金属基复合材料基体

金属基复合材料金属基体
基体材料的主要有铝及铝合金、镁合金、钛合金、镍合金、钢与铜合金、锌合金、铅、钛铝 金属间化合物等。 功能金属基复合材料主要选用的金属基体是纯铝及铝合金、纯铜及铜合 金、银、铅、锌等金属。 基体铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、铅基、镍基、耐热金属基、金属间化合物等复合材料。 目前以铝基、镁基、钛基复合材料发展较为成熟。 高比强度、高比模量、尺寸稳定性、耐热性好、高导热导电性、低膨胀、高阻尼、耐磨性。 用于高性能结构件、电子、仪器、汽车等工业。 铝、镁复合材料一般只能用在 450 ℃左 右、而钛合金基体复合材料可用到 650℃ 、而镍、钴基复合材料可在 1200℃使用。 1.铝和铝合金
但是不耐氢氟酸. 退火适用于各类钛及钛合金，而且是 型钛合金和 稳定化元素较少的和
型钛合金的唯一热处理方式。退火的目的是消除内应力，提高塑性和稳定组织及消除
加工硬化。应力退火温度一般为 450
，空冷；再结晶温度为 750
，空冷。
比任何其它的结构材料具有更高的比强度。在中温时比铝合金能更好地保持其强度。钛
5.铜及铜合金 密度 8.94g/cm3，熔点 1080℃。导电导热性好。铜的塑性好，强度和弹性模量不高，热膨胀 系数大，容易铸造和加工。 铜在复合材料中的主要用途是作为铌基超导体的基体材料。铜作用：1. 增加合金的硬度 和强度；2. 改善合金的抗磨损性能；3. 减少晶间腐蚀。 不利：1. 含铜量超过 1.25%时，使压铸件尺寸和机械强度因时效而发生变化； 2. 降低合金的可延伸性。
基复合材料中最常用的增强体是硼纤维，是由于钛与硼的热膨胀系数比较接近。
4.镍及镍合金 密度 8.9 g/cm3，熔点 1455℃。有铁磁性和延展性，导电和导热性能好，力学性能明显好
于铝和镁。常温下，耐碱、盐溶液。用来制造不锈钢和其他抗腐蚀合金，也作加氢催化剂和 用于陶瓷制品等。
加入钨、钼、钴、铬、铌等合金元素，使用温度可达 650～1000℃，具有较高的强度、 良好的抗氧化和抗燃气腐蚀能力，用于制造燃气涡轮发动机的燃烧室等。用钨丝、钍钨丝增 强镍基合金还可以大幅度提高高温性能。
使用温度界于高温合金和高温结构陶瓷之间。根据其组成，A、B 两元之间可形成 AB、 A2B、A3B、A5B3 、A7B6 等化合物；根据组成元素，可分为铝化物、硅化物和铍化物。韧性 低。
典型的金属基复合材料——硬质合金
硬质合金是指以一种或几种难熔碳化物（如碳化钨、碳化钛等）的粉末为主要成分，加人起 粘结作用的金属钴粉末，用粉末冶金法制得的材料。 1、硬质合金的性能特点:硬质合金硬度极高，高于任何一种钢，且热硬性、耐磨性好，一般 做成刀片，镶在刀体上使用。脆性大。 （1）钨钴类硬质合金：碳化钨和粘结剂钴，其牌号是由“YG”（“硬、钴”两字汉语拼音字 首）和平均含钴量的百分数组成(YG8——表示 Co 的质量分数为 8%的钨钴类硬质合金)。 （2）钨钛钴类硬质合金：碳化钨、碳化钛及粘结剂钴，其牌号由“YT”（“硬、钛”两字汉 语拼音字首）和碳化钛平均含量组成(YT15——表示 TiC 的质量分数为 15%的钨钴钛类硬质合 金)
金属基复合材料成型方法：成型方法铝合金 — 镁合金 —— 液态法 钛合金 —— 固态、液态法、原位生长法 高温合金 —— 原位生长法 金属间化合物 —— 粉末冶金、原位生长法
固态、液态、原位生长、喷射成型法
3.钛及钛合金 钛 密度 4.4 g/cm3，-钛：六方密排结构，低于 885℃时稳定； -钛：体心立方，高
于 885℃时稳定，熔点 1678℃.导热性好，热膨胀系数小。塑性好，延伸率可达 50～70％。 力学性能明显高于铝和镁。化学性能活泼，易与氧、氢、氮、碳发生化学反应形成稳定的化
合物，极难提炼。在海水中具有极高的抗腐蚀性。在室温下对不同浓度的酸、碱的抗腐蚀性，
硼—铝复合材料还具有高的导电件和导热性、塑性和韧性、耐磨性、可涂复性、连接性、 成型性和可热处理性及不可燃性。高温性能和抗湿能力对于工程结构的耐久性也常常是重要 的。 2.镁和镁合金基体复合材料 铝、镁基复合材料用于 450 ℃以下，属于低温复合材料 主要是以合金的形式被广泛的应用。例如，用于航天飞机、人造卫星、空间站、汽车发动机 零件、刹车盘等，并已形成工业规模生产. 常用的镁合金主要包括 Mg--Mn，Mg--Al--Zn， Mg---Cr 等耐热合金，可作为连续或不连续纤维复合材料的基体。 镁作用：① 减少晶间腐蚀 ② 细化合金组织，从而增加合金的强度 ③ 改善合金的抗磨损性能 不利：① 含镁量 > 0.08%时，产生热脆、韧性下降、流动性下降。 ② 易在合金熔融状态下氧化损耗。
碳纤维增强铝基复合材料中，在纯铝中加入少量的 Ti，Zr 等合金元素可明显改善复合材 料的界面结构和性质，大大提高复合材料的性能。为航空和航天工业开发出的 A1--Li 系列合 金，进一步提高了铝的弹性模量，降低了材料的密度。
硼铝的弹性模量接近各向同性，非轴向强度也较高，横向抗拉强度和剪切强度大约与铝 合金基体的强度相等。比树脂基材料可能达到的强度要高得多。
6. 锌是一种银白色的金属，具有金属光泽。熔点 419 摄度，密度 7.14g/cm3，标准电极电位 为-0.76V，是较活泼的金属之一。锌的晶体结构为密排六方，随着温度升高，显示出同素异 构转变。
锌涂层外观呈暗白色，涂层密度一般为 6.27g/cm3，是热喷涂防腐蚀施工中使用最早， 且最多的涂层材料。但是在硫或氧化物污染的空气中锌涂层不有耐蚀性。虽然锌的钝化用 很小，但在铬酸盐溶液中却能显著钝化，生成铬酸锌保护膜。 7.金属间化合物
在低温（<450 度）时，使用镁、铝基体的复合材料；用于 450～1000℃时，使用钛基复 合材料，具有密度小、耐腐蚀、耐氧化、强度高等优点；高温（>1000℃）复合材料，主要 有镍基、铁基、钼基和金属间化合物为基体的复合材料，目前比较成熟的是镍基复合材料. 用铁、镍作为基体，碳纤维作为增强物是不可取的。因为 Ni，Fe 元素在高温时能有效地促 使碳纤维石墨化，破坏了碳纤维的结构，使其丧失了原有的强度，使复合材料性能恶化。
在实际使用中，纯铝中常加入锌、铜、镁、锰等元素形成合金。铝的合金元素往往根据实 际对复合材料性能要求而定。铝合金密度 2.5～2.88g/cm3，熔点降低，与掺如合金元素有关， 都低于纯铝。 具有密度小、塑性和韧性良好，易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点， 为其在工程上应用创造了有利的条件。与纯铝相比，铝合金具有更好的综合性能。选择何种 铝合金做基体，则根据实际中对复合材料的性能需要来决定
铝 面心立方点阵。密度 2.72g/cm3，熔点 660℃，导热和导电性能极好，化学性质活泼， 但在大气中具有很好的抗腐蚀性（酸碱除外）。具有很高的塑性和低强度，加工性能好。铝 是一种低密度、较高强度和具有耐腐蚀性能的金属。在实际使用中，纯铝中常加入锌、铜、 镁、锰等元素形成合金，由于加入的这些元素在铝中的溶解度极为有限，因此，这类合金通 常称为沉淀硬化合金，如 A1--Cu--Mg 和 A1--Zn--Mg--Cu 等沉淀硬化合金。
通常是一些高温合金（如硅化物、铝化物、铍化物等），使用温度可达 1600℃。兼有金 属的塑性和陶瓷的高温强度。决定金属间化合物相结构的主要因素有电负性、尺寸因素和电 子浓度等 金属间化合物种类繁多，而用于金属基复合材料的金属间化合物通常是一些高温 合金，如铝化镍，铝化铁、铝化钛等，使用温度可达 1600℃。在这些高温合金的晶体结构 中，原子主要以长程有序方式排列。由于这种有序在金属间化合物中发生位错要比在无序合 金中受到更大的约束，因此能使化合物在高温下保持强度。