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第三章金属复合材料的制备与加工
粉末冶金(P/MPowderMetallurgy)
粉末冶金(PowderMetallurgy,略为P/M)复合法适合于分散强化型复合材料(颗粒、晶须或纤维强化型复合材料)的制备与成形,其基本原理与工艺过程与常规的粉末冶金法相同。
粉末冶金复合法包括烧结成形法(近终形烧结、或烧结后直接机加工成零部件)、烧结制坯+塑性加工成形法等。
对于颗粒弥散强化金属基复合材料,按照强化颗粒是预先加入基体粉末之中,还是在烧结过程中利用高温下的化学反应获得的,粉末冶金复合法又可分为强化颗粒掺入复合法(常规复合法)与原生复合法。
优点:
基体金属(合金)的成份可以自由选择。
可以采用一些只有采用快速凝固法才能制得的粉末合金做基体材料。
强化颗粒的种类、尺寸可以较自由地选择,还可以同时选用几种不同的颗粒做强化相(多种颗粒混杂强化)。
强化颗粒添加量的范围广。
较容易实现强化颗粒的均匀分散(除微细颗粒)。
缺点:
(1)工艺较复杂,成本高;
(2)固化方法主要采用烧结、热压、挤压等方法,制品的尺寸与形状受限制;
(3)除采用原生复合法外,由于颗粒的凝聚作用,微细强化颗粒(1m以下)的均匀分散通常很困难,颗粒与基体之间的界面不如铸造复合法好(颗粒表面的污染不易被除去而带入基体中)。
(1)原料
基体金属与强化颗粒均为粉末状原料。
从提高强化效果,增加强化颗粒含量的要求来看,希望基体金属粉末与强化颗粒越细越好。
但如上所述,颗粒越细,其凝聚性越大,且单位重量(或体积)的颗粒数迅速增加。所以,要使1m以下的微细强化颗粒均匀分散于基体之中反而很困难。
通常,基体金属粉末的平均粒度为十几~数十m,而强化颗粒的平均粒度为几~十几m。
(2)混合
通常采用高能量球磨机等进行混合,这种方法也称为机械合金化法(MechanicalAlloying:MA),(Ni-Y2O3)而开发的。
为了防止混合过程中粉末的发热、氧化,混合容器的外周采用水冷,而内部则通入惰性或还原性气体进行保护。搅拌轮的转速一般为每分数百转,搅拌时间视基体金属与强化颗粒的种类、尺寸(粒度)、添加量等而定,在1小时至数十小时之间。
(3)压粉(压密、压型)
金属粉末与强化颗粒均匀混合后,除采用真空热压烧结固化的工艺外,一般均需对粉末混合体进行压密处理,通过压型模或金属包套赋予压粉体以一定的形状,同时提高其初始密度。
对于在常压下烧结直接制取制品的情形,需要施加较高的压粉压力,以获得较高的初始密度,减少后续烧结过程中的收缩。
(4)脱气
脱气处理的目的是为了除去粉末、颗粒表面的水分与吸附气体,防止烧结后材料内部产生气孔、松疏等现象。
当采用热压(hotpress)烧结,或直接采用热塑性变形烧结时,需要进行专门的脱气处理。当采用真空热压烧结时,在真空热压机内首先进行预脱气处理,然后压密、脱气、烧结三者同时进行。
(7)塑性加工
塑性加工又称为二次加工。金属基复合材料的特点之一,是在热加工温度条件下具有较好的变形性能。塑性加工的目的之一,是如上所述的提高复合材料的性能;其另一目的是为了赋予材料一定的形状。例如,通过挤压加工可以获得断面形状较为复杂的型材。
利用烧结高温下的化学反应,在烧结体内直接生成强化颗粒。
由内部氧化反应制取Al2O3颗粒强化铜基复合材料是1950年开发的。其基本原理是在Al固溶Cu合金粉末中加入CuO粉末,通过反应
2Cu-Al+3CuO→5Cu+Al2O3
~m、~m的非常细小的Al2O3颗粒强化铜基复合材料。
获得如此细小、均匀颗粒弥散强化复合材料是常规的P/M法、铸造法(I/M法:IngotMetallurgy)所无法实现的。