铝基复合材料 铝基复合材料研究进展_11600字

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2000,Vol.28,l1 轻 合 金 加 工 技 术 5

铝基复合材料研究进展*

张大童, 李元元, 龙 雁

(华南理工大学机电工程系,广东 广州 510641)

摘要:评述了铝基复合材料的研究进展,主要包括铝基复合材料的设计与制备,界面研究,材料的性能与应用等几个方面,最后对研究中存在的问题和今后的发展方向作了简要的介绍。关键词:铝基复合材料;材料设计与制备;界面;性能

中国分类号:TG156.2+1TB331 文献标识码:B 文章编号:1007-7235(2000)01-0005-06

AReviewontheProgressofAluminiumMatrixComposites

ZHANGDa-tong, LIYuan-yuan, LONGYan

(MechanicalandElectronicEngineeringDepartment,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

Abstract:Areviewontheresearchdevelopmentinaluminiummatrixcompositesispresented,whichmainlyincludesmaterialde-sign,fabrication,interfacestudy,materialpropertiesandapplication.Intheend,someproblemsandchallengeinthisfieldarebrieflydiscussed.

Keywords:aluminiummatrixcomposites;materialdesignandfabrication;interface;properties

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成为当前金属基复合材料发展和研究工作的主流。这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[1,2]。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地进入了商业化生产阶段。

当前铝基复合材料的研究集中在两个方面:(1)采用连续纤维增强的具有优异性能的复合材料,其应用范围集中在很特殊的领域,如航空航天领域;(2)采用不连续增强体增强的具有优良性能的复合材料,其应用范围相当广泛[3]。相对来说,后者具有制备工艺简单、增强体成本低廉等优点,实现工业化大批量生产的潜力更大,因此成为当前铝基复合材料的研究重点。

本文将对目前国内外关于铝基复合材料的研究

作简要的综述,主要包括铝基复合材料的设计与制备、性能、界面研究及应用状况等方面的进展。

1 铝基复合材料的设计与制备

材料的使用性能是材料设计的出发点。不同的技术领域、不同的工况条件对材料的性能有不同的要求,往往要求选用不同的材料。因此在金属基复合材料的设计和制备过程中,基体金属、增强体、制备方法及工艺参数的选择是多种多样的,同时这些因素相互作用、相互影响,共同决定了最终所制得材料的性能。

1.1 基体金属的选择

基体金属的选择应考虑以下3个方面:(1)金属基复合材料的使用要求;(2)金属基复合材料组成的特点;(3)基体和增强体之间的相容性[4]。在铝基复合材料中,纯铝和铝合金都可以用作基体,其中以铝合金作为基体的居多。经过多年的研究和发展,铝合金已形成了较成熟的合金体系。工业上常用的Al-Si、Al-Mg、Al-Cu系合金在铝基复合材料中都有

收稿日期:1999-07-03

基金项目:国家自然科学基金资助项目59875019;广东省自然科学基金资助项目950167

作者简介:张大童(1973),男,四川忠县人,讲师,博士研究生,主要从事金属基复合材料及粉末冶金工艺

6 轻 合 金 加 工 技 术 2000,Vol.28,l1应用[5~8],沉淀硬化铝合金Al-Cu-Mg、Al-Zn-Mg-Cu等特别受到研究者的重视[3]。材料的使用要求是选用基体金属的首要条件,如当要求材料具有良好的耐磨性、导热性及低的热膨胀系数时(活塞材料),基体为Al-Si合金[9];为了进一步减轻零部件的重量,可考虑选用Al-Li合金作为基体[3];为了提高材料的高温性能,可以选用Al-Fe系合金。

金属基复合材料的组成特点也是在选择基体金属时需要考虑的重要因素。在连续纤维增强的金属基复合材料中,连续纤维是主要承载相,基体金属的作用是固定纤维,传递载荷,此时基体金属的塑性以及它与增强纤维的相容性是选材的重要依据,而基体的强度相对来说是次要的。事实上,有研究表明,碳纤维增强的铝基复合材料中纯铝或含有少量合金元素的铝合金作为基体比高强度铝合金好得多,高强度铝合金作基体制备的复合材料性能反而较低[4]。而对于非连续增强金属基复合材料,基体是主要承载相,故基体的强度成为选择基体金属的重要依据,此时通常用高强度的铝合金,如A356、6061、7075等合金作为基体。

基体金属与增强体的相容性,尤其是化学相容性,在选择基体金属时也要给予充分的考虑。它的作用是通过影响复合材料的界面组成、结构和性质来实现的。关于这一点,将在界面研究部分详细讨论。

1.2 增强体的选择

金属基复合材料正是由于增强体的加入并与基体的良好复合才具有比普通金属材料更高的性能,因此增强体的选择非常重要。针对材料的具体应用,增强体首先应具有明显提高金属基体某种所需特性的性能,如作为结构材料时,增强体应具有高强度、高弹性模量、低密度等性能,而作为耐磨材料时,硬度、耐磨性是主要的选择依据。同时,增强体应具有良好的化学稳定性,与金属基体有良好的浸润性,以保证增强体与基体金属良好复合和分布均匀。此外,增强体的成本也是需要考虑的一个重要因素。

根据增强体的形态,可将其分为纤维、颗粒、晶须三种类型,三种类型的增强体在铝基复合材料中都有应用。此外,亦有采用金属丝作为增强体的研究,由于这方面的研究较少,且界面特性与普通金属材料较为类似,故本文将不讨论这方面的内容。在铝基复合材料研究中使用最多的增强体是SiC和Al2O3[2],以TiC、B、石墨等作为增强体的研究也占有一定的比例。以金属间化合物作为增强体的,[10]

等优点,亦有学者开展这方面的研究,如以原位生成的Al-Fe,Al-Ni之间的金属间化合物作为增强体制备铝基复合材料。

连续纤维增强的铝基复合材料的研究开展得最早,且材料的性能优异,但由于连续纤维的成本高,材料的制备工艺复杂、可加工性差等原因,限制了它的发展和应用。在成本不是主要考虑因素的时候,如在军工、航空等领域,该类材料仍有研究和应用潜力。连续纤维最早采用的是硼纤维,其缺点在于B与基体的反应程度较为严重,现在广泛使用的是SiC纤维和Al2O3纤维[5]。碳纤维具有非常高的比强度和比弹性模量,亦受到了研究者的重视[12]。

非连续增强金属基复合材料具有制造成本低,可采用常规冶金加工方法制造,材料具有各向同性,二次加工性能好等优点,宜于实现工业化大批量生产,是目前铝基复合材料研究的重点。非连续增强体包括颗粒和晶须,使用最多的仍是SiC和Al2O3。石墨颗粒作为固体润滑剂加入以改善材料的摩擦磨损性能的作用也是比较有效的。增强体颗粒的形状和尺寸是影响材料性能的重要因素,比如多角形颗粒易引起局部区域应力集中,促使裂纹产生。采用颗粒增强体需要注意的一个问题是颗粒团聚问题。一方面颗粒越细,相应材料的比力学性能越高,另一方面越细的颗粒团聚现象越严重,这又会导致最优性能的获得存在困难[13]。1.3 制备方法

金属基复合材料的制备方法也是多种多样的,具体选择时需要考虑以下4点:(1)要使增强体在金属基体中均匀分布;(2)制造过程不造成增强体和金属基体原有性能下降;(3)制造过程中应避免各种不利反应发生;(4)制造方法应适合于批量生产,尽可能直接制成接近最终形状尺寸的零件[4]。

通常将金属基复合材料的制备方法分为固态法、液态法和自生成法三大类,每一类又包括若干不同的工艺[2],有的学者将流变铸造、喷雾沉积等新工艺归于两相法。根据增强体和基体的类型,物理、化学特性,不同的金属基复合材料在制造方法上有很大的差别。连续纤维增强的金属基复合材料通常需要采用固态扩散粘结、液态金属浸渍等特殊工艺,是导致其生产成本升高的主要原因之一,且难以实现整个生产过程的自动化[3,4]。非连续增强金属基复合材料则可采用常规冶金方法生产。

对于铝基复合材料,固态法中最重要的方法是粉末冶金法。近年来采用粉末冶金法制备非连续增,[13]

[1]

2000,Vol.28,l1 轻 合 金 加 工 技 术 7 产过渡,并正在建立材料性能数据库和生产标准[14,15]。点

[2,10]

材料更为合理,这是因为基体组织与Si相的化学成分发有明显区别,两者之间有确定的界面,更为重要的是,大块材料的最终性能是不能由其中任一组织

独自提供的。由欧盟资助的/过共晶Al-Si基新型复合材料0的研究为此类材料的工业化应用开辟了新的途径[19]。

采用粉末冶金法制备铝基复合材料具有以下优:

(1)基体合金的选择范围广;

(2)增强体的选择范围广,且含量可在大范围内调节,从而可以大幅度降低材料的热膨胀系数,提高材料的弹性模量;

(3)可以实现终形或近终形成形,从而避免了复合材料难加工的问题,且节约材料;

(4)粉末冶金法与液态法相比制备温度低,从而减轻增强体与基体的界面反应;

(5)粉末冶金法可以与快速凝固技术相结合(RS-PM),进一步提高材料的性能。

采用粉末冶金法也有一些缺点,如金属粉末的储存和使用有一定危险;所制备的零件形状与尺寸较受限制;与熔铸法相比工艺较复杂,成本较高。由于铝及铝合金粉末表面通常有一层氧化膜,这层氧化膜在普通的烧结还原气氛中是不能被还原的,因

16]

此材料的致密化难度增大[。为了提高材料的烧结强度必须使氧化膜破裂以实现金属-金属结合,故粉末冶金法制备铝基复合材料往往需要热压、热挤压等特殊工艺,这将使材料制造成本进一步升高。

液态法有真空压力浸渍、挤压铸造、搅拌铸造等方法。液态法的优点在于可采用传统的冶金工艺,易实现批量生产,故液态法发展较快,也比较成熟。存在的主要问题是如何改善增强体与液态金属的润湿状况以及减轻它们之间的界面反应。液态法中值得注意的是定向凝固技术的应用。通过对凝固温度梯度、晶体生长速度的选择可以实现对金属基复合材料基体的人为控制,从理论上来说增加了材料的可设计性。最近有学者尝试用定向凝固技术制备Al2O3/Al-4.5Cu复合材料,以求得到特定的微观组织[17]。

自生法的优点在于能够获得尺寸细小、界面清洁、与基体相容性好且弥散分布于基体的增强相,从而可以显著提高金属基复合材料的综合性能。采用自生法制备金属基复合材料是目前金属基复合材料研究的热点之一。制备自生铝基复合材料的方法很多,如自蔓延燃烧反应、放热反应法、接触反应法、气液反应合成法、直接熔体氧化法、机械合金化法等等[18],种种方法各有所长,目前的研究重点是找出一套适于工业化生产的制备方法。过共晶Al-Si合金是否属于自生铝基复合材料一直未有定论。根据2 铝基复合材料的界面研究

界面是复合材料中肯定存在而且是非常重要的组成部分。界面问题对复合材料的设计、制备以及实际应用等过程都有显著的影响。金属基复合材料宏观性能的好坏在很大程度上取决于基体和增强体之间的界面结合状况。事实上,很多金属基复合材料之所以不具备根据加和原则预期的性能,主要原因之一就是基体与增强体之间由于过度化学反应导致结合状况不良[20]。另一方面,由于金属基复合材料的基体、增强体和制备工艺对其界面的形成均有显著的影响,而且界面的形状、尺寸、成分、结构非常复杂,使界面研究变得非常困难。尽管金属-陶瓷界面的系统研究早在60年代就开始了,但迄今为止对复合材料界面的认识还很不充分,并没有建立起一套完整的理论。因此,界面问题一直是复合材料研究中的热点问题。文献[21~23]较详细地总结了金属-陶瓷界面研究的进展,由于铝基复合材料的重要性,Al-SiC、Al-Al2O3系统界面的结构与性能的研究较为深入,相关的数据较多。

2.1 界面结构、界面反应与材料性能的关系界面结构与性能是影响基体和增强体性能能否充分发挥,形成最佳综合性能的关键[24]。为了兼顾有效传递载荷和阻止裂纹扩展两个方面,必须要有最佳的界面结合状态和强度,即具有最佳的化合物层厚度,或称临界厚度。连续纤维增强的金属基复合材料中纤维是主要承载相,要求界面结合强度适中,因为强界面结合往往会因为过度界面反应使纤维受到损伤;而在颗粒增强金属基复合材料中,基体和增强颗粒均是承载相,其强化机制是由基体和增强体之间热不匹配引起的位错强化[13],此时要求强界面结合以充分发挥颗粒的增强作用。

界面反应程度对形成合适的界面结构和性能有很大的影响。按界面反应程度的不同,可将其分为三种类型:(1)有利于基体与增强体浸润、复合和形成最佳界面结合,如在SiCp增强铝基复合材料中,基体中的Mg与SiCp表面的SiO2作用适度时,可明显改善SiCp与Al的浸润性,界面结合强度适中;(2)有,[4]

8 轻 合 金 加 工 技 术 2000,Vol.28,l1面结合,如前所述,这类反应对晶须或颗粒增强的金属基复合材料是有利的,但会引起纤维增强金属基复合材料的低应力破坏;(3)严重界面反应,有大量反应产物,材料的脆性急剧增加,此类反应是金属基复合材料制备过程中应避免发生的。

综上所述,界面反应在很大的程度上决定了复合材料的界面结构和性能,而界面结构和性能是决定材料性能的关键因素。所谓的界面优化,主要就是通过控制界面反应来获得能有效传递载荷、调节应力分布、阻止裂纹扩展的稳定的界面结构。2.2 界面优化和控制界面反应的途径

控制界面反应是界面优化的有效途径,其具体的手段有金属基体合金化、增强体表面涂层处理及制备工艺和参数的控制等等。

在铝基复合材料中加入Li、Mg、Ca等与氧亲和力高的合金元素,可以明显提高液体金属与陶瓷增强体的浸润性。这些合金元素在界面区域偏聚,一方面可以降低金属液和增强体之间的表面张力,另一方面可导致有益的上述第一类界面反应发生,如Mg与Al2O3反应生成MgO、Al2O3,这种尖晶石相可以提高金属与陶瓷增强体之间的结合力,因而可改善液体金属与陶瓷增强体的浸润性[20][24]。Si的加入既可提高铝合金液与SiC的浸润性,而且可以减轻Al与SiC的反应[5]。Ti、Zr可以减轻碳和铝的界面反应,提高界面的稳定性[25]。需要注意的是,由于金属基复合材料与常规合金材料的强化机制不同,合金元素的作用也可能存在差异,这是在基体合金成分设计时应考虑的一个问题。

增强体表面涂层处理可以有效地改善浸润性和阻止过度的界面反应,这种方法在连续纤维增强复合材料中应用较多,但由于制造工艺复杂,影响了产业化。铝基复合材料增强体涂层处理最有效的是Ni涂层,Ag、Cr涂层的效果也不错[23]。适度SiC颗粒处理可以明显改善SiC与铝基体的浸润性,是一种经济有效的增强体表面处理方法[25]。

在增强体和基体已确定的条件下,界面反应程度主要取决于制造备工艺和参数。通常提高温度可以改善基体-增强体的浸润性,但应注意其负面影响。根据反应动力学理论,制备温度越高,在高温区停留的时间越长,界面化学反应越严重。因此在确保复合良好的情况下,应尽可能降低制备温度和缩短在高温停留的时间。压力、气氛等工艺因素也综合考虑。

性能。

表1 铝基复合材料的性能

基体增强体体积分数/%356

SiCp

20202060501517

Rs/MPa336359420--483(轴向)400

Rb/MPa3573795001500(轴向)1500(轴向)

634470

D/%0.42.15.0--6.41.2

资料来源[2][2][2][3][3][14][1]

6061Al2O3p6061202460612009

SiCpBrSiCfSiCw

ZL109SiCw

随着铝基复合材料研究的深入,其应用也逐渐增多。铝基复合材料具有比强度、比模量高的优点,

在保证强度指标的同时可以减轻零部件重量,这在航空航天及汽车制造领域是很有吸引力的。纤维增强铝基复合材料已被用于制造航天飞机的机身框架、哈勃望远镜的长方形天线支架、发动机活[26]

塞等等。非连续增强的铝基复合材料的应用更为广泛,在汽车、电子器件、精密仪器、体育用品等方面都有成功的应用。Al-石墨复合材料具有优良的摩擦与磨损特性,其减震性与灰铸铁不相上下,可用于制备汽缸体和轴承等零件[28]。SiCp、Al2O3w增强铝基复合具有优异的耐磨性及低的热膨胀系数等性能,是理想的活塞材料,丰田汽车公司已成功地用该材料制备活塞来取代成本较高的高镍奥氏体铸铁镶圈活塞[29]。其它方面的应用实例还有很多,此处不一一列举。

[3][27]

[4]

4 总结与展望

金属基复合材料不但具有可设计性,而且具有很宽广的设计自由度,通过合理选择基体合金成分、增强体种类以及制备工艺和参数,可以制备出性能优异的材料。界面结合状况是决定复合材料性能的关键之一,界面优化主要是通过控制界面反应来实现的。经过多年的研究和开发,已有部分金属基复合材料进入了实际应用。

从目前的情况来看,金属基复合材料的工业应用范围与其优异性能所具有的应用潜力并不相称。其原因是多方面的。除了这类材料与传统金属材料相比价格较高之外,金属基复合材料的研究在下面几个方面需要加强:

(1)基础理论方面

目前的材料性能复合准则只在连续纤维增强材料中有较好的符合,非连续增强复合材料的复合理论有待进一步完善;界面理论还不完善,包括界面晶3 铝基复合材料的性能及应用

2000,Vol.28,l1 轻 合 金 加 工 技 术 9 确描述等方面的研究还有待深入;功能复合材料的研究也是今后研究的重点之一[30]。

(2)后续加工方面

金属基复合材料的切削加工、焊接、热处理等后续加工工艺研究较少,成为限制其应用的瓶颈。高强度、高硬度的增强体的加入使金属基复合材料往往成为难加工材料,而由于增强体与基体合金的热膨胀系数差异大引起位错密度的提高,使金属基复合的时效行为与基体合金有所不同[33],增强体影响焊接熔池的粘度和流动性,增强体与基体金属的化学反应又限制了焊接速度,给金属基复合材料的焊接造成了较大的困难[4],因此金属基复合材料

[31][32]

后续加工方面的研究也应给予高度的重视。

(3)环境性能方面

金属基复合材料的环境性能方面的研究,即如何解决金属基复合材料与环境的适应性,实现其废料的再生循环利用也引起了一些学者的重视[34],这个问题关系到有效利用资源,实现社会可持续发展,应加大研究力度。

(4)计算机辅助设计方面

复合材料由常规设计向计算机辅助设计转变也是今后的发展趋势之一,这方面尚需做大量的工作,包括建立完整的数据库,构造尽可能接近实际的模型等等。

[30]

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(5):62

现代集团希望尽快出售大韩铝业公司

韩国现代集团公司(Hyundai)为了调整产业结构,希望出售其所属的位于尉山市的大韩铝业公司(Alu-miniumofkorea)koralu),美国铝业公司(Alcoa)仍是其首选的买主。大韩铝业公司仍继续进行扩建,2000年的设计生产能由1999年的132.2kt/a增加到150kt/a,1999年上半年该公司的板带产量达64.2kt。大韩铝业公司有1台从英国戴维公司(Davy)引进的单机架四辊可逆式双卷取热轧机,同时扩建后可生产PS版板基和防盗盖板材。

(王祝堂)

连铸连轧电工用铝杆通过省级新产品鉴定

平阴铝厂采用properzi工艺开发生产的铝线坯新产品,于1999年10月29日通过了山东省经贸委组织的新产品新技术鉴定。该工艺采用电解铝水直接配制,工艺流程短,能耗低,生产过程实现连续化、自动化和高速化,生产效率高。

该产品采用企业标准Q/LYS145-1999组织生产,将Si含量放宽到0.11%,通过合理调整工艺参数,生产出质量完全符合GB3954-83标准要求的产品。该产品应用前景广阔,市场需求量大,具有显著的经济效益和社会效益。

(谷兰成)

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