第5章-金属基复合材料的成形加工

第5章金属基复合材料的成形加工2020年3月9日星期一2本章主要内容铸造塑性成形焊接切削加工连接晶须,颗粒增强金属基复合材料连续纤维增强金属基复合材料了解金属基复合材料成形加工技术的种类、特点，掌握铝基复合材料的轧制塑性和挤压塑性成形技术。基本要求:5.1铸造成型5.1.1铸造成型方法与特点按增强材料和金属液体的混合方式不同正压铸造拌铸造负压铸造2020年3月9日星期一45.1.1.1搅拌铸造成型利用合金在固液温度区间经搅拌后得到的流变性质，将增强颗粒搅入半固态熔液中，依靠半固态金属的粘性阻止增强颗粒因密度差而浮沉来制备复合材料。通过搅拌器的旋转运动使增强材料均匀分布在液体中，然后浇注成型。此法所用设备简单，操作方便,但增强颗粒不易与基体材料混合均匀，且材料的吸气较严重。搅拌铸造成型2020年3月9日星期一5正压铸造成型可按加压方式分为挤压铸造和离心铸造。5.1.1.2正压铸造成型离心铸造法是在离心作用下将金属液体渗入增强材料间隙形成复合材料的一种方法。挤压铸造是按零件的形状制作增强物预制块，将预制块放入铸型,在重力下浇入液态金属或合金，液体在压头作用下渗入预制块。2020年3月9日星期一65.1.1.3负压铸造成型将预制体放入铸型后，将铸型一端浸入金属液中，而将铸型的另一端接真空装置，使液态合金吸入预制体内的一种方法。破坏金属液体表面的氧化层以改善液体与增强颗粒的浸润性，借助预制体内的毛细管力作用使金属液体引入增强材料间隙。自浸透法真空吸铸法2020年3月9日星期一75.1.2铸造成型的技术问题1.增强颗粒与金属熔体的润湿性2.增强颗粒分布均匀性3.增强颗粒与基体金属的界面结构4.PRMMC的凝固过程2020年3月9日星期一8增强颗粒进入基体金属熔体，并能很好地分散，首要的条件是两者必须相互润湿。以铝合金为例，常用的增强颗粒Al2O3、SiC与Al的润湿性都比较差，它们的接触角θ大于90o。而有些增强颗粒表面存在的氧化物，由于其吸附气体、水分等，使得增强颗粒与金属基体的润湿性变得更差。1.增强颗粒与金属熔体的润湿性增强颗粒在复合材料凝固过程中是被凝固界面排斥还是捕捉受很多因素的影响，如颗粒与固相、液相之间的界面能，颗粒的大小及密度，液体的粘度，热传导率，液体的对流，界面前沿的温度梯度等。对于金属/陶瓷这样的高界面能系统，其界面能比低温下的水或有机溶液/颗粒系统的界面能大得多，此时界面能的作用占主导地位。在重力下凝固及界面前无对流的条件下，当颗粒较小时（0.5mm）可忽略浮力的影响，结合凝固界面与颗粒相接触时的实际生长状态，提出了下图所示的相互作用模型θ90º，颗粒被捕捉θ90º,颗粒被排斥当σPL＞σSP时，θ＜90°，颗粒被凝固界面捕捉,结合更稳定。当σPL＜σSP时，θ＞90°，颗粒将被凝固界面所排斥.σSP，σPL，σSL分别代表固相/颗粒、颗粒/液相、固相/液相之间的界面能，三者有如下关系:cos()/PLSPSL2020年3月9日星期一101234增强颗粒表面涂层金属基体中加入某些合金元素用某些盐对增强颗粒进行预处理对增强颗粒进行超声清洗或预热处理为解决增强颗粒与金属基体润湿性差的问题，可采取以下措施：2020年3月9日星期一112.增强颗粒分布均匀性在外加增强颗粒制备PRMMC的铸造法中，增强颗粒的密度一般与基体金属相差较大,且两者互不润湿，因而颗粒在金属基体中容易上浮、下沉及偏聚。Stokes质点上浮速度表达式为：增强颗粒金属液292rgv式中:η—金属液的粘度,(pa·s)；r—增强颗粒半径，m；g—重力加速度，9.8(m·s-2)；ρ—密度，(kg·m-3)。2020年3月9日星期一123增强颗粒与基体金属的界面结构1增强体与基体互不反应亦互不溶解2增强体与基体不反应但能互相溶解3增强体与基体互相反应-界面反应物PRMMC的界面问题一直是本领域研究的重大技术问题。PRMMC的界面有3种类型：2020年3月9日星期一134.PRMMC的凝固过程PRMMC的凝固过程由于增强体的存在其温度场和浓度场、晶体生长的热力学和动力学过程都会发生变化。在非平衡凝固条件下,这些变化均将对PRMMC的组织和性能产生明显影响。对增强体在凝固过程中常被凝固界面推移到枝晶间和金属最后凝固区域的现象进行研究发现如果热物理参数能满足以下公式:MMMpppCC式中：λM,λp——分别为基体和增强颗粒的导热系数（W·m-1·℃-1）；CM,Cp——分别为基体和增强颗粒的比热，（J·kg-1·℃-1）ρM,ρp——分别为基体和增强颗粒的密度，(kg·m-3)。2020年3月9日星期一145.1.3PRMMC的原位反应合成技术外加增强颗粒与金属基体复合的方法，不能从根本上解决铸造成型法存在的润湿性差的问题。近年来，发展起来的一种制备PRMMC的新型方法——原位反应合成法。原位反应合成法的基本原理是在一定条件下，通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应,在金属基体内原位生成1种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的。2020年3月9日星期一15该工艺具有如下特点：(1)增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，界面结合强度高。(2)通过合理选择反应元素（或化合物）的类型、成分及其反应性，可有效地控制原位生成增强体的种类、大小、分布和数量。(3)省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，工艺简单，成本较低。(4)从液态金属基体中原位生成增强颗粒，可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的近净形构件。(5)在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。2020年3月9日星期一16图5-1Duralcon公司生产的各种铸件图5-2真空铸造法制造的连续纤维增强镁基复合材料零件图5-1是Duralcon公司生产的各种铸件。对于连续纤维增强金属基复合材料零件的制造也可采用真空吸铸、真空压力铸造的方法。如氧化铝纤维增强镁基复合材料，可选用真空铸造的方法制造。图5-2为真空铸造法制造的连续纤维增强镁基复合材料零件。2020年3月9日星期一17表5-1和表5-2分别列出了铝基复合材料室温和高温的拉伸性能。5.2塑性成形5.2.1铝基复合材料的拉伸塑性复合材料状态体积分数/%σ0.2MPaσbMPa伸长率%EGPa生产商Al2O3p/6061AlT610%2963387.581Duralcan,AlcanT615%3193595.487Duralcan,AlcanT620%3593792.198Duralcan,AlcanSiCp/6061AlT610％4054607.098DWAT615％4204205.0105DWAT620％4304304.0115DWAAl2O3p/2024AlT610％4835173.384Duralcan,AlcanT615％4765032.392Duralcan,AlcanT620％4835031.0101Duralcan,AlcanSiCp/2024AlT67.8％4006105～7100BritishPetroleumT620％4906302～4116BritishPetroleumT625％4055603105DWASiCp/7075AlT65115％556601295Cospray，AlcanSiCp/7049AlT615％598643290Cospray，AlcanSiCp/7090AlT620％665735－105DWA表5-1颗粒增强铝基复合材料的力学性能2020年3月9日星期一18表5-2复合材料与基体合金的高温力学性能材料颗粒尺寸µm体积分数%200℃400℃σbMPaσ0.2MPa伸长率%σbMPaσ0.2MPaε％AlNp/6061Al10.8～4404223725.075515.96061Al－－22618914.5292444.3Al2O3p/6061Al20.152032923524.9101437.6Al2O3p/6061Al20.153030021932.0176946.1Al2O3p/6061Al10.4203663122.889664.41压铸态，T6处理；2挤压态，T4处理。2020年3月9日星期一195.2.2金属基复合材料的高温压缩变形复合材料高温压缩变形的特点存在明显的应变软化现象。高温压缩变形的应力一应变曲线上有明显的峰值，即当压缩变形量大到一定程度以后，开始出现应变软化现象。晶须/Al复合材料高温压缩变形后，其组织结构的最明显特点是晶须发生了有序分布，即晶须产生了垂直于压缩方向的定向排列。压缩变形时所表现出的应变软化行为与晶须有序化有关。即当晶须垂直于压缩方向排列时，晶须所承受的载荷下降，于是表现出应变软化现象。金属基复合材料的压缩强度可由下式给出：2020年3月9日星期一20式中，（l/d）为晶须的平均临界长径比；αi为晶须取向同压缩方向的夹角；σm为基体合金的流变应力；Vf为晶须的体积分数。复合材料的高温压缩变形时，压缩过程中晶须长轴的取向分布函数可以用下式给出：式中A、B均为应变量ε的线性函数。并进一步推导出复合材料高温压缩流变应力近似表达式：sin)exp()(CBAf（5-4）mniifmcnVdl12cos)(（5-3）2020年3月9日星期一21复合材料拉伸过程中的晶须承受一定的力矩，在该力矩的作用下晶须将发生转动。其晶须转动的表达式为:mmfcddfdlV)(cos2sin)/(202/0（5-5）G4/)2sin()2sin(75.0（弹性阶段）（塑性阶段）（5-6）（5-7）式中，σ为晶须转动的角度；ε为复合材料所受的拉伸应力；α为晶须长轴与拉伸方向的夹角；δ为复合材料的拉伸应变。2020年3月9日星期一22按材料温度分类：热轧冷轧按轧机排列方式分类单机架轧制、半连续轧制连续轧制轧制是指轧件由摩擦力拉进在旋转的轧辊间，借助于轧辊施加的压力，有时伴以热作用，使材料发生塑性变形的过程。通过轧制使材料具有一定的形状、尺寸和性能。5.2.3铝基复合材料的轧制塑性2020年3月9日星期一23温度表5-3为25%SiCp/Al复合材料经过16:1挤压后，经过三道轧制后的致密度。变形量表5-4为25％SiCp/Al复合材料经过16：1挤压后，在预热温度分别为350℃和450℃进行的不同轧下量轧制后的致密度。预热温度对挤压比为25:1的15％SiCp/Al复合材料预热350℃和500℃进行轧制后拉伸强度分布为230MPa和245MPa。轧制比表5-5为SiCp/Al复合材料经过挤压比25:1挤压后，在450℃下进行的不同轧下量轧制后的拉伸强度。表5-3不同温度轧制后25％SiCp/Al复合材料的致密度预热温/℃350400450500550致密度/％98.899.099.299.499.3表5-425％SiCp/Al复合材料在不同轧下量轧制后的致密度变形量/％507585致密（350℃）99.098.998.9致密（450℃）99.099.299.2表5-525％SiCp/Al复合材料在不同轧下量轧制后的拉伸强度轧制变形量/％507585拉伸强度/MPa2452472442020年3月9日星期一245.2.4铝基复合材料的挤压塑性在诸多塑性成形手段（挤压、轧制、锻造、拉拔等）中挤压是二次加工最为常用的手段之一，因此挤压是这类复合材料研究的重点。由于金属基体中含有一定体积分数的增强物(晶须、颗粒)，大大降低了金属的塑性，变形阻力大，成形困难，坚硬的增强颗粒将磨损模具，因此对常规的工艺需进行相应的改进，如挤压、锻造温度、挤压速度、挤压力等。挤压时，影响材料在模具中流动的因素很多，例如挤压方法、制品形状和尺寸、合金种类、模具的结构与尺寸、工艺参数、润滑条件等。影响挤压成形性的主要因素有挤压变形时模具及坯料的预热温度、挤压比和挤压变形速度，以及润滑剂