4】。3.1粉末冶金法(固态法)粉末冶金法是最早用来制造铝基复合材料的方法，是一种比较成熟的工艺。首先，将颗粒增强物和铝合金粉末用机械手段均匀混合，进行冷压实，然后加热除气，在液相线与固相线之间进行真空热压烧结，得到复合材料的坯料，再将坯料进行挤压、轧制、锻造和拉拔等二次加工，就可以制成所需要的型材零件。该法中铝合金粉末和增强物混合均匀是整个工艺的关键，应使两者的粒度相差不要太大。采用粉末冶金法可将增强物颗粒和铝合金按照任意比例混合，随意调整工艺路线，制出的复合材料有高比强、高比模、低膨胀和高抗磨的特点。这种方法制备的铝基复合材料中增强相分布均匀、界面反应易于控制，在性能和稳定性上大大优于其他工艺方法制备的材料。但制造工艺及装备复杂，生产成本高。3.2压力浸渗工艺(液态法)此工艺先将增强体制成预制件，再将预制件放入模具后，以惰性气体或机械装置为压力媒体，将铝液压入预制件的间隙，凝固后即形成复合材料。由于预制件中的气体不易在凝固前排出而造成气孔与疏松，同时预制件也易产生变形和偏移，由此提出了真空压力浸渗工艺，即将预制件放入承压容器中的模具内，抽出预制件内的气体后，将熔融铝液有通道压入模具内，使之浸渗预制件。此法制品质量高，增强体含量亦可很高，但需专用设备。3.3反应自生成法(原位法)反应自生成法分为固态自生成法和液态自生成法，两者均是在基体中通过反应生成增强相来增强金属基体。固相反应自生成法是将预期构成增强相的两种组分均匀混合，加热到基体熔点以上温度，当达到反应温度时，两元素发生放热反应，温度迅速升高，在基体溶液中生成弥散颗粒增强物。液相反应自生成法是在基体熔体中加入能反应生成预期增强颗粒的元素或化合物，在一定温度下发生反应，生成细小、弥散、稳定的颗粒增强物，形成自生增强铝基复合材料。4铝基复合材料的加工设计4.1纳米相增强铝基复合材料齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第4页纳米材料的尺寸非常细小(1～100nm)，形状多为规则的近球状，因此，在铝基复合材料的制备中若能以纳米级颗粒作为增强相，应该能改善增强相与基体的结合界面，提高结合强度，进而提高铝基复合材料的力学性能和理化性能等。贺春林等人【5】用粉末冶金法制备了纳米SiC(平均尺寸25nm)颗粒增强纯Al基复合材料(Al-MMC)，结果如下：SiC体积分数为1%、3%和5%的纳米SiC/Al-MMC的屈服强度和最大拉伸强度较基体纯Al分别提高了6.9%、11.8%、26.8%和7.2%、21.2%、30.4%体积分数为1%和3%的纳米MMC的拉伸性能分别好于5%和10%的微米颗粒增强Al-MMC，而5%的纳米MMC的屈服强度和最大拉伸强度较5%和10%的微米颗粒增强Al-MMC分别增加29.2%、16.1%和28.0%、9.9%。由此可见，纳米颗粒在含量较低(≤5%)时，对Al-MMC的增强作用明显，但由于随纳米颗粒含量的增加，颗粒的团聚趋势明显增大。这就涉及到如何解决纳米相的团聚问题。在以后的研究过程中，这将成为研究的一大课题。4.2碳管纳米增强铝基复合材料随着碳纳米管(CNTs)的出现和纳米晶材料研究的深入，为复合材料性能的进一步提高提供了一个新的途径。CNTs具有极小的尺度及优异的力学性能，其封闭中空管状结构具有良好的稳定性，并且具有优异的力学性能，因此，碳纳米管作为一维纳米晶须增强材料在复合材料中具有重要的应用价值。5铝基复合材料的性能5.1强度、模量与塑性强度、模量与塑性增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时，降低了塑性。大量研究表明，SiC增强的铝基复合材料较相应的铝-硅合金具有较高的强度，并随着SiC体积分数的增大，其强度和模量均有较大程度的提高，而塑性却降低，且在SiCP/Al复合材料中加入更为细小的弥散质点Al4C3和Al2O3可以明显提高复合材料的强度【6】。另外增强相的加入又赋予材料一些特殊性能【7】，这样不同金属与合金基体及不同增强体的优化组合，就使金属基复合材料具有各种特殊性能和优异的综合性能。5.2耐磨性齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第5页高的耐磨性是铝基复合材料(SiC、Al2O3增强)的特点之一。目前对耐磨性的研究主要集中在在铝基复合材料-钢摩擦副，而且增强颗粒体积分数大都在10%~35%，而对铝基复合材料-刹车材料摩擦副的摩擦磨损性能研究却特别少。5.3疲劳与断裂韧性铝基复合材料的疲劳强度一般比基体金属高，而断裂韧性却下降。影响铝基复合材料疲劳性能和断裂的主要因素有：增强物与基体的界面结合状态、基体与增强物本身的特性和增强物在基体中的分布等。界面结合状态良好，可以有效地传递载荷，并阻止裂纹扩展，提高材料的断裂韧性。有报道用SiC纤维增强的6061Al和7075Al，疲劳强度增加50%~70%。6铝基复合材料的失效形式金属基复合材料(MMCs)以其高比强度、比模量、耐热、耐磨等综合性能在航空航天、电子、汽车以及先进武器系统等领域具有潜在的应用背景【8】。在这些领域的应用中，材料或部件不可避免会遭受高速载荷的冲击或碰撞。研究表明，动载荷冲击下金属基复合材料较基体合金更易发生绝热剪切失效。LingZ研究表明：颗粒越小，铝基复合材料中绝热剪切带形成的可能性越大。也有研究表明，随着增强相含量增加，铝基复合材料的应变局域化趋势和绝热剪切敏感性越明显。也就是说，高体积分数金属基复合材料更容易发生绝热剪切失效。铝基复合材料比单纯铝合金更易受到腐蚀，电偶接触、活性反应产物、金属间粒子界面和空位等都是影响铝基复合材料腐蚀性能的主要因素。Cf/Al复合材料比基体金属具有更大的腐蚀倾向，如果碳纤维未暴露在外，仅表面的Al暴露于海洋环境中，则Al在海水或海洋大气中会分别以0.025mm/a～0.035mm/a或0.5mm/a～0.76mm/a的平均速度发生孔蚀，少数小孔的扩展速度有可能大大高于平均速度。当Al表面与其它物质构成缝隙时，也容易发生缝隙腐蚀。7铝基复合材料的应用现状铝基复合材料的研究始于20世纪50年代。近20年来，从理论上、技术上，都取得了较大成就【9】。第一代复合材料用于受力不大的简单零件，如方向舵，襟翼轻重量约20%第二代复合材料用于机翼，垂直安定面等受力较大的零件。可减轻重量约30%，第三代复合材料用于机身，可减轻重量约50%。现今Al-MMC齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第6页已广泛用于航空航天、汽车和休闲物品。当前铝基复合材料的研究主要集中在两个方面。7.1航空、航天及军事工业的应用铝基复合材料由于自身的一些特殊优点，在航空、航天和军事部门备受青睐，应用十分广泛。例如，DWC特种复合材料公司制造的Cr/Al复合材料应用于NASA公司的卫星导波管上，其导电性好，热胀系数小，比原来使用的石墨/环氧树脂导波管要轻30%左右。俄罗斯航空材料研究所将B/Al复合材料用于安一28飞机的机体结构上，零件质量减少25%左右。此外，Al基复合材料还用于制造光学和电子零件，美国亚利桑那大学研制了一种超轻空间望远镜，采用SiC/Al复合材料制造行架、支架和副镜等，使质量大大减轻。7.2交通运输方面的应用交通运输工具始终是铝基复合材料最重要的民用领域之一，但这一领域特别是汽车工业对价格极为敏感，因此竞争也格外激烈。所以，连续纤维增强铝基复合材料以及成本偏高的非连续(如晶须)增强铝基复合材料就被排除在这一应用领域之外。因此也就剩下了廉价的颗粒增强铝基复合材料，尚有大规模应用的可能。8铝基复合材料的应用展望纵观国内外，对铝基复合材料的应用研究方面，主要集中在SiC颗粒增强铝基复合材料，并且取得很大的成就。少数国家如美国、日本、加拿大等已进入应用阶段，取得了显著的经济效益。我国在该领域的研究起步较晚，大多数仍处于实验室阶段，而且研究的深度和广度也很有限，工业上的研究才