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金属基复合材料的制备工艺—液态制备方法
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金属基复合材料的制备工艺—液态制备方法
发布日期: 2019-11-19   点击量: 106  

       液态金属制备方法是指金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合在一起的方法。这一方法的关键技术是有效控制高温下的界面反应及基体的氧化反应,为解决熔融金属基体与增强物浸润性差的问题,可采用加压浸渗。这一方法可用来直接制造复合材料零件,也可用来制造复合丝、复合带、锭坯等作为二次加工成零件的原料。液态制备方法包括挤压铸造法、真空压力浸渍法、液态金属浸渍法、液态金属搅拌铸造法、共喷沉积法和热喷涂法等。

1.挤压铸造法

        挤压铸造法是液态法中最重要的一种方法。其基本原理是通过施加外压使液态金属渗入增强材料的预制件缝隙中制造金属基复合材料。挤压铸造法最主要的工艺参数是:预制件预热温度、熔体温度、压力大小。压力一般在70~100MPa,要求模具和预制件都有足够的强度。在制备预制件时加入少量颗粒可以提高预制件强度,同时还可防止纤维在挤压过程中发生不均匀位移。

该工艺适用于制造SiCP/Al、SiCw/Al、C/Al、C/Mg、Al2O3/Al、SiO2/Al等复合材料及其零部件、板材和锭坯等。挤压铸造法已成功用于氧化铝纤维增强铝基复合材料柴油发动机嵌衬件的制备,与原来采用的耐蚀高镍铸铁相比,减重5%~10%,同时它的耐磨性、耐热冲击性、耐蚀性都很强,使用寿命较耐蚀高镍铸铁活塞大为延长,且制造成本降低,如日本出口美国的MMC活塞售价比美国市场的传统活塞售价低15 %。

挤压铸造法的优点是:主要用于批量制造陶瓷短纤维、颗粒、晶须增强铝、镁基复合材料的零部件,且制造成本低;由于高压的作用,可以促进熔体对增强材料的润湿,增强材料不需进行表面预处理;熔体与增强材料在高温下接触的时间短,因此也不必担心发生严重的界面反应。

2.真空压力浸渍法

 真空压力浸渍法基本原理是在真空中和高压惰性气体共同作用下,将液态金属压入增强材料中制成预制件,再制备金属基复合材料制品,兼备真空吸铸和压力铸造的优点。所用的设备是既能对预制件和熔化金属基体分别控制加热,又能抽真空和充惰性气体加压的密闭炉体。真空压力浸渍的主要工艺参数有:预制件温度、金属基体温度、浸渍压力和冷却速度。预制件的制作方法有干法和湿法两种。

       真空压力浸渍法的优点是:适用面广,可用于多种金属基体和连续纤维、短纤维、晶须和颗粒等增强材料的复合,增强材料的形状、尺寸、含量基本上不受限制,也可用来制造混杂复合材料;可直接制成复合零件,特别是形状复杂的零件,基本上无需进行后继加工;浸渍在真空中进行,并在压力下凝固,无气孔、疏松、缩孔等铸造缺陷,组织致密,材料性能好;工艺简单,参数易于控制,可根据增强材料和基体金属的物理化学特性,严格控制温度、压力等参数,避免严重的界面反应。缺点主要是设备比较复杂,工艺周期长,制造大尺寸的零件要求大型设备。

该工艺适于制造C/Al、C/Cu、C/Mg、SiCp/Al、SiCw+ SiCp/Al等复合材料零部件、板材、锭坯等。

3.液态金属浸渍法

 液态金属浸渍法的基本原理是用液态金属连续浸渍长纤维得到预制复合带、丝,也称连铸法。为了改善熔融金属对纤维的润湿性,需要对纤维表面进行涂覆处理,如用化学气相沉积法在碳(石墨)纤维表面涂覆Ti-B、金属钠(或钾)。碳纤维表面的金属和化合物涂层还可用电镀、化学镀、超声振动、溶胶,凝胶等方法得到。

4.液态金属搅拌铸造法

       液态金属搅拌铸造法是一种适合于工业规模生产颗粒增强金属基复合材料的主要方法,工艺简单,制造成本低廉。基本原理是将颗粒直接加入到基体金属熔体中,通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中,然后浇铸成锭坯、铸件等。液态金属搅拌法制造颗粒增强金属基复合材料的主要困难有:①加入的颗粒尺寸细小,一般在10~ 30μm,与金属液体的浸润性差,不易进入和均匀分散在金属熔体中,易产生团聚;②强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量吸人空气。因此必须采取不同的工艺措施和装置来改善金属熔液的润湿复合,防止金属的氧化和吸气等。主要的工艺措施有:①在金属熔体中添加合金元素改善浸润性:在铝熔体中加入钙、镁、锂等元素,可有效减小熔体表面张力,增加与陶瓷颗粒的浸润性;②对颗粒增强物进行表面处理:在复合前,去除颗粒表面的有害吸附物,比较简单的方法是对颗粒进行加热处理,使有害物质在高温下挥发,同时在表面形成极薄的氧化层,也可在颗粒表面涂覆镍、铜等金属,但不经济;③控制复合过程的气氛:一般采用真空或惰性气体保护以及其他有效措施来防止复合过程中气体的吸入和金属熔体的氧化;④有效的机械搅拌:可通过高速旋转机械搅拌或超声波搅拌来完成有效的搅拌复合,改善金属熔体与增强颗粒之间的浸润。根据工艺特点和设备不同,可将液态金属搅拌铸造法分为旋涡法、Dura-con法及复合铸造法。

5.共喷沉积法

       共喷沉积法是制造各种颗粒增强金属基复合材料的有效方法,可以用来制造铝、铜、镍、铁、金属间化合物基复合材料。

 共喷沉积法的装置主要由熔炼室、雾化沉积室、颗粒加入器、气源、控制台组成。共喷沉积工艺过程包括基体金属熔化、液态金属雾化、颗粒加入及与金属雾化流的混合、沉积和凝固等工序。液态金属基体通过特殊的喷嘴在惰性气体气流的作用下雾化成细小的液态金属流,同时将颗粒加入,共同喷向成型模具的衬底上,凝固形成金属基复合材料。共喷沉积的产品有圆锭、板带和管子等。

 共喷沉积法的优点有:适用面广,适用于各种基体、颗粒和产品形状;生产工艺简单,效率高;能快速成型,雾化速率可达25~200kg/min,沉积凝固迅速;冷却速度大(金属液滴的冷却速度达103~106K/S),所得复合材料基体金属的组织与快速凝固相近,晶粒细,无宏观偏析,组织均匀;复合材料中的气孔率较高,为20/0~5%,但经后续的挤压或轧制处理后可消除气孔。

6.热喷涂法

 按照加热源分类,热喷涂可分为等离子喷涂和氧乙炔焰喷涂,制造金属基复合材料主要采用等离子喷涂法。这种方法是利用微波、灯丝、射频等激励等离子体产生等离子弧的高温将金属粉末熔化后喷射到基体上,冷却并沉积下来的一种复合方法。具体过程是先将纤维缠绕在包有基体金属箔的圆筒上,纤维之间保持一定的间隔,然后放在喷涂室中喷涂;喷涂结束后剪开取下,得到复合材料预制片,经热压或热等静压等二次处理,最终得到型材或零件。

 喷涂过程的关键是得到致密的、与纤维粘接良好的基体涂层以及避免基体的氧化。喷涂用的基体原料为粉末状,减小粉末的粒度能提高涂层的致密性,但会降低粉末的流动性。因此粉末的直径不小于2μm,一般为10~45μm。向氩气中添加5%~10%的氦气,可提高功率,增加等离子体发生区域的温度,保证喷涂在较高温度下进行,进而提高涂层的致密性和与纤维的粘接强度。涂层的状态还与真空度或保护气氛的压力与流量、喷枪与纤维的距离以及粉末的供给速度密切相关。

       等离子喷涂法适用于直径较粗的纤维单丝,例如用化学气相沉积法得到的硼纤维和碳化硅纤维,它是制造这两种纤维增强铝、钛基复合材料预制片的大规模生产方法。美国和原苏联在航天飞机上使用的、也是最早使用的金属基复合材料——硼/铝复合材料,以及美国的碳化硅/钛复合材料,就是用等离子喷涂法制得预制片,然后用热压或热等静压法加工而成的。对于纤维束丝,需先使纤维松散,铺成纤维层作基底,厚度为纤维直径的数倍左右。

       等离子喷涂法不能直接制成复合材料零件,只能制造预制片,且组织不够致密,必须进行二次加工。

 


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