1、本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ）题目：红柱石增强铝合金复合材料制备与性能姓 名：廖丽云学 号：07080406院 （ 系 ） ：材料科学与工程学院专 业：金属材料工程指导教师: 阎峰云第一章 文献综述1.1 颗粒增强铝基复合材料研究1.1.1 概述金属铝基复合材料在 20世纪 80年代和 90年代得到迅速发展，目前仍是材料领域的研究热点之一。金属基复合材料具有耐高温、耐磨损、导电导热性好、不吸湿、不放气、尺寸稳定、不老化等许多特点，在航空航天领域占有重要地位，目前已经发展的有铝基、镁基、钛基、高温合金基、铜基等多种材料，其中以铝基发展最快并且成为当前金属基复合材料发展和研究工作的主流。这
2、是因为铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、可热处理性好、制备工艺灵活多样等许多优点。铝基复合材料具有很大的应用潜力，并且已有部分铝基复合材料成功进入商业化生产阶段。采用颗粒增强制备铝基复合材料成本相对较低，原材料资源丰富，制备工艺简单。选择适当的增强颗粒与基体组合可制备出性能优异的复合材料，具有很大的发展潜力和应用前景。可以预料，在现代工业的高速发展和技术水平的高要求下，颗粒增强铝基复合材料必将以其独特优势在工业领域占据重要位置。但同时也应看到，颗粒增强铝基复合材料在未来的时间里要取得更进一步发展，并列人规模化生产的行列，还需要进行更多的探索和实践。因此，进一步加强理论研究，建立完整的
3、理论模型，不断进行实践探索，将是今后的工作重点1。1.1.2 颗粒增强铝基复合材料的特性 1.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。文九巴等人采用铸造法制备出 Al/Al3Ti 复合材料，抗拉强度比纯 Al 基体提高775，硬度提高 132，而延伸率较纯铝略有下降。王文明等人以SiCp/6066A 复合材料为例研究了颗粒增强铝基复合材料弹性模量的影响因素，发现界面性能对复合材料的弹性模量影响显著，细观结构的影响不明显2。2. 耐磨性 高的耐磨性是颗粒增强铝基复合材料的特点之一。马东辉对颗粒增强铝基复合材料及其基体与 40Cr钢摩擦材料组成的摩擦副的摩擦磨损特性
4、进行了对比试验研究，研究表明复合材料具有较稳定的摩擦系数、低的磨损率3。王宝顺等人研究了大范围(1555)的 SiCp（45、63m)Al 复合材料与半金属刹车材料配副的摩擦磨损性能。其结果表明颗粒体积分数对复合材料摩擦系数的影响显著，而颗粒尺寸对复合材料摩擦系数影响不大4。3.疲劳与断裂韧性 颗粒增强铝基复合材料的疲劳强度和疲劳寿命一般比基体金属高，这与刚度及强度的提高有关，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。CHE
5、NZhenzhong 等人利用粉末冶金技术制备了lO的 SiC增强 Al203，SiC 的平均颗粒尺寸为 5m。研究了 SiC颗粒对疲劳裂纹扩展的影响。结果表明，很少的颗粒出现在断裂表面，即使在高的 AK区域里也几乎没有出现。这就说明裂纹的扩展主要是在基体的内部，而避开了 SiC颗粒，这是因为颗粒的强度较高和牢固的颗粒基体界面的结合5。4. 热性能 增强体和基体之间的热膨胀失配在任何复合材料中难以避免，但可通过控制增强体和基体的含量以及增强体在基体中的分布来减小热失配。张建云等人的研究指出，在温度低于 200C时 ，SiCpAl 复合材料的线膨胀系数随温度的升高有一定程度的增大，但高于 200
6、C时增幅较大6。张强等人的实验结果也表明，SiCpAl 复合材料的热膨胀系数随温度的上升而增大，在 300C左右达到最大，随后随着温度的上升而下降7。在 200C范围内，热膨胀系数在 5610 -67510 -6C之间8。这说明 SiCpA1 复合材料的热膨胀系数较小，能与电子元件基良好匹配。 导热性是另一个重要的热性能。于家康等模拟研究了 SiC颗粒尺寸及界面热导率对 SiCpA1 复合材料有效热导率的影响。结果表明，当界面热导率一定、且界面厚度与颗粒尺寸之比不变时，颗粒尺寸对复合材料的热导率几乎没有影响；复合材料的热导率随界面热导率的增加而增大并且当界面热导率较小时增大更快9。5.阻尼性能
7、阻尼性能是材料在机械振动过程中在周期性加载和波传播条件下消耗应变能的一个量度。当材料的阻尼性能在结构应用中被有效利用时，它可以有效地降低噪声和减小振动。于思荣等人采用熔体直接发泡法制备了 SiCpZL104 泡沫复合材料，并进行 了阻尼性能和机理的分析。结果表明，SiCpZL104 泡沫复合材料的损耗因子随 SiCp含量的增加和 SiCp粒度的减小而增大，即阻尼就越大10。杨会智对喷射共沉积工艺制备的 6013A1SiCpGr 复合材料，研究了 5种热处理制度下材料的阻尼性能。结果表明：此材料在不同热处理制度下，温度高 300，内耗值均大于 001；150以下，不同热处理制度试样的内耗值基本相
8、同，在 150一 270温度范围内，阻尼能力的大小顺序为：炉冷 水淬 - 90淬火空冷原样-195淬火11。1.1.3 颗粒增强铝基复合材料的制备方法 粉末冶金法、搅拌铸造法、挤压铸造法和喷射沉积法是制备颗粒增强铝基复合材料的几种常用方法。 1. 粉末冶金法粉末冶金法是最早开发用于制备颗粒增强金属基复合材料的工艺，具体工艺是先将金属粉末或预合金粉末和增强相均匀混合，制得混合坯料，经不同的固化技术制成锭块，再通过挤压、轧制、锻造等二次加工制成型材。粉末冶金法的优点是增强体的加入量可以任意调节，成分比例准确，体积分数控制方便，复合材料组织中位错密度高，因而材料强度大。缺点是原材料和设备成本高，制造
9、出的复合材料的内部组织出现不均匀现象，孔洞率较大，因此必须对复合材料进行二次塑性加工，以提高其综合力学性能；工艺比较复杂，而且都必须在密封、真空或保护气氛下进行，设备及生产成本较高；所制零件的结构和尺寸均受限制12,13。2. 搅拌铸造法搅拌铸造法就是将增强体颗粒加人到基体金属液中，通过高速旋转的搅拌器使液固相混合均匀，然后浇人金属铸型。搅拌铸造法制备复合材料的过程中，由于增强体颗粒与铝液湿润性差，因此实现增强体颗粒均匀分布较为困难，同时，增强体颗粒极易与铝溶液发生严重化学反应，因此界面结合较差。此外，添加的增强体颗粒的大小通常应大于 10m，体积含量一般为 20左右。与其他方法相比，该方法制
10、备的复合材料性能较差14。3. 挤压铸造法挤压铸造法是将增强体颗粒预制件放人经过精密加工的石墨浇铸模内，预热到一定温度，加人熔化的铝合金液，在压力作用下先渗入模壁间隙中，继而渗入预制件中，最后去压，冷却。该工艺预制件的预热温度、铝合金液的渗人温度、压力大小 、冷却速度是关键工艺参数。该法施加压力可以较大，生产时间缩短，渗透可以在几分钟完成，工艺的稳定性好 ，但是该方法在生产形状复杂的零件方面受到很大限制14。4. 喷射沉积法喷射共沉积技术是 20世纪 80年代逐渐成熟的一种新的粉末冶金技术，其具体工艺过程如下：将铝合金在坩埚中熔化，加压流经雾化器后被高速气体分散成极其细小的微滴，微滴高速冷却后
11、沉积到基板上，便可得到理想的快凝材料；若同时通过一个或几个喷嘴射人增强粒子并使之与雾化液滴一起沉积在基板上，这样便制得了复合材料。该工艺综合了粉末冶金和快速凝固的特点，可以实现制粉和材料复合一步完成。考虑了传统喷射共沉积制备大尺寸坯的困难，陈振华等人发明了一种新型的坩埚移动式喷射共沉积方法。该方法主要特点是雾化喷嘴和坩埚一起移动，沉积坯的直径取决于雾化喷嘴移动距离。熔体同样通过喷嘴雾化成液滴(内含一部分固相颗粒)沉积在基板上，通过基板的旋转和下降的复合运动，使沉积坯成形。新的共沉积方法解决了国际上制备大尺寸沉积坯的难题，目前用该法已能制 800 mm1000mm沉积坯。这种大尺寸坯具有高的冷速
12、(103 Ks 104 K s)，颗粒增强相均匀，基体为微晶状态等特点，其挤压坯和锻造坯力学性能优异15。综上所述,颗粒增强铝基复合材料的制备方法各有千秋，实际应用时可根据材料的性能要求及设备条件选择适宜的制备方法铝基复合材料的制备工艺.1.1.4 颗粒增强铝基复合材料的应用状况 由于颗粒增强铝基复合材料具有一系列优异的力学性能和物理性能，因此其应用领域非常广 泛。航天航空、军事、汽车、电子、体育等领域都是这种材料大显身手的地方。1.航空航天领域16颗粒增强铝基复合材料具有的优异性能，使其在航空航天领域的应用很广泛。在美国国防部“Title ”项目支持下，DWA 复合材料公司与洛克希德马丁公司
13、及空军合作，将粉末冶金法制备的碳化硅颗粒增强铝基 (6092A1)复合材料用于 Fl6战斗机的腹鳍，代替了原有的 2214铝合金蒙皮，刚度提高 50，使寿命由原来的几百小时提高到设计的全寿命约 8000h，寿命提高 17倍。F 一 18“大黄蜂”战斗机上采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料作为液压制动器缸体，与替代材料铝青铜相比，不仅重量减轻、热膨胀系数低 ，而且疲劳极限提高 1倍以上。颗粒增强铝基复合材料在 N4、EC 一 120直升机以及波音777大型客机上也得到了应用。2O 世纪 9O年代末，电子级高体分 (6070)碳化硅颗粒铝基复合材料，作为新型轻质电子封装及热控元件在一系列为世人所瞩目的
14、先进航空航天器上获得正式应用。其中，采用无压渗透法制备的碳化硅颗粒铝基复合材料工程应用的实例最多、影响也最大。例如，在 F一22“猛禽”战斗机的遥控自动驾驶仪、发电单元、飞行员头部上方显示器、电子计数测量阵列等关键电子系统上，碳化硅颗粒铝基复合材料替代包铜的钼及包铜的殷钢作为印刷电路板板芯，取得了减重 70的显著效果。由于此种材料的热导率可高达 180W(mK)，从而降低了电子模块的工作温度，减少了冷却的需要。该种材料在航空航天中的应用还包括：欧洲 “台风”战斗机、EA一 6B“徘徊者”预警机、ALE 一 50型诱饵吊舱等航空器，以及摩托罗拉铱星、火星 “探路者”和 “卡西尼”深空探测器等航天
15、器。2. 汽车领域17在汽车制造方面，几乎所有的欧美汽车制造厂，都在研究采用金属基复合材料制造制动盘、制动鼓。美国已将铝基复合材料应用于刹车轮，使其重量减轻了 3060，且导热性大大改善。Martain 公司将 TiC颗粒增强复合材料用于汽车活塞等部件，达到了减重和减小摩擦的目的。3.电子领域18作为电子材料，LEC 公司生产的 SiCpA1 复合材料 1996年应用于 GM电动汽车和 EV1客车上，替代了 CuW 合金。1997 年用该材料制作 IRIDIUMO的系统部件，应用于 Motorola公司发射的卫星上，并决定以后 70多颗卫星均使用该材料。这一应用是电子级颗粒增强铝基复合材料发展
16、的新的里程碑。铝基复合材料还用于制造自行车、医疗器具、运动器械等其他高性能要求的零部件。尤其现在研究较多的碳化硅颗粒增强铝基复合材料性能优异，作为功能材料，可望在机械、冶金、建材、电力等工业部门得到更广泛的应用19。1.1.5 颗粒增强铝基复合材料的国内外发展现状201.国外发展现状从 80年代初开始，国外投入大量财力致力于颗粒增强铝基复合材料的研究。相继开发了粉末冶金、搅拌熔铸、压力铸造和喷射沉积 4种主要的制备技术，解决了增强体颗粒在基体中的分布均匀性和基体与增强体之间界面结合两大技术难题，并系统地研究了颗粒分布均匀性、界面结构及性能、材料断裂特征及物理性能特点等一系列问题。材料性能水平和
17、性能稳定性很快达到了工业应用水平。2.国内发展现状国内在材料的组织性能、复合材料界面等方面的研究工作己接近国外先进水平。在材料制备技术方面已基本掌握了粉末冶金、搅拌铸造、压力铸造及共喷沉积 4种主要制备方法，并逐渐完善了材料的制备技术和工艺的稳定性。目前，国内对颗粒增强铝基复合材料的研究逐步从实验室转向应用开发阶段，并已取得突破。为了进一步推动国内颗粒增强铝基复合材料的实用化和产业化-国内已建成了国家级的中试基地和实验室重点发展了颗粒增强铝基复合材料工业制备技术，并已形成年产上百吨的生产能力。1.2 粉末冶金技术概述粉末冶金是一种制取金属粉末，以及采用成形和烧结工艺将金属粉末(或金属粉末与非金
18、属粉末的混合物)制成材料或制品的工艺技术，由于粉末冶金的生产工艺与陶瓷的生产工艺在形式上类似，这种工艺方法又被称为金属陶瓷法。1.2.1 粉末冶金工艺的基本工序:（1）原料粉末的制取和物料准备;（2）成形将金属粉末制成所需形状和尺寸的坯块,并使其具有一定强度和密度；（3）烧结将坯块在物料主要组元熔点以下的温度进行烧结，使制品具有最终的物理、化学和力学性能。烧结是粉末冶金工艺中的关键性工序。粉末的一个重要特点是它的表面与体积之比大。粉末冶金学就是研究金属粉末的加工过程，包括粉末的制造，粉末的特征以及金属粉末转变成为有用工件的过程。这个过程改变了粉末的形状、性能以及他的结构组织而成为最终的产品。1
19、.2.2粉末冶金的发展粉末冶金技术历史很悠久，早在公元 3000 年前，埃及人已经使用铁粉。公元 300 年，印度德里铁柱是用大约 6.5t 还原铁粉制成的。公园 18 世纪粉末冶金技术才得到真正有价值的应用。在俄国和英国，为了生产白金实验室装置的需要，发展了化学沉淀粉末和新的凝固方法，避免了采用高温的工艺路线，克服了当时在高温处理方面的困难。现代粉末冶金发展中三个重要标志：（1）克服了难熔金属（如钨、钼等）熔铸过程中产生的困难。（2）20 世纪 30 年代用粉末冶金方法制取多孔含油轴承取得成功，继而粉末冶金铁基机械零件的发展，充分发挥了粉末冶金少切削甚至无切削的优点。（3）向更高级的新材料、
20、新工艺发展。40 年代，新型材料如金属陶瓷、弥散强化材料；60、70 年代，粉末高速钢、粉末超合金相继出现；利用粉末冶金锻造及热等静压已能制造高强度的零件。 1.2.3粉末冶金的优点和缺点1. 优点：（1）粉末冶金方法能生产用普通熔炼法无法生产的具有特殊性能的材料； 控制制品的孔隙度； 能利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产各种特殊性能的材料。如钨、铜假合金型的电触头材料、金属和非金属组成的摩擦材料等； 能生产各种复合材料。例如生产由难熔化合物和金属组成的硬质合金和金属陶瓷、弥散强化复合材料、纤维强化复合材料等复合材料。（2）粉末冶金方法生产的某些材料，与普通熔炼法相比，性能优越； 高
21、合金粉末冶金材料的性能比熔铸法生产的好。例如：粉末高速钢、粉末超合金可避免成分的偏析，保证合金具有均匀的组织和稳定的性能，同时，这种合金具有细晶粒组织使热加工性大为改善； 生产难熔金属材料或制品，一般要依靠粉末冶金法。例如：钨、钼等难熔金属，即使用熔炼法能制造，但比粉末冶金的制品的晶粒要粗，纯度要低。 从制取材料方面来看，粉末冶金方法能生产具有特殊性能的结构材料、功能材料和复合材料。 从制造机械零件方面来看，粉末冶金法制造机械零件是一种少切屑、无切屑的新工艺，可以大量减少机加工量，节约金属材料，提高劳动生产率。 总之，粉末冶金法既是一种能生产具有特殊性能材料的技术，又是一种制造廉价优质机械零件
22、的工艺。一般来说，粉末冶金方法的经济效果只有在大规模生产时才能表现出来。因为粉末成形所需要的模具制作加工比较困难，而且较为昂贵。但是有时为了使材料或制品具有某些独特的性能，也可以进行小批量生产。2.缺点：粉末冶金工艺的不足之处是粉末成本较高，制品的大小和形状收到一定的限制，烧结件的韧性较差等。但是，随着粉末冶金技术的发展，新工艺不断出现与完善，这些不足正被逐步客服中。1.2.4粉末冶金的应用粉末冶金材料制品的应用范围十分广泛。从普通机械制造到精密仪器；从五金工具到大型机械；从电子工业到电机制造；从采矿到化工；从名用工业到军事工业；从一般技术到尖端科技，都拥有粉末冶金的用武之地。可以说，现在几乎
23、没有一个工业部门不在使用着粉末材料或制品。表 1-1 是金属粉末和粉末冶金制品、材料在各个工业部门的应用举例。表 1-1 金属粉末和粉末冶金材料、制品的应用工业部门 金属粉末和粉末冶金材料、制品应用举例采矿 硬质合金，金刚石-金属组成材料机械加工 硬质合金，陶瓷刀具，粉末高速钢汽车制造 机械零件，摩擦零件，多孔含油轴承，过滤器拖拉机制造 机械零件，多孔含油轴承机床制造 机械零件，多孔含油轴承纺织机械 多孔含油轴承，机械零件机车制造 多孔含油轴承造船 摩擦材料，油漆用铝粉冶金矿山机械 多孔含油轴承，机械零件电机制造 多孔含油轴承，铜-石墨电刷精密仪器 仪表零件，软磁材料，硬磁材料电器和电子工业
24、电触头材料，电真空电极材料无线电和电视 磁性材料计算机工业 记忆原件五金和办公用具 锁零件，缝纫机零件，打字机零件医疗器械 各种医疗器械化学工业 过滤器，防腐零件，催化剂石油工业 过滤器军工 穿甲弹头，炮弹箍，军械零件航空 摩擦片，过滤器，防冻用多孔材料，粉末超合金航天和火箭 难熔金属及合金，发汗材料，纤维强化材料原子能工程 核燃烧原件，反应堆结构材料，控制材料在粉末冶金材料和制品的今后发展上，有五个方面值得注意：（1）具有代表性的铁基合金，其大体积的精密制品，高质量的结构零部件。（2）制造具有均匀显微组织结构的、加工困难而完全致密的高性能合金。（3）用增强致密化过程来制造一般含有混合相组成的特殊合金。（4）非均匀材料、非晶态，微晶或者亚稳态合金。（5）加工独特的和非一般形状或成分的复合零部件 13。
