18 材料导报:综述篇 2010年12月(上)第24卷第12期 粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用 刘彦强,樊建中,桑吉梅,石力开 (北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京100088 摘要粉末冶金工艺(PM)具有工艺灵活、可设计性强的特征,是制备高性能金属基复合材料的重要手段之 简述了PM法制备金属基复合材料的工艺特点及加工、成型特点,以若干较成功的应用实例为重点总结了粉末 冶金金属基复合材料的性能特点,以及国内外的研究与应用现状,提出了该类材料未来的发展方向 关键词金属基复合材料粉末冶金性能应用 Development of Metal Matrix Composites by powder- metallurgy processing LIU Y anqiang, FAN Jianzhong, SANG Jimei, SHI Likai Nat ional Engineering and Technology Research Center for NoH ferrous Metals Composites, Beijing General Research Institute for Nonferrous M eak, Beijing 100088) Abstract As a kind of flex ible and des ig nable fabrication process, po wder metallurgy(P/M) technique has been one of the most important met hods for fabricat ion of metal ma oosites. Development of metal matrix cor posites by using P/M processing is summarized, follo wed by a brief introduction of post processing of P/M metal mar trix composites. Some representat ive applications of P/ M metall ic composites associated w ith their important proper ties and its status of researches and applications are review ed. Some new material and new developing strategy upon P/ M metall ic compos ites are also discusse ord metal matrix composit es, po wder metallurgy, performance, applicat ions 0引言 艺特点,简述国内外P/M金属基复合材料的研究和应用现 状,探讨该工艺制备金属基复合材料的优缺点、研发关键问 金属基复合材料( Met al m atrix compos ites,MMC)是以题以及应用前景 金属或合金为基体,以颗粒、晶须或纤维为增强体复合而成 的材料通过合理的设计可实现良好的复合效应,使基体与1PM金属基复合材料的工艺特点 增强体相互取长补短,发挥出各自的性能及工艺优势。与传 粉末冶金法的主要技术步骤一般包括:粉末筛分、粉末 统的金属材料相比,MMC具有更高的比强度、比模量,耐热与增强体混合、压制成型、高温除气、热压或热等静压致密 性能好,热膨胀系数低,尺寸稳定性更高;与陶瓷材料相比,化、二次加工(挤压、锻造、轧制、超塑性成型等)。PM工 MMC的塑性、韧性、二次加工成型性要优越得多 艺结合二次加工不仅可以获得完全致密的坯锭或产品,同时 目前MMC常用的制备工艺主要有粉末冶金、搅拌铸可满足所设计材料结构性能的需求,也可以直接将混合粉末 造、喷射沉积和压力浸渗等。粉末冶金法(P/M)是最早开发进行高温塑性加工,在致密化的同时达到最终成形的目的 用于制备颗粒增强MMC的工艺。P/M技术具有以下优点:粉末冶金法对基体合金和增强颗粒种类基本没有限制.而且 工艺简单灵活,成本适中;由于制备温度一般低于铸造法,界可以任意调整增强体的含量、尺寸和形貌等,大大提高了复 面反应大大减弱;增强体的体积分数可以在大范围内精确调合材料的可设计性。另外,由于PM法所使用的温度较低, 整,增强体的选择余地较大,可设计性强;制备的复合材料具从而减轻了基体与增强体之间的界面反应所制得的复合材 有优良的综合性能~。随着粉末冶金技术的进一步完善,料具有良好的力学物理性能且质量稳定19。这些综合优势 此方法正逐渐成为一项制备非连续增强MMC较为成熟的是液相法不能比拟的。PM工艺的成本一般介于液相工艺 技术。据统计,目前全球近100家生产MMC的公司中有与连续纤维复合材料之间,但材料的综合性能高于液相法制 29%采用P/M工艺;就应用领域而言,航空航天及国防用备的MMC,且使用范围更加广泛(见图1)1习。 MMC有57%采用PM法制造:微电子及汽车领域的MMC 采用P/M工艺研制MMC时需要从产品的各项要求出 分别有31%和43%采用PM工艺制造。此外,采用P/M发,综合考虑各个环节对产品性能的影响,如基体、增强体材 金属基复合材料在要求高性能、低密度的航空航天领域具有料的选择、粉末处理、粉末固结、坯锭二次加工和其它后续处 不可替代的优势“。本文概述了粉末冶金制备MMC的工理过程等 刘:男,2年:博杰,击果舍萘食然5m21:owEdhttp:/www.cnkinet
粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用 刘彦强, 樊建中, 桑吉梅, 石力开 ( 北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心, 北京 100088) 摘要 粉末冶金工艺( P/ M ) 具有工艺灵活、可设计性强的特征, 是制备高性能金属基复合材料的重要手段之 一。简述了 P/ M 法制备金属基复合材料的工艺特点及加工、成型特点, 以若干较成功的应用实例为重点总结了粉末 冶金金属基复合材料的性能特点, 以及国内外的研究与应用现状, 提出了该类材料未来的发展方向。 关键词 金属基复合材料 粉末冶金 性能 应用 Development of Metal Matrix Composites by Powder-metallurgy Processing LIU Yanqiang, FAN Jianzhong, SANG Jimei, SH I Likai ( Nat ional Eng ineering and T echnolog y Research Center for No n- ferro us Metals Compo sites, Beijing Gener al Resear ch Institute for Non- ferr ous M eta ls, Beijing 100088) Abstract As a kind of flex ible and desig nable fabrication process, powder metallurg y ( P/ M) technique has been one of the mo st impo rtant met ho ds for fabricat ion o f metal mat rix compo sites. Development of metal matrix compo sites by using P/ M pr ocessing is summarized, followed by a brief intr oductio n o f post- pro cessing o f P/ M metal matrix composites. Some representat ive applicatio ns o f P/ M metallic composites associated w ith their important pr operties and its status o f researches and applications are r eview ed. Some new materials and new dev elo ping strateg y upon P/ M metallic composites ar e also discussed. Key word metal matrix composit es, powder metallurg y, performance, applicat ions 刘彦强: 男, 1982 年生, 博士, 工程师, 主要从事金属基复合材料研究 E-mail: lyq9757@ 163. com 0 引言 金属基复合材料( Met al matrix composites, M M C) 是以 金属或合金为基体, 以颗粒、晶须或纤维为增强体复合而成 的材料。通过合理的设计可实现良好的复合效应, 使基体与 增强体相互取长补短, 发挥出各自的性能及工艺优势。与传 统的金属材料相比, MM C 具有更高的比强度、比模量, 耐热 性能好, 热膨胀系数低, 尺寸稳定性更高; 与陶瓷材料相比, M M C 的塑性、韧性、二次加工成型性要优越得多[ 1]。 目前M M C 常用的制备工艺主要有粉末冶金、搅拌铸 造、喷射沉积和压力浸渗等。粉末冶金法( P/M ) 是最早开发 用于制备颗粒增强 M MC 的工艺。P/ M 技术具有以下优点: 工艺简单灵活, 成本适中; 由于制备温度一般低于铸造法, 界 面反应大大减弱; 增强体的体积分数可以在大范围内精确调 整, 增强体的选择余地较大, 可设计性强; 制备的复合材料具 有优良的综合性能[ 2- 4]。随着粉末冶金技术的进一步完善, 此方法正逐渐成为一项制备非连续增强 M MC 较为成熟的 技术。据统计, 目前全球近 100 家生产 MM C 的公司中有 29%采用 P/ M 工艺; 就应用领域而言, 航空航天及国防用 M M C 有 57% 采用 P/ M 法制造; 微电子及汽车领域的 M MC 分别有 31% 和 43%采用 P/ M 工艺制造[5]。此外, 采用 P/ M 金属基复合材料在要求高性能、低密度的航空航天领域具有 不可替代的优势 [ 6- 8] 。本文概述了粉末冶金制备M M C 的工 艺特点, 简述国内外 P/ M 金属基复合材料的研究和应用现 状, 探讨该工艺制备金属基复合材料的优缺点、研发关键问 题以及应用前景。 1 P/ M 金属基复合材料的工艺特点 粉末冶金法的主要技术步骤一般包括: 粉末筛分、粉末 与增强体混合、压制成型、高温除气、热压或热等静压致密 化、二次加工( 挤压、锻造、轧制、超塑性成型等) [ 9]。P/ M 工 艺结合二次加工不仅可以获得完全致密的坯锭或产品, 同时 可满足所设计材料结构性能的需求, 也可以直接将混合粉末 进行高温塑性加工, 在致密化的同时达到最终成形的目的。 粉末冶金法对基体合金和增强颗粒种类基本没有限制, 而且 可以任意调整增强体的含量、尺寸和形貌等, 大大提高了复 合材料的可设计性。另外, 由于 P/ M 法所使用的温度较低, 从而减轻了基体与增强体之间的界面反应, 所制得的复合材 料具有良好的力学物理性能且质量稳定[2, 9] 。这些综合优势 是液相法不能比拟的。P/ M 工艺的成本一般介于液相工艺 与连续纤维复合材料之间, 但材料的综合性能高于液相法制 备的M M C, 且使用范围更加广泛( 见图 1) [ 3] 。 采用 P/M 工艺研制M M C 时需要从产品的各项要求出 发, 综合考虑各个环节对产品性能的影响, 如基体、增强体材 料的选择、粉末处理、粉末固结、坯锭二次加工和其它后续处 理过程等。 # 18 # 材料导报: 综述篇 2010 年 12 月( 上) 第 24 卷第 12 期
粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用/刘彦强等 料的超塑性模锻也成为可能,这将有利于复杂形状零件的近 Alumina 终成形。复合材料的模锻适合大批量零件生产。此外,P/M (continuous) 颗粒增强MMC一般具有细小的晶粒组织,在较高的温度 C(whiskers) (0.5-0.97m)和应变速率(0.0-10-)下可以表现出高拉 Powder 伸塑性(1∞0%~1500‰),复合材料超塑性变形抗力非常低, metallurgy 而且不会产生局部不均匀变形,因此超塑性成型是最具优势 的加工手段之-13。同时超塑性加工也是一种近终成形 技术,有利于加工薄壁零件,如超塑性焊接等。国外已采用 超塑性成型工艺成功地生产了7064/SC/10机翼前缘肋条 板和正弦波桁条 图1铝基复合材料制造成本与材料性能对比3 此外,某些情况还需要对复合材料零件进行均匀化处理 Fig 1 Material cost versus performance of various 和尺寸稳定化处理,通过热处理改善增强体分散状况,或通 过降低、消除材料内部的残余应力来提高尺寸稳定性。 复合组元的选择对复合材料的加工制备和性能都有重 要影响特别是基体合金的性能和热处理工艺对复合材料的2P/M金属基复合材料的主要品种 力学性能有较大影响。基体合金一般选择变形能力较好的2.1铝基复合材料 合金体系如美国于20世纪90年代研制的20091合金就与其它金属基复合材料相比,铝基复合材料的性能特点 是制备非连续增强MMC最理想的基体合金之 是轻质、高强、高韧性、导热性好、适用的制备方法多、工艺灵 粉末处理是保证复合材料质量的一个重要环节,金属粉活性大、易于塑性加工、制造成本低因此研究最为广泛和深 末与颗粒、晶须的均匀混合以及防止金属粉末的氧化是粉末入,制造技术也相对成熟2。最具代表性的是颗粒增强铝 处理的关键,已有大量研究和成熟的工艺21。机械合金化基复合材料( PRAMC),它具有高比模量、高比强度、良好的 方法是在常规粉末冶金法的基础上发展起来的一种比较典塑性和较高的疲劳极限,以及耐高温、抗腐蚀等性能。图2 型的制备非连续増强复合材料的技术,通过高能机械球磨可为颗粒増强铝基复合材料与钛、铝合金的比强度和比刚度的 以实现亚微米乃至纳米颗粒的均匀混合,并有效细化基体晶比较:图3为颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数与增强颗 粒,获得均匀的超细复合结构。机械合金化是一种制备高强粒含量的关系1。同时,颗粒增强铝基复合材料还具备低密 度/韧性、高热稳定P/M金属基复合材料的重要手段 度、低热膨胀系数、良好的导热导电性能和高阻尼性能以及 塑性变形不仅可以提高颗粒增强复合材料坯锭的致密各向同性等综合优势-。常用的增强颗粒主要包括SiC、 度,而且还可以改善颗粒的分散状况。PM法制备的复合材si3N4、AlO3T、TB2、AN、BC以及石墨颗粒或者金属颗 料大多具有较好的塑性加工性能。与未增强的合金相比,由粒等 于增强体多数为刚性的陶瓷,复合材料具备较高的弹性模 量、强度以及硬度等,同时复合材料的塑性和韧性也有所 降,因此改变了复合材料的塑性加工性能。另外,高体积分 数颗粒增强的复合材料的机加工性能通常比未增强的合金 差{,3 常用的二次加工方法有挤压、轧制、锻造、超塑性成形 等。其中,挤压可用于各种不同方法制备的复合材料。复合 材料在挤压过程中处于三向压应力状态,因而提高了塑性变 7xxx/SiC/15p 形能力。挤压可以有效破碎颗粒氧化膜,改善界面结合和增 强颗粒的分散状况,从而大幅度提高强度和塑性4。具有 代表性的材料,如颗粒增强铝基复合材料通常可通过很大的 塑性变形获得棒材、线材、异形材,但由于设备所限,挤压产 品的尺寸受限。轧制和锻造过程引入较大的剪切应力通常 图2 PRAMC与钛铝合金比强度和比刚度的比较 也能改善增强颗粒分散,并且细化基体晶粒从而明显提高g2 Specific strength and specific stiffness of PRAMC in 复合材料的力学性能,采用锻造和轧制可制得大尺寸、组织 mpared to al alloys and Ti alloys 均匀的复合材料板、锭或最终产品1。等温模锻是制备颗 与液相法相比,P/M铝基复合材料具有更细更均匀的微 粒增强铝基复合材料零件的重要手段,可以进行非连续增强观组织和更加优异的力学性能并具有近终成型制造零件的 MMC的近终成形。复合材料在等温过程中变形可以保持良能力。多数铝合金基复合材料除了通过颗粒载荷传递强化 好的高温塑性,有利于塑性流动充填模腔吲。近年来颗粒外其力学性能还可以通过热处理得到大幅度的改善。首 合金的 增强綦某余材料的超性研究取得了太量成果彼复食材0:合材科后泽大过柱中:申权与体合
图1 铝基复合材料制造成本与材料性能对比[ 3] Fig. 1 Material cost versus performance of various aluminum-matrix composites [ 3] 复合组元的选择对复合材料的加工制备和性能都有重 要影响, 特别是基体合金的性能和热处理工艺对复合材料的 力学性能有较大影响。基体合金一般选择变形能力较好的 合金体系, 如美国于 20 世纪 90 年代研制的 2009A l 合金就 是制备非连续增强 M MC 最理想的基体合金之一。 粉末处理是保证复合材料质量的一个重要环节, 金属粉 末与颗粒、晶须的均匀混合以及防止金属粉末的氧化是粉末 处理的关键, 已有大量研究和成熟的工艺[ 2, 10]。机械合金化 方法是在常规粉末冶金法的基础上发展起来的一种比较典 型的制备非连续增强复合材料的技术, 通过高能机械球磨可 以实现亚微米乃至纳米颗粒的均匀混合, 并有效细化基体晶 粒, 获得均匀的超细复合结构。机械合金化是一种制备高强 度/ 韧性、高热稳定 P/M 金属基复合材料的重要手段[ 11] 。 塑性变形不仅可以提高颗粒增强复合材料坯锭的致密 度, 而且还可以改善颗粒的分散状况。P/ M 法制备的复合材 料大多具有较好的塑性加工性能。与未增强的合金相比, 由 于增强体多数为刚性的陶瓷, 复合材料具备较高的弹性模 量、强度以及硬度等, 同时复合材料的塑性和韧性也有所下 降, 因此改变了复合材料的塑性加工性能。另外, 高体积分 数颗粒增强的复合材料的机加工性能通常比未增强的合金 差[ 12, 13]。 常用的二次加工方法有挤压、轧制、锻造、超塑性成形 等。其中, 挤压可用于各种不同方法制备的复合材料。复合 材料在挤压过程中处于三向压应力状态, 因而提高了塑性变 形能力。挤压可以有效破碎颗粒氧化膜, 改善界面结合和增 强颗粒的分散状况, 从而大幅度提高强度和塑性 [ 13, 14] 。具有 代表性的材料, 如颗粒增强铝基复合材料通常可通过很大的 塑性变形获得棒材、线材、异形材, 但由于设备所限, 挤压产 品的尺寸受限。轧制和锻造过程引入较大的剪切应力通常 也能改善增强颗粒分散, 并且细化基体晶粒, 从而明显提高 复合材料的力学性能, 采用锻造和轧制可制得大尺寸、组织 均匀的复合材料板、锭或最终产品 [10, 14] 。等温模锻是制备颗 粒增强铝基复合材料零件的重要手段, 可以进行非连续增强 M M C 的近终成形。复合材料在等温过程中变形可以保持良 好的高温塑性, 有利于塑性流动充填模腔[ 15]。近年来, 颗粒 增强铝基复合材料的超塑性研究取得了大量成果, 使复合材 料的超塑性模锻也成为可能, 这将有利于复杂形状零件的近 终成形。复合材料的模锻适合大批量零件生产。此外, P/M 颗粒增强 M MC 一般具有细小的晶粒组织, 在较高的温度 ( 0. 5~ 0. 9T m )和应变速率( 0. 01~ 10s - 1 ) 下可以表现出高拉 伸塑性( 100%~ 1500% ) , 复合材料超塑性变形抗力非常低, 而且不会产生局部不均匀变形, 因此超塑性成型是最具优势 的加工手段之一[ 13, 16] 。同时超塑性加工也是一种近终成形 技术, 有利于加工薄壁零件, 如超塑性焊接等。国外已采用 超塑性成型工艺成功地生产了 7064/ SiC/ 10p 机翼前缘肋条 板和正弦波桁条 [ 17]。 此外, 某些情况还需要对复合材料零件进行均匀化处理 和尺寸稳定化处理, 通过热处理改善增强体分散状况, 或通 过降低、消除材料内部的残余应力来提高尺寸稳定性。 2 P/ M 金属基复合材料的主要品种 2. 1 铝基复合材料 与其它金属基复合材料相比, 铝基复合材料的性能特点 是轻质、高强、高韧性、导热性好、适用的制备方法多、工艺灵 活性大、易于塑性加工、制造成本低, 因此研究最为广泛和深 入, 制造技术也相对成熟[ 18- 20] 。最具代表性的是颗粒增强铝 基复合材料( PRAM C) , 它具有高比模量、高比强度、良好的 塑性和较高的疲劳极限, 以及耐高温、抗腐蚀等性能。图 2 为颗粒增强铝基复合材料与钛、铝合金的比强度和比刚度的 比较; 图3 为颗粒增强铝基复合材料的热膨胀系数与增强颗 粒含量的关系 [ 12] 。同时, 颗粒增强铝基复合材料还具备低密 度、低热膨胀系数、良好的导热导电性能和高阻尼性能以及 各向同性等综合优势[18- 20] 。常用的增强颗粒主要包括 SiC、 Si3N4、A l2O3、T iC、T iB2、AlN、B4C 以及石墨颗粒或者金属颗 粒等。 图2 PRAMC与钛、铝合金比强度和比刚度的比较 [ 12] Fig. 2 Specific strength and specific stiffness of PRAMC in compared to Al alloys and Ti alloys 与液相法相比, P/M 铝基复合材料具有更细更均匀的微 观组织和更加优异的力学性能, 并具有近终成型制造零件的 能力。多数铝合金基复合材料除了通过颗粒载荷传递强化 外, 其力学性能还可以通过热处理得到大幅度的改善。首 先, 复合材料在固溶后淬火过程中, 由于颗粒与基体合金的 粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用/ 刘彦强等 # 19 #
材料导报:综述篇 2010年12月(上)第24卷第12期 热膨胀系数差别较大通常会在基体合金内形成大量位错,所采用的P/M工艺与前两者略有不同,AMC公司采用高能 从而达到强化效果;其次,在复合材料中同样存在单相铝机械球磨混合粉末,这种工艺不仅可以均匀混合增强体和合 合金的固溶强化和析出强化(对于可时效强化铝合金)。但金粉末,同时可以显著细化晶粒尺寸,获得细小均匀的复合 值得注意的是,由于增强相会显著影响合金基体的固溶时效结构,使材料的强度得到明显提高.同时其延伸率仍与传统 行为,因此铝基复合材料的热处理制度将不同于基体合P/MSiC/Al相当(见表3)。该公司的铝基复合材料产品主 要有4类,即AMC25XE(2124SiC/25p)、AMC640XA(6061/ SiC/40p).AMC217XE(2124/SiC/ 17p)HI AMC220BC(2124/ DRA coefficient of thermal expansion s a function of SiCp B4C/209) 表2粉末冶金M/SCXp复合材料的典型性能 Table 2 Typical properties of DWA Al/ 16.2 SiC/XX p compos itesI 21 10.8- Steel& titanium 6092 体积分数/% 抗拉强度/MPa SiC volume loading(V/O) 屈服强度/MPa 图3 PRAMC的热膨胀系数与增强颗粒含量的关系2 延伸率/% 6.2 Fig 3 The coeff icient of theral expansion( CTE)versus 伸模量GPa 92.9 the fraction of reinforcing particles of PRAMC 2 密度/(gcm3) 2.9 最早采用粉末冶金生产颗粒增强铝基复合材料的厂家 CTE/IO/ 主要有3大公司:美国的 DWA Aluminum composite、Alyn 热导率/(W/(m·K 218 公司和英国的 Aerospace metal com posit es(AMO公司。这 表3AMC2124/SiO25产品的性能 些公司已经具备规模生产能力和丰富的产品规格。DWA铝 (挤压/锻造轧制方向) 基复合材料公司的主要产品为以6092、2009和6063为基体 Table 3 Properties of A MC 2124/ SiC/ 25p along the SC颗粒为增强体的复合材料。6092/SC为其最早的产品 系列,主要有板材和挤压型材,此系列产品的规格和性能参 direction of extrusion(or forging, rolling)'21 产品形式挤压锻造 轧制 数见表1。 热处理条件T4 表1DwA公司生产的6092/sC175pT6 产品厚度/mm5.03005.050.05.050.05.020.0 挤压产品的性能(挤压方向)2 抗拉强度/MPa700 680 Table I Properties of DW A 6092/SiC/ 17. 5p+T6 屈服强度/MPa480450 延伸率/ 5 产品厚度mm182.33.86.420.8拉伸模量CPa15115 l15 抗拉强度/MPa510510 490462 泊松比 0.290.29 0.29 0.29 屈服强度/MPa448448 密度/(gfcm3)288 2.88 2.88 剪切强度/MPa30330396303276 CTE 延伸率% 6 10/K 15.5 15.5 15.5 拉伸模量/GPa105105107108108 热导率 150 150 150 150 密度/(gcm 2.82.82.82.82.8 W/(m·K 另外一个具有代表性的材料是209s/15T42其锻 Sumitomo electric公司采用粉末压制/烧结的简单工艺 造性能很好,DWA生产的此种复合材料可直接模锻成型制直接制出所需产品的方法是一种近终成型方法,由于省去了 造零部件,其性能见表2。P/M铝基复合材料还可作为非结坯锭后续加工工序,其成本较低,增强颗粒体分也可在较大 构应用,提高陶瓷颗粒的体积分数可有效降低其热膨胀系范围内调整,但制备出的材料强度很低,一般用作功能部 数,同时保持较高的导热率。此类材料密度小、导热高、膨胀件。 低,在微电子封装领域得到应用。代表性的材料有6092/ P/M工艺也被用来制备SC晶须增强铝基复合材料,其 SiC/40p和6063SiC/50其性能见表2 优点是晶须的体积分数易于控制,材料的比强度和比刚度 Aln公司开发的铝基复合材料主要以S颗粒和BC高,抗高温蠕变性能好,但工序较长、制造成本高。表4列出 颗粒为增强体,分别采用冷等静压/烧结复合工艺和真空热了美国 Advanced composit e materials公司研制的结构用P 压工艺来利备小民和大尽法食材替的杯,AMC复合材料的性能ad,http://www.cnki.net
热膨胀系数差别较大, 通常会在基体合金内形成大量位错, 从而达到强化效果[21] ; 其次, 在复合材料中同样存在单相铝 合金的固溶强化和析出强化( 对于可时效强化铝合金)。但 值得注意的是, 由于增强相会显著影响合金基体的固溶时效 行为, 因此铝基复合材料的热处理制度将不同于基体合 金[ 5] 。 图 3 PRAMC的热膨胀系数与增强颗粒含量的关系[ 12] Fig. 3 The coefficient of thermal expansion ( CTE) versus the fraction of reinforcing particles of PRAMC [ 12] 最早采用粉末冶金生产颗粒增强铝基复合材料的厂家 主要有 3 大公司: 美国的 DWA Aluminum composite、Alyn 公司和英国的 Aerospace metal composit es( AM C) 公司。这 些公司已经具备规模生产能力和丰富的产品规格。DWA 铝 基复合材料公司的主要产品为以6092、2009 和6063 为基体, SiC 颗粒为增强体的复合材料。6092/ S iC 为其最早的产品 系列, 主要有板材和挤压型材, 此系列产品的规格和性能参 数见表 1。 表 1 DWA 公司生产的6092/ SiC/ 17. 5p-T6 挤压产品的性能(挤压方向) [20] T able 1 Properties of DWA 6092/ SiC/ 17. 5p-T 6 composite [ 20] 产品厚度/ mm 1. 8 2. 3 3. 8 6. 4 20. 8 抗拉强度/ M Pa 510 510 490 490 462 屈服强度/ M Pa 448 448 434 421 393 剪切强度/ M Pa 303 303 296 303 276 延伸率/ % 6 7 6 6 7 拉伸模量/ GPa 105 105 107 108 108 密度/ ( g/ cm 3 ) 2. 8 2. 8 2. 8 2. 8 2. 8 另外一个具有代表性的材料是 2009/ SiC/ 15p-T 42, 其锻 造性能很好, DWA 生产的此种复合材料可直接模锻成型制 造零部件, 其性能见表 2。P/ M 铝基复合材料还可作为非结 构应用, 提高陶瓷颗粒的体积分数可有效降低其热膨胀系 数, 同时保持较高的导热率。此类材料密度小、导热高、膨胀 低, 在微电子封装领域得到应用。代表性的材料有 6092/ SiC/ 40p 和 6063/ SiC/ 50p, 其性能见表2。 A lyn 公司开发的铝基复合材料主要以 S iC 颗粒和 B4C 颗粒为增强体, 分别采用冷等静压/ 烧结复合工艺和真空热 压工艺来制备小尺寸和大尺寸复合材料的坯锭。AM C 公司 所采用的 P/ M 工艺与前两者略有不同, AMC 公司采用高能 机械球磨混合粉末, 这种工艺不仅可以均匀混合增强体和合 金粉末, 同时可以显著细化晶粒尺寸, 获得细小均匀的复合 结构, 使材料的强度得到明显提高, 同时其延伸率仍与传统 P/M-S iC/A l 相当(见表3) 。该公司的铝基复合材料产品主 要有 4 类, 即 AMC225XE( 2124/ SiC/ 25p)、AMC640XA ( 6061/ SiC/ 40p) 、AMC217XE ( 2124/ SiC/ 17p) 和 AMC220BC ( 2124/ B4C/ 20p)。 表 2 粉末冶金 Al/ SiC/ XXp 复合材料的典型性能[20] T able 2 T ypical properties of DWA Al/ SiC/ XXp composites [ 20] 基体 2009 6092 6063 体积分数/ % 15 40 50 抗拉强度/ M Pa 498 屈服强度/ M Pa 343 延伸率/ % 6. 2 拉伸模量/ GPa 92. 9 138 178 密度/ ( g/ cm 3 ) 2. 9 2. 9 CT E/ ( 10 - 6 / K) 12. 1 9. 9 热导率/ ( W/ ( m #K) ) 190 218 表 3 AMC 2124/ SiC/ 25p 产品的性能 ( 挤压/锻造轧制方向) [20] T able 3 Properties of A MC 2124/ SiC/ 25p along the direction of extrusion ( or forging, rolling) [ 20] 产品形式 挤压 锻造 锻造 轧制 热处理条件 T 4 T4 T1 T4 产品厚度/ mm 5. 0 30. 0 5. 0 50. 0 5. 0 50. 0 5. 0 20. 0 抗拉强度/ M Pa 700 680 470 645 屈服强度/ M Pa 480 450 300 460 延伸率/ % 5 5 5 3. 5 拉伸模量/ GPa 115 115 115 115 泊松比 0. 29 0. 29 0. 29 0. 29 密度/ ( g/ cm 3 ) 2. 88 2. 88 2. 88 2. 88 CT E 10 - 6 / K 15. 5 15. 5 15. 5 15. 5 热导率 W/ ( m # K) 150 150 150 150 Sumitomo Electric 公司采用粉末压制/烧结的简单工艺 直接制出所需产品的方法是一种近终成型方法, 由于省去了 坯锭后续加工工序, 其成本较低, 增强颗粒体分也可在较大 范围内调整, 但制备出的材料强度很低, 一般用作功能部 件[20] 。 P/M 工艺也被用来制备 SiC 晶须增强铝基复合材料, 其 优点是晶须的体积分数易于控制, 材料的比强度和比刚度 高, 抗高温蠕变性能好, 但工序较长、制造成本高。表 4 列出 了美国 Advanced composit e materials 公司研制的结构用 P/ M-SiCw / Al 复合材料的性能 [12]。 # 20 # 材料导报: 综述篇 2010 年 12 月( 上) 第 24 卷第 12 期
粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用/刘彦强等 21· 纵上所述,PM铝基复合材料具备优良的力学和物理综功用于 Eurocopter公司生产的EG120和N4直升机旋翼系 合性能,在工程实际中可作为轻质高强结构材料或结构功能统的1级关键零件上。该材料的模锻件与铝合金件相比 体化材料使用(见表5)。目前,国外在航空航天、高技术武弹性模量提高40%,旋转弯曲疲劳强度(250MPaI03次循 器、交通运输、电子仪表以及体育娱乐用品等领域已批量使环)明显高于硬铝合金2024T4和7075T6(15-~180MPa 用P/M铝基复合材料,并逐步向高性能和低成本方向迈进,10次循环,与钛合金相比零件质量大幅降低。图4为P/M 同时,规模化应用也不断推动着此类材料的研究开发*82。铝基复合材料的应用实例,其中(a)、(b)为直升机旋翼连接 表4粉末冶金法制备的SC60612016复合 件(锻造),(c)、(d为发动机导流叶(挤压),(e)、(f为F16战 材料的典型性能 斗机腹翼(轧制)2 Table 4 Typical propert ies of P/M SiC/6061/20w 产品形式 棒材厚管材 带材 中2.7mm1.25mm127mm×127mm 样方向 纵向 纵向 纵向 抗拉强度/MPa586 屈服强度/MPa441 延伸率/% 3.6 弹性模量/GPa121124 密度1(g/cm3)2.8032.803 CTE pP/(M/K) 14.8 表5P/M铝基复合材料的典型应用4s2 Table 5 T ypical applications of P/M Al matrix composites 4-822 应用领域 特点 飞机腹鳍,燃料入口门, 图4P/M铝基复合材料应用实例 液压传动缸导流叶片,高强度,高塑性 Fig 4 Typical applications of P/M Al matrix 航空、国防悬翼连接件,导弹部件高刚度,低密度, 带,电子设备架,液压歧能好 另一个重要的应用是6092SC/175成功替代石墨 环氧复合材料用于波音777商用飞机4xxx发动机导流叶 管 高比刚度,低膨 片,这不仅提高了部件的比刚度、耐腐蚀性能、抵抗外来物体 航天、空间太空反射镜,仪表架 冲击破坏能力,而且大大降低了零件的加工和维护成本。此 胀,高导热,内应外,6092/S/17.还成功替代2024T4用作F16战斗机腹 力小,高热稳定 高比刚度,低膨 鳍,使其服役寿命延长400% 电子封装GFS电子芯片散热基座胀,高导热,尺寸 P/M铝基复合材料在一些对性能要求较高的民用产品 领域也具有较大的应用潜力(见表5)。在过去的几年中,P 稳定 连接杆、气缸套、活塞、气高强度、高比刚 M铝基纳米复合材料赛车零部件的研制也取得了重要进展 汽车门弹簧座、变速箱和底盘度、耐磨,低膨胀 已经研制出可批量生产的纳米复合材料赛车传动轴、活塞以 部件,刹车盘 高导热 及齿环等零部件。纳米复合材料部件不仅具有很高的比强 自行车框架、赛艇和游艇 度和比刚度,还具有较高的常温抗疲劳强度,其综合性能显 民用的发动机活塞、传动轴,高比强度,高比刚 高于钢、硬铝合金或铝基微米复合材料(见图5叫。 目前,国外正在结合航空航天领域轻量化发展的要求进 消费品高尔夫球杆,棒球和垒球度 行铝基复合材料在空间领域新应用的研究,因此,颗粒增强 高热稳定,高刚 铝基复合材料逐渐会发展成为航空航天、军事领域不可替代 其他高速切削刀架,数控机 器,核废料存储设备 度,耐磨,中子吸 的重要材料。 我国近年来在颗粒增强铝基复合材料方面取得了突飞 猛进的发展。经过20世纪近20年的发展材料的研制已达 P/M铝基复合材料最典型的应用之一是DWA公司研到国际先进水平,并逐步向高性能、高可靠、低成本、工程化 制的0959542术金产品已代钛食舍成sh展,主要研究方回口经由材料研发遂步转零为用技术的
纵上所述, P/ M 铝基复合材料具备优良的力学和物理综 合性能, 在工程实际中可作为轻质高强结构材料或结构-功能 一体化材料使用( 见表 5) 。目前, 国外在航空航天、高技术武 器、交通运输、电子仪表以及体育娱乐用品等领域已批量使 用 P/ M 铝基复合材料, 并逐步向高性能和低成本方向迈进, 同时, 规模化应用也不断推动着此类材料的研究开发[ 4- 8, 22] 。 表4 粉末冶金法制备的 SiC/ 6061/ 20w-T6 复合 材料的典型性能[ 12] T able 4 T ypical propert ies of P/M SiC/ 6061/ 20w T 6 composites [ 12] 产品形式 棒材 <12. 7mm 厚管材 1. 25mm 带材 12. 7mm @ 127mm 试样方向 纵向 纵向 纵向 抗拉强度/M Pa 586 600 862 屈服强度/M Pa 441 469 496 延伸率/ % 3. 6 2. 8 2. 4 弹性模量/GPa 121 124 127 密度/ ( g/ cm 3 ) 2. 803 2. 803 2. 860 CT E pP/ ( M/ K) 15. 1 14. 6 14. 8 表 5 P/ M铝基复合材料的典型应用[4- 8, 22] T able 5 T ypical applications of P/M Al matrix composites [ 4- 8, 22] 应用领域 举例 特点 航空、国防 飞机腹鳍, 燃料入口门, 液压传动缸, 导流叶片, 悬翼连接件, 导 弹部件 ( 主鳍和侧鳍) , 坦克履 带, 电子设备架, 液压歧 管 高强度, 高塑性, 高刚度, 低密度, 抗疲劳, 抗冲击性 能好 航天、空间 太空反射镜, 仪表架 高比 刚 度, 低 膨 胀, 高导热, 内应 力小, 高热稳定 电子封装 GPS 电子芯片散热基座 高比 刚 度, 低 膨 胀, 高导热, 尺寸 稳定 汽车 连接杆、气缸套、活塞、气 门弹簧座、变速箱和底盘 部件, 刹车盘 高强 度、高 比 刚 度、耐磨, 低膨胀, 高导热 民用 消费品 自行车框架、赛艇和游艇 的发动机活塞、传动轴, 高尔夫球杆, 棒球和垒球 棒 高比强度, 高比刚 度 其他 高速切削刀架、数控机 器, 核废料存储设备 高热 稳 定, 高 刚 度, 耐磨, 中 子吸 收 P/ M 铝基复合材料最典型的应用之一是 DWA 公司研 制的 2009/ S iC/ 15p-T42 粉末冶金锻造产品已替代钛合金成 功用于 Eurocopt er 公司生产的 EC- 120 和 N 4 直升机旋翼系 统的1 级关键零件上[ 22] 。该材料的模锻件与铝合金件相比 弹性模量提高 40% , 旋转弯曲疲劳强度( 250MPa, 10 7 次循 环)明显高于硬铝合金 2024-T 4 和 7075-T 6( 155~ 180MPa, 10 7 次循环) , 与钛合金相比零件质量大幅降低。图4 为 P/M 铝基复合材料的应用实例, 其中( a) 、( b) 为直升机旋翼连接 件(锻造) , ( c) 、( d)为发动机导流叶( 挤压) , ( e) 、( f) 为 F16 战 斗机腹翼(轧制) [ 19, 22]。 图 4 P/ M铝基复合材料应用实例[ 19, 22] Fig. 4 Typical applications of P/M Al matrix composites [ 19, 22] 另一个重要的应用是 6092/ SiC/ 17. 5p 成功替代石墨/ 环氧复合材料用于波音 777 商用飞机 4xxx 发动机导流叶 片, 这不仅提高了部件的比刚度、耐腐蚀性能、抵抗外来物体 冲击破坏能力, 而且大大降低了零件的加工和维护成本。此 外, 6092/ SiC/ 17. 5p 还成功替代 2024- T4 用作 F16 战斗机腹 鳍, 使其服役寿命延长 400% [ 22] 。 P/M 铝基复合材料在一些对性能要求较高的民用产品 领域也具有较大的应用潜力( 见表 5)。在过去的几年中, P/ M 铝基纳米复合材料赛车零部件的研制也取得了重要进展, 已经研制出可批量生产的纳米复合材料赛车传动轴、活塞以 及齿环等零部件。纳米复合材料部件不仅具有很高的比强 度和比刚度, 还具有较高的常温抗疲劳强度, 其综合性能显 著高于钢、硬铝合金或铝基微米复合材料(见图 5) [ 23]。 目前, 国外正在结合航空航天领域轻量化发展的要求进 行铝基复合材料在空间领域新应用的研究, 因此, 颗粒增强 铝基复合材料逐渐会发展成为航空航天、军事领域不可替代 的重要材料。 我国近年来在颗粒增强铝基复合材料方面取得了突飞 猛进的发展。经过 20 世纪近 20 年的发展, 材料的研制已达 到国际先进水平, 并逐步向高性能、高可靠、低成本、工程化 发展, 主要研究方向已经由材料研发逐步转变为应用技术的 粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用/ 刘彦强等 # 21 #
材料导报:综述篇 2010年12月(上)第24卷第12期 突破和应用推广,如北京有色金属研究总院经过十几年的努数)Tip的T+6AH4V复合材料与Ti6A44V相比,其弹性 力,已经成功研制出具有高强韧、高刚度、耐疲劳的P/M模量从室温到650℃可提高15%,加20%(体积分数)Tip 20o/s/1525p复合材料,该复合材料可通过挤压、轧制、的T6A-4V的弹性模量又可提高10%;复合材料的蠕变速 锻造、机加工等常规加工技术制造出航空航天用大尺寸、复率可以降低1个数量级左右;由于高温性能和刚度的改善, 杂形状零部件,研制能力达到国际先进水平。目前,国内已复合材料的使用温度比T+6A+4V可升高110℃左右。 有几种典型的陶瓷颗粒增强铝基复合材料在航空航天领域 尽管颗粒增强钛基复合材料的研究起步较晩,但较高使 得到初步应用 用温度的发展潜力使其有望进一步向高性能化、低成本化和 实用化发展。由于钛合金的高活性特点,将颗粒增强相原位 合成先进技术与先进材料加工、成形工艺结合起来,将成为 高性能颗粒增强钛基复合材料制备工艺的重要发展方向 OYOT 图5铝基纳米复合材料赛车用配件 Fig 5 Products of racing components made by aluminum 图6用P/MT基复合材料制造的产品 based nanosol Fig. 6 The products maded by P/M Ti matrix composite 2.2钛基复合材料 铝基复合材料的极限工作温度大致在150℃左右,不能23镁基复合材料 镁是自然界中可大量应用的最轻金属材料,其密度仅为 满足高温高性能结构与动力装置的选材要求。从30世纪80铝的2/3。但镁合金的低硬度、低强度、低模量、高膨胀系数 年代中期开始,研制耐热金属基复合材料已成为重要方 其中之一就是钛基复合材料。与未增强的钛合金相比,颗粒 等限制了它的应用。镁基复合材料可以消除或减轻镁合金 增强钛基复合材料(Tc/Ti或T迅3T具有更高的常温和的这些不足,具有低密度、高比强度和比刚度、优良的抗震 高温比刚度、比强度以及蠕变抗力,可替代钛合金、高温合金抗冲击性能”,近年来已成为继铝基复合材料之后又一具有 应用于航空航天等高温使用场合(60~900℃。该材料的竞争力的轻金属基复合材料 应用领域主要集中于飞行器及其发动机的耐热零部件 表6PM镁基复合材料的典型拉伸力学性能{即 早期钛基复合材料的制备多采用工艺简单、成本较低的 熔铸法,但由于钛的活性大,几乎与所有的增强体都发生反 mat rix com positeS able 6 Typical mechanical properties of magnesium 应,激烈的界面反应导致复合材料的性能大幅降低,甚至 体积屈服抗拉 如基材,给钛基复合材料的研究开发造成了很大困难。P/M复合材料分数强度强度延伸率弹性模量制备 方法通过运用冷等静压和热等静压等粉末致密化成型技术, o M Pa M Pa %GPa方法 在远低于熔点的温度范围内即可制备出致密的颗粒增强钛 基复合材料,避免了液相的高活性和高反应性问题。 siCp/CP203043501.0 机械合 金化 钛基复合材料的PM法有2种:(1)直接混合元素粉末 20232250 59干混 ( Blending element.,BE)、中间合金粉或增强颗粒等,经冷压Al2O3 机械磨制 成坏后高温烧结制得致密均匀的材料:(2)合金粉末( Pre at AZ9115 410 基体粉末 loying, PA)高温固结形成块体材料。BE工艺相对简单,成SCp3027333 雾化 本较低,可用来制备对成本要求较高的钛基复合材料。通过 QE22 基体粉末 合理控制粉末工艺可以制备出完全致密的PM钛产品,其 性能可以与传统铸造钛基材料相比。图6为目前采用BE iCp/Z61429839061 6熔体旋 制粉末 和PA方法已经成功研制出的一些产品,其中(a)为丰田汽车Sw/154555812084雾化粉末 上的T+6A4V进气阀(左)和T迅/Ti排气阀(右),(b)为ZK60A155186091.498磨制粉末 TiB/Ti复合材料高尔夫球杆头国。P/M钛基复合材料最早 的产品是20世纪80年代中期美国报道的 Cermetie cerme 镁基复合材料的增强体主要是SiC晶须、SC颗粒、BC Ti系列产品是采用冷/热等静压工艺生产的不同含量T颗颗粒及AlO3短纤维等。采用的制备工艺与铝基复合材料 粒增强的体合金(工+AN)复合材料:如%(体积分:类但由铁的活性高,混杜压制以及成里过程中需要注
突破和应用推广, 如北京有色金属研究总院经过十几年的努 力, 已经成功研制出具有高强韧、高刚度、耐疲劳的 P/ M 2009/ SiC/ 15-25p 复合材料, 该复合材料可通过挤压、轧制、 锻造、机加工等常规加工技术制造出航空航天用大尺寸、复 杂形状零部件, 研制能力达到国际先进水平。目前, 国内已 有几种典型的陶瓷颗粒增强铝基复合材料在航空航天领域 得到初步应用[ 6] 。 图 5 铝基纳米复合材料赛车用配件[ 23] Fig. 5 Products of racing components made by aluminum based nanocomposite [ 23] 2. 2 钛基复合材料 铝基复合材料的极限工作温度大致在 150 e 左右, 不能 满足高温高性能结构与动力装置的选材要求。从 20 世纪 80 年代中期开始, 研制耐热金属基复合材料已成为重要方向, 其中之一就是钛基复合材料。与未增强的钛合金相比, 颗粒 增强钛基复合材料( T iC/ T i 或 T iB2/ T i) 具有更高的常温和 高温比刚度、比强度以及蠕变抗力, 可替代钛合金、高温合金 应用于航空航天等高温使用场合( 600~ 900 e )。该材料的 应用领域主要集中于飞行器及其发动机的耐热零部件 [ 24, 25]。 早期钛基复合材料的制备多采用工艺简单、成本较低的 熔铸法, 但由于钛的活性大, 几乎与所有的增强体都发生反 应, 激烈的界面反应导致复合材料的性能大幅降低, 甚至不 如基材, 给钛基复合材料的研究开发造成了很大困难。P/ M 方法通过运用冷等静压和热等静压等粉末致密化成型技术, 在远低于熔点的温度范围内即可制备出致密的颗粒增强钛 基复合材料, 避免了液相的高活性和高反应性问题。 钛基复合材料的 P/ M 法有 2 种: ( 1) 直接混合元素粉末 ( Blending element, BE) 、中间合金粉或增强颗粒等, 经冷压 成坯后高温烧结制得致密均匀的材料; ( 2) 合金粉末( Pre- a-l loying, PA) 高温固结形成块体材料。BE 工艺相对简单, 成 本较低, 可用来制备对成本要求较高的钛基复合材料。通过 合理控制粉末工艺可以制备出完全致密的 P/ M 钛产品, 其 性能可以与传统铸造钛基材料相比 [25] 。图 6 为目前采用 BE 和 PA 方法已经成功研制出的一些产品, 其中( a)为丰田汽车 上的 T-i 6A-l 4V 进气阀( 左) 和 T iB/ T i 排气阀( 右) , ( b) 为 TiB/ T i复合材料高尔夫球杆头 [25] 。P/ M 钛基复合材料最早 的产品是20 世纪80 年代中期美国报道的CermeT i。CermeT i 系列产品是采用冷/ 热等静压工艺生产的不同含量T iC 颗 粒增强的钛合金( T-i 6A-l 4V) 复合材料。加入 10% ( 体积分 数) T iCp 的 T-i 6A-l 4V 复合材料与 T-i 6A-l 4V 相比, 其弹性 模量从室温到 650 e 可提高 15% , 加 20% ( 体积分数) T iCp 的 T-i 6A-l 4V 的弹性模量又可提高 10% ; 复合材料的蠕变速 率可以降低1 个数量级左右; 由于高温性能和刚度的改善, 复合材料的使用温度比 T-i 6A-l 4V 可升高 110 e 左右[ 26] 。 尽管颗粒增强钛基复合材料的研究起步较晚, 但较高使 用温度的发展潜力使其有望进一步向高性能化、低成本化和 实用化发展。由于钛合金的高活性特点, 将颗粒增强相原位 合成先进技术与先进材料加工、成形工艺结合起来, 将成为 高性能颗粒增强钛基复合材料制备工艺的重要发展方向。 图 6 用 P/M Ti基复合材料制造的产品 Fig. 6 The products maded by P/ M Ti matrix composite 2. 3 镁基复合材料 镁是自然界中可大量应用的最轻金属材料, 其密度仅为 铝的 2/ 3。但镁合金的低硬度、低强度、低模量、高膨胀系数 等限制了它的应用。镁基复合材料可以消除或减轻镁合金 的这些不足, 具有低密度、高比强度和比刚度、优良的抗震、 抗冲击性能 [ 27] , 近年来已成为继铝基复合材料之后又一具有 竞争力的轻金属基复合材料。 表 6 P/ M 镁基复合材料的典型拉伸力学性能[ 12] T able 6 T ypical mechanical properties of magnesium matrix composites [ 12] 复合材料 体积 分数 % 屈服 强度 M Pa 抗拉 强度 M Pa 延伸率 % 弹性模量 GPa 制备 方法 SiCp/CPM g 20 304 350 1. 0 66 机械合 金化 20 232 250 0. 3 59 干混 Al2O3sf/ AZ91 15 - 410 - 58 机械磨制 基体粉末 SiCp/ QE22 30 273 333 - 74 雾化 基体粉末 SiCp/ Z6 14 298 390 6. 1 66 熔体旋 制粉末 SiCw/ ZK60A 15 455 581 2. 0 84 雾化粉末 15 518 609 1. 4 98 磨制粉末 镁基复合材料的增强体主要是 SiC 晶须、SiC 颗粒、B4C 颗粒及 Al2O3 短纤维等。采用的制备工艺与铝基复合材料 类似, 但由于镁的活性高, 混料、压制以及成型过程中需要注 # 22 # 材料导报: 综述篇 2010 年 12 月( 上) 第 24 卷第 12 期
粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用/刘彦强等 2· 意粉末的氧化污染以及安全防护。非连续增强镁基复合材 allurgy,1998.4l(1):25 料的性能与制备工艺有很大关系,许多PM法制备的镁合8AMC. Leading edge MM Cs and po wder mater ials[..P 金比液态金属法制备的镁合金的强度高,粉末冶金法制备的 der M e gy, 1997, 40 2): 102 镁基复合材料也具有优良的性能(见表6)1。 9 Schw artz MM. Processing of Meta M a rix Composites 总体来看,目前镁基复合材料基本还处于研究阶段,尤 Composites, Vol 21. ASM Handbook ( 21): Composits 其是PM工艺,离大规模的商业应用还有一段距离。简化 IM. M a erials Park Ohio: ASM Internat ional, 2001: 1368 现有制备工艺降低制备成本,改善成型性是非连续增强镁10 Chaw la N, Chaw la KK. Metal matrix composites [ M 基复合材料规模化应用的关键。在基础研究方面还有较大 New York: Springer, 2006: 87 的发展空间特别是界面行为及其对镁基复合材料宏观性能 Sur yanaray ana C. M echanical allo ying and milling.Prog 的影响,以及复合材料的变形断裂机制等。 M ater Sci, 2001. 46(12) 12黄伯云,李成功,等.中国材料工程大典第5卷:有色金属材 3结语 料工程(下)[M].北京:化学工业出版社,2006770 尽管PM金属基复合材料的研究与应用己经取得一 13 Bhagat R B. ASM Handbook(7): Pow der metal techn 进展,但要实现规模化应用还需克服许多技术难题,如高性 gies and applicat io ns, ASM Internat ional, 1998: 2090 能铝基复合材料的性能重复性、产品可靠性,以及机加工、连 14 Suresh S. Mortensen A. et al Fundamental of metal mat rix 接、回收等;实现粉末冶金复合材料的低成本化、高性能化、 composites[M]. Oxford: ButterworthH einemann, 1993: 28 工程化,进一步拓展其应用领域。除此之外,国内外还在不 15魏少华.等温锻造对SCp/209A1复合材料力学性能和组 断开发的新材料体系和开拓的新应用领域是 织的影啊D].北京:有色金属研究总院,20 1)研制粉末冶金高温铝基复合材料,提高铝基材料的 16 Mishra R S, Bieler TR, M ukherjee A K. Superplasticity 使用温度,逐步取代某些高成本钛合金。 po wder metallurgy alum inum allo ys and compos ites[J]. Ae a metal Mater, 1995, 43(3): 877 (2)采用高能球磨或机械合金化技术在铝合金或钛合金17 Mahoney m w, et al. Superplasticity in a high strength 材料不仅具有比微米复合材料更高的比强度和比刚度同时-p四9 还具有良好的机加工性能和塑性变形能力。纳米复合材料 t rix composites[ J]. Inter M ater Rev, 1994, 39(1): 1 的开发是航空航天器和汽车轻量化、高性能化的重要途径之19 Surappa m K. Aluminium matrix compos ites: Challenges 也是粉末冶金复合材料的新生长点之一。 and opportunit ies[ J]. S dhan, 2003, 28(12): 319 (3)颗粒增强泡沫铝合金的多孔特征使铝合金具备了轻20 Hunt WH. Comprehensive Composite M ater ial(3):Mtal 质、减振、吸音、吸能、防火等特性,可广泛用作夹层材料、基 mat rix composite[ M]. Oxford: Pergamm, 2000: I 座材料、减震的护罩、汽车防撞结构以及建筑材料等。 21克莱因TW,威瑟斯PJ.金属基复合材料导论[M].北京 参考文献 冶金工业出版社,1996:79 22 M irade D B. ASM H andbook(21): Composites[ M]. Mat I Chawla N, Chaw la KK. Metal matrix composites[ MI rials Park Ohio: ASM Internat ional. 2001: 1043 New york: s 23 DWA Techno lo gies. DWA s Micro Nano M MCs for Per 2GheorgheI,RackHJ.ComprehensiveCompositeMaterialsformanceandRacing.www.dwatechnologies.com (3): Metal matrix compos ites [M ]. Oxford: Pergamon, 24 Hagiw ara M, Arimoto N, Emura S, et al. Mechanical pre 2000:1 perties of particu late reinforced titaniun based me al 3 Schwartz MM. ASM Handbook(21): Compos ites[ M ]: Ma composites produced by the blended elemental P/M ter ials Park Ohio: A SM Intermat io nal, 2001: 13 59 [J. ISI Int,1992.32(8):909 4 Geiger A L, Walker JA. The processing and pro perties of 25 Froes F H. Developments in Titanium P/M[J]. J Met, discontinue usly reinforced aluminum composites[J]. JOM 1980.4:47 26 Abkow itz S. A bkow itz SM. Fisher h. et al. Cermet'i dis 5 Alex ander E, Christopher S M, Andreas M. Metal matrix continuously reinfor ced T+ M at rix composites: M anufact posit es in indust ry: An introduction and a Survey[ M ring, properties and applications[ J]. JOM, 2004(5): 37 Do rdrecht: Kluw er Academ ic Publishers. 2003: 380 27 Ye H Z, Liu X Y. Review of recent studies in mag nes ium 6樊建中,肖伯律徐骏,等. SiCP/ Al复合材料在航空航天领 matrix composit es[ J]. J Mater Sci, 2004, 39( 20): 6153 的应用与发展[J材料导报,2007,21(10):98 (责任编辑张敏) 7 Jerome P. Commercial success for MMCs J]. Pow der Me o1994-2013ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
意粉末的氧化污染以及安全防护。非连续增强镁基复合材 料的性能与制备工艺有很大关系, 许多 P/ M 法制备的镁合 金比液态金属法制备的镁合金的强度高, 粉末冶金法制备的 镁基复合材料也具有优良的性能( 见表 6) [ 12] 。 总体来看, 目前镁基复合材料基本还处于研究阶段, 尤 其是 P/ M 工艺, 离大规模的商业应用还有一段距离。简化 现有制备工艺, 降低制备成本, 改善成型性是非连续增强镁 基复合材料规模化应用的关键。在基础研究方面还有较大 的发展空间, 特别是界面行为及其对镁基复合材料宏观性能 的影响, 以及复合材料的变形断裂机制等。 3 结语 尽管 P/ M 金属基复合材料的研究与应用已经取得一定 进展, 但要实现规模化应用还需克服许多技术难题, 如高性 能铝基复合材料的性能重复性、产品可靠性, 以及机加工、连 接、回收等; 实现粉末冶金复合材料的低成本化、高性能化、 工程化, 进一步拓展其应用领域。除此之外, 国内外还在不 断开发的新材料体系和开拓的新应用领域是: ( 1) 研制粉末冶金高温铝基复合材料, 提高铝基材料的 使用温度, 逐步取代某些高成本钛合金。 ( 2) 采用高能球磨或机械合金化技术在铝合金或钛合金 中加入(或机原位自生) 纳米颗粒或晶须增强体制备的复合 材料不仅具有比微米复合材料更高的比强度和比刚度, 同时 还具有良好的机加工性能和塑性变形能力。纳米复合材料 的开发是航空航天器和汽车轻量化、高性能化的重要途径之 一, 也是粉末冶金复合材料的新生长点之一。 ( 3) 颗粒增强泡沫铝合金的多孔特征使铝合金具备了轻 质、减振、吸音、吸能、防火等特性, 可广泛用作夹层材料、基 座材料、减震的护罩、汽车防撞结构以及建筑材料等。 参考文献 1 Chawla N, Chaw la K K. Metal matrix composites[ M] . New Yo rk: Spring er, 2006: 1 2 Gheo rg he I, Rack H J. Compr ehensive Composite Materials ( 3) : Metal matrix composites [ M ] . Ox for d: Perg amon, 2000: 1 3 Schwa rtz M M. ASM H andboo k ( 21) : Composites[ M] : Materials Park Ohio: ASM Internatio nal, 2001: 1359 4 Geiger A L, Walker J A. T he pr ocessing and pro perties of discontinuo usly r einfor ced aluminum composites[ J] . JOM, 1991, 8: 8 5 Alex ander E, Christo pher S M , Andreas M . Metal matrix composit es in indust ry: An intr oduction and a Survey [ M] . Do rdrecht: Kluw er Academic Publishers, 2003: 380 6 樊建中, 肖伯律, 徐骏, 等. SiCp/ Al 复合材料在航空航天领 域的应用与发展[ J] . 材料导报, 2007, 21( 10) : 98 7 Jerome P. Commer cial success for MMCs[ J] . Pow der Metallurg y, 1998, 41( 1) : 25 8 AMC. Leading edge MMCs and powder materials[ J] . Powder M et allur gy , 1997, 40( 2) : 102 9 Schw artz M M. Processing of Meta-l M at rix Compo sites, Composites, Vol 21, ASM Handbo ok ( 21) : Composits [ M] . M at erials Par k Ohio: ASM I nter nat ional, 2001: 1368 10 Chaw la N, Chaw la K K. Meta l matrix composites [ M ] . New Yor k: Springer, 2006: 87 11 Sur yanaray ana C. M echanical allo ying and milling[ J] . Pro g Mater Sci, 2001, 46( 1- 2) : 1 12 黄伯云, 李成功, 等. 中国材料工程大典第 5 卷: 有色金属材 料工程( 下) [ M] . 北京: 化学工业出版社, 2006: 770 13 Bhagat R B. ASM H andboo k ( 7) : Pow der metal techno log ies and applicatio ns, ASM I nter nat ional, 1998: 2090 14 Sur esh S, Mo rtensen A, et a l. Fundamental o f metal mat rix compo sites[ M] . Ox fo rd: Butterwo rth-H einemann, 1993: 28 15 魏少华. 等温锻造对 SiCp/ 2009Al 复合材料力学性能和组 织的影响[ D] . 北京: 有色金属研究总院, 2009 16 Mishra R S, Bieler T R, M ukherjee A K. Superplasticity in powder metallurg y alum inum allo ys and composites[J] . Acta metal Mater, 1995, 43( 3) : 877 17 Mahoney M W, et al. Super plasticity in a high strength pow der aluminum[ J] . Metal T rans A, 1987, 18( 5) : 653 18 Lloy d D. Part icle r einf orced aluminium and mag nesium mat rix composites[ J] . Inter M ater Rev , 1994, 39( 1) : 1 19 Surappa M K. Aluminium matrix composites: Challenges and oppo rtunities[ J] . S dhan , 2003, 28( 1- 2) : 319 20 H unt W H . Comprehensive Composite Materials ( 3) : M et al mat rix composite[ M] . Ox for d: Per gamm, 2000: 1 21 克莱因 T W, 威瑟斯 P J. 金属基复合材料导论[ M ] . 北京: 冶金工业出版社, 1996: 79 22 Mir acle D B. ASM H andbook ( 21) : Composites[ M] . Materials Par k Ohio: ASM Inter nat ional, 2001: 1043 23 DWA Techno lo gies. DWAcs Micro & Nano M MCs for Perfo rmance and Racing. ww w. dw atechno log ies. com 24 Hag iw ara M , Arimoto N, Emura S, et al. Mechanical pr operties of particulate r einfor ced titanium- based met al mat rix compo sites pr oduced by the blended elemental P/ M route [J] . ISIJ Int, 1992, 32( 8) : 909 25 Fr oes F H. Dev elopments in Titanium P/ M [ J] . J M et, 1980, 4: 47 26 Abkow itz S, Abkow itz S M, Fisher H, et al. CermeTi disco ntinuously reinfor ced T-i M at rix composites: Manufacturing , pro perties and applicatio ns[ J] . JOM , 2004( 5) : 37 27 Ye H Z, Liu X Y. Rev iew o f r ecent studies in mag nesium matrix composit es[ J] . J Mater Sci, 2004, 39( 20) : 6153 ( 责任编辑 张 敏) 粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用/ 刘彦强等 # 23 #