铝基复合材料的增强相

   2020-09-01 互联网中国铸造网13190
核心提示:铝基复合材料是金属基复合材料中研究和应用最广泛的一种,具有高比强度,良好的耐磨损性以及导热导电性能良

铝基复合材料是金属基复合材料中研究和应用最广泛的一种,具有高比强度,良好的耐磨损性以及导热导电性能良好、热膨胀系数低等特点。铝基复合材料的性能优势是通过添加增强相来实现的。通常以外加或通过化学反应生成的方式向铝合金中添加陶瓷、金属间化合物或金属等增强相。增强相的形态可以为长纤维、短纤维、晶须以及颗粒。长纤维增强的铝基复合材料在纤维长度方向具有优异的力学性能,因此在单向承载结构中获得重要应用。而由后三种增强相组成的铝基复合材料统称为非连续增强铝基复合材料(DiscontinuouslyReinforcedAluminum,DRA)。与长纤维铝基复合材料相比,DRA可实现各向同性,而且可进行二次成型加工,制造成本也较低,因此,其应用更为广泛。铝基复合材料中最常见的增强相是SiC,另外还有Al2O3,TiC,TiB2和AlN等。一些具备特殊性能的材料如金刚石,B4C,金属氧化物(如BeO,TiO2)等也是常见的增强相。SiC颗粒具有高模量,高硬度,高强度,以及优异的物理性能,因此,SiC/Al复合材料可应用于承载、耐磨等结构件中。人造金刚石不仅具有比陶瓷材料更好的性能,而且具有高热导率,可用于制备高热导铝基复合材料。B4C不仅因高强度、高硬度而用于制备承载结构用的铝基复合材料中,还因B可吸收中子而用于防核辐射材料中。

增强相多作为颗粒或晶须添加。晶须由于价格昂贵已逐渐被颗粒代替。颗粒的尺寸和含量是材料设计的关键因素,因此如何改进制备工艺,在加入增强相时控制和优化颗粒的尺寸、含量和分布对铝基复合材料的性能关系极大。

目前最受重视、用得最多的铝基复合材料制备方法是搅拌复合铸造法。该方法是通过机械搅拌使增强体颗粒与液态或半固态的铝合金复合均匀,然后浇注成铸锭或所需零件。与其它制备技术相比,该方法工艺设备简单、制造成本低廉,便于工业化生产,而且可以制造各种形状复杂的零件。这方面最为典型的实例就是Alcan公司采用此技术制备颗粒增强铝基复合材料,在加拿大建成了年产11340吨的SiCp/Al复合材料铸锭、型材、棒材以及复合材料零件的专业工厂,其生产的SiCp/Al复合材料单个铸锭最重达596kg,所获材料的屈服强度比基体铝合金提高75%,弹性模量提高30%,热膨胀系数减小29%,耐磨性提高3~4倍。

粉末冶金也是制备铝基复合材料的常用工艺。用粉末冶金法制备颗粒增强铝基复合材料的综合性能良好,但是材料内部容易出现气孔与偏析。该法不适用于生产较大型件,所以未能很好实现工业规模化生产。

近年来开发的喷射沉积工艺为制备高性能铝基复合材料提供了新的途径。采用喷射沉积工艺,是在基体合金雾化的同时,加入增强体粉末,使合金粉末与增强体粉末共同沉积在收集器上以得到复合材料。这种方法的特点是增强体体积分数可以任意调节,增强体的粒度也不受限制,增强体与基体熔液接触时间相当短,二者之间的反应易于控制,大大改善了界面的结合状态,基体可以保持雾化沉积、快速凝固的特点,晶粒十分细小。喷射沉积法的制备成本比铸造法要高,但比粉末冶金法低。(一员)


 
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