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1、粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用主讲：从永龙（12721731）引言金属基复合材料(Metalmatrixcomposites,MMC)是以金属或合金为基体,以颗粒、晶须或纤维为增强体复合而成的材料。目前MMC常用的制备工艺主要有粉末冶金、搅拌铸造、喷射沉积和压力浸渗。粉末冶金法(P/M)是最早开发用于制备颗粒增强MMC的工艺。P/M技术具有以下优点:工艺简单灵活,成本适中;由于制备温度一般低于铸造法,界面反应大大减弱;增强体的体积分数可以在大范围内精确调整,增强体的选择余地较大,可设计
2、性强;制备的复合材料具有优良的综合性能。随着粉末冶金技术的进一步完善,此方法正逐渐成为一项制备非连续增强MMC较为成熟的技术。一、P/M金属基复合材料的工艺特点粉末冶金法的主要技术步骤一般包括:粉末筛分、粉末与增强体混合、压制成型、高温除气、热压或热等静压致密化、二次加工。P/M工艺结合二次加工不仅可以获得完全致密的坯锭或产品,同时可满足所设计材料结构性能的需求,也可以直接将混合粉末进行高温塑性加工,在致密化的同时达到最终成形的目的。粉末冶金法对基体合金和增强颗粒种类基本没有限制,而且可以任意调
3、整增强体的含量、尺寸和形貌等,大大提高了复合材料的可设计性。另外,由于P/M法所使用的温度较低,从而减轻了基体与增强体之间的界面反应,所制得的复合材料具有良好的力学物理性能且质量稳定。采用P/M工艺研制MMC时需要从产品的各项要求出发,综合考虑各个环节对产品性能的影响。主要从基体、增强体材料的选择、粉末处理、粉末固结、坯锭二次加工和其它后续处理过程等。复合组元的选择对复合材料的加工制备和性能都有重要影响,基体合金一般选择变形能力较好的合金体系。粉末处理是保证复合材料质量的一个重要环节,金属粉
4、末与颗粒、晶须的均匀混合以及防止金属粉末的氧化是粉末处理的关键。常用的二次加工方法有挤压、轧制、锻造、超塑性成形。此外,某些情况还需要对复合材料零件进行均匀化处理和尺寸稳定化处理,通过热处理改善增强体分散状况,或通过降低、消除材料内部的残余应力来提高尺寸稳定性。二、P/M金属基复合材料的主要品种铝基复合材料钛基复合材料镁基复合材料2.1铝基复合材料与其它金属基复合材料相比,铝基复合材料的性能特点是轻质、高强、高韧性、导热性好、适用的制备方法多、工艺灵活性大、易于塑性加工、制造成本低,因此研究
5、最为广泛和深入,制造技术也相对成熟。最具代表性的是颗粒增强铝基复合材料(PRAMC),它具有高比模量、高比强度、良好的塑性和较高的疲劳极限,以及耐高温、抗腐蚀等性能。颗粒增强铝基复合材料还具备低密度、低热膨胀系数、良好的导热导电性能和高阻尼性能以及各向同性等综合优势。常用的增强颗粒主要包括SiC、Si3N4、Al2O3、TiC、TiB2、AlN、B4C以及石墨颗粒或者金属颗粒等。表1DWA公司生产的6092/SiC/17.5p-T6挤压产品的性能(挤压方向)P/M铝基复合材料应用实例2.2钛基复
6、合材料铝基复合材料的极限工作温度大致在150℃左右,不能满足高温高性能结构与动力装置的选材要求。从20世纪80年代中期开始,研制耐热金属基复合材料已成为重要方向,其中之一就是钛基复合材料。与未增强的钛合金相比,颗粒增强钛基复合材料(TiC/Ti或TiB2/Ti)具有更高的常温和高温比刚度、比强度以及蠕变抗力,可替代钛合金、高温合金应用于航空航天等高温使用场合(600~900℃)。该材料的应用领域主要集中于飞行器及其发动机的耐热零部件。由于钛合金的高活性特点,将颗粒增强相原位合成先进技术与先进材料
7、加工、成形工艺结合起来,将成为高性能颗粒增强钛基复合材料制备工艺的重要发展方向。钛基复合材料的P/M法有2种:(1)直接混合元素粉末(Blendingelement,BE)、中间合金粉或增强颗粒等,经冷压成坯后高温烧结制得致密均匀的材料;(2)合金粉末(Pre-alloying,PA)高温固结形成块体材料。用P/MTi基复合材料制造的产品2.3镁基复合材料镁是自然界中可大量应用的最轻金属材料,其密度为铝的2/3。但镁合金的低硬度、低强度、低模量、高膨胀系数等限制了它的应用。镁基复合材料可以消除或
8、减轻镁合金的这些不足,具有低密度、高比强度和比刚度、优良的抗震、抗冲击性能,近年来已成为继铝基复合材料之后又一具有竞争力的轻金属基复合材料。镁基复合材料的增强体主要是SiC晶须、SiC颗粒、B4C颗粒及Al2O3短纤维等。三、结语尽管P/M金属基复合材料的研究与应用已经取得一定进展,但要实现规模化应用还需克服许多技术难题,如高性能铝基复合材料的性能重复性、产品可靠性,以及机加工、连接、回收等;实现粉末冶金复合材料的低成本化、高性能化工程化,进一步拓展其应用领域。除此之外,国内外还在不断开发的新材
