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齐鲁工业大学
|
机械与汽车工程学院
铝基合金材料的发展与应用
孙
*
（齐鲁工业大学
机械与汽车工程学院
20130102****
）
摘要：
现代科学的发展和技术的进步
，
对材料性能提出了更高的要求，
往往希望材
< br>料具有某些特殊性能的同时，
又具备良好的综合性能。
铝
基复合材料具有优异的
性能。本文介绍了铝基复合材料的发展过程、种类及其性能。综述
了颗粒、晶须
增强材料的制备方法。
列举了常用颗粒增强体及晶
须增强体的部分特性，
指出了
铝基复合材料应用潜力及妨碍铝基
复合材料广泛应用的主要障碍。
关键词：
铝基复合材料
Abstract
：
Modern
advances
in
the
development
of
science
and
techn
ology
，
material
properties put forward higher
requirements
，
often want
materials with
special
properties
，
it
also
has
a
good
overall
um
matrix
composites
possess
excellent
performance
．
The
development
process
，
types
and
performances
of
the
aluminum
matrix
composites
have
been
introduced
．
The
preparation method of
particle and
grain
reinforced
material
has been summarized
．
Par-tial
performances of grain whisker
reinforcement
and
common
particulate
reinforcement
have
been
enumerated
．
The
application
potential
and
main
obstacle
for
widely
using
aluminum matrix composites have been
indicated
．
Key
words
：
aluminum matrix
composite materials
第
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页
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机械与汽车工程学院
1
前言：
复合材料是应现代科学发展需
求而涌现出的具有强大生命力的材料，
是由两
种或两种以上成分
不同，性质不同，有时形状也不同的相容性材料以物理方式
合理的进行复合而制成的一种
材料。其以最大限度的发挥各种材料的特长，并
赋予单一材料所不具备的优良性能，复合
材料的性能还具有可设计性的重要特
征。铝在制作复合材料上有许多特点，如质量轻、密
度小、可塑性好，铝基复
合技术容易掌握，易于加工等。此外，铝基复合材料
【
1
】
比强度和比刚度高
，高
温性能好，更耐疲劳和更耐磨，阻尼性能好，热膨胀系数低。同其他复合材料
一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要
【
2
】
。因此，铝基复
合
材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。
2
铝基复合材料的概念
铝及铝合金很适合作金属基复合材料的基体。
铝的资源丰富，
容易获得，
价
格合理，密度小，质量轻，比强度与
比弹性模量大，熔点不高，可塑性良好，制
造工艺与设备不甚复杂，
易于与增强材料复合和进行第二次加工，
此外，
还有很
好的导电性与导热性、抗蚀性等。这些都是复合材料为满足使用要求
所应具备的
特性，也是铝基复合材料得到快速发展
的主要原因。
当前铝基复合材料所使用的基体有：
工业纯铝，
铸锭冶金变形铝合金，
粉末
冶金变形铝合金，铸造铝合金，先进的新型铝合金。在铸锭冶金变形铝合金中，
多采用热
处理可强化的，如
2014
、
2024
、
2124
、
2219
、
2618
、
6061
、
7975
、
7475
铝合金等，一般不采用含
Mn
和
Cr
的铝合金，因为它们会形成脆性相。
在粉末
冶金变形铝合金中可用上述的铸锭冶金变形铝合金制成的粉末作复合材料基体，<
/p>
常用的有
6061
、
7064
、
8090
铝合金等。铸
造铝合金中主要使用
A356(
ZL101)
、
A357
及其他含硅量高的铝合金等。
3
铝基复合材料的制备
金属基复合材料
的制备工艺较复杂，
主要是因为金属熔点较高，
需要在高温
下操作，
不少金属对增强体表面的润湿性很差，
加上金属在高温下较活泼，
易与
多种增强体发生反应。
目前的制备方法主要是液态法、
固态法、
沉
积法和原位法。
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下面简单介绍几种常见的制造工艺
【
3-4
】
。
3.1
粉末冶金法
(
固态法
)
粉末冶金法是最早用来制
造铝基复合材料的方法，是一种比较成熟的工艺。
首先，
将颗粒
增强物和铝合金粉末用机械手段均匀混合，
进行冷压实，
然后加
热
除气，
在液相线与固相线之间进行真空热压烧结，
得到复合材料的坯料，
再将坯
料进行挤压、轧制、
锻造和拉拔等二次加工，就可以制成所需要的型材零件。该
法中铝合金粉末和增强物混合
均匀是整个工艺的关键，
应使两者的粒度相差不要
太大。
采用粉末冶金法可将增强物颗粒和铝合金按照任意比例混合，
随意调整工艺
路线，制出的复合材料有高比强、高比模、低膨胀和高抗
磨的特点。这种方法制
备的铝基复合材料中增强相分布均匀、
界
面反应易于控制，
在性能和稳定性上大
大优于其他工艺方法制备
的材料。但制造工艺及装备复杂，生产成本高。
3.2
压力浸渗工艺
(
液态法
)
此工艺先将增强体制成预
制件，
再将预制件放入模具后，
以惰性气体或机械
装置为压力媒体，
将铝液压入预制件的间隙，
凝固后
即形成复合材料。
由于预制
件中的气体不易在凝固前排出而造成
气孔与疏松，
同时预制件也易产生变形和偏
移，
由此提出了真空压力浸渗工艺，
即将预制件放入承压容器中的模具内，
抽出
预制件内的气体后，
将熔融铝液有通道压入
模具内，
使之浸渗预制件。
此法制品
质
量高，增强体含量亦可很高，但需专用设备。
3.3
反应自生成法
(
原位法
)
反应自生成法分为固态自
生成法和液态自生成法，
两者均是在基体中通过反
应生成增强相
来增强金属基体。
固相反应自生成法是将预期构成增强相的两种组
分均匀混合，
加热到基体熔点以上温度，
当达到反应温度时，
两元素发生放热反
应，
温度迅速升高，
在基体溶液中生成弥散颗粒增强物。
液相反应自生成法是在
基体熔体中加入能反应生成预期增强颗粒的元素或化合物，
在一定温
度下发生反
应，生成细小、弥散、稳定的颗粒增强物，形成自生增强铝基复合材料。
4
铝基复合材料的加工设计
4.1
纳米相增强铝基复合材料
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/p>
纳米材料的尺寸非常细小
(
1
～
100
nm
)
，
形状多为规则的近球状，
因此
，
在铝
基复合材料的制备中若能以纳米级颗粒作为增强相，
应该能改善增强相与基体的
结合界面，
提高
结合强度，
进而提高铝基复合材料的力学性能和理化性能等。
贺
春林等人
【
5
】
用粉末冶金法制备了纳米
SiC(
平
均尺寸
25nm)
颗粒增强纯
Al
基复合
材料
(Al-
MMC)
，
结果如下：
SiC
体积分数为
1%
、
3%
和
5%
的纳米
SiC/Al-MMC
的
屈服强度和最大拉伸强度较基体纯
Al
分别
提高了
6.9%
、
11. 8%
、
26.8%
和
7.
2%
、
21.2%
< br>、
30.4%
体积分数为
1%<
/p>
和
3%
的纳米
M
MC
的拉伸性能分别好于
5%
和
10%
的微米颗粒增强
Al-MMC
，而
5%
的纳米
MMC
的屈服强度和最大拉伸强度较
5%
和<
/p>
10%
的微米颗粒增强
Al-
MMC
分别增加
29 .2%
、
16.1%
和
28.0%
、
9.9%
。
由此可
见，纳米颗粒在含量较低
(
≤
5%)
时，对
Al-MMC
的增强作
用明显，但由于随纳米
颗粒含量的增加，
颗粒的团聚趋势明显增
大。
这就涉及到如何解决纳米相的团聚
问题。在以后的研究过程
中，这将成为研究的一大课题。
4.2
碳管纳米增强铝基复合材料
随着碳纳
米管
(CNTs)
的出现和纳米晶材料研究的深入，为复合材料
性能的进
一步提高提供了一个新的途径。
CNTs
具有极小的尺度及优异的力学性能，其封
闭中空管状结构具有良好的稳定性，
并且具有优异的力学性能，
因此，
碳纳
米管
作为一维纳米晶须增强材料在复合材料中具有重要的应用价值。
5
铝基复合材料的性能
5.1
强度、模量与塑性
强度、
模量与塑性增强体的加入在提高铝基复合材料强度和模量的同时
，
降
低了塑性。
大量研究表明，
SiC
增强的铝基复合材料较相应的铝
-
硅合金具有较高
的强度，并随着
SiC
体积分数的增大，其强度和模量均有较大程度的提高，而塑
性却降低
，且在
SiCP/Al
复合材料中加入更为细小的弥散质点
Al
4
C
3
和
Al
2
O
3
可以
明显提高复合材料的强度
【
6
】
。另外增强相的加入又
赋予材料一些特殊性能
【
7
】
，
这样不同金属与合金基体及不同增强体的优化组合，
< br>就使金属基复合材料具有各
种特殊性能和优异的综合性能。
5.2
耐磨性
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