金屬基復(fù)合材料（mmc）-科學(xué)網(wǎng)—博客

1、金屬基復(fù)合材料（MMC）,材料學(xué)院沈衛(wèi)平13693054652shenwp@mater.ustb.edu.cn,一、金屬基復(fù)合材料概述,1、金屬基復(fù)合材料的分類1 - 1、按增強材料分類： — 纖維增強金屬基復(fù)合材料— 顆粒、晶須增強金屬基復(fù)合材料1 - 2、按基體材料分類：— 鋁基復(fù)合材料— 鎂基復(fù)合材料— 鈦基復(fù)合材料— 高溫合金基復(fù)合材料— 金屬間化合物基復(fù)合材料

2、,2、金屬基復(fù)合材料的研究重點,2、金屬基復(fù)合材料的研究重點 1）不同基體和不同增強相復(fù)合效果、復(fù)合材料的設(shè)計和性能； 2）增強相/基體的界面優(yōu)化、界面設(shè)計； 3）制備工藝的研究，以提高復(fù)合材料的性能和降低成本； 4）新型增強劑的研究開發(fā)； 5）復(fù)合材料的擴大應(yīng)用。,二、金屬基復(fù)合材料的制備工藝,1、金屬基復(fù)合材料制備工藝概述1 - 1 金屬基復(fù)合材料制備工藝的研究

3、內(nèi)容以及選擇原則：1）基體與增強劑的選擇，基體與增強劑的結(jié)合：增強劑與基體之間應(yīng)具有良好的物理相容性和化學(xué)相容性。另外，如果在復(fù)合材料中使用高強度的纖維，就必須尋找具有高斷裂功的基體材料。在這方面，固態(tài)法制備方法更好一些，因鑄造合金一般具有較低的斷裂韌性。 2）界面的形成及機制，界面產(chǎn)物的控制及界面設(shè)計； 3）增強劑在基

4、體中的均勻分布：在選擇制備方法時，應(yīng)選擇那些使得增強劑更均勻、均質(zhì)排布（分布）的方法。在這方面，液態(tài)法與固態(tài)法相比較差。4）制備工藝方法及參數(shù)的選擇和優(yōu)化；5）制備成本的控制和降低，工業(yè)化應(yīng)用的前景。,金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類：,金屬基復(fù)合材料制備工藝的分類： 1）固態(tài)法：真空熱壓擴散結(jié)合、超塑性成型 / 擴散結(jié)合、模壓、熱等靜壓、粉末冶金法。 2）液態(tài)法：液態(tài)浸滲、真空壓鑄、反壓鑄造、半固態(tài)鑄造。 3）

5、噴射成型法：等離子噴涂成型、噴射成型。 4）原位生長法。,1 - 2、連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料的制備工藝,鋁合金 —— 固態(tài)、液態(tài)法碳纖維 鎂合金 —— 固態(tài)、液態(tài)法硼纖維 鈦合金 —— 固態(tài)法SiC纖維 高溫合金 —— 固態(tài)法氧化鋁纖維

6、 金屬間化合物 —— 固態(tài)法,1 - 3、不連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料的制備工藝,鋁合金 — 固態(tài)、液態(tài)、原位生長、噴射成型法 顆粒 鎂合金 —— 液態(tài)法 晶須 鈦合金 —— 固態(tài)、液態(tài)法、原位生長法 短纖維 高溫合金 —— 原位生長法 金屬間化合物 —— 粉

7、末冶金、原位生長法,2、 先驅(qū)（預(yù)制）絲（帶、板）的制備,2 - 1 纖維/（基體箔材）聚合物粘結(jié)劑先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）(圖9-1)：纏繞鼓(基體箔材)?纖維定向定間距纏繞?涂敷聚合物粘結(jié)劑定位。 圖9-1 纖維 / 聚合物粘結(jié)劑先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）,2 - 2 等離子噴涂纖維 / 基體箔材先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）：,纖維定向定間距纏繞 ? 等離子噴涂基體粉末定位（圖9-2）。 圖9-2

8、 等離子噴涂纖維 / 基體箔材先驅(qū)（預(yù)制）帶（板）示意圖,2 -3 PVD法纖維/基體復(fù)合絲,圖 9-3 PVD法纖維/基體復(fù)合絲原理圖,2 -3 PVD法纖維/基體復(fù)合絲,采用磁控濺射等物理氣相沉積（PVD）手段將基體金屬均勻沉積到纖維表面（圖9-3、4）上，形成纖維/基體復(fù)合絲。使用這種復(fù)合絲制備復(fù)合材料時，主要是基體與基體之間的擴散結(jié)合，有利于材料界面的改善；同時通過控制基體沉積層的厚度可控制纖維的體積比。,圖 9-4

9、 PVD法纖維表面金屬基體沉積層,2 - 4 粉末法纖維/基體復(fù)合絲,首先將金屬基體粉末與聚合物粘接劑混合制成基體粉末/聚合物粘接劑膠體，然后將纖維通過帶有一定孔徑毛細管的膠槽，在纖維表面均勻地涂敷上一層基體粉末膠體，干燥后形成一定直徑的纖維/基體粉末復(fù)合絲。復(fù)合絲的直徑取決于膠體的粘度、纖維走絲速度以及膠槽的毛細管孔徑等。由于在復(fù)合材料制備過程中需要預(yù)先徹底除去復(fù)合絲中的聚合物粘接劑膠體，因此要求聚合物粘接劑具有在真空狀態(tài)的低溫

10、下能夠完全揮發(fā)的特性。,圖9-5 粉末法纖維/基體復(fù)合絲示意圖,2 - 6 熔池法纖維 / 基體復(fù)合絲,圖 9-6 熔池法纖維 / 基體復(fù)合絲示意圖,這種復(fù)合絲制備方法主要是應(yīng)用于碳纖維或石墨纖維增強鋁基復(fù)合材料。由于碳纖維或石墨纖維與鋁液接觸會反應(yīng)生成Al4C3界面生成物。過量的脆性相Al4C3生成會嚴重影響復(fù)合材料的性能。如圖9-6所示，對纖維進行Ti-B或（液態(tài)）金屬鈉表面涂層處理可以增加纖維與鋁液的潤濕性，防止過量

11、的脆性相Al4C3生成。,3、固態(tài)法（連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料制備工藝）,圖9-6 真空熱壓擴散結(jié)合工藝流程示意圖 擴散結(jié)合是制備連續(xù)纖維金屬基復(fù)合材料的傳統(tǒng)工藝。在一定溫度下的壓力下，把均勻排布在新鮮清潔表面的基體箔片或（復(fù)合）先驅(qū)絲通過基體金屬表面原子的相互擴散而連接在一起（圖9-6）。擴散結(jié)合在真空中進行。其關(guān)鍵是熱壓工藝參數(shù)的控制，包括溫度、壓力和時間。其壓力應(yīng)有一定下限，防止壓力不足金屬不能充分擴散包圍纖維而形成“眼角”

12、空洞缺陷。,3 – 2 熱等靜壓（HIP）,圖9-8 熱等靜壓制備金屬基復(fù)合材料管材示意圖熱等靜壓工藝是擴散結(jié)合的一種手段。采用熱等靜壓工藝時，所得制品組織細化、致密、均勻，一般不會產(chǎn)生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其它內(nèi)部缺陷得到明顯改善，從而提高復(fù)合材料的性能。,3 – 3 模壓成型（Mold Forming）,圖 9-9 模壓成型制備金屬基復(fù)合材料示意圖 模壓成型也是擴散結(jié)合的一種手段。將纖維/基體預(yù)制體放置在具

13、有一定形狀的模具中進行擴散結(jié)合，最終得到一定形狀的最終制品。常用這種工藝制備各種型材（圖9-9）。,3-4 超塑性成型/ 擴散結(jié)合 （SPF / DB）,超塑性：材料在低負載作用下，拉伸變形時不發(fā)生縮頸，也不發(fā)生斷裂，延伸率可達 100% 到 2000% 的現(xiàn)象。塑性流變和應(yīng)變速度的關(guān)系如下： ? = K (e ) m 式中 ?：流變應(yīng)力；e：應(yīng)變速度；K：常數(shù)；m：應(yīng)變速度敏感指數(shù)，衡量超塑性的重要參數(shù)。 影響超塑

14、性的因素：1) 形變速度：10 -4 ~10 -1 /分2) 溫度：> 0. 5T m ，達到相變臨界點以下的某一溫度可得到最大的m值和延伸率。 3) 晶粒度： 穩(wěn)定、等軸、復(fù)相直徑為0.5 ?5 ? m的細晶粒。,3-4 超塑性成型/ 擴散結(jié)合 （SPF / DB）,圖 9-10 超塑性成型/ 擴散結(jié)合法制備金屬基復(fù)合材料葉片示意圖,3-5 粉末（冶金）法（Slurry Powder Metallurgy）,

15、為了解決使用金屬箔材成本高以及難以獲得Ti-Al金屬間化合物箔材的問題，發(fā)展了粉末（冶金）（Slurry Powder Metallurgy）工藝。,粉末（冶金）法,首先將金屬基體粉末與聚合物粘接劑混合制成基體粉末/聚合物粘接劑膠體，可將膠體軋制成基體粉末薄帶（箔）；也可將纖維按一定間距排好，用粉末膠體固定，干燥后制成粉末/纖維預(yù)制片；也可按粉末法纖維/基體復(fù)合絲的制備方法制成復(fù)合絲。然后使用真空擴散結(jié)合工藝制成復(fù)合材料制品（圖9-11

16、）。這種方法是一種低成本的工藝，其關(guān)鍵是聚合物粘接劑能夠完全揮發(fā)，否則聚合物殘留物將留在復(fù)合材料的界面，嚴重影響復(fù)合材料的性能。因此選擇具在較低體積比的情況下有足夠粘度，而且在真空狀態(tài)的低溫下能夠完全揮發(fā)的聚合物粘接劑是至關(guān)重要的。,圖9-11 粉末（冶金）法制備金屬基復(fù)合材料示意圖,3 - 6 固態(tài)法制備工藝方法及參數(shù)的選擇和優(yōu)化固態(tài)法工藝的主要參數(shù)：,圖 9-12 固態(tài)法制備工藝的主要參數(shù)關(guān)系示意圖,1) 溫度、時間:

17、D = D0 exp （- Q / RT） D：擴散系數(shù)；Q：擴散激活能。 X = k t 1/2 X：反應(yīng)層厚度； k：反應(yīng)速度常數(shù)。2) 壓力：促進結(jié)合面的接觸及在一定溫度下的金屬基體的塑性流動。3) 結(jié)合面的清潔度：,4、 液態(tài)法（非連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料制備工藝4 - 1 壓鑄法（Squeeze Casting）,圖9-13 壓鑄法制備工藝示意

18、圖,4 - 1 壓鑄法（Squeeze Casting）,圖9-13 壓鑄法制備工藝示意圖,在壓力的作用下，將液態(tài)或半液態(tài)金屬以一定速度充填壓鑄模型腔或增強材料預(yù)制體的空隙中，在壓力下快速凝固成型。 主要工藝因素有熔融金屬的溫度、模具預(yù)熱溫度、壓力和加壓速度等。在采用增強劑預(yù)制體時，壓力不低于50MPa，速度一般為1 ? 3cm/s。 P = ? ?MG / ?j P ：施加壓力； ?MG ：

19、熔體/氣氛界面能；?j ：熔體金屬前沿曲率半徑。,4 - 2 半固態(tài)復(fù)合鑄造（Semisolid Slurry Casting）,將顆粒加入半固態(tài)的金屬熔體中，通過攪拌使顆粒在基體中分布均勻，并取得良好的界面結(jié)合，然后將半固態(tài)復(fù)合材料注入模具進行壓鑄成型。半固態(tài)復(fù)合鑄造時金屬熔體的溫度控制在液相線和固相線之間，通過攪拌，使部分樹枝狀結(jié)晶體破碎成固態(tài)顆粒。這種固態(tài)顆粒是非晶結(jié)構(gòu)，防止半固態(tài)熔體的粘度增加。當(dāng)加入預(yù)熱后的增強顆粒時

20、，因熔體中含有一定量的金屬顆粒，在攪拌中增強顆粒受阻而滯留在半固態(tài)熔體中而不會結(jié)集和偏聚，同時攪拌可促進顆粒與金屬基體的接觸、反應(yīng)和潤濕。此工藝控制的參數(shù)主要是：1）熔體的溫度應(yīng)使熔體達到30?50 %的固態(tài)；2）攪拌速度應(yīng)不產(chǎn)生湍流，使枝晶破碎成固態(tài)顆粒，降低熔體的粘度以利于增強顆粒的加入。,圖9-15 半固態(tài)復(fù)合鑄造原理圖,4 -3 噴射成型法（Ospray，Spray Co-deposition）,噴射沉積工藝是一種80年

21、代逐漸成熟的將粉末冶金工藝中混合與凝固兩個過程相結(jié)合的新工藝。如圖9-16所示，該工藝過程是將基體金屬在坩堝中熔煉后，在壓力作用下通過噴嘴送入霧化器，在高速惰性氣體射流的作用下，液態(tài)金屬被分散為細小的液滴，形成“霧化錐”；同時通過一個或多個噴嘴向“霧化錐”噴射入增強顆粒，使之與金屬霧化液滴一齊在一基板（收集器）上沉積并快速凝固形成顆粒增強金屬基復(fù)合材料。,圖 9-16 噴射成型法示意圖,4 -3 噴射成型法（Ospray，Sp

22、ray Co-deposition）,該工藝具有其獨特的優(yōu)點：（1）高致密度，可達到理論的95-98% 。（2）快速凝固，冷卻速度達103-106K / 秒，金屬晶粒和組織細化，成分均勻，很少或沒有界面反應(yīng)；（3）具有通用性和產(chǎn)品多樣性。（4）工藝流程短，工序簡單，效率高，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。鋁基復(fù)合材料單坯可達250公斤。,4 - 4 無壓浸滲法（Lanxide法）,美國Lanxide公司開發(fā)的一種新工藝。如圖9-17所示

23、，將增強材料制成預(yù)制體，放置于由氧化鋁制成的容器中。再將基體金屬坯料置于增強材料預(yù)制體上部。然后一齊裝入可通入流動氮氣的加熱爐中。通過加熱，基體金屬熔化，并自發(fā)浸滲入網(wǎng)絡(luò)狀增強材料預(yù)制體中。,圖9-17 無壓浸滲法（Lanxide法）工藝原理示意圖,4 - 4 無壓浸滲法（Lanxide法）,以制備Al2O3/Al復(fù)合材料為例，將增強劑預(yù)制體放入同樣形狀的陶瓷槽中，鋁合金坯料放在預(yù)制體上。在流動氮氣的氣氛下，加熱至800? 100

24、0?C時，鋁合金熔化并自發(fā)滲入預(yù)制體內(nèi)，氮氣與鋁反應(yīng)生成AlN?？刂频獨饬髁?、溫度和滲透速度，可控制AlN的生成量。AlN起到提高復(fù)合材料剛度、降低熱膨脹系數(shù)的作用，但強度較低。這是一個低成本的制備工藝。,5、 粉末冶金法（非連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料制備工藝）,圖9-18 粉末冶金法制備非連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料制備流程圖,5、 粉末冶金法（非連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料制備工藝）,粉末冶金法也是一種制備非連續(xù)增強相金屬基復(fù)合材料常采用

25、的工藝。其優(yōu)點如下：與液相法相比，制備溫度低，界面反應(yīng)可控；可根據(jù)要求設(shè)計復(fù)合材料的性能；利于增強相與金屬基體的均勻混合（對增強相與金屬基體的密度和潤濕性要求不高）。其組織致密、細化、均勻、內(nèi)部缺陷明顯改善；利于凈成型或近凈成型，二次加工性能好。但工藝流程較長，成本較高是這種工藝的缺點。,6、原位（In situ）生長（復(fù)合）法,增強相從基體中直接生成，生成相的熱力學(xué)穩(wěn)定性好，不存在基體與增強相之間的認識潤濕和界面反應(yīng)等問題，基體

26、與增強相結(jié)合良好，較好的解決了界面相容性問題。,6 – 1 共晶合金定向凝固,圖 9-19 二元共晶相圖及兩相平面穩(wěn)定生長,圖 9-20 棒狀及層片狀 TaC-Ni 共晶定向凝固組織,共晶合金定向凝固要求合金成分為共晶或接近共晶成分，開始為二元合金，后發(fā)展為三元單變共晶，以及有包晶或偏晶反應(yīng)的兩相結(jié)合。定向凝固時，參與共晶反應(yīng)的? 和?相同時從液相中生成，其中一相以棒狀（纖維狀）或?qū)悠瑺钜?guī)則排列生成（圖9-19）。,6 – 1

27、共晶合金定向凝固,定向凝固共晶合金復(fù)合材料的原位生長必須滿足三個條件：（1）有溫度梯度（GL）的加熱方式；（2）滿足平面凝固條件；（GL/VI = mL（CE – C0）/ DL （二元共晶合金的平面凝固條件）。 式中：GL：液相溫度梯度；VI ：凝固速度；mL：液相線斜率；CE：共晶成分：C0：合金成分；DL ：溶質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)。（3）兩相的成核和生長要協(xié)調(diào)進行。,6 – 1 共晶合金定向凝

28、固,定向凝固共晶合金復(fù)合材料的凝固組織前進取決于共晶中含量較少的體積分數(shù)。在二元共晶合金中當(dāng)?I ? 32% 時呈纖維狀，當(dāng)?I ? 32%時為層狀（圖9-20）。在一定溫度梯度的條件下，纖維（層）狀間距 ? 與凝固速度VI之間的關(guān)系為： ?2 VI = K，其中K為常數(shù)。在滿足平面凝固生長條件下，增加定向凝固的溫度梯度，可加快定向組織生長速度，同時也可降低纖維（層）狀間距，有利于提高定向凝固共晶合金復(fù)合材料的性能。,6

29、– 2 直接金屬氧化法（DIMOXTM）,圖9-21 DIMOXTM法制備SiCF/ Al2O3/復(fù)合材料示意圖,6 – 2 直接金屬氧化法（DIMOXTM）,通過基體金屬的氧化或氮化來獲取復(fù)合材料。例如使用DIMOXTM法制備Al2O3 / Al時，在遠高于鋁熔點900?1300?C的溫度下，通入促進氧化反應(yīng)的合金元素Si 和Mg，使熔融鋁通過顯微通道滲透到氧化鋁層外部，并順序氧化；即鋁被氧化，但液態(tài)鋁的滲透通道未被堵塞。可根

30、據(jù)氧化程度控制Al2O3的量。如果過程是在幾乎所有金屬被 Al氧化之前停止的話，所制備的復(fù)合材料就是致密的、含有5 ? 30% Al的、互連的Al2O3陶瓷基復(fù)合材料。除直接氧化外，還可直接氮化獲得AlN / Al、ZrN / Al和TiN / Ti等金屬或陶瓷基復(fù)合材料。 DIMOXTM工藝也可采用增強材料預(yù)成型體。增強材料預(yù)成型體是透氣的，金屬基體可通過滲透的氧或氮順序氧（氮）化形成基體，制備兩種增

31、強相復(fù)合材料（如SiCF / Al2O3 / Al復(fù)合材料等）。,6 – 3 反應(yīng)生長法（XD TM）,該工藝可生成顆粒、晶須或共同增強的金屬和金屬間化合物基復(fù)合材料。根據(jù)所選擇的原位生長的增強相的類別或形態(tài)，選擇基體和增強相生成所需的原材料，如一定粒度的金屬粉末、硼或碳粉，按一定比例混合制成預(yù)制體，并加熱到熔化或自蔓延燃燒（SHS）反應(yīng)發(fā)生的溫度時，預(yù)制體的組成元素進行放熱反應(yīng)，以生成在基體中彌散的微觀增強顆粒、晶須和片晶等（圖9-

32、22）。,圖9-22 反應(yīng)生長法（XD TM）工藝原理示意圖,6 – 3 反應(yīng)生長法（XD TM）,XD TM工藝有以下特點：（1）增強相是原位生長，具有熱穩(wěn)定性；（2）增強相的類型、形態(tài)可選擇和設(shè)計；（3）各種金屬或金屬間化合物均可作為基體；（4）復(fù)合材料可采用傳統(tǒng)金屬加工方法進行二次加工。,三、金屬基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計,1、金屬基復(fù)合材料的界面,三、金屬基復(fù)合材料的界面和界面設(shè)計,第一類界面：基體與增強相既不相互反應(yīng)

33、也不互溶。這類界面微觀是平整的，而且只有分子層厚度。界面除了原組成物質(zhì)外，基本不含其它物質(zhì)。第二類界面：基體與增強相既不相互反應(yīng)，但經(jīng)過擴散 – 滲透相互溶解而形成界面。這類界面往往在增強相周圍，如纖維周圍，形成環(huán)狀，界面呈犬牙交錯的溶解擴散層。第三類界面：界面處有微米和亞微米級的界面反應(yīng)物質(zhì)層。有時并不是一個完整的界面層，而是在界面上存在著界面反應(yīng)產(chǎn)物。,2、金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合,在金屬基復(fù)合材料中，需要在增強相和基體界面上建

34、立一定的結(jié)合力。在不同的界面結(jié)合受載時，如結(jié)合太弱，纖維大量拔出，強度低；結(jié)合太強，纖維受損，材料脆斷，既降低強度，又降低塑性。只有界面結(jié)合適中的復(fù)合材料才呈現(xiàn)高強度和高塑性。,金屬基復(fù)合材料的界面結(jié)合形式及界面穩(wěn)定性：,（1）機械結(jié)合：即基體與增強相既不相互反應(yīng)也不互溶的第一類界面。主要依靠增強劑的粗糙表面的機械“錨固”力和基體的收縮應(yīng)力來“包緊”增強劑所產(chǎn)生的摩擦力而結(jié)合。這種界面結(jié)合僅限于受載應(yīng)力平行于增強劑表面時才能承載。（2

35、）浸潤與溶解結(jié)合：基體與增強相之間發(fā)生潤濕，相互溶解而形成界面結(jié)合的第二類界面。如相互溶解嚴重，也可能發(fā)生溶解后析出現(xiàn)象，如采用熔浸法制備鎢絲增強鎳基高溫合金復(fù)合材料以及碳纖維/鎳基復(fù)合材料在600?C下碳在鎳中先溶解后析出的現(xiàn)象等。這些現(xiàn)象嚴重損傷了增強劑，降低了復(fù)合材料的性能。（3）化學(xué)反應(yīng)結(jié)合：基體與增強相之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的化合物層（界面層）的第三類界面。大多數(shù)金屬基復(fù)合材料的基體與增強相之間在熱力學(xué)上是非平衡體系，也就

36、是說在界面處存在著化學(xué)勢梯度。這意味著基體與增強相之間只要存在著有利的動力學(xué)條件，就可能發(fā)生相互擴散和化學(xué)反應(yīng)。,金屬基復(fù)合材料的界面化學(xué)反應(yīng)包括以下類型：,1）連續(xù)界面化學(xué)反應(yīng)：在制備過程的熱處理和復(fù)合材料熱使役過程，界面化學(xué)反應(yīng)可連續(xù)進行。影響界面反應(yīng)的主要因素是溫度和時間。界面反應(yīng)物的量（或界面層厚度）隨溫度和時間的變化發(fā)生變化。如碳纖維/鋁基復(fù)合材料的界面層是因鋁原子擴散進碳原子，造成碳纖維表面的刻蝕，形成Al4C3。在400?

37、C以下，Al4C3的量基本是穩(wěn)定的；高于400?C時，反應(yīng)物量急劇增加。2）交換式反應(yīng)：增強相與含兩種以上元素的金屬基體之間發(fā)生反應(yīng)后，反應(yīng)產(chǎn)物還會與其它基體元素發(fā)生交換反應(yīng)，產(chǎn)生界面的不穩(wěn)定。如硼纖維/Ti-8Al-1Mo-1V復(fù)合材料，首先是含鋁的鈦合金與硼反應(yīng)：Ti（Al）+ B ? （Ti、Al）B2 ；該反應(yīng)產(chǎn)物可能與鈦繼續(xù)進行交換反應(yīng)：（Ti、Al）B2 + Ti? TiB2 + Ti（Al）這樣，界面反應(yīng)物中的鋁

38、又會重新富集在基體合金一側(cè)，甚至形成Ti3Al金屬間化合物。,金屬基復(fù)合材料的界面化學(xué)反應(yīng)包括以下類型：,3）暫穩(wěn)態(tài)界面的變化：一般是由于增強相表面局部氧化所造成的。如在硼鋁復(fù)合材料中，硼纖維上吸附有氧，并生成不穩(wěn)定的BO2 。鋁與氧的親和力很強，在一定溫度下可還原BO2生成Al2O3。在長期熱效應(yīng)的作用下，界面上的B02會發(fā)生球化，影響復(fù)合材料的性能。金屬基復(fù)合材料的化學(xué)反應(yīng)結(jié)合是其主要結(jié)合方式。以上反應(yīng)類型影響復(fù)合材料的界面穩(wěn)定性

39、。嚴格控制界面反應(yīng)是一個重要的課題。（4）混合結(jié)合：由于制備工藝、熱處理以及高溫使役過程的變化，造成第一類和第三類界面共存的混合結(jié)合界面。這反映了界面的不穩(wěn)定性。,3、金屬基復(fù)合材料的界面殘余應(yīng)力,在金屬基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)注意增強纖維與金屬基體的物理相容性，即要求金屬基體有足夠的韌性和強度，以便能更好地通過界面將載荷傳遞給增強纖維；還要求在材料中出現(xiàn)裂紋和位錯運動時基體上產(chǎn)生的局部應(yīng)力不在增強纖維上形成高應(yīng)力。物理相容性中最重

40、要的是要求纖維和基體的熱膨脹系數(shù)匹配。如基體的韌性較強、熱膨脹系數(shù)也較大，復(fù)合后容易產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，而纖維多為脆性材料，復(fù)合后容易產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力。右圖為鋁基纖維復(fù)合材料（纖維體積比為50%）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，復(fù)合后纖維中出現(xiàn)殘余應(yīng)變?fr。在I 區(qū)，載荷完全由基體承受；II區(qū)為暫態(tài)的瞬態(tài)區(qū)；超過II區(qū)后復(fù)合材料才發(fā)揮作用。,圖9-23,3、金屬基復(fù)合材料的界面殘余應(yīng)力,當(dāng)纖維中殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力時，應(yīng)注意纖維的屈曲；當(dāng)基體中

41、中殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時，應(yīng)考慮界面和基體中的裂紋擴展。如果情況相反，那么纖維和 圖9-23基體正好發(fā)揮各自所長。因此，在選擇金屬基復(fù)合材料的組分材料時，為避免過高的殘余應(yīng)力，要求增強纖維與基體的熱膨脹系數(shù)不要相差很大。,4、金屬基復(fù)合材料的界面優(yōu)化以及界面設(shè)計,改善增強劑與基體的潤濕性以及控制界面反應(yīng)的速度和反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)量，防止嚴重危害復(fù)合材料性能的界面或界面層的產(chǎn)生，進一步進行復(fù)合材料的界面設(shè)計，是金屬基復(fù)合材料界面研究的重要內(nèi)

42、容。從界面優(yōu)化的觀點來看，增強劑與基體的在潤濕后又能發(fā)生適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)，達到化學(xué)結(jié)合，有利于增強界面結(jié)合，提高復(fù)合材料的性能。,金屬基復(fù)合材料的界面優(yōu)化以及界面設(shè)計一般有以下幾種途徑：,4– 1 增強劑的表面改性處理增強材料的表面改性（涂層）處理可起到以下作用：（1）改善增強劑的力學(xué)性能，保護增強劑的外來物理和化學(xué)損傷（保護層）；（2）改善增強劑與基體的潤濕性和粘著性（潤濕層）；（3）防止增強劑與基體之間的擴散、滲透和反應(yīng)（阻擋

43、層）；（4）減緩增強劑與基體之間因彈性模量、熱膨脹系數(shù)等的不同以及熱應(yīng)力集中等因素所造成的物理相容性差的現(xiàn)象（過渡層、匹配層）；（5）促進增強劑與基體的（化學(xué)）結(jié)合（犧牲層）。常用的增強材料的表面（涂層）處理方法有：PVD、CVD、電化學(xué)、溶膠-凝膠法等。SiC纖維 — 富碳涂層、SCS涂層等；硼纖維 — SiC涂層、B4C等；碳纖維 —TiB2涂層、C/ SiC復(fù)合涂層等。,4 – 2 金屬基體改性（添加微量合金元素）,在

44、金屬基體中添加某些微量合金元素以改善增強劑與基體的潤濕性或有效控制界面反應(yīng)。（1）控制界面反應(yīng)。選擇的改性合金元素應(yīng)使界面反應(yīng)速度常數(shù)盡可能小，以保持第三類界面 的穩(wěn)定。如在純鈦中加入合金元素Al、Mo、V、Zr等可顯著減小鈦合金與硼纖維的反應(yīng)速度常數(shù)。 （2）增加基體合金的流動性，降低復(fù)合材料的制備溫度和時間。如采用液態(tài)浸滲法制備鋁基復(fù)料時，在鋁液中加入一定量的Si元素，明顯地降低了鋁合金的熔點、提高了鋁液的流動性，因而降低

45、了復(fù)合材料的浸滲溫度。,4 – 2 金屬基體改性（添加微量合金元素）,（3）改善增強劑與基體的潤濕性。在基體合金中加入與可與增強劑表面反應(yīng)而生成薄層反應(yīng)層，增加增強劑的表面能、或不與增強劑表面反應(yīng)但可降低基體液相的表面能的合金元素。如將3%的合金元素鎂作為活性元素添加到鋁中后，可使液態(tài)鋁的表面能下降。一般基體合金元素應(yīng)考慮為增強劑組成元素化學(xué)位相近的元素。因為化學(xué)位相近的元素親和力大，容易發(fā)生潤濕；另外，化學(xué)位是推動反應(yīng)的位能，差別小

46、發(fā)生反應(yīng)的可能性亦小。,4 – 3 優(yōu)化制備工藝參數(shù)，采用新工藝。,氫是鈦合金中的強β相穩(wěn)定元素氫的溶如入可 擴大相圖中β相區(qū)；降低β相轉(zhuǎn)變溫度。滲氫可明顯降低合金熱變形時的流變應(yīng)力，提高塑性，特別是高鋁含量的超α合金和Ti3Al金屬間化合物，使熱變形在較低溫度下實現(xiàn)；同時由于氫在鈦合金中的溶解是可逆的，真空退火可將氫濃度控制在安全范圍內(nèi)。利用這一特性，在制備鈦合金復(fù)合材料時，在基體鈦中加入臨時氫工藝可顯著地降低制備溫度，改善復(fù)合材料

47、界面狀況（圖9-24）,4 – 3 優(yōu)化制備工藝參數(shù)，采用新工藝,（a）815℃原位充氫熱壓； （b）900℃真空熱壓圖9-24 Ti-6Al-4V/SiC復(fù)合材料的結(jié)合情況,四、金屬基復(fù)合材料的性能,1、金屬基復(fù)合材料的一般性能特點 1 -1 高比強度、比剛度 表9-2 金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能一覽表,纖維增強金屬基復(fù)合材料的比強度、比模量明顯高于金屬基體；顆粒增強金屬基復(fù)合材料的比強度雖無明顯增加，但比模