金属基复合材料定稿资料.pptx
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金属基复合材料定稿资料.pptx
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金属基复合材料,常见铝基体,工业纯铝铸造冶金变形铝合金(2014、2024、2124等,且不选含MnCr的铝合金,因其产生脆性相)粉末冶金变形铝合金铸造铝合金新型铝合金,铝基复合材料基体,铝有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,熔点低制备工艺简单。
铝基复合技术容易掌握,易于加工,比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。
同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和物理性能,以满足产品的需要。
因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。
复合材料增强基,分类:
连续的和非连续的纤维、晶须、颗粒。
特性:
高强度、高模量、高刚度、抗疲劳、耐热、耐磨、抗腐蚀、热膨胀系数小、导电、导热以及润湿性、化学相容性、易加工等。
铝基复合材料的增强纤维有硼纤维,碳纤维,碳化硅纤维等。
铝复合材料的种类与分类,铝合金材料可按增强相,铝基体及材料特性三方面进行分类。
按增强体分类:
长纤维增强复合材料短纤维增强复合材料颗粒增强复合材料混合增强复合材料纳米复合材料层合复合材料倾泻复合材料表面复合材料,铸造铝合金基复合材料变形铝合金基复合材料工业纯铝基复合材料新型铝合金基复合材料,以铝基体分类,结构复合材料功能复合材料智能复合材料,以特性分类,铝基复合材料的应用,1、在汽车领域的应用美国的Duralcan研制出用SiC颗粒增强铝基复合材料制造汽车制动盘,用其代替传统铸铁制动盘,使其重量减轻了60%40%,而且提高了耐磨性能,噪音明显减小,摩擦散热快;同时该公司还用SiC颗粒增强铝基复合材料制造了汽车发动机活塞和齿轮箱等汽车零部件,这种汽车活塞比铝合金活塞具有较高的耐磨性、良好的耐高温性能和抗咬合性能,同时热膨胀系数更小,导热性更好。
用SiCp/Al复合材料制成的汽车齿轮箱在强度和耐磨性方面均比铝合金齿轮箱有明显的提高。
铝合金复合材料也可以用来制造刹车转子、刹车活塞、刹车垫板、卡钳等刹车系统元件,上个世纪80年代,日本丰田公司成功地用/AlOAl32复合材料制备了发动机活塞,与原来的铸铁发动机活塞相比,重量减轻了10%5%,导热性提高了4倍。
2、在航空航天领域的应用,Cercast公司采用熔模铸造工艺研制成A357SiC20%Vol+复合材料,用该材料代替钛合金制造直径达mm180、重17.3kg的飞机摄相镜方向架,使其成本和重量明显降低,同时该复合材料还可用来制造卫星反动轮和方向架的支撑架。
美国DWA公司用/6061SiC25%p铝基复合材料代替7075制造航空结构的导槽、角材,使其密度下降了17%,模量提高了65%。
铸造SiC颗粒增强A356和A357复合材料可以制造飞机液压管、直升机的起落架和阀体等,3、在电子和光学仪器中的应用铝基复合材料,特别是SiC增强铝基复合材料,由于具有热膨胀系数小、密度低、导热性能好等优点,适合于制造电子器材的衬装材料、散热片等电子器件。
SiC颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数完全可以与电子器件材料的热膨胀相匹配,而且导电、导热性能也非常好。
IBM公司2004年第2期黄永攀等:
铝基复合材料的性能、应用及制造工艺就是利用其上述性能,在MCMs器件中使用该种材料封装和改进冷却系统结构,使其工作时产生的热量迅速扩散,提高了元件的有效性。
在精密仪器和光学仪器的应用研究方面,铝基复合材料用于制造望远镜的支架和副镜等部件。
另外铝基复合材料还可以制造惯性导航系统的精密零件、旋转扫描镜、红外观测镜、激光镜、激光陀螺仪、反射镜、镜子底座和光学仪器托架等许多精密仪器和光学仪器,4、在体育用品上的应用铝基复合材料可以代替木材及金属材料来制作网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆和滑雪板等。
用SiC颗粒增强铝基复合材料制作的自行车链齿轮重量轻、刚度高、不易挠曲变形,性能优于铝合金链齿轮,镍基复合材料,镍基复合材料是以镍及镍合金为基体制造的。
由于镍的高温性能优良,因此这种复合材料主要是用于制造高温下工作的零部件。
用途:
镍基变形高温合金广泛地用来制造航空喷气发动机、各,种工业燃气轮机的热端部件,如工作叶片,导向叶片、涡轮盘和燃烧室等。
燃气轮机涡轮零件,高温合金汽车增压器喷嘴环叶片,1.钛基复合材料的种类:
钛是同素异构体,熔点为1720,在低于882时呈密排六方晶格结构,称为钛;,在882以上呈体心立方品格结构,称为钛。
2.热氢处理对颗粒增强钛基复合材料显微组织,原始复合材料的相变温度为1035C,含氢0.15wt.%的复合材料,其相变温度温度为935C对于含氢0.60wt.%的复合材料,其相变温度温度为825C,3.钛基复合材料的应用采用树脂基复合材料和钛基复合材料制造起落架,与300M钢比较可获得明显减重,空心的树脂基复合材料结构大约1.5厘米厚,较之标准的26千克的300M钢约轻5千克,4.生物上的应用Ti2448钛合金是迄今为止初始杨氏模量最低的钛合金,与人体组织的生物相容性和力学相容性优异,是一种具有人体骨骼仿生特性的新型生物医用金属材料,该合金同时具有高强度、高阻尼、超弹性等优异性能和易加工、易焊接等加工性能,在航天等尖端工程领域也具有重要的潜在应用,5.航空中的应用高温钛合金主要用于制造航空发动机压气机叶片、盘和机匣等零件,这些零件要求材料在高温工作条件下(300600)具有较高的比强度、高温蠕变抗力、疲劳强度、持久强度和组织稳定性。
随着航空发动机推重比的提高,高压压气机出口温度升高导致高温钛合金叶片和盘的工作温度不断升高。
经过几十年的发展,固溶强化型的高温钛合金最高工作温度由350提高到了600。
镁基复合材料,碳(石墨)纤维,SiC颗粒或晶须,Al203颗粒或纤维,TiC颗粒,B4C颗粒,A118B4033颗粒或晶须,增强相,结构,镁的性能,重量轻:
镁合金是最轻的工程结构材料。
镁的密度1.74,约为钢的1/4,铝的2/3,为工程塑料的1.5倍。
比强度、比刚度高:
镁合金的比强度明显高于铝合金和钢,比刚度与铝合金和钢相当,而远远高于工程塑料,为一般塑料的10倍。
减振性好:
相同载荷下,是铝的100倍,钛合金的300500倍。
电磁屏蔽性佳。
散热性好:
金属的热传导性是塑料的数百倍,其热传导性略低于铝合金及铜合金,远高于钛合金,常用合金中比热最高。
耐蚀性好:
为碳钢的8倍,铝合金的4倍,为塑料材料的10倍以上。
质感佳:
外观及触摸质感极佳,使产品更具豪华感。
可回收性好:
花费相当于新料价格的4%,可回收利用镁合金制品及废料。
镁基复合材料的组织与性能,镁基复合材料组织特征为增强体分布在基体合金中,同时引入了大量的界面以及高密度位错缠结,其晶粒度较基体合金也小,无论是高密度位错引起的位错强化,还是细化晶粒的作用都将提高和改善复合材料的拉伸强度和刚度等力学性能。
挤压变形、固溶时效以及其它一些工艺的运用和调整都将有利于进一步提高镁基复合材料力学性能。
镁基复合材料具有良好的阻尼性能(减振性能)、电磁屏蔽性能和储氢特性,是良好的功能材料,还具备密度小、贮氢容量高、资源丰富等优点。
镁基贮氢复合材料正被日益重视,主要制备方法有多元合金化、机械合金化、多元复合等。
密度低,比强度和比刚度高,同时还具有良好的耐磨性、耐冲击性、优良的尺寸稳定性和铸造性能,是一类优秀的结构与功能材料,主要特点,若是利用镁合金做基体制作复合材料,则能够在保护镁合金的同时又能发挥镁合金比强度高的优点,采用热轧制备了7075AIMGY7075A1叠层复合材料,在实验范围内,材料的拉伸强度达到300MPa以上,最高达370MPa,高于常见镁合金的。
随着铝合金厚度的增加,叠层复合材料的拉伸和弯曲刚度逐渐增加,且拉伸刚度均高于相应镁合金的。
随着铝合金厚度的增加,3003A1AZ313003A1叠层复合材料的拉伸比刚度逐渐减小,其它3种叠层复合材料的则逐渐增加,但上述4种镁基叠层复合材料的弯曲比刚度均先增加后降低。
MGY系叠层复合材料的弯曲比刚度在镁合金厚度约占12时达到最大值,而AZ31系叠层复合材料的则在镁合金厚度约占40时达到最大值。
优良的力学性能,储氢性能,镁基复合材料具有储氢量大、质量轻、价格低以及资源丰富等优点。
应用,美国TEXTRON、DOW化学公司用SiCMg复合材料制造螺旋桨、导弹尾翼、内部加强的汽缸等。
DOW化学公司用AlzOSiCMg复合材料已制成皮带轮、油泵盖等耐磨件,并制备出完全由AlzOMg复合材料构成的油泵。
美国海军研究所和斯坦福大学利用BCMgLi、BpMgLi复合材料制造卫星天线构件。
加拿大镁技术研究所成功开发了搅拌铸造及挤压铸造SiC颗粒增强镁基复合材料,试图利用其低密度、耐磨损、高比刚度等特点用于汽车的盘状叶轮、活塞环槽、齿轮、变速箱轴承、差动轴承、拨叉、连杆、摇臂等零部件。
应用,镁基复合材料产品,电子工业,汽车工业,航空航天工业,镁基复合材料的发展前景展望,从目前发展趋势看,简化现有制备工艺、改善成形性以降低制备成本是发展镁基复合材料的攻克点,从而能实现大规模的商业化。
研究方向:
(1)低成本制备技术的开发
(2)增强体的选择超轻系镁基复合材料的研究镁基功能复合材料的开发利用,尤其是镁基储能材料的研究开发会更加深入。
镁基复合材料回收和再利用技术。
这是应环保及可持续发展要求而必须面对的新型课题。
镁基复合材料的智能化设计。
金属基复合材料的成型技术,37,金属基复合材料的制备工艺方法对复合材料的性能有很大的影响,是金属基复合材料的重要研究内容之一。
金属基复合材料工艺研究内容,38,金属基体与增强材料的结合和结合方式;金属基体/增强材料界面和界面产物在工艺过程中的形成及控制;,增强材料在金属基体中的分布;防止连续纤维在制备工艺过程中的损伤;优化工艺参数,提高复合材料的性能和稳定性,降低成本。
39,根据各种方法的基本特点,把金属基复合材料的制备工艺分为四大类:
固态法;液态法;喷射与喷涂沉积法;原位复合法。
40,常用的金属基复合材料制备工艺,41,
(1)固态法,42,固态制备工艺主要为扩散结合和粉末治金两种方法。
1)扩散结合,43,在一定的温度和压力下,把表面新鲜清洁的相同或不相同的金属,通过表面原子的互相扩散而连接在一起。
因而,扩散结合也成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺方法。
扩散结合工艺中,增强纤维与基体的结合主要分为三个关键步骤:
纤维的排布;复合材料的叠合和真空封装;热压。
44,采用扩散结合方式制备金属基复合材料,工艺相对复杂,工艺参数控制要求严格,纤维排布、叠合以及封装手工操作多,成本高。
但扩散结合是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的惟一可行的工艺。
45,在扩散结合工艺中,增强纤维与基体的湿润问题容易解决,而且在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。
因此,在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工艺。
46,2)粉末冶金,47,粉末冶金既可用于连续长纤维增强,又可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。
在粉未冶金法中,长纤维增强金属基复合材料分两步进行。
首先是将预先设计好的一定体积百分比的长纤维和金属基体粉末混装于容器中,在真空或保护气氛下预烧结。
然后将预烧结体进行热等静压加工。
48,一般情况下,采用粉未冶金工艺制备的长纤维增强金属基复合材料中,纤维的体积百分含量为40%60%,最多可达75%。
49,粉末冶金法五大优点,50,热等静压或烧结温度低于金属熔点,因而由高温引起的增强材料与金属基体的界面反应少,减小了界面反应对复合材料性能的不利影响。
同时可以通过热等静压或烧结时的温度、压力和时间等工艺参数来控制界面反应。
可根据性能要求,使增强材料(纤维、颗粒或晶须)与基体金属粉末以任何比例混合,纤维含量最高可达75%,颗粒含量可达50%以上,这是液态法无法达到的。
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