歐陽(yáng)求保,張國(guó)定,張 荻

(上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究與應(yīng)用進(jìn)展

歐陽(yáng)求保,張國(guó)定,張 荻

(上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、耐磨、耐輻射等優(yōu)異的綜合性能,在航空、航天、空間、電子、信息、先進(jìn)武器等高技術(shù)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用和巨大的應(yīng)用潛力。主要介紹了非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的主要制備方法、性能特點(diǎn)、熱加工處理,以及國(guó)內(nèi)外在航天航空、電子信息、汽車等領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展。

鋁基復(fù)合材料;制備方法;加工;應(yīng)用

前 言

隨著航天航空、空間技術(shù)等高技術(shù)領(lǐng)域的迅速發(fā)展,對(duì)應(yīng)用于航天飛行器、空間裝置、空間探測(cè)等系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件材料的性能要求越來(lái)越高,所使用的材料必須同時(shí)具有高比強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低熱膨脹性、高抗熱變形能力和尺寸穩(wěn)定性、易于加工成型等綜合性能。單一的金屬、高分子、陶瓷材料已難于滿足如此高的綜合性能要求,由高性能增強(qiáng)體(顆粒、晶須、短纖維)和鋁合金復(fù)合而成的非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,既具有鋁合金的優(yōu)良性能,又可通過(guò)選擇加入合適的增強(qiáng)體獲得所需的優(yōu)異綜合性能,滿足各種實(shí)際使用工況的需求。

非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究已有四十余年的歷史,近年來(lái)更是發(fā)展迅速。其品種有碳化硅、碳化硼、氧化鋁等顆粒和晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、短纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料等。它們具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐磨性好、導(dǎo)熱率高、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)異性能,特別是它的可設(shè)計(jì)性好。人們可以通過(guò)對(duì)增強(qiáng)顆粒的種類、含量、尺寸、形狀以及鋁合金基體的優(yōu)化選擇,來(lái)獲得各種不同的性能,從而滿足各種實(shí)用構(gòu)件的性能要求。其中顆粒含量可在 0～75%范圍內(nèi)變化,如用于高性能結(jié)構(gòu)件或耐磨構(gòu)件,可選擇體積含量為 10%～20%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料,而對(duì)應(yīng)用于高集成度電子器件底板,空間探測(cè)用光學(xué)反射鏡,則可選用含量為60%～75%的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,它們具有很高的模量、高導(dǎo)熱和低的熱膨脹系數(shù)。另外,可采用傳統(tǒng)的金屬成形加工設(shè)備和方法,如擠壓、軋制、鍛造、精密鑄造等進(jìn)行加工成形,制造成本低,適合批量生產(chǎn),因此,在航天、電子信息、核能、先進(jìn)武器、現(xiàn)代交通等高技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

下面主要介紹非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的常用制備方法、性能特點(diǎn)及其最新的研究和應(yīng)用進(jìn)展。

制備方法

. 攪拌復(fù)合鑄造

攪拌復(fù)合鑄造是通過(guò)機(jī)械攪拌使增強(qiáng)體顆粒與液態(tài)或半固態(tài)的鋁合金復(fù)合均勻,然后澆注成鑄錠或所需零件。與其它制備技術(shù)相比,該方法工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、制造成本低廉,便于工業(yè)化生產(chǎn),而且可以制造各種形狀復(fù)雜的零件,是目前最受重視、用得最多的鋁基復(fù)合材料制備方法。這方面最為典型的實(shí)例就是 Alcan公司采用此技術(shù)制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,在加拿大建成了年產(chǎn) 11 340 t的 SiCp/Al復(fù)合材料鑄錠、型材、棒材以及復(fù)合材料零件的專業(yè)工廠,其生產(chǎn)的 SiCp/Al復(fù)合材料單個(gè)鑄錠最重達(dá) 596 kg。性能方面,Alcan公司生產(chǎn)的20%(體積分?jǐn)?shù))SiCp/A356復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度比基體鋁合金提高 75%,彈性模量提高 30%,熱膨脹系數(shù)減小 29%,耐磨性提高 3～4倍。

對(duì)于攪拌復(fù)合鑄造法來(lái)說(shuō),必須解決 2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,即增強(qiáng)體顆粒與鋁熔體潤(rùn)濕性以及增強(qiáng)體顆粒在基體中均勻分散的問(wèn)題,才能得到組織致密、缺陷少、顆粒分散均勻、界面結(jié)合良好、性能優(yōu)異的復(fù)合材料。另外,對(duì)所添加的顆粒尺寸和含量有一定限制,通常顆粒尺寸需大于 10μm,體積分?jǐn)?shù)在 0-35%之間。

. 粉末冶金

粉末冶金是將金屬粉末和增強(qiáng)陶瓷顆粒等經(jīng)篩分、混合、冷壓固結(jié)、除氣、熱壓燒結(jié),然后壓力加工制得鋁基復(fù)合材料。用粉末冶金法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的綜合性能良好,但是材料內(nèi)部容易出現(xiàn)氣孔與偏析。該法不適用于生產(chǎn)較大型件,所以對(duì)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)有所限制。

美國(guó)DWA復(fù)合材料專業(yè)公司采用粉末冶金法,制造了 SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料自行車車架、設(shè)備支撐架等產(chǎn)品,并已達(dá)到商品化。另外,美國(guó) ARCO公司、英國(guó)BP公司也在粉末冶金法制備 SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料方面取得了顯著的成果[1]。與鑄造法相比,粉末冶金法可以實(shí)現(xiàn)體積質(zhì)量差大的金屬和粒子的復(fù)合,也可以使熔點(diǎn)差值大的金屬合金化。

采用粉末冶金法對(duì)增強(qiáng)顆粒尺寸沒(méi)有明顯限制,還可以制備出納米級(jí) SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,如文獻(xiàn)[2]中采用粉末冶金法混粉、然后熱擠壓成形制備出納米 SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。細(xì)化增強(qiáng)相尺寸使其達(dá)到納米數(shù)量級(jí),在提高復(fù)合材料強(qiáng)度的同時(shí),改善了其塑性,體積分?jǐn)?shù)為 1%的納米 SiCp/6066Al復(fù)合材料的強(qiáng)度與顆粒尺寸 7μm、體積分?jǐn)?shù)為 12%的復(fù)合材料強(qiáng)度相當(dāng),并且前者的塑性高于后者。

. 液態(tài)金屬浸滲法

液態(tài)金屬浸滲是將增強(qiáng)體處理后,冷壓成一定形狀和尺寸的預(yù)制件,經(jīng)烘干,加熱至 600～850℃,再放入預(yù)熱的金屬壓型內(nèi),澆入熔融的金屬液,通過(guò)加壓或抽真空,使熔融金屬滲入并保持一段時(shí)間,待其凝固后即得到所需的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制件。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以避免增強(qiáng)物與基體不浸潤(rùn)的問(wèn)題,制得材料密度較為均勻,制備過(guò)程周期短,熔融金屬冷卻快,減輕了顆粒界面反應(yīng);但預(yù)制件制造比較困難,浸滲工藝參數(shù)不易控制,壓力過(guò)高可能破壞預(yù)制件,因此該工藝的應(yīng)用受到一定限制。此工藝一般用于制備高含量顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

作為液態(tài)金屬浸滲的典型,無(wú)壓滲透則是通過(guò)向鋁液或增強(qiáng)體中加入助滲劑的方法,無(wú)需借助壓力或真空,使鋁液自動(dòng)滲入顆粒內(nèi)部制得復(fù)合材料。無(wú)壓滲透法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉,但受熔滲溫度、環(huán)境氣體種類及顆粒大小等因素影響,因此該法也有一定局限。

. 噴射沉積法

噴射沉積是在基體合金霧化的同時(shí),加入增強(qiáng)體粉末,使合金粉末與增強(qiáng)體粉末共同沉積在收集器上以得到復(fù)合材料。這種方法的特點(diǎn)是增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)可以任意調(diào)節(jié),增強(qiáng)體的粒度也不受限制,增強(qiáng)體與基體熔液接觸時(shí)間相當(dāng)短,二者之間的反應(yīng)易于控制,大大改善了界面的結(jié)合狀態(tài),基體可以保持霧化沉積、快速凝固的特點(diǎn),晶粒十分細(xì)小。此方法要解決的關(guān)鍵是噴射沉積成形中增強(qiáng)相顆粒分布不勻和顆粒利用率較低的問(wèn)題。為此,楊濱等[3]提出將增強(qiáng)相的生成置于熔化室合金熔體中完成,然后再進(jìn)行后續(xù)的霧化噴射沉積。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是:顆粒在熔體內(nèi)部原位反應(yīng)生成,不存在顆粒損失問(wèn)題;材料制備成本降低,顆粒在基體中均勻分布,可沿用現(xiàn)行噴射沉積成形制備金屬材料的各項(xiàng)工藝參數(shù),設(shè)備無(wú)需做任何改動(dòng)。噴射沉積法的制備成本比鑄造法要高,但比粉末冶金法要低。

. 原位復(fù)合法

原位復(fù)合是指在固態(tài)或液態(tài)鋁或鋁合金基體中,通過(guò)元素之間或元素、化合物間的化學(xué)反應(yīng) (化合或者是氧化還原),在鋁基體內(nèi)原位生成一種或幾種高硬度、高彈性模量的陶瓷增強(qiáng)相,達(dá)到強(qiáng)化鋁基體的目的。原位反應(yīng)中的相變、再結(jié)晶或成核作用都促使了更加均勻的亞微米級(jí)甚至近納米級(jí)增強(qiáng)顆粒的形成,得到的鋁基復(fù)合材料也具有良好的力學(xué)性能和耐磨性能。Koczak和Premkumar按照反應(yīng)起始相進(jìn)行分類,分為氣一液,液一固,液一液等。在此基礎(chǔ)上,總結(jié)了以下幾種主要原位合成工藝:自蔓延高溫合成法、放熱彌散法、氣液固反應(yīng)法、反應(yīng)熱壓法、反應(yīng)噴射沉積法、混合鹽反應(yīng)法等。以用得較多的混合鹽反應(yīng)法為例,它是由 London ScandinavianMetallurgy公司根據(jù)鋁合金細(xì)化晶粒工藝提出的一種生產(chǎn)復(fù)合材料的新技術(shù),又名 LS M法,如,Lakshmi S等人[4]在 850℃條件下,將 K2TiF6和 KBF4混合后加入到攪拌著的高溫鋁液中,在金屬熔體中反應(yīng)形成 TiB2增強(qiáng)體顆粒,清除副產(chǎn)物后澆注即得到原位T iB2顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。Wood J V等[5]研究表明:LS M法制備的 9%TiB2/2021和 8%TiB2/A356復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量均高于基體,但延伸率均低于基體。LS M原位合成法的完善和發(fā)展,需要不斷開(kāi)發(fā)新的鹽類反應(yīng)。混合鹽反應(yīng)法的主要優(yōu)點(diǎn)是:工藝簡(jiǎn)單,周期短,并可直接澆注成形,易于批量生產(chǎn)和推廣,且鹽類原材料的來(lái)源廣泛、成本低。但也存在一些缺點(diǎn),如生成的 TiB2容易被鹽膜包覆,減弱了增強(qiáng)效果,制備的顆粒體積分?jǐn)?shù)較低,反應(yīng)過(guò)程中有大量氣體逸出,要求通風(fēng)良好,且形成的液態(tài)渣清除困難,并對(duì)坩堝及操作工具有腐蝕作用。

為了得到特定形狀的零件或特殊要求的性能,攪拌復(fù)合鑄造和原位復(fù)合鑄造均可以結(jié)合其它特種鑄造工藝進(jìn)行,如熔模鑄造、擠壓鑄造、離心鑄造等。翟彥博等[6]采用離心鑄造制備了初生 Si與Mg2Si顆?；旌显鰪?qiáng)鋁基梯度自生復(fù)合材料筒狀毛坯,混合顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到 38%,零件外層具有良好的機(jī)械切削性能,成形后零件內(nèi)層具有 2～3 mm厚的顆粒增強(qiáng)層;這種梯度特征,既保證了缸套零件工作面對(duì)硬度與耐磨性的要求,又使零件便于切削加工成形。

熱加工與處理

對(duì)鋁基復(fù)合材料坯料進(jìn)行熱加工成形,不僅可以得到所需要的形狀,獲得令人滿意的微觀組織和性能,也是制造實(shí)用零部件的必要工序。但長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)鋁基復(fù)合材料的研究主要集中在材料制備與性能等方面,而對(duì)其熱變形行為的研究則較少。與鋁合金相比,鋁基復(fù)合材料的塑性有限,且顯微組織的變化不易控制,如果熱加工工藝不當(dāng),容易出現(xiàn)開(kāi)裂、顆粒斷裂和界面脫粘等情況。因此,如何選擇適當(dāng)?shù)臒峒庸すに?從而改善熱加工成型性成為其制造零部件的一個(gè)極為關(guān)鍵的問(wèn)題。

通常對(duì)材料熱加工時(shí)溫度和應(yīng)變速率的選擇采用的是試驗(yàn)加校正的方法,但是這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近些年,基于 Prasad提出的動(dòng)態(tài)材料模型[7]建立的加工圖被認(rèn)為是一種確定材料熱加工最佳工藝參數(shù)的非常簡(jiǎn)便有效的方法。Tuler建立了攪拌鑄造氧化鋁增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的加工圖,并用鍛造試驗(yàn)成功驗(yàn)證了加工圖的有效性[8]。金方杰等[9]以攪拌復(fù)合鑄造 SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的熱模擬壓縮試驗(yàn)為基礎(chǔ),研究了變形工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料高溫變形時(shí)流變應(yīng)力的影響,建立了鋁基復(fù)合材料高溫變形時(shí)的加工圖,如圖1。結(jié)果表明,該復(fù)合材料的最佳加工溫度在 400～450℃,應(yīng)變速率在0.001～0.01 s-1之間,而在低溫高應(yīng)變速率和高溫中應(yīng)變速率區(qū)域出現(xiàn)失穩(wěn),這為制定合理的熱加工工藝、有效地控制產(chǎn)品的組織性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了依據(jù)。

圖1 14%SiCp/7A04復(fù)合材料的加工圖Fig.1 Processingmap for 14%SiCp/7A04 composites

在熱處理方面,除了采用常規(guī)熱處理如 T6以提高復(fù)合材料力學(xué)性能以外,崔光華等[10]還采用冷熱循環(huán)處理來(lái)改善材料的組織與性能,特別是對(duì)有效消除材料內(nèi)部殘余應(yīng)力、改善構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性等方面有良好效果。

應(yīng)用進(jìn)展

由于鋁基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱、低熱膨脹、耐磨、耐輻射等優(yōu)異的綜合性能,在航空、航天、空間、電子、信息、先進(jìn)武器等領(lǐng)域得到了重要的應(yīng)用。

. 在航空航天工業(yè)中應(yīng)用

近年來(lái)航空、航天工業(yè)對(duì)輕質(zhì)、高強(qiáng)、高可靠性材料的要求很迫切[11]。與其它國(guó)家相比,美國(guó)更加重視顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在航空、航天工業(yè)中的應(yīng)用,特別是在軍事方面。到目前為止,美國(guó)組織了多個(gè)以軍事應(yīng)用為目的的復(fù)合材料研究項(xiàng)目,開(kāi)發(fā)鋁基復(fù)合材料在航空、航天器件上的應(yīng)用。這些研究取得了良好的結(jié)果,鋁基復(fù)合材料在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的天線導(dǎo)波導(dǎo)桿、F-16戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)腹尾翼和進(jìn)油門、發(fā)動(dòng)機(jī)部件等零部件上均取得了引人注目的應(yīng)用。用顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制作導(dǎo)彈控制尾翼、發(fā)射管、三角架等零件,充分發(fā)揮了這種材料剛度好的特性;采用 SiCp/A356或 A357復(fù)合材料可制造飛機(jī)液壓管、直升飛機(jī)支架和閥體;采用25%SiCp/2099復(fù)合材料可制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件。美國(guó)DWA公司用 SiC顆粒增強(qiáng) 6092鋁基復(fù)合材料代替鋁合金,大規(guī)模用于 F16戰(zhàn)斗機(jī)的垂直尾翼,提高壽命 17倍;代替樹(shù)脂基復(fù)合材料用于 B777和 C-17GlobemasterⅢ的 P&W4000發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇出口導(dǎo)流葉片,大幅提高了使用壽命并降低成本 33%[12]。作為結(jié)構(gòu)材料,SiCp/A1復(fù)合材料已被大規(guī)模應(yīng)用于 Eurocopter公司生產(chǎn)的 EC-120和N4直升機(jī)旋翼系統(tǒng)的一級(jí)關(guān)鍵零件上,通過(guò)利用復(fù)合材料高比剛度的性能優(yōu)勢(shì),替代鈦合金,可以減質(zhì)量 30%以上[13-14]。此外,Alcan公司用 SiCp/Al復(fù)合材料成功制造出導(dǎo)彈殼體、輕型坦克的履帶板、雷達(dá)天線、飛機(jī)常平環(huán)等軍事用品。在國(guó)內(nèi),上海交通大學(xué)近年來(lái)采用 SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料分別制造了導(dǎo)彈、衛(wèi)星、兵器上的各種關(guān)鍵零件,應(yīng)用取得了重大進(jìn)展。如制備了衛(wèi)星、空間、先進(jìn)武器等高技術(shù)領(lǐng)域用多種受力結(jié)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)功能件,部分制品如圖2。它們具有高比強(qiáng)度、高比剛度、高耐磨的性能特點(diǎn)。制備了精密光學(xué)儀器用主鏡筒、反射鏡、裝星底板等部件,具有尺寸穩(wěn)定、熱變形小、熱膨脹系數(shù)低的特點(diǎn)。北京航空材料研究所等研究單位也制造出多種宇航用鋁基復(fù)合材料零件樣品。

圖2 部分 SiCp/Al復(fù)合材實(shí)用構(gòu)件Fig.2 Some parts of SiCp/Al Composites

. 在電子封裝領(lǐng)域中應(yīng)用

高含量 SiCp/Al復(fù)合材料具有熱導(dǎo)率高 (大于 160 W/m·℃)、密度低 (2.9～3.1 g/cm3)、熱膨脹系數(shù)可與 GaAs芯片及低溫共燒陶瓷基片匹配等優(yōu)點(diǎn),且可以實(shí)現(xiàn)低成本的凈成形(net-shape)或近凈成形制造,是電子封裝的理想材料。自 20世紀(jì) 90年代以來(lái),發(fā)達(dá)國(guó)家的一些公司大力發(fā)展用于電子封裝的高含量 SiCp/Al復(fù)合材料。目前,美、英、德 3個(gè)國(guó)家的數(shù)家公司如,Ceramics Process Systems Corp. (CPS),PCC Composites以及Lanxide Electronic Component等均可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn),并應(yīng)用于功率器件、光電子器件、微波器件和其它軍工產(chǎn)品。近年來(lái),美國(guó)雷聲公司和洛克希德·馬丁公司將近凈成形的高含量 SiCp/Al復(fù)合材料電子封裝材料外殼應(yīng)用于 F-22戰(zhàn)斗機(jī)相控陣?yán)走_(dá)的 T/R組件,取得了良好效果:以 1 000個(gè) T/R模塊構(gòu)成機(jī)載 AESA雷達(dá)為例,用高含量 SiCp/Al復(fù)合材料替代 Kovar,雷達(dá)質(zhì)量可減輕 34 kg,而熱導(dǎo)率比 Kovar提高 10余倍,且提高整機(jī)可靠性MTBF達(dá) 2 000 h以上。本世紀(jì)初,美國(guó)SiCp/Al封裝件年產(chǎn)量超過(guò) 100萬(wàn)件,大量用于 T/R模塊。

在國(guó)內(nèi),采用壓力鑄造高含量 SiCp/Al復(fù)合材料制作基座替代W-Cu基座、封裝微波功率器件,有望在封裝領(lǐng)域大量替代W-Cu、Mo-Cu等材料。

另外,高含量 SiCp/Al復(fù)合材料在汽車電子方面也有重要應(yīng)用。Lanxide Electronic Components,Inc.和Ceramics Process Systems以 AEA,QuickSet和 QuickCast等技術(shù)制造的汽車功率模塊、熱沉和功率集成電路封裝等已應(yīng)用于美國(guó)通用汽車公司的新電動(dòng)轎車 EV1和小卡車 S10。高含量 SiCp/Al復(fù)合材料既有快速傳散熱的能力,又具有足夠的機(jī)械性能以提供長(zhǎng)期可靠的散熱功能。

. 在核工業(yè)中應(yīng)用

B4C具有吸收中子的特性,因此 B4C顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在核廢料存貯方面有良好的應(yīng)用前景。DWA公司采用 41%B4Cp/Al復(fù)合材料制作核廢料干法存貯桶,已經(jīng)取得了規(guī)模應(yīng)用。

. 在汽車工業(yè)中應(yīng)用

針對(duì)汽車工業(yè)發(fā)展輕量化的趨勢(shì),鋁基復(fù)合材料在某些范圍內(nèi)替代鋁合金、鋼、陶瓷等傳統(tǒng)的汽車材料,用于汽車關(guān)鍵零件,特別是高速運(yùn)動(dòng)零件,對(duì)減輕重量、減少運(yùn)動(dòng)慣性、降低油耗、改善排放、提高汽車綜合性能等具有積極作用,已受到各方面越來(lái)越多的重視。日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入巨資進(jìn)行鋁基復(fù)合材料及其在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用研究,并取得了成功。

將非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用于汽車制動(dòng)盤,可以減輕質(zhì)量 50%～60%,減少了慣性力,提高了燃料效率,提高了加速度,縮短了制動(dòng)距離。且由于 DRA制動(dòng)盤有極好的導(dǎo)熱性,因此,它能使摩擦面上的熱量很快失散?？梢圆捎弥亓﹁T造 (砂型、氣化型、金屬型),壓力鑄造或擠壓鑄造等工藝進(jìn)行制造。在國(guó)外,鋁基復(fù)合材料在汽車制動(dòng)盤的應(yīng)用已取得了成功。美國(guó) FORD公司研制成制動(dòng)盤產(chǎn)品,所用材料為 20%SiCp/A356,批量用于高級(jí)轎車 (Lincoln Town Car)的后輪上;Lotus公司將鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于 Elise(一種低容量運(yùn)動(dòng)轎車)的前后輪制動(dòng)盤上;Lanxide公司生產(chǎn)的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料汽車制動(dòng)盤已于 1996年投入生產(chǎn)。在國(guó)內(nèi),上海交通大學(xué)研制出的鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤已通過(guò)了臺(tái)架試驗(yàn)和數(shù)萬(wàn)公里的裝車試驗(yàn)。另外,德國(guó)、日本等研制出鋁基復(fù)合材料高速列車制動(dòng)盤,已在火車、地鐵、城郊列車上應(yīng)用。

采用非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸套,可減輕質(zhì)量 3～4.5 kg,并可提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率,改善熱導(dǎo),提高缸體剛性和尺寸穩(wěn)定性,減少摩擦。日本豐田公司將鋁基復(fù)合材料批量應(yīng)用于轎車發(fā)動(dòng)機(jī)上的缸套。連桿主要的設(shè)計(jì)性能是在 150～180℃下具有高周疲勞抗力,在連桿上采用 15%SiCp/2080復(fù)合材料,其在工作溫度下的疲勞強(qiáng)度接近于 170 MPa,同時(shí)還具有熱膨脹小、彈性模量高、耐磨等重要性能。鋁基復(fù)合材料活塞的設(shè)計(jì)是利用復(fù)合材料良好的高溫強(qiáng)度、足夠的耐磨性、可控的熱膨脹系數(shù)以及與鋁合金相近的熱導(dǎo)率,它們可以與氣缸更緊密地配合,減小間隙,改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放,并承受高溫考驗(yàn)。重力鑄造、擠壓鑄造、半固態(tài)成形和壓力鑄造等方法均能用于生產(chǎn)局部增強(qiáng)或整體增強(qiáng)活塞。豐田公司首先在客車上(Passenger Car)采用非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備內(nèi)燃機(jī)活塞,活塞頂部采用局部增強(qiáng),通過(guò)擠壓鑄造法制備。

總結(jié)與展望

作為結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)一體化的新材料,非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料正在迅速發(fā)展,并在多個(gè)領(lǐng)域取得了重要應(yīng)用。從發(fā)展趨勢(shì)看,本世紀(jì)初非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料不僅會(huì)成為航空航天、空間領(lǐng)域中不可替代的重要材料,而且會(huì)逐步拓寬民用市場(chǎng),預(yù)計(jì)在本世紀(jì)將會(huì)大批量生產(chǎn)和應(yīng)用。

[1]Lloyd D J.Particle Reinforced Aluminium and Magnesium Matrix Composites[J].International M aterial Reviews,1994,39(1):1-23.

[2]Chen Yonglai(陳永來(lái)),Lu Hongjun(呂宏軍),Zhang Yuwei(張宇瑋),etal.納米級(jí) SiCp/6066A1復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能的研究[J].AerospaceM aterials&Technology(宇航材料工藝),2005(2):57-59.

[3]YangBin(楊 濱 ),Wang Feng(王 鋒 ),Huang Zanjun(黃贊軍),etal.噴射沉積成形顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展[J].M aterials Review(材料導(dǎo)報(bào)),2001,15:4-6.

[4]Lashmi S,Lu L,Gupta M. In Situ Preparation of TiB2Reinforced Al Based Composites[J].Journal of M aterial Science,1998,73:160-166.

[5]Wood J V,Davies P,Kellie J L F. Properties of Reactively Cast Aluminum-TiB2Alloys[J].M aterials Science and Technology,1993(9):833-840.

[6]Zhai Yanbo(翟彥博 ),Liu Changming(劉昌明 ).Mg2Si顆粒增強(qiáng)自生鋁基復(fù)合材料氣缸套[J].Special Casting&Nonferrous Alloys(特種鑄造及有色合金),2009,29:494-497.

[7]Prasad YV R K,GegelH L,Doraivelu SM,etal.Modeling of Dynamic Material Behaviorin Hot Deformation: Forging of Ti26242[J].M etallurgical TransactionsA,1984,15:1 883-1 894.

[8]Radhakrishna BhatB V,Mahjan Y R,Roshan H M,etal.ProcessingMap for Hot Working of Powder Metallurgy 2124 Al2 20 Vol Pct SiCp MetalMatrix Composite[J].M etallurgical Transactions A,1992,23A:123-130.

[9]Jin Fangjie(金方杰),Ouyang Qiubao(歐陽(yáng)求保),Zhou weimin(周偉敏),etal.14%SiC/7A04鋁基復(fù)合材料的加工圖[J].M aterials for M echonical Engineering(機(jī)械工程材料),2008,32:76-79.

[10]Cui Guanghua(崔光華).Effects of Cryogenic Treatment on Properties of A lum inum M atrix composites(深冷處理對(duì)鋁基復(fù)合材料性能的影響)[D]. Shanghai:Shanghai Jiao Tong University,2008.

[11]Zhang Xuexi(張學(xué)習(xí)),Wang Dezun(王德尊),etal.非連續(xù)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用[J].AeronauticalM anufacturing Technology(航空制造技術(shù)),2002,5:35-35.

[12]Maruyama B,Hunt W H.Discontinuously Reinforced Aluminum:Current Status and Future Direction[J].JOM,1999(11):59-61.

[13]Jerome P.Commercial Success forMMCs[J].PowderM etallurgy,1998,41:25-30.

[14]Mark Hull.AMC:Leading edge MMCs and Powder Materials[J].PowderM etallurgy,1997,40:102-103.

Progress in the Research and Application of D iscont inuously Re inforced Alum inum Matrix Composites

OUYANG Qiubao,ZHANG Guoding,ZHANG Di
(National KeyLaboratory ofMetalMatrix Composites,Shanghai Jiao TongUniversity 200030,China)

By combining with discontinuous reinforcements and alum inum alloys,discontinuously reinforced aluminum matrix composites(DRA)exhibit excellent properties such as light weight,high specific strength,high specific modulus,good wear-resistance,high thermal conductivity,low coefficient of thermal expansion etc.DRA have achieved lots of important applications and exhibit great potentials formore applications into aerospace,electron information,advanced weapons,automobiles etc. This paper introduces the current methods for manufacturing of DRA,properties and hotworking behaviors,and then reviews the update developments for applications in varieties of high technique fields.

Almatrix composites;manufacturingmethods;hotworking;application

TB331

A

1674-3962(2010)04-0036-05

2009-10-28

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2010CB833101)資助

歐陽(yáng)求保,男,1967年生,博士,副教授