第15卷 第1期2008年2月 金属功能材料MetallicFunctionalMaterials Vol115, No11February, 2008金属复合材料生产技术的现状与发展趋势刘 江(钢铁研究总院科技信息室,北京100081)摘 要:概述了金属基复合材料的主要制造方法,介绍了笔者所研制的几种金属复合材料及生产过程。最后展望了金属复合材料的发展趋势。关键词:金属复合材料;生产技术;现状中图分类号:TB331 文献标识码:A 文章编号:1005-8192(2008)01-0044-05CurrentSituationandDevelopmentofProductionTechnologyforMetalMatrixCompositeLIUJiang(InformationandConsultationCenterofCISRI,Bejing100081,China)ABSTRACT:Basicproductionmethodsofmetalmatrixcompositesarereviewed1Somemetalmatrixcompositesandproductiontechnologiesdevelopedbytheauthorareintroduced1Theprospectsofdevelopmenttrendofmetalmatrixcompositesarepresented1KEYWORDS:metalmatrixcomposite;productiontechnology;status 随着现代科学技术和现代工业的发展,单一的金属或合金已很难完全满足其对材料综合性能的要求,因而近年来新型复合材料受到世界各国的普遍重视。自20世纪80年代以来,美国每年耗资10亿美元专门用于研究开发新材料,其重点之一就是金属复合材料。目前美国复合材料的研制和生产居世界领先的地位。金属复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属材料结合成一体制备的。金属复合材料在保持母材金属特性的同时还具有“相补效应”可以弥补各自的不足,经过恰当的组合从而获得优异的综合性能。复合材料的力学性能和功能,可以根据实际需要,通过适当选材和优化设计来获得。复合材料广泛应用于航空、航天、汽车、运输、桥梁、民用建筑、体育设施及国防建设等诸多领域。1 金属基复合材料的主要制造方法111 爆炸法爆炸复合法是利用炸药作为能源,在炸药的高速引爆和冲击作用下(748km/s),在十分短暂的过程中使被焊金属表面形成一层薄的塑性变形区、熔化和扩散,从而实现两种不同金属材料的焊接,是集压力焊、熔化焊和扩散焊“三位一体”的焊接方法[1]。目前采用该法可以实现300多种金属的复合。但该方法污染严重且不适于连续化生产及薄板生产。112 挤压复合法将包层金属和被包层金属表面清理后组装成挤压坯,然后以适当的温度和挤压比参数挤压成型。在压力作用下,金属紧密接触并复合[1]。该方法适合于生产管、棒、线及矩形断面的复合型材。但挤压复合的材料范围有一定限制,不适于连续化生产,并要求较大功率的挤压机。113 扩散焊接在低于母材熔点的温度下,在尽量使母材不出现变形的情况下加压,使母材紧密接触,利用界面出现的原子扩散而实现结合的方法,该法分为无助剂© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 自扩散焊接、无助剂扩散焊接、有助剂扩散焊接、过渡液相扩散焊接和相变超塑性扩散焊接[1]。该方法可获得与基体性能一致的接头性能。114 固相结合法该法也叫轧焊法,是利用高温和轧制时产生的高压而使不同的金属实现焊合。轧焊法又可分为热轧复合法和冷轧复合法。热轧复合法是将覆盖材料和基体事先组装在一起,周边进行焊接,然后热轧使之复合。115 喷射沉积复合法喷射成型技术是20世纪80年代逐渐成熟起来的一种快速凝固成型制备材料的新型粉末冶金技术[2],把液态金属的雾化(快速凝固)和雾化熔滴的沉积(熔滴动态致密化)自然地结合起来,喷射成型时,由于雾化液滴高速率凝固、高速固态冷却以及液滴的撞击作用,形成无宏观偏析的、等轴细小的沉积组织。116 自蔓延高温合成法自蔓延高温合成(selfpropagatinghightem2peraturesynthesis,简称SHS)法又称为燃烧合成(combustionsynthesis,简称CS)法[2],是由前苏联科学家Merzhanov在1967年提出并随后发展起来的,可用于制备多种不同类型材料,如陶瓷、金属间化合物等的新工艺。由于SHS法具有能耗少、效率高、产物纯和工艺相对简单等优点,受到各国科研人员的高度重视。该工艺不仅用来合成材料,而且广泛地与传统工艺相结合,形成一系列实用技术,如SHS焊接、SHS表面涂层、SHS致密化、SHS离心铸造等。117 粉末冶金法是复合材料制造较为常用的一种方法,将需要复合的材料的粉末均匀混合,经压制后烧结处理成型,可制成各种形状的产品。2 金属复合材料的应用研究211 热双金属热双金属是由二层(或三层)膨胀系数不同的合金沿层间接触面结合在一起的复合材料。高膨胀系数的合金层称主动层,低膨胀系数的合金称被动层。在加热时,由于两层的膨胀系数不同,主动层伸长得多,于是金属片就向被动层弯曲,这样就可以把热能转换成机械能,产生一定的力和位移,因此可用作测量或控制仪表的传感元件。热双金属可分为3种。①普通型,用于一般用途的控制元件,通用性强,例如5J18。②高灵敏度型,这类热双金属在温度变化时产生的位移或偏转大,对信号的灵敏度高,随着仪表小型化,该类热双金属的用量增加。例如5J11。③额定电阻型,主要用作断路器元件,要求有一定的电阻率。例如:笔者研究生产的R9~R141系列热双金属。由于R系列热双金属是由三层金属,主动层和被动层分别为Ni20Mn6和FeNi36,中间层为Ni或Cu组合而成,工艺较复杂,现介绍如下:首先根据R值的不同,设定三层的配比,将经过表面清理好的三层金属周边焊接,在750~1200℃进行热轧结合,第一道变形量控制在50%左右。成品的冷轧变形量控制在40%左右。为消除热双金属在加工中产生的残余应力,需根据牌号的不同选择不同的稳定化热处理工艺。笔者采用热轧结合法生产R系列热双金属,与其它方法相比,提高了成材率和生产率,降低了成本。212 复合框架材料集成电路是计算机、航天飞机、导弹等军用电子产品中不可缺少的基础部件,是重要的核心部件。笔者研制生产的铜合金局部复铝条冷轧带材用作塑封音响集成电路和其他功耗电路的引线框架材料,具有高强度,高导电导热性,与铜合金做引线框架相比,可以不镀金,用铝丝与复铝层压焊形成外电路,既节省了黄金,又避免可能形成金2铝脆性化合物,提高了电路的可靠性。该合金是一种复合材料,它以铜基合金为基体,采用固相结合技术,将铝条按设计要求局部地复在基体带材上,一条基体带材可以复一条铝,也可以间隔地平行复几条铝。铜合金复合材料生产工艺大致分三步:组员金属预处理,金属压缩变形和扩散热处理。首先将铜带和铝条分别用钢丝刷机械抛光,去除表面氧化层,直到露出新鲜的金属表面,尔后采用四辊冷轧机进行室温下固相结合,为了保证铝条按设计要求局部地复在铜带上,用特制导卫装置控制铝条走向,一次冷轧压下率达到70%左右,在张力下冷轧,固相结合的复合带材坯料去油后,立即在真空下进行450℃,3h扩散退火,再冷轧至成品。用同样方法生产的复合材料还有4J42复铝条,4J34、4J29复银铜等。213 零膨胀合金目前生产供应的因瓦和超因瓦合金,室温至100℃的平均膨胀系数约为110×10-6/℃,满足不了某些精密测量的要求。通过复合的方法,将具有热缩冷胀(负值膨胀系数)的锂霞石粉与金属粉混54第1期 刘 江:金属复合材料生产技术的现状与发展趋势