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金属基复合材料的二次成型加工工艺研究进展
聂小武 鲁世强 王克鲁
南昌航空大学
摘 要:金属基复合材料的发展非常迅速, 应用越来越广泛, 是一类重要的材料。为了制造实用的零组件, 需要对金属基复合材料进行二次成型加工。介绍了目前金属基复合材料二次成型加工方法选择的原则, 重点综述了二次成型加工的方法, 包括铸造成型法、挤压模锻塑性成型法、粉末冶金法、机械加工法、电切割法、高能光束及液流切割法、焊接法等方法, 概述了每种方法的加工过程、在加工中存在的问题及解决措施, 列举了典型加工工艺的优点及应用状况。最后对金属基复合材料的二次成型加工工艺的发展作了展望。
关键词:金属基复合材料, 二次成型加工, 工艺, 应用
Research Progress of Post 2forming Process Technique
of Metal Matrix Composites
Nie Xiao wu Lu Shiqiang Wang Kelu
Abstr act:Metal matri x co mposi tes is a kind o f rapidly developing and widely used impo rtant materials. It is needed do post 2fo rming process fo r manufacturing applied parts. So me principles of choice process methods for metal matrix co mpo si tes are intro 2duced. Some metho ds, such as casting, extrusion mould fo rging, po w der metallurgy, machi ne process, electricity incisio n, hi gh energy beam o f light and liquid incision, jointing, are reviewed in this paper. The forming techno logies, the main q uestions that exit in forming technologies and the solutio ns are su mmarized. The virtues and applied ranges of typical process technologies are enumerated. Finally the trends of post-fo rming process of metal matrix co mpo si tes are indicated.
Keywor ds:metal matrix co mp osi tes, post 2fo rming process, technique, applicatio n
1 引言
金属基复合材料(MM Cs) 以其高强度、高耐磨性等优点受到世界各国的重视。采用连续的晶须或
是纤维状强化相增强的复合材料可在强化相长度方向上获得较高的动态和静态力学性能, 但是这种材料存在较高的技术复杂性和成本, 在工程实践中难以应用。颗粒增强金属基复合材料则是目前工程应用最广的金属基复合材料, 增强颗粒以陶瓷为主, 包括SiC 、Al 2O 3、B 4C 和TiC 等, 铝基复合材料在实际工程中占支配地位。为了制造实用的金属基复合材料零组件, 需要对金属基复合材料进行二次成型加工, 加工的方法比较多, 有利于推进金属基复合材料成型加工工艺的发展。
2 金属基复合材料二次加工方法的选
[1]
接即成构件, 而短纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料则可采用铸造、挤压、超塑成型、焊接、切削加工等二次加工制造成实用的金属基复合材料构件[2]。金属基复合材料二次成型加工方法的选择要考虑以下几方面的要求
[3]
:¹增强体在金属基体中分布的
均匀性; º制造过程中不造成增强物和金属基体性能的下降, 特别要避免高性能连续纤维的损伤; »制造过程中要尽量减少各种不利反应的发生, 如基体金属的氧化、基体金属与增强物之间的界面反应等; ¼制造方法应适合于批量生产, 尽可能直接制成接近最终形状尺寸的金属基复合材料零件; ½成本可以接受。
3 金属基复合材料二次加工方法
311 铸造成型法
铸造成型法是一种经济的可批量生产复杂零件的有效方法, 借鉴了现有成熟的铸造工艺, 是生产颗粒增强铝基、镁基复合材料零件的常用方法。由于增强颗粒的加入改变了金属熔体的黏度、流动性等性质, 高温时还可能发生增强颗粒与基体金属之间的化学反应、颗粒沉降等问题, 因此在选择工艺方法和参数时必须对现有铸造工艺做必要的改进。可采择原则
金属基复合材料中的增强物一般硬度高、耐磨
性好, 给二次成型加工带来很大困难。不同种类的金属基复合材料构件的加工要求和难度有很大的差别, 对连续纤维增强金属基复合材料构件一般在复合过程中完成成型过程, 辅以少量的切削加工和连
收稿日期:2007年3月
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方法制造形状复杂的零件。颗粒增强金属基复合材料熔化时需严格控制熔化温度和保温时间以防止增强物和液态金属之间的化学反应。如碳化硅颗粒增强铝基复合材料在高温时(高于熔点100e ) 容易发生界面反应:3SiC+4Al y Al 4C 3+3Si, 界面反应结果使熔体黏度明显增大, 甚至无法浇铸, 又生成不稳定的反应物Al 4C 3, 严重影响材料性能。
在铝合金铸造过程中需对铝熔液进行精炼、除气, 一般采用精炼、变质剂进行造渣, 除去熔体中的杂质和气体。而对颗粒增强铝基复合材料熔体不能使用, 加入的精炼剂会将复合材料中的颗粒也部分去除。因此必须采用其他有效的方法精炼除气, 如采用吹入氩气和六氟化硫气体进行除气和抽真空等方法。
颗粒增强金属基复合材料熔体的黏度随颗粒含量的增加而增加, 凝固时还可能在厚壁处发生颗粒沉降, 铸造工艺上有一定的难度。采用压力铸造、挤压铸造或真空浇注对改善铸件质量有一定的效果, 比如氧化铝纤维增强镁基复合材料, 可选用真空浇注的方法制造。使用压力铸造时, 在高压力(可达到200M Pa) 作用下使液体迅速充型。这种方法操作简单、凝固速度快, 但可能使铸件形成内部气孔缺陷。日本本田公司采用体积含量为12%的Al 2O 3和体积含量为9%C 纤维的混合物作为增强物, 采用压力铸造法在铝合金缸体的内表层形成2mm 厚的金属基复合材料, 其中纤维体积含量为12%~15%, 缸体的滑动摩擦性大幅度提高, 且因铝合金的导热性好, 缸体的冷却效率提高, 汽车的操作性及回转响应等性能大大提高, 不仅提高了发动机输出功率, 而且降低了油耗。此外, 美国还采用Al 2O 3短纤维增强的Al 基复合材料局部强化涡轮增压器转子, 在确保其耐磨性和耐久性的前提下, 该转子比铸铁转子质量减轻约40%, 改善了增压器的灵敏度和响应性。而挤压铸造和压力铸造的不同点是在重力作用下浇入液态金属, 通过压头作用使金属液渗入铸型, 液态金属在压力下凝固。用这种方法可制取Al 2O 3短纤维增强锌基复合材料。1983年丰田汽车公司用这种工艺制成了SiC p 局部增强铝基复合材料汽车发动机活塞。
312 挤压、模锻塑性成型法
利用挤压、模锻、超塑成型等工艺方法制造零件也是一种工业规模生产金属基复合材料零件的有效方法, 用这种方法生产出来的零件组织致密, 性能好[5]
[2]
工具技术
材料, 特别是颗粒增强铝基、镁基复合材料。由于金属基体中含有一定体积分数的增强物(如晶须、颗粒) , 大大降低了金属的塑性, 变形阻力大, 成型困
难, 坚硬的增强颗粒对模具磨损厉害, 可以使用润滑剂和模具表面涂层处理改善摩擦条件, 有效的润滑可以使挤压力降低30%~40%。由于颗粒的加入使基体金属的变形抗力增加, 塑性降低, 适当的提高挤压温度, 可提高材料的塑性, 降低变形抗力, 但挤压温度过高会发生基体合金过烧现象, 故不宜选择过高的挤压温度。增强物含量低的金属基复合材料可采用较高的挤压速度, 而对于增强物高的金属基复合材料则需用低的挤压速度。过高的挤压速度使挤压出的型材产生严重的横向裂纹[2]。挤压使复合材料的拉伸强度明显提高, 原因在于晶须取向、基体变形强化以及由于基体强化的提高而导致的复合材料中晶须临界长度的降低[6]。
对于非连续增强金属基复合材料, 模锻成型、超塑性成型是制造高性能零件的有效方法。液态模锻是传统铸造与锻造工艺相结合的产物[7], 其工艺流程为:将熔化的金属液直接浇入金属模膛, 然后通过压力机施加机械静压力, 使内部液态金属在压力下结晶凝固, 产生一定量的塑性变形, 强制补缩, 从而获得零件。液态模锻工艺既利用了铸造以液态金属为原材料易于成形复杂形状制件的优点, 又吸取了锻造过程塑性变形改善材料性能的长处, 集中了二者之优点, 是一种复合加工方法。采用液态金属, 适合于混入颗粒或短纤维增强材料或浸入预制体; 而施加的压力可改善基体和增强材料的结合界面。其工艺特点和金属基复合材料的成形特点相吻合, 发挥了工艺本身的潜能。
超塑性是指材料在一定变形条件下(内部自身组织条件、温度、速度等) , 具有极小的流变应力和极大的变形能力, 适合于铝基复合材料的生产。而铝基复合材料获得超塑性主要采取:(1) 在原材料制造过程中, 获得细晶超塑性的组织; (2) 对原材料进行预处理, 其中包括固溶) 过时效) 轧制(或挤压) ) 再结晶, 热变形) 再结晶; 热挤压) 轧制; 均匀化) 热变形等[8]。铝基超塑性成型已有成功的产品开发实例, 用10%SiC p /7064Al 超塑成型制成了机翼前缘肋条板和正弦波桁条; 用SiC w /7475Al 超塑成型制成B 21BAP U 门部件。有文献[9]指出金属基复合材料表现出高温超塑性的前提条件是形成过程中存在液态相。由于金属基复合材料超塑性成型的温度一般,
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异性, 沿纤维方向材料的强度高, 而垂直纤维方向性能低, 纤维与基体的结合强度低, 因此在加工过程中容易造成分层脱粘现象, 破坏了材料的连续性, 用常规的刀具和方法难以加工。而晶须、颗粒增强金属基复合材料由于增强物均很坚硬, 本身就是磨料, 在加工过程中对刀具的磨损十分严重。金属基复合材料加工困难, 加工成本高也是金属基复合材料发展的障碍之一。
315 电切割法
电化学机加工是根据有形状的负极决定切削的几何形状, 通过正极溶解来切割材料, 在负极与工件的间隙之间, 用某种离子电解质溶液冲洗残屑, 例如未溶解的纤维。传统的放电加工法(闪弧或磨蚀) 是将移动的电极线浸于某种介电液流当中。材料通过工件表面上的局部高温和液体压力冲刷而达到切削的目的[3]。电火花成型加工金属基复合材料需探求适宜的工艺参数。从单个火花的材料去除机制研究电火花加工SiC/Al复合材料的实验指出, 虽然SiC/Al 的放电痕大于钢, 但是SiC 颗粒会干扰放电, 未熔的SiC 颗粒在复合材料上与周围熔化了的铝液滴一起脱落, 而一些铝液滴被介质冲走, 另一些松脱的SiC 颗粒重新固化在复合材料表面上, 形成重铸层。放电线切割金属基复合材料虽然可行, 但是由于复合材料的增强体通常为非导体, 故放电效果显然差于切割一般金属材科。例如切割SiC 晶须增强和SiC 颗粒增强铝基复台材料的工艺就不能沿用铝合金的切割参数, 其切割速度和切口粗糙度也有差别, 前者的某些加工表面会呈玻璃样粉状硬化。
316 高能光束及液体喷流切割法
沿着纤维轴向切割, 或加工非连续复合材料时, 纤维本身并没有必要断裂, 只是基体切、熔或挥发。如同对待未强化的材料, 所用的光束可为激光或电子束等。有研究者曾应用细等离子体切割2mm 厚的2024铝基复合材料, 通过宏观和显微检查其切割质量(切口宽度及斜角、表面粗糙度) , 发现有一最佳切割速度范围(对其所应用的系统为55~60mm/s) , 在此范围内切口宽度和热影响区都相对较小, 而这与切割铝合金的最佳速度无明显差别[13]。用激光切割Al 2Li/SiC 复合材料, 只要控制工艺参数合适、可使热影响区最小而取得很好的加工质量[14]。Frank M uller 等[15]用激光切割颗粒增强金属基复合材料A2618/SiC/20p 和A356/SiC35p 的研究表明, 当采用激光加工时, 可得到很高的材料去除率, 同时可, 数情况下, 成型过程中液态相的体积分数不可能很高, 超塑性的初始机制包括晶界滑移和层间滑移
[10]
。
313 粉末冶金法
粉末冶金法是最早用来制造金属基复合材料的
[4]
方法, 主要用于制造颗粒或晶须增强金属基复合材料, 可直接制成复合材料零件。适合于那些零件形状不太复杂、尺寸较小且比较精密的零件。该工艺制得的产品具有界面反应少、增强相的含量可根据需要进行调节(颗粒含量可达50%以上) 、增强相分布均匀、组织细密等优点。美国的D W A 公司用此法制造了不同成分的SiC p 增强铝合金基体和不同颗粒含量的复合材料及各种零件、管材, 如自行车架和设备支撑架等产品, 这些产品具有很高的比强度、比模量和耐磨性, 已用于汽车、飞机、航天器等。丰田公司利用粉末冶金法制备含15%的碳化硅颗粒增强2080铝合金连杆, 在规定的150e ~180e 下这种复合材料的疲劳强度可达70M Pa 。
粉末冶金的一般工艺流程为:
颗粒(晶须) /合金粉末y 混合y 冷压y 热压(烧结) y 成品零件
整个工艺的关键是基体粉末和颗粒增强材料的混合均匀以及基体粉末的防止氧化, 必须采取有效措施。
314 机械加工法
和其它的金属材料一样, 金属基复合材料可以用车、铣、钻等方法进行机械加工[11]。铝基复合材料只宜用金刚石刀具精加工。常用方法:¹车削:采用硬质合金刀具, 比如车削SiC w/Al 复合材料, 用乳化液冷却。º铣削:采用PCD(聚金刚石刀具) (黏结剂15%~20%(W+C) , 80%~85%PCD) 端面铣刀, 比如铣削颗粒(SiC) 增强铝基复合材料, 使用切削液冷却。»钻削:采用PCD 镶片麻花钻头, 比如钻削SiC 和B4C 颗粒增强铝基复合材料, 使用外切削液。有研究者利用金刚石砂轮(砂粒平均粒度为5L m) 在平面磨床上磨削两种复合材料(2618/Al2O 3和A359/SiC/10p ) T6) , 其实验结果表明, 磨削2618/Al 2O 3时, 用SE M 观察到在Al 2O 3颗粒上有可见的延展性磨削痕, 磨削表面上无裂纹产生。而在磨削A359/SiC/10p-T6时, 在少量的铝和SiC 颗粒上有极细的擦伤层。¼超精加工:采用单刃金刚石刀具, 比如加工TWS-100、B 2SiC 晶须增强、基体材料为6061铝合金, 表面粗糙度R a 可达0101L m 。
[12]
[5]
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光输出能量可以得到更光滑的加工表面。随着切削速度的增大, 熔融层厚度减小。
使用高速的喷射流体可获得较高的切割速度, 又不造成明显的损坏。所用液体一般为含悬浮磨料颗粒的水, 即高压水切割。通过把水聚集成一小直径、高流速的细流, 对复合材料进行水喷射加工。水压可高达4000M Pa, 对未固化的石墨层压板切割速度可达0153m/s 。加工过程中重要的参数包括:水压、喷管口直径、喷嘴材料、进给速度、复合材料的种类及厚度等。喷嘴材料是个关键因素, 影响可供最高水压的大小, 喷嘴材料可用金属、金刚石、碳化物、合成宝石等, 近年来应用最多的是合成蓝宝石。这种方法可用于连续纤维增强的复合材料也可用于非连续的复合材料。
317 焊接法
为了制造金属基复合材料构件, 常常需要焊接工艺, 如自行车架、汽车传动轴、航天飞行器中的构件。增强物的加入影响焊接熔池的黏度和流动性, 增强物与基体金属的化学反应又限制了焊接速度, 给金属基复合材料焊接造成较大的困难。主要有以下几种方法:
(1) 熔化焊(钨极氩弧焊及熔化极氩弧焊) 是最早用于金属基复合材料焊接的方法, 焊后经过热处理强化, 消除焊接热循环对焊缝及母材造成的不良影响。美国SB 公司用这种方法焊接的Al 2O 3/Al 及B 4C p /Al 自行车主车架早已投放市场[17]。熔化焊在连接铝基复合材料时存在一些困难:熔化金属黏度大, 基体和强化相之间熔点相差较大, 熔化金属时偏析现象严重, 强化相和金属基体会产生相互作用, 可能产生气体逸出, 尤其是使用富Si 铝合金焊丝时这些问题最为严重。
(2) 扩散焊是使两根焊件紧密结合, 在真空或保护气氛中及一定温度和压力下保持一段时间, 接触面局部产生塑性变形、发生原子相互扩散而完全焊接结合的一种压焊方法。由于焊接温度较低, 对增强体造成的影响小。但它所需时间较长, 对设备要求较高, 成本很高, 焊件尺寸形状受限制。对于铝基复合材料, 其温度范围为325e ~520e , 而保温的时间取决于加热的温度和所要连接的材料。接触面要求足够光滑, 粗糙度一般要优于R a 014L m, 并且非常清洁。扩散连接一般要在真空或保护气氛下进行。比如, Al 基复合材料采用Al 2M g 2Cu 合金做中间层, 加入Cu 是为了保证焊接时中间层处于液相, 使两工[17][18~20]
[16]
工具技术
合材料与钛接头的连接就是在制造B/Al 管柱时, 在热等静压条件下扩散焊接而成的。对于存在热传导的诸如热管、散热器和热交换器等, 扩散焊是一种较好的选择。
(3) 钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料, 将焊件和钎料加热到高于钎料熔点但低于母材熔点的温度, 利用液态钎料润湿母材, 毛细作用填充接头间隙, 并与母材相互扩散从而实现连接的一种焊接方法。优点是对母材造成的影响小, 简单易操作, 是比较好的方法。分为软钎焊和硬钎焊, 这两者的温度分界线为450e 。Bales 用表面涂110Al 的718钎料把Ti 23Al 225V 蜂窝芯结构钎接到B orsic/Al 面板上制造了高性能的YF 212飞机上机翼板[17]。
(4) 惯性摩擦焊需要的能量是通过待连接的两个部件之间的摩擦产生的。作为摩擦焊的一种, 惯性摩擦焊主要用于至少其中有一个部件是轴对称旋转的情况。旋转的部件连接到飞轮, 在压力作用下带动其和另一个部件接触。在摩擦热的作用下, 在界面会产生一个软化层。连接层的形成过程包括一个镦锻过程以及连接材料在界面层中挤出的过程。惯性摩擦焊可用于连接钛基复合材料(Ti-6Al-4V +10%TiC) , 且在相对较小转速和压力(转速1500r/min, 压力136M Pa) 作用下可获得较高的接头抗拉强度[22]。 4 结语
金属基复合材料具有高强度、高模量、高韧性及可设计性等优点, 作为新兴材料有强大的生命力, 被认为是很有使用价值的先进材料。虽然有多种方法可进行二次成型加工, 但由于二次成型加工是一门涉及物理、化学、传热学、金属学、力学等多学科的典型交叉学科, 导致具体的工艺并不完善, 基础研究得还不够广泛, 仍有很大的发展空间, 有待深入研究成熟的二次成型加工工艺, 以便更好的、更广的将金属基复合材料应用到各个工程领域。扩展金属基复合材料的商业应用、不断改进二次成型加工工艺及降低技术成本开发大批量生产、通过计算机技术分析建立复合材料二次成型加工模拟仍是今后重要的努力方向。
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第一作者, 聂小武, 硕士研究生, 南昌航空工业学院材料科学与工程学院, 330034南昌市
对制造业在解决发展、升级问题的同时, 提升竞争力具有重要支撑作用。
据了解, 现代制造服务业不仅包括传统服务业在一般意义上的售后服务与维修、对售出产品的简单改进、通过临时合同向客户供应配件等, 还包括长期支持客户的价值创造, 为客户提供尽可能完整、以知识为基础的整套资源, 包括人力、产品和配件、新技术、新工艺等各种服务。目前, 我国现代服务业发展较为滞后, 存在层次较低、传统服务业所占比重很大等问题。2005年, 我国服务业占GD P 的比重为3919%, 远低于世界平均水平64179%, 也低于中、低收入经济体53%和50%的平均水平。
与会代表一致认为, 由于需求多元化和个性化的发展, 在产业附加值向产业链上下游环节转移的同时, 当前我国已进入由产品制造为主转向同时加快发展现代制造服务业的阶段。现代服务业也需要在改进制造业不足之处的同时完善自身, 这样才能真正实现产业间的良性互动。
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我国进入加快发展制造服务业阶段
由中国工业报社、中国机械工业企业管理协会主办的紧紧围绕/制造企业拓展现代服务0这一极具前瞻性的主题, 与会专家学者、企业家们展开了激烈的讨论, 并形成共识。
据联合国工业发展组织(U NID O) 的数据, 我国在全球制造业产出中占有的份额从1995年的412%上升到2005年的8%, 制造业产出在全球排名从第五位上升到第三位。但我国产业处于全球价值链低端, 这是一个不争的事实。
当前, 我国的制造业存在一些不利于分工深化和产业发展的缺陷, 如高技术产业比重偏低, 资源密集行业比重较高; 企业规模偏小等。与会代表认为, 面临这些问题和激烈的市场竞争, 制造业极需提高自身的核心竞争力, 转变增长方式。而在制造过程中重视服务, 从市场调研、售后, 直到产品报废回收, 努力为客户提供以知识密集、附加值高为特征的服务项目, 则是制造企业实现可持续发展的一个关键内容。现代, 首届装备制造业现代制造服务论坛10月17日在京举行。