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金屬基復合材料的制備工藝 固態制備方法
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金屬基復合材料的制備工藝 固態制備方法
發布日期: 2019-12-17   點擊量: 667  

       固態制備方法的特點是制備過程中溫度較低,金屬基體與增強材料均處于固態,可抑制金屬與增強物之間的界面反應。金屬基體往往以粉末或金屬箔形式與增強材料(纖維、晶須、顆粒等)預先按設計要求以一定的含量、分布、方向混合排布在一起,再經加熱、加壓,復合粘結在一起,形成復合材料。屬于這類制備方法的工藝主要包括:粉末冶金法、熱壓法、熱等靜壓法、軋制法、拉拔法等。

       1.粉末冶金法

       固態制備法中,粉末冶金法是最早用來制造金屬基復合材料的方法。早在1961年,Koppenaal等人就利用粉末冶金法制造纖維體積分數為20%_40%的碳/鋁復合材料,但由于性能很低,且無有效措施加以提高,這種方法主要用于制造顆?;蚓ы氃鰪娊饘倩鶑秃喜牧?。

       粉末冶金法是一種成熟的工藝方法,一方面可以制造復合材料的坯料,供擠壓、軋制、鍛壓、旋壓等二次加工后制成零部件;另一方面也可直接制成尺寸、形狀準確的復合材料零件,可減少后續加工,工藝靈活性大,適于批量生產。

 圖3-1為粉末冶金法的工藝流程。該工藝適于制造SiCp/Al、SiCw/Al、Al2 O3/Al、Ti82/Ti等金屬基復合材料零部件、板材或錠坯等。常用的增強材料有:SiCP、SiCw、 Al2O3、B4Cp等顆粒、晶須及短纖維等。常用的基體金屬有:Al、Cu、Ti等。在粉末冶金法中,合金粉末和增強顆粒(晶須)可根據需要,以任意比例混合,與鑄造法相比,粉末冶金工藝中,顆粒(晶須)的含量不受限制,顆粒大小也可在較大范圍內進行選擇。但材料的成本較高,制造大尺寸的零件和坯料還有一定的困難。

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               圖3-1粉末冶金法制造金屬基復合材料的工藝流程

       美國的DWA公司用此法制造了不同成分的鋁合金基體和不同顆粒(晶須)含量的復合材料及各種零件、管材、型材和板材,它們具有很高的比強度、比模量和耐磨性,已用于汽車、飛機、航天器等。粉末冶金法也被用來制造鈦基、金屬間化合物基復合材料。

       2.熱壓法與熱等靜壓法

       熱壓法和熱等靜壓法又稱擴散粘接法,是加壓焊接的一種,因此有時也稱擴散焊接法。它是在較長時間的高溫及不大的塑性變形作用下依靠接觸部位原子間的相互擴散進行的。擴散粘接過程可分為三個階段:粘接表面之間的最初接觸,由于加熱和加壓使表面發生變形、移動、表面膜(通常是氧化膜)破壞;隨著時間的延長發生界面擴散和體擴散,使接觸面密著粘接;由于熱擴散結合界面最終消失,粘接過程完成。影響擴散粘接過程的主要參數是溫度、壓力和一定溫度及壓力下維持的時間,其中溫度最為重要,氣氛對產品質量也有影響。

       (1) 熱壓法熱壓工藝流程如圖3-2所示,基本原理是先將纖維增強纖維與金屬基體制成復合材料預制片,然后將預制片按設計要求裁剪成所需的形狀、疊層排布:視對纖維體積含量的要求在疊層時添加基體箔,將疊層放人模具內,進行加熱加壓,最終制得復合材料或零件。

 圖2.png

圖3-2熱壓法工藝流程

       復合材料預制片制備和熱壓過程是最重要的兩個工序,直接影響纖維的分布、界面的特性和性能。預制片的制備有3種主要的制備方法:等離子噴涂法、箔粘接法及液態金屬浸漬法。前兩種方法常用來制備硼纖維、碳化硅纖維增強的金屬基復合材料預制片,纖維的直徑較細,為100~ 400μm,容易排列。等離子噴涂法制備增強纖維的復合片已發展成為一種生產方法,美國Textron公司已建成設備,成功生產出大型硼纖維、碳化硅纖維增強鋁、鈦復合材料構件。而對于碳纖維、碳化硅束絲、氧化鋁纖維等,因纖維直徑較細,數百數千根纖維集成一束,為使金屬充分填充到纖維孔隙間,需采用液態金屬浸漬法制成復合絲或復合帶,再排布成預制片。

       熱壓過程中,為防止金屬的氧化,必須在真空或保護性氣氛下進行。熱壓溫度、壓力為主要工藝參數。為使金屬在熱壓過程中充分充填所有的孔隙,要求金屬有較高的軟化程度。提高熱壓溫度可使金屬有較好的塑性,促進擴散粘接,但溫度也不能過高,以免纖維與基體之間發生反應,影響材料性能。因此,加熱溫度一般控制在稍低于合金固相線的溫度。有時為了更好的復合,特別在熱壓“生片”時,希望有少量液相存在,溫度控制在基體合金的固相線和液相線之間。選用壓力在較大范圍內變化,但過高容易損傷纖維,一般控制在10MPa以下,壓力的選擇與溫度有關,溫度高,壓力可適當降低。熱壓時間一般在10~20min。根據工藝特點,熱壓法分為模內熱壓、分步熱壓和動態熱壓等幾種。

       熱壓法適于制造B/Al、SiC/Al、SiC/TiC/Al、C/Mg等復合材料零部件、管材和板材等,是目前制造直徑較粗的硼纖維和碳化硅纖維增強鋁基、鈦基復合材料的主要方法,其產品作為航空發動機主倉框架承力柱、發動機葉片、火箭部件等已得到應用。熱壓法也是制造鎢絲一超合金、鎢絲一銅等復合材料的主要方法之一。

        (2)熱等靜壓法熱等靜壓法也是熱壓的一種,是1955年美國研究成功的一種先進材料成型技術,可用于制造形狀復雜的金屬基復合材料零件。熱等靜壓法用惰性氣體加壓,工件在各個方向上受到均勻壓力的作用。其工作原理是:在高壓容器內設置加熱器,將金屬基體(粉末或箔)與增強材料(纖維、晶須、顆粒)按一定比例混合或排布后,或將預制片疊層后放入金屬包套中,抽氣密封后裝入熱等靜壓裝置中加熱、加壓,復合成金屬基復合材料。

       熱等靜壓法主要的工藝參數為:溫度、壓力、保溫保壓時間。溫度一般低于熱壓溫度,以防止嚴重的界面反應,可在數百度到2000℃圍內選擇;壓力根據基體金屬在高溫下變形的難易程度而定,易變形的金屬壓力選擇低一些,難變形的金屬則選擇較高的壓力,一般在100~ 200MPa。保溫保壓時間主要根據工件的大小來確定,工件越大保溫時間越長,一般為30min到數小時。

       熱等靜壓法特別適合制造鈦、金屬間化合物、超合金基的復合材料,適合用于制造管、筒、柱狀零件,如B/Al、SiC/Ti管材,美國航天飛機用的B/Al管柱、火箭導彈的構件均用此法制造。

       熱等靜壓法的優點是:金屬基體與增強物復合良好,組織細密,無縮孔、氣孔等缺陷,形狀、尺寸準確,性能均勻。缺點是設備投資大,工藝周期長,成本高。

3.熱軋法、熱擠壓法和熱拉法

       熱軋法、熱擠壓法及熱拉法都是的金屬材料塑性成形加工工藝,也用于復合材料的制造。

       熱軋法主要用來將已復合好的顆粒、晶須、短纖維增強金屬基復合材料錠坯進一步熱軋加工成板材,適用的復合體系有SiCP-AI、SiCw-Cu、Al2O3W-Al、Al2O3W-Cu等。也可將由金屬箔與連續纖維組成的預制片制成板材,如鋁箔與硼纖維、鋁箔與鋼絲。為了提高粘接強度,常在纖維上涂銀、鎳、銅等涂層,為了防止氧化常用鋼板包覆再軋制。與金屬材料的軋制相比,長纖維一金屬箔軋制時每次的變形量小,軋制道次多。比較成功的用熱軋法制成的復合材料有硼纖維與鋁箔、鋼絲與鋁箔直接熱軋或熱壓后熱軋成硼纖維增強鋁和鋼絲增強鋁基復合材料。對于顆?;蚓ы氃鰪娊饘倩鶑秃喜牧习宀?,先經粉末冶金或熱壓成坯料,再經熱軋成復合材料板材。

       熱擠壓和熱拉主要用于顆粒、晶須、短纖維增強金屬基復合材料坯料的進一步加工,制成各種形狀的管材、型材、棒材等。經擠壓,拉拔后復合材料的組織變得均勻,缺陷減少或消除,性能明顯提高,短纖維和晶須還有一定的擇優取向,軸向拉伸強度提高很多。該工藝適于制造C/Al、Al2O3/A1復合材料棒材和管材等。常用的增強材料為B、SiCw等;常用的基體金屬有Al等。熱擠壓和熱拉對制造金屬絲增強金屬基復合材料是很有效的方法,具體做法是在基體金屬坯料上鉆長孔,將增強金屬制成棒放入基體金屬的孔中,密封后進行熱擠壓或熱拉,增強金屬棒變成絲。也有將顆?;蚓ы毰c基體金屬粉末混勻后裝入金屬管中,密封后直接熱擠壓或熱拉成復合材料管樹或棒材的。

4.爆炸焊接法

       爆炸焊接法是利用炸藥爆炸產生的強大脈沖應力,通過使碰撞的材料發生塑性變形、粘接處金屬的局部擾動以及熱過程使材料焊接而形成復合材料。圖3-3是爆炸焊接法工藝的示意圖。焊接前應將金屬絲編織好或固定好,基體和金屬絲必須除去表面的氧化膜和污物。爆炸焊接用底座材料的密度和聲學性能應盡可能與復合材料的接近。此法可要用來制造金屬層合板和金屬絲增強金屬基復合材料,例如鋼絲增強鋁、鉑絲或鎢絲增強鈦、鎢絲增強鎳等復合材料。

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圖3-3爆炸焊接法工藝的示意圖

  1-    底座2-基體3-動板4-爆管5-炸藥包6-緩沖層7-纖維

       爆炸焊接的優點是:因爆炸產生的瞬間壓力高且作用時間短,材料的溫度低,所以組分材料之間發生界面反應的可能性很??;用爆炸焊接可以制造形狀復雜的零件和大尺寸的板材,必要時一次作業可得多塊復合板。

 


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