鋁基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

材料包括身體相位和增強(qiáng)相位。根據(jù)增強(qiáng)相的類(lèi)型和特性，建筑材料可分為纖維增強(qiáng)、纖維增強(qiáng)和厚帶增強(qiáng)。在鋁基復(fù)合材料中,除了上述的幾類(lèi)外,還有一類(lèi)可命名為功能復(fù)合材料,如:釬焊用鋁合金復(fù)合板,釬焊式熱交換器用鋁合金復(fù)合箔,正常包鋁的2A11、2017、2024、7075鋁合金,工藝包鋁的2A11、2014、2024、2017、5A06、7075鋁合金等。它們被制成復(fù)合材料并不是為了獲得比單體合金具有更高強(qiáng)度的材料,而是為了焊接與提高材料的抗腐蝕性能,或滿(mǎn)足工藝方面的要求。1復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)通常把復(fù)合材料的發(fā)展分為三個(gè)階段:第一階段,1942年美國(guó)一家公司發(fā)明玻璃鋼,它是一種玻璃纖維強(qiáng)化的高分子材料基復(fù)合材料,20世紀(jì)60年代進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)。第二階段是碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的研發(fā)階段,始于20世紀(jì)60年代,提高于70年代,80年代推廣應(yīng)用。第三階段,纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(MMC)問(wèn)世與推廣應(yīng)用階段,除金屬?gòu)?fù)合材料外,還有陶瓷基的、玻璃基的、碳基的,它們已在交通運(yùn)輸裝備、能源技術(shù)、信息技術(shù)、高技術(shù)生物工程等多個(gè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。當(dāng)代復(fù)合材料的主體是以金屬、陶瓷等作基體材料,纖維增強(qiáng)材料多為碳纖維、硼纖維、SiC纖維等。雖然這些復(fù)合材料有優(yōu)秀的性能,能滿(mǎn)足航空航天、汽車(chē)、船舶艦艇,以及一些尖端領(lǐng)域制造某些零部件的需要,但是由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜,價(jià)格高,成為廣泛應(yīng)用的主要障礙。復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)是:進(jìn)一步提高先進(jìn)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的性能;對(duì)復(fù)合材料界面問(wèn)題作深入的了解,使影響界面性能的各項(xiàng)參數(shù)成為可控的;建立與健全復(fù)合材料力學(xué);復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能化;進(jìn)一步研發(fā)功能復(fù)合材料;大力開(kāi)發(fā)新的成本較低的制造工藝;推廣復(fù)合材料應(yīng)用,開(kāi)拓應(yīng)用新領(lǐng)域;報(bào)廢復(fù)合材料件的回收與利用;等等。由于材料復(fù)合于一起的性能指標(biāo)遠(yuǎn)大于各組成材料該項(xiàng)性能指標(biāo)的總和,其應(yīng)用潛力會(huì)越來(lái)越大,到2030年飛機(jī)用的復(fù)合結(jié)構(gòu)板材的比例可占全部板材的70%,各種復(fù)合材料在汽車(chē)中的用量有可能超過(guò)單體鋁合金的。1.1環(huán)保材料的性能總體上復(fù)合材料是非均質(zhì)的,性能是各向異性的,與均質(zhì)的其他材料相比它們有一些突出特性。1.1.1提高裝備零部件的利用效率比強(qiáng)度越大工件的自身質(zhì)量就越輕,比彈性模量越高零件的剛性也越大。采用這兩種性能高的復(fù)合材料制造動(dòng)力裝備零部件可大大提高它們的效率。在常用的各類(lèi)復(fù)合材料中,纖維增強(qiáng)的具有最高的比強(qiáng)度與比彈性模量,例如用碳纖維增強(qiáng)的7075-T6鋁合金的彈性模量為單質(zhì)合金的10倍,而沿纖維方向的抗拉強(qiáng)度比單質(zhì)合金的大72%。顯然,這對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)件與需減輕自身質(zhì)量的交通運(yùn)輸裝備及工程構(gòu)件等均有重要意義。1.1.2疲勞引起的破壞工件在疲勞負(fù)載作用下的斷裂是材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的結(jié)果,而疲勞破壞就是裂紋不斷擴(kuò)展所發(fā)生的突然斷裂,交通運(yùn)輸裝備許多零部件的失效是由疲勞引起的。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的纖維與基體間的界面能夠有效地阻滯疲勞裂紋擴(kuò)展,外加載荷由增強(qiáng)纖維承擔(dān)。疲勞裂紋或破壞往往從材料的最薄弱處開(kāi)始,逐漸擴(kuò)展到結(jié)合面上。大多數(shù)金屬材料的疲勞強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度Rm的30%~50%,而復(fù)合材料的則可達(dá)到60%~80%。1.1.3提高質(zhì)材料的耐磨性用SiC粒子強(qiáng)化的6061鋁合金制造的山地自動(dòng)車(chē)輪圈的抗拉強(qiáng)度比單質(zhì)材料的高8%,而且耐磨性則提高了2.5倍。用SiC粒子增強(qiáng)的Al-20Si復(fù)合鑄造鋁合金的耐磨性與鑄鐵的相當(dāng),而其質(zhì)量卻只有鑄鐵的1/3左右,這對(duì)汽車(chē)的輕量化極為有利,已用于制造汽缸內(nèi)套、活塞、剎車(chē)盤(pán)等。1.1.4金屬基復(fù)合材料在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中,除玻璃纖維軟化點(diǎn)(700℃~900℃)較低外,其他纖維的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)一般都超過(guò)2000℃。它們與金屬基制備的復(fù)合材料既有高的強(qiáng)度又有高的彈性模量。例如鋁合金在溫度達(dá)到400℃時(shí),抗拉強(qiáng)度從室溫時(shí)的200N/mm2~600N/mm2降至0.3N/mm2~0.5N/mm2,而彈性模量幾乎下降到零。若用碳纖維或硼纖維增強(qiáng)后,復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量即使溫度升至400℃仍可以大體保持不變。1.1.5零件性能要求通過(guò)增強(qiáng)材料的形狀、排布、含量的調(diào)整、可滿(mǎn)足零部件、構(gòu)件對(duì)材料強(qiáng)度、剛度等性能的要求,且材料與工件可一次成形,零部件、緊固件和接頭數(shù)可大為減少,材料利用率大為提高。1.1.6物理性能和導(dǎo)電性能復(fù)合材料具有耐燒蝕性、耐輻射性、耐蠕變性與耐熱性、特殊的物理性能(光、電、磁等),高的韌性和抗熱沖擊性,隔熱性強(qiáng),且有一定的導(dǎo)電性。不過(guò),抗剪強(qiáng)度低,硬度也不高,穩(wěn)定性差,易老化,品質(zhì)不易控制,成本也高等。1.2按組成和材料分類(lèi)通常,復(fù)合材料按下列方法分類(lèi):(1)按用途,可分為結(jié)構(gòu)型與功能型的兩類(lèi)。(2)按組成,可分為分散(摻和)型的、層狀型或接合型的、梯度型的等。(3)按基體材料,可分為金屬基的、陶瓷基的、高分子基的,等等。(4)按強(qiáng)化相材料形態(tài),可分為顆粒(粒子)彌散強(qiáng)化的、晶須強(qiáng)化的、纖維強(qiáng)化的等。1.3試驗(yàn)結(jié)果和原因鋁及鋁合金很適合作金屬基復(fù)合材料的基體。鋁的資源豐富,容易獲得,價(jià)格合理,密度小,質(zhì)量輕,比強(qiáng)度與比彈性模量大,熔點(diǎn)不高,可塑性良好,制造工藝與設(shè)備不甚復(fù)雜,易于與增強(qiáng)材料復(fù)合和進(jìn)行第二次加工,此外,還有很好的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性、抗蝕性等。這些都是復(fù)合材料為滿(mǎn)足使用要求所應(yīng)具備的特性,也是鋁基復(fù)合材料得到快速發(fā)展的主要原因。當(dāng)前鋁基復(fù)合材料所使用的基體有:工業(yè)純鋁,鑄錠冶金變形鋁合金,粉末冶金變形鋁合金,鑄造鋁合金,先進(jìn)的新型鋁合金。在鑄錠冶金變形鋁合金中,多采用熱處理可強(qiáng)化的,如2014、2024、2124、2219、2618、6061、7975、7475鋁合金等,一般不采用含Mn和Cr的鋁合金,因?yàn)樗鼈儠?huì)形成脆性相。在粉末冶金變形鋁合金中可用上述的鑄錠冶金變形鋁合金制成的粉末作復(fù)合材料基體,常用的有6061、7064、8090鋁合金等。鑄造鋁合金中主要使用A356(ZL101)、A357及其他含硅量高的鋁合金等。鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)體可分為連續(xù)的(長(zhǎng)的)纖維、非連續(xù)的(短的)纖維、晶須和顆粒。增強(qiáng)材料應(yīng)具有高強(qiáng)度、高彈性模量、抗疲勞、耐熱、耐磨、抗腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、潤(rùn)濕性、化學(xué)相容性、易加工成形等特性。作為鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維有:硼纖維、碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、芳綸纖維(Kevlar、Aramid等)、硅酸鋁纖維、氮化鋁纖維等,還有它們中間的短纖維、晶須和顆粒。纖維增強(qiáng)材料的性能見(jiàn)表1及表2。1.4鋁基復(fù)合材料在儀表結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的有用SiC增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料,它具有高的比彈性模量。日本一公司用SiC顆粒增強(qiáng)的6N01鋁合金(相當(dāng)于6061鋁合金)制造山地自行車(chē)的輪圈,它的抗拉強(qiáng)度比6061鋁合金的高8%,而耐磨性卻提高了2.5倍。用SiC顆粒增強(qiáng)的Al-20Si鑄造鋁合金制造的發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)套的耐磨性與鑄鐵件的相等,而其質(zhì)量卻只有鑄鐵件的1/3,還可用這種材料制造需要有高耐磨性的汽缸內(nèi)套、活塞、剎車(chē)盤(pán)等。短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用受到普遍關(guān)注,例如局部增強(qiáng)內(nèi)燃機(jī)活塞,其頂部是由氧化短纖維或氧化鋁和二氧化硅短纖維混雜增強(qiáng)的Al-Si合金基復(fù)合材料構(gòu)成。日本本田汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)成功由不銹鋼絲增強(qiáng)的鋁基合金連桿,這種材料的比強(qiáng)度和彈性模量為基體鋁合金的2倍,而這種材料連桿的質(zhì)量卻比鋼桿的輕30%,對(duì)1.2L的汽油機(jī)來(lái)說(shuō),燃油經(jīng)濟(jì)性改善了5%。該公司還成功地用鋁基復(fù)合材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)槽,先把增強(qiáng)體硅酸鋁纖維和氧化鋁纖維做成環(huán)狀物置于鑄模內(nèi),然后澆鑄鋁合金制成錠,再擠壓成鋁基復(fù)合材料活塞,其性能和壽命遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的鑄鐵環(huán)槽鑲塊的高。復(fù)合材料活塞已獲得相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。2000年國(guó)外又推出氧化鋁纖維增強(qiáng)活塞頂?shù)匿X活塞,進(jìn)一步擴(kuò)大了這種復(fù)合材料在活塞上的應(yīng)用。鋁基復(fù)合材料在美國(guó)較多地用于制造剎車(chē)輪,因?yàn)樗馁|(zhì)量比鑄鐵的輕30%~60%,同時(shí)它的熱導(dǎo)率高,最高工作溫度可達(dá)450℃。2005年以來(lái),世界主要汽車(chē)公司如奔馳、沃爾沃、菲亞特、通用、福特、豐田等都對(duì)鋁基復(fù)合材料剎車(chē)系統(tǒng)(制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)鼓)的研發(fā)與推廣應(yīng)用做了許多工作,例如用鋁基復(fù)合材料制造踏板、制動(dòng)鉗。用復(fù)合鋁材制造的制動(dòng)鉗不但質(zhì)量輕,而且最主要的是剛度大,這種制動(dòng)鉗已用于賽車(chē),由于價(jià)格高限制了大量應(yīng)用。當(dāng)前,鋁基復(fù)合材料主要用于制造柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞,在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用還不普遍,因?yàn)檠趸X和氧化硅短纖維增強(qiáng)的鋁合金會(huì)發(fā)生熱疲勞斷裂,采用陶瓷纖維預(yù)型坯可在較大程度上解決此問(wèn)題,提高活塞壽命,世界上一些大的汽車(chē)公司已采用陶瓷纖維增強(qiáng)鋁合金活塞。福特汽車(chē)公司及法國(guó)雷諾汽車(chē)公司用碳、硅纖維增強(qiáng)的鋁合金制造驅(qū)動(dòng)軸,顯著提高了軸的剛度。用鋁基復(fù)合材料制造輪胎螺栓可使其質(zhì)量降低50%。2009年,全球汽車(chē)工業(yè)消費(fèi)的鋁基復(fù)合材料估計(jì)已達(dá)15kt,但隨著材料性能的不斷提高,價(jià)格的日益下降,鋁基復(fù)合材料在汽車(chē)中的應(yīng)用將更廣闊,在到2020年為止的這段時(shí)間內(nèi),這種材料在世界汽車(chē)中應(yīng)用量的年平均增長(zhǎng)率可達(dá)7.5%。上述的用量不含鋁-錫復(fù)合軸承合金與散熱復(fù)合鋁箔。1.5鋁基軸承合金是一種趨勢(shì)用軋制工藝將兩種或兩種以上的鋁與其他金屬軋制成板材的復(fù)合材料如鋁-鋼復(fù)合的鋁基軸承合金、鋁-鋁復(fù)合的汽車(chē)板等。軸承如圖1所示,當(dāng)軸在軸承中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),軸瓦的軟基體受到磨損,使軸與軸承形狀得到十分搭配的吻合,而硬質(zhì)點(diǎn)呈顯微突出,軸頸就架在這些質(zhì)硬質(zhì)點(diǎn)上,減少軸頸與軸承的接觸面積,從而減少磨損。在軸頸與軟基體間空隙中,可以?xún)?chǔ)存潤(rùn)滑油,進(jìn)一步減少摩擦。若偶然落入鐵屑或砂粒等硬雜物,則可被壓入軟基體中,不致劃傷軸頸。隨著汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)向高速、重載、增壓強(qiáng)化方向發(fā)展,軸承的工作條件更加惡化。因此,對(duì)軸承材料提出了更高的要求。鋁基軸承合金基本上具備了軸承合金的特點(diǎn),在汽車(chē)上的應(yīng)用日益增多。軸承合金應(yīng)具備的性能有:良好的減摩性能與可潤(rùn)滑性,為此軸承合金軸瓦與軸之間的摩擦因數(shù)應(yīng)小;一定的抗壓強(qiáng)度與硬度,能承受轉(zhuǎn)動(dòng)著的軸施加的壓力,但硬度不宜過(guò)高,以免磨損軸頸;良好的塑性和沖擊韌性,以能承受震動(dòng)和沖擊載荷,使軸與軸承始終配合良好;表面性能良好,即有良好的抗咬合性、順應(yīng)性和嵌藏性;有良好的導(dǎo)熱性與抗蝕性;熱膨脹系數(shù)小。常用的鋁基軸承合金有兩類(lèi)。此合金中w(Sb)=40%,w(Mg)=0.3~0.7%,其余為Al。其軟基體組織為含Mg的鋁固溶體,化合物AlSb為硬質(zhì)點(diǎn),加入少量鎂可起固溶強(qiáng)化作用,提高強(qiáng)度性能。該合金與08鋼板一起軋制成雙金屬?gòu)?fù)合板,生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,成本低,具有較高的疲勞強(qiáng)度和耐磨性,但承載能力不大,適于制造負(fù)載低于2000N/mm2、滑動(dòng)速度低于10m/s的軸承。1.5.2固溶強(qiáng)化作用Al-Sn-Cu軸承合金為w(Sn)=20%、w(Cu)=1%的鋁合金,其組織是在硬的鋁基體上均勻地分布著軟的錫質(zhì)點(diǎn)。加入的少量銅溶于鋁中,起一定的固溶強(qiáng)化作用。這種合金也以08鋼為襯背,軋制成復(fù)合雙金屬帶,其特點(diǎn)是:較高的疲勞強(qiáng)度、耐熱性、耐磨性和抗蝕性,生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便,成本也不高,可制造負(fù)載高達(dá)3200N/mm2與滑動(dòng)速度低于13m/s的軸承。目前它已替代其他軸承合金,用于制造汽車(chē)、拖拉機(jī)和內(nèi)燃機(jī)車(chē)等的軸承。鋁基軸承合金的主要缺點(diǎn)是線膨脹系數(shù)大,因此使用中要有較大的配合間隙,同時(shí)制造工藝較為復(fù)雜,與錫基軸承合金相比,硬度較高,修復(fù)中刮削較為困難等。1.5.3諾力量鋁合金公司這種復(fù)合板帶材是用整體鑄造的復(fù)合錠軋制的,生產(chǎn)這種復(fù)合板帶材的關(guān)鍵是先鑄得由兩種或三種鋁合金構(gòu)成的整體錠,其他的生產(chǎn)工藝與常規(guī)鑄錠熱軋-冷軋法的相同,當(dāng)今能工業(yè)化鑄造這種錠的企業(yè)只有諾威力鋁業(yè)公司(Novelis),該公司在其美國(guó)洛根(Logan)鋁業(yè)公司、韓國(guó)的諾威力-大韓鋁業(yè)公司的蔚山軋制廠、瑞士的謝爾鋁業(yè)公司建成這類(lèi)鑄錠生產(chǎn)線,主要用于生產(chǎn)汽車(chē)散熱箔與復(fù)合板帶材。汽車(chē)大部分鈑金件都要經(jīng)過(guò)沖制成形或折邊咬合,芯層為強(qiáng)度高的鋁合金而表層為成形好的或裝飾性好的鋁合金構(gòu)件的復(fù)合材料,可以圓滿(mǎn)地解決這些問(wèn)題。諾威力鋁業(yè)公司正在著力做這方面的工作,以開(kāi)拓復(fù)合鋁板帶在汽車(chē)中的應(yīng)用。除以上汽車(chē)復(fù)合板外,還有釬焊用鋁合金復(fù)合板、帶、箔用于制造汽車(chē)熱交換系統(tǒng)的散熱元件,以前已有專(zhuān)文論述。2朱晶和晶體需要提高鋁基材料的制造能力2.1顆粒增強(qiáng)材料和晶須增強(qiáng)體的選擇應(yīng)用首先是選擇增強(qiáng)材料顆?；蚓ы?選擇顆?；蚓ы毜闹饕獏?shù)是:彈性模量,抗拉強(qiáng)度,密度,熔點(diǎn),熱穩(wěn)定性,熱脹系數(shù),尺寸穩(wěn)定性,與基體的相容性,成本等。目前顆粒增強(qiáng)材料有C、SiC、Al2O3、TiB2、TiC、AlN、B4C、BiN、Si3N4等;晶須增強(qiáng)材料有C、SiC、Al2O3、Si3N4等(表3、4)。為了使基體與增強(qiáng)體能很好地復(fù)合在一起,還必須對(duì)增強(qiáng)體和基體進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?其方法有:在顆粒表面使用涂層,如Ni、Cu等;對(duì)顆粒進(jìn)行熱處理;用某些鹽的水溶液處理顆粒,或用有機(jī)溶劑清洗;通過(guò)合金化改善潤(rùn)濕性和控制界面反應(yīng)。2.2制造方法制造顆粒與晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要方法有:浸滲鑄造法、攪拌鑄造法、粉末冶金法、噴射法和反應(yīng)合成法(原位復(fù)合法),見(jiàn)圖2。2.2.1sicw/al復(fù)合材料及sicp/al復(fù)合材料的制備工藝浸滲鑄造法可分為機(jī)械壓力、氣體壓力、助滲劑無(wú)壓浸滲法與離心鑄造法。機(jī)械壓力浸滲法可制備SiCW增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。首先是制備晶須塊而后進(jìn)行壓鑄:將晶須預(yù)熱到700℃,模具加熱到300℃,澆入760℃的鋁合金熔體,施加12N/mm2壓力,使鋁熔體滲入晶須塊(圖3)。一般顆粒預(yù)制塊的浸滲壓力比纖維或晶須預(yù)制塊的壓力大5~10倍。SiCW/Al復(fù)合材料及SiCp/Al復(fù)合材料的性能見(jiàn)表5及表6。氣體壓力浸滲鑄造法是將增強(qiáng)體用粘結(jié)劑粘結(jié)成預(yù)制塊,放入密閉模腔內(nèi),加熱并抽真空,然后用較低的氣體壓力(大都在十幾N/mm2以下)將鋁熔體壓入模腔,冷卻凝固后制得成形的構(gòu)件(圖4)。助滲劑無(wú)壓浸滲法是在空氣中,通過(guò)助滲劑使鋁熔體滲入增強(qiáng)顆粒制取復(fù)合材料的工藝(圖5)。攪拌鑄造法?？煞中郎u、半固態(tài)、團(tuán)塊、熔劑、超聲、真空攪拌鑄造法等。該法是將增強(qiáng)材料如石墨、SiC、Al2O3等顆粒投入鋁熔體中,通過(guò)強(qiáng)力攪拌,澆鑄成復(fù)合材料的方法。旋渦攪拌鑄造法見(jiàn)圖6。攪拌鑄造法生產(chǎn)的鋁合金的力學(xué)性能見(jiàn)表7。加拿大鋁業(yè)公司的子公司(Dural鋁基復(fù)合材料公司)采用真空攪拌鑄造法(Dural法)生產(chǎn)商品名稱(chēng)為Duralcan的復(fù)合材料,在航空器與汽車(chē)制造中獲得了應(yīng)用。Duralcan的性能見(jiàn)表8~表10?？捎么朔ㄉa(chǎn)壓力加工用的錠,也可以生產(chǎn)鑄件及重熔錠。離心鑄造法是根據(jù)工件要求,借助離心力作用,把增強(qiáng)顆粒分布于鑄件外表面或內(nèi)表面的工藝。這種方法可使工件表層有一定厚度的復(fù)合材料,用來(lái)制造外表面或內(nèi)表面有特殊性能要求的工件。2.2.2納米鋁基復(fù)合材料熱壓加工常規(guī)粉末冶金法首先是將增強(qiáng)體(通常是SiC、Al2O3等的顆粒、晶須或短纖維)和激冷微晶鋁合金粉末用機(jī)械手段均勻混合,冷壓實(shí),然后加熱除氣,在液相線與固相線之間進(jìn)行真空熱壓燒結(jié),制得復(fù)合材料坯料,再將坯料熱擠壓等熱壓加工就可制得所需要的零部件(圖7);或者把混合粉末裝于鋁包套內(nèi),依次進(jìn)行冷壓實(shí)、加熱除氣、熱壓燒結(jié)、去包套、熱擠或熱軋、熱處理等工序也能制得致密的鋁基復(fù)合材料。在表11中示出了粉末冶金鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能。2.2.3噴射沉積工藝該法獲得應(yīng)用的有噴射分散法、噴射共沉積法、噴射條帶法等。其中英國(guó)Osprey公司的噴射沉積成形示意圖見(jiàn)圖8。如果同時(shí)用幾個(gè)噴嘴噴射幾種增強(qiáng)顆粒便可制得共沉積金屬基復(fù)合材料。用噴射沉積法生產(chǎn)的鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能見(jiàn)表12。噴射共沉積工藝的基本原理是在噴射沉積過(guò)程中,把具有一定動(dòng)量的顆粒增強(qiáng)相強(qiáng)制噴入霧化液流中,使熔融金屬和顆粒增強(qiáng)相共同沉積到運(yùn)動(dòng)基體上,制成顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料沉積坯。噴射共沉積工藝的基本原理如圖9所示。Al-Si合金在汽車(chē)中的應(yīng)用最為廣泛,約占汽車(chē)總用鋁量(2009年)的65%。采用不同工藝制備的Al-Si合金的室溫力學(xué)性能比較見(jiàn)表13。Al-Si合金優(yōu)良的耐磨性、低的線膨脹系數(shù)使其在汽車(chē)、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)加入增強(qiáng)顆粒,如SiC、Al2O3,可進(jìn)一步提高合金的耐磨性能,而通常的攪拌鑄造法存在著初晶硅粗化、增強(qiáng)顆粒團(tuán)聚、含量低等缺點(diǎn)。大量的研究表明,增強(qiáng)顆粒尺寸、含量以及分布對(duì)鋁基復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響較大。因此,獲得組織均勻、增強(qiáng)顆粒含量高且均勻分布的復(fù)合材料成為關(guān)鍵。陳振華等利用坩堝移動(dòng)式噴射沉積工藝制備了A359/15%SiCp復(fù)合材料,顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料A359/SiCp采用坩堝移動(dòng)式噴射沉積工藝制備材料如圖10所示?；w合金采用A359,成分見(jiàn)表14。熔融的合金在高壓惰性氮?dú)庾饔孟峦ㄟ^(guò)雙環(huán)霧化器霧化成液體顆粒,在此過(guò)程中SiC顆粒被加入到霧化錐中,霧化器沿沉積基體徑向方向不斷掃描,隨后霧化液滴以及被捕獲的SiC顆粒逐層沉積在經(jīng)過(guò)預(yù)熱的沉積基體上,形成沉積坯料。他們的研究結(jié)果為:(1)利用新型的移動(dòng)坩堝自動(dòng)化控制噴射沉積環(huán)坯制備技術(shù)及裝置,研究了大尺寸鋁基復(fù)合材料環(huán)坯的制備規(guī)律,討論了噴射沉積工藝參數(shù)對(duì)沉積坯形成過(guò)程的影響,得到了最佳工藝參數(shù):導(dǎo)流管直徑D=3.8mm,霧化氣體壓力p=0.8MPa,噴射高度H=200mm,SiC顆粒輸送壓力p返=0.5MPa,制備出了不同硅含量的鋁基復(fù)合材料環(huán)坯,其尺寸為ue7881200mm×ue788600mm×100mm,形狀良好,沉積坯組織均勻、初晶硅尺寸在5μm以下,增強(qiáng)顆粒分布均勻,增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)約為15%。鋁基復(fù)合材料的硬度和抗拉強(qiáng)度隨硅含量的增加而提高,熱處理可以進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能。(2)針對(duì)大尺寸鋁基復(fù)合材料環(huán)坯的致密化要求以及尺寸特征,基于坯件多次小變形累積實(shí)現(xiàn)大變形的思想,發(fā)展了一種新型的楔形壓制致密化技術(shù)及裝置,研究了楔壓工藝參數(shù)對(duì)致密化過(guò)程及材料性能的影響。楔壓致密化處理后,噴射沉積坯料中的孔隙得到消除,SiC顆粒與基體間的界面結(jié)合得到改善,故材料的力學(xué)性能得到大幅度的提高。(3)MM1000摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著鋁基復(fù)合材料基體合金中硅含量的增加,摩擦副的磨損率大幅度降低,當(dāng)w(Si)分別為9%,12%和20%時(shí),鋁基復(fù)合材料的磨損率分別為11.1×10-5mm3/J、6.7×10-5mm3/J和3.6×10-5mm3/J,配副的合成閘片的磨損率分別為1.43×10-3mm3/J、1.13×10-3mm3/J和0.97×10-3mm3/J,摩擦副的摩擦因數(shù)保持在0.31~0.34之間;熱處理工藝可以明顯提高Al-20%Si/15%SiCp復(fù)合材料的耐磨性能,將其磨損率降低到2.0×10-5mm3/J,閘片的磨損率降到0.5×10-3mm3/J,而摩擦因數(shù)在0.32左右Al-20%Si/15%SiCp復(fù)合材料經(jīng)楔壓致密化處理后,摩擦副的摩擦因數(shù)為0.34,磨損率進(jìn)一步降低,鋁基復(fù)合材料和閘片的磨損率分別為1.5×10-5mm3/J和0.58×10-5mm3/J;楔壓Al-20%Si/15%SiCp復(fù)合材料/合成閘片的摩擦副表現(xiàn)出較低的速度和壓力依賴(lài)性,并且其摩擦磨損性能優(yōu)于鑄鐵/合金閘片摩擦副。鋁基復(fù)合材料的磨損機(jī)制為:因犁溝效應(yīng)使摩擦層產(chǎn)生塑性變形,因塑性變形而在局部區(qū)域內(nèi)微孔隙或弱界面結(jié)合處形成大量微小裂紋,裂紋在應(yīng)力作用下不斷長(zhǎng)大并向塑性變形層內(nèi)部擴(kuò)展,裂紋的最終大小以及擴(kuò)展深度受材料性能的影響,并最終根據(jù)裂紋的大小和擴(kuò)展深度使材料表現(xiàn)出層狀剝離、塊狀剝落以及增強(qiáng)顆粒的剝落和破碎等幾種磨損機(jī)制,同時(shí)伴有氧化磨損。(4)在國(guó)內(nèi),首次采用噴射沉積+楔壓致密化工藝制備出了鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤(pán)試樣,其尺寸大小與實(shí)際使用的制動(dòng)盤(pán)相同,并與自制的合成閘片試樣配對(duì)進(jìn)行了1∶1臺(tái)架試驗(yàn),