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材料制备方法

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固态扩散法

这是制造连续纤维增强铝基复合材料的传统方法。该方法主要有二步,第一步是先把纤维或经过预浸处理因而包覆有铝的复合丝与基体合金的箔片细丝有规则地排列和堆叠起来。第二步是通过加热加压使他们紧密地扩散结合成为整体。为了防止铝合金在加热加压过程中氧化,热压必须在真空或保护气氛下进行。方法工艺复杂,纤维的排列堆叠要很精细而繁重的手工操作,热压过程又要求很严格的工艺参数控制和环境条件。所以用这方法进行生产,难度较大,成本很高,有很大的局限性。

粉末冶金法

该工艺过程是先将增强物(通常是SiC、A12O3等材质的颗粒、晶须或短纤维)和激冷微晶铝合金粉用机械手段均匀混合,进行冷压实,然后加热去气、在液相线与固相线之间进行真空烧结,就得到了复合材料坯料,再将坯料进行热挤压等热压力加工就可制成所需要的零件。或者取消对混合粉料的热压,把混合粉料密封于铝包套内,直接进行热挤压,也可成功地制造出致密的铝基复合材料。用粉末冶金法制成的铝基复合材料机械性能比较高;可使基体晶粒充分细微化(平均粒径达40-50pm),提高基体性能;可根据材料的性能要求任意调整增强物的加入量。但该工艺比较复杂,受温度、压力及二次加工工艺和设备的限制,不宜做过大和形状复杂的零件,制备成本较高而且必须在密封、真空或保护气氛下进行,设备及生产成本较高,所以还只能用于航空航天和军事用途,不能在民用工业推广应用。

增强颗粒,半固态都比全液态分散得好,可以说用半固态复合铸造法比用搅拌法更容易得到分散均匀的颗粒复合材料。但此法不适用于以晶须或短纤维增强的复合材料,因为它们有结团和缠结倾向,很难在半固态浆液中分散。

中间合金法

把颗粒等增强物和基体合金粉末以一定比例混合,压制成中间合金块,投入基体合金溶液,很快金属粉末熔化,中间合金块崩散,增强物乃进入熔液,此时稍加搅拌,它就均匀分散,浇铸凝固后就获得复合材料铸件(或铸锭)。这种方法的优点是简单方便,但常有中间合金块压入后长期不崩散的问题。

复合材料就是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。在复合材料中,通常有一相为连续相,称为基体;另一相为分散相,称为增强体。分散相分布在整个连续相中。两相之间存在着相界面。分散相可以是纤维状、颗粒状或是弥散的填料。复合材料中各个组分虽然保持其相对独立性,但复合材料的性质不是各个组分性能的简单叠加,而是在保持各个组分材料某些特点的基础上,具有组分间协同作用所产生的综合性能。

当前存在的主要问题在于:(1)纳米微粒容易发生团聚现象;纳米级SiC 的比表面积很大,表面很容易吸附气体,在压制过程中形成气孔,烧结时会形成空洞,影响材料的致密度;同时纳米SiCp/Al 复合材料在烧结过程中物质迁移的滑移阻力特别大易造成材料致密化速率非常慢;(2)纳米SiCp表面活性很高,高温下极易与Al 发

生界面反应,生成对材料品质有损害的Al3C4。固态法制备所需的温度较低,可较好的避免SiC 和Al 反应,还可以使SiC 在基体内均匀分布;(3)若使Al 粉与纳米SiC 颗粒均匀混和,则Al 晶粒需要达到亚微米级,Al 的晶粒变小可以使材料的强度和硬度得到很大的提高,但因过分限制了晶粒的位错运动使材料塑性变小而减小了应用价值。

硼与塑料或铝合金结合,是有效的中子屏蔽材料;硼钢在反应堆中用作控制棒;硼纤维用于制造复合材料等。由于硼在高温时特别活泼,因此被用来作冶金除气剂、锻铁的热处理、增加合金钢高温强固性,硼还用于原子反应堆和高温技术中。棒状和条状硼钢在原子反应堆中广泛用作控制棒。由于硼具有低密度、高强度和高熔点的性质,可用来制作导弹的火箭中所用的某些结构材料。含硼添加剂可以改善冶金工业中烧结矿的质量,降低熔点、减小膨胀,提高强度硬度。硼及其化合物也是冶金工业的助溶剂和冶炼硼铁硼钢的原料,加入硼化钛、硼化锂、硼化镍,可以冶炼耐热的特种合金。建材硼酸盐、硼化物是搪瓷、陶瓷、玻璃的重要组分,具有良好的耐热耐磨性,可增强光泽,调高表面光洁度等。

Laves相在二元系合金中,如果两个组元的原子半径相差很小,组元间的电化学交互作用不显著,则容易形成电子化合物;如果两个组元原子半径相差大,则容易形成间隙化合物。介于这两个极端,即A、B两个组元的原子半径有一定差别时,常出现一些中间相,它们的特征是具有简单的原子比。Laves相就是一种化学式主要为AB2型的密排立方或六方结构的金属间化合物。Laves相中原子半径比rΑ/r B 约在1.1~1.6之间。在许多Laves相(AB2)中,过渡族金属一般为组元B,但有时也可以起组元A的作用。

Laves相的晶体结构有三种类型:①MgCu2型属立方晶系,每个晶胞有24个原子(图4)。镁原子形成闪锌矿型的结构(8个),铜原

子形成四面体(16个)。每个镁原子有4个近邻镁原子和12个近邻铜原子;每个铜原子有6个近邻的铜原子和6个近邻的镁原子。②MgZn2型属六方晶系,A原子形成硫锌矿结构,B原子形成四面体。每个A 原子有4个近邻A原子;12个近邻B原子。每个B原子有6个近邻B原子和6个近邻A原子。③MgNi2属六方晶系,介于MgCu22之间的结构。三元Laves相中电子浓度同晶体结构有关,其中有部分有序结构的如CuCdZn、CuMgAl,也有完全有序结构的,如CuMgSn。

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