金属基复合材料的表面复合技术

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时间:2019-05-12

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1、金属基复合材料的表面复合技术复合材料是由两种或两种以上不同性质或不同形态的原材料,通过复合工艺组合而成的材料,它既保持了原组分材料的主要特点,也具备了原组分材料所没有的的新性能的一种多相材料。金属基复合材料是以金属为基体,以纤维、颗粒、晶须等为增强材料,并均匀地分散于基体材料形成的两相或多相组合体系的材料体系,而用于制备这种复合材料的适当方法称为复合材料的制造技术。金属基复合材料起步于上世纪60年代初期。当时由于受到增强纤维品种少的限制,仅发展了硼纤维增强铝、钛等少量品种。多沿用树脂基复合材料的成型方法,如铺层工艺和缠绕工艺。生产的复合材料,价格高昂(如硼-铅复合材料的价格约为热轧钢

2、的1860倍),仅限于用在航空航天上。80年代中期,长纤维增强、短纤维增强、晶须增强、颗粒增强金属基复合材料以及多种增强材料(硼、碳、碳化硅、碳化钛、硼化钛、氧化铝等)、多种基体材料(钢、铝、钛、镁、锌等)、多种复合方法开始较为全面的发展。由于金属基复合材料体系很多,各组分的物理化学性质差别很大,复合材料的用途也有很大差别,所以复合材料的制造方法也是千差万别的。按制造技术金属基复合材料可分为:①、固态制造技术②、液态制造技术③、表面复合技术表面复合技术:物理气相沉积化学气相沉积热喷涂法化学镀法电镀法复合镀法物理气相沉积物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition,PV

3、D)技术表示在真空条件下,采用物理方法,将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体(或等离子体)过程,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。PVD分为真空蒸发、溅射和离子涂覆三种,是成熟的材料表面处理的方法,后两种也曾在实验室中用来制备金属基复合材料的预制片(丝)。物理气相沉积技术基本原理可分三个工艺步骤:(1)镀料的气化:即使镀料蒸发,异华或被溅射,也就是通过镀料的气化源。(2)镀料原子、分子或离子的迁移:由气化源供出原子、分子或离子经过碰撞后,产生多种反应。(3)镀料原子、分子或离子在基体上沉积。在日本曾用离子涂覆法制备碳纤维/铝基复合材

4、料预制片化学气相沉积(CVD)CVD是传统的制备薄膜的技术,其原理是利用气态前驱体,通过原子、分子间化学反应,使得气态前驱体中的某些成分分解,而在基体上形成薄膜。CVD包括常压化学气相沉积、等离子体辅助化学沉积、激光辅助化学沉积、金属有机化合物沉积等作为化学气相沉积用的原材料硬是在较低温度下容易发生挥发的物质,这种物质在一定的温度下比较稳定,但能在较高温度下分解或还原,作为涂层的分解或还原产物在作业温度下是不易挥发的固相物质。大多数基体金属只能通过它们的有机化合物作为材料源。这些有机化合物有铝的有机化合物—三异丁基铝,价格昂贵,在沉积过程中的利用率较低,。CVD可用来对纤维进行表面处

5、理,涂覆金属镀层、化合物涂层和梯度涂层,以改善纤维与金属基体的润湿性和相容性,美国的Ultramet公司用MOCVD法制备的铂族金属涂层(铱层)可解决金属材料(钼或铼)的抗氧化不同于PVD,CVD方法沉积的涂层与金属基体间是原子间的堆积,不纯物一般小于0.1%,结合力高,所用的设备相对PVD较简单,但沉积温度一般较高(少数600℃,一般在900-1200℃)。热喷涂技术热喷涂法包括等离子体喷涂法和氧—乙炔焰喷涂两种,制造金属基复合材料主要采用等离子体喷涂法。等离子体喷涂是利用微波、灯丝、射频等激励等离子体产生等离子体弧的高温将基体熔化后喷射到增强纤维基底上,冷却并沉积下来的一种复合方

6、法。基底为固定于金属箔上的定向排列的增强纤维。等离子体喷涂装置原型最早是由德国人在20年代提出的,只是当时人们对如此高的温度不感兴趣而未达到实用化。直到50年代,随着以受控核聚变反应为目的的等离子体物理的研究,启动了对等离子体种种应用领域的探索。60年代开始,等离子喷涂跨入了实用性阶段,日本在1964年发表了“等离子体射流喷涂研究”论文;1965年有了“等离子体射流喷涂Ni-Cr-Si-B合金”的报告;1970年又发表了“等离子体射流喷涂氧化铝、氧化锆”的研究结果等离子喷涂的发展等离子体喷涂适用于直径较粗的单丝纤维(如B、SiC纤维)增强铝、钛基复合材料制片的大规模生产;对于纤维束丝

7、,需先使纤维松散,铺成只有数倍纤维直径厚的纤维层作基底。基本原理:利用等离子体将增强颗粒与基体金属的混合粉末中的金属粉末熔化,并与增强颗粒一起喷射到衬板上,固化后分离获得复合材料。电镀、化学镀和复合镀电镀就是利用电化学原理,在直流电场作用下将金属从含有其离子的电解液中分解后沉积在工件(增强材料,一般为纤维)表面上的过程。化学镀是在水溶液中进行的氧化还原过程,溶液中的金属离子被还原剂还原后沉积在工件上,形成镀层。复合镀是通过电沉积或化学液相沉积,将一种或多种

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