铝基复合材料的制备及其应用
材料是人类赖以生存的必需品，是社会发展的基础，是现代文明的重要支柱。而先进材料对人类生活质量的提高，对社会的发展，对其他技术的发展都起着重要的促进作用。
先进材料是新材料和具有高性能的传统材料的总称，既包括具有优良性能的新材料，又包括具有高性能的传统材料。
汽车工业是一个国家的支柱产业，汽车工业是大型的、综合性的加工产业，它可以带动和促进系列相关工业和相关社会服务行业的发展。相关的工业有冶金、石油化工、机械、电子电器、轻工、纺织等。相关的服务行业有交通运输、保险、维修、商业等。这些工业和服务行业所涉及的经济效益和社会效益十分巨大。在材料方面，汽车工业需用11大类材料，分别为钢板、特种钢、结构用塑料和复合材料、非结构用塑料和复合材料、橡胶、涂料、有色金属合金（主要为铝合金材料）、铸件、陶瓷和玻璃、金属基复合材料。汽车工业对材料的需求很大，仅美国每年需用6000万吨以上。随着现代汽车向轻量化、节能、环保、安全舒适方向发展，需用传统材料提高性能，同时需要具有高性能的新型材料代替部分传统材料。例如，采用IF钢板和抗拉强度超过400MPa的超级钢做汽车钢板，可以减薄，减轻汽车车体质量；采用新型的铝基复合材料代替铸铁件，用深冲铝合金板代替钢板，都显著减轻汽车质量。自20世纪60年代以后，塑料件在汽车中的应用逐渐增多，以工程塑料和复合材料为主，目前，在单台轿车上的塑料件用量已接近120Kg。由于先进材料的发展，汽车上使用的原材料结构组成比逐年发生变化。
先进复合材料的兴起，克服了均一材质材料的不具有多种性能的弱点，在汽车上应用，既有利于减轻汽车自身质量，又有利于提高性能。
一． 铝基复合材料制备技术
先进铝合金材料包括高强高韧性铝合金材料、半固态铸造成型铝合金材料和耐腐蚀铝合金材料等。
当前铝基复合材料的研究几种在两个方面：1.采用连续纤维增强的具有优异性能的复合材料，其应用范围几种在很特殊的领域，如航空航天领域；2.采用不连续增强体增强的具有优良性能的复合材料，其应用范围相当广泛。
相对来说，后者具有制备工艺简单、增强体成本低廉等优点，实现工业化大批量生产的潜力更大，因此成为当前铝基复合材料的研究重点。
1.纤维增强铝基复合材料的制造方法
为获得无纤维损伤、无空隙、高性能的致密复合材料，必须考虑增强纤维与铝及铝合金间的润湿性好坏和反应性大小、增强纤维的分布状态和高温下的损伤老化程度及界面稳定性等。纤维增强铝基复合材料的制造方法主要有熔融浸润法、加压铸造法扩散粘接法和粉末冶金法等。 1.1 熔融浸润法
熔融浸润法是用液态铝及铝合金浸润纤维束，或将纤维束通过液态铝及铝合金熔池，使每根纤维被熔融金属润湿后除去多余的金属面得到复合丝，再经挤压而制得复合材料。其缺点是当纤维很容易被浸润时，熔融铝及铝合金可能会对纤维性能造成损伤利用增强纤维表面涂层处理技术，可有效地改善纤维与金属间的浸润性和控制界面反应。目前熔融浸(Al—Mg)等纤维增强铝基复合材料的制造。 1.2 加压铸造法
加压铸造法是使熔融铝及铝合金强制压入内置纤维预制件的固定模腔，压力一直施加到凝固结束。加压铸造法因高压改善了金属熔体的浸润性，所制得复合材料的增强纤维与铝及铝合金间的反应最小，没有孔隙和缩孔等常规铸造缺陷。铸造压力和增强纤维含量对铝基复合材料的性能有较大影响。加压铸造法成功地用于制造B／AI，SiC／A1，A1 Od(Al—Li)，A1 OJ(A1一Mg)等铝基复合材料。 1.3 扩散粘接法
扩散粘接法主要是指铝箔与经表面处理后浸润铝液的纤维丝或复合丝或单层板按规定的次序叠层，在真空或惰性气体条件下经高温加压扩散粘接成型以得到铝基复合材料的制造方法。此外，扩散粘接法还包括常压烧结法、热压法、高温挤拉法。目前采用扩散粘接法制造的纤维增强铝基复合材料有C／A1，B／A1，SiC／A1等。
1.4 粉末冶金法
粉末冶金法是传统的粉末冶金工艺在新的工程材料制备上的发展。随着制粉工艺的发展和分散工艺方法的完善，人们已经利用粉末冶金法成功制备了大量性能优异的铝基复合材料。它们不仅具有高比强、高比模、低膨胀、高抗磨的特点，而且可以随意调整工艺路线。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它工艺方法制备的材料。
2、颗粒增强铝基复合材料的制备方法： 2.1 液态金属浸渗 1 ) 挤压铸造
’ 挤压铸造是目前制造金属基复合材料较成熟的一种方法。首次在工业上应用的铝基复合材料制件即13 本丰田公司制造的铝基A 1 ，O ， 晶须增强汽车活塞就是用挤压铸造方法获得的。挤压铸造是在液体压力作用下将液态金属渗入增强相预制块中。在制造过程中， 为了防止熔体过早冷却，需要对压模和预制块进行预热处理， 预热温度一般低于基体合金的液相线温度。 2 ) 气压铸造
用气体压力取代挤压铸造的液体压力。就形成了气压浸渗制造复合材料工艺。气压浸渗工艺一般都施加真空作用， 所需要的浸渗压力较低， 大都在十几M P a 以下。目前， 已经出现了多种气压浸渗工艺技术。 3 ) 无压浸渗
无压浸渗工艺是1 9 8 9 年L a n x i d e 公司：提出的专利技术， 也称为L a n x i d e 5 2 艺。在该工艺中， 基体合金放在可控制气氛的加热炉中加热到基体合金液相线以上温度，在不加压力的情况下合金熔体自发浸渗到 颗粒层或预制块中。利用该方法可制造出近终形态的复合材料制品。因为没有压力作用， 浸渗模具材料选择很容易， 如可选用；透气性好的耐火材料和烧结陶瓷材料。影响该工艺的主要因素为： 浸渗温度、颗粒大小和环境气体种类。无压浸渗工艺本质是实现自润湿作用。目前该工艺只能在一定条件下才能实现， 合金含镁和氮气环境是两个前提条件， 因此无压浸渗工艺具有局限性。 2.2 弥散混合工艺
弥散混合工艺是用机械力作用使颗粒和熔体混合， 然后浇注成铸锭或复合材料制件。该工艺研究开始于6 0 年代。由于大多数类型的颗粒和铝合金熔体之间具有不润湿特点， 因此为了使得颗粒和熔体之间完全结合， 必须施加外力作用以克服热力学表面障碍和黏滞阻力。该工艺主要包括： 搅拌铸造、流变铸造、螺旋挤压、喷射分散、团块分散等方法。 2.3 原位复合工艺
原位复合工艺是由加入到基体金属熔体中的粉末或其它材料与基体反应生成一定的增强相而制得复合材料的一种工艺。主要包括自蔓延合成工艺、X D 52 艺和气液反应工艺。这些工艺的主要优点为： 陶瓷颗粒表面无污染， 与基体界面相容性好， 颗粒细小， 因而材料增强效果好， 是研究和开发复合材料很有效的方法” M a r i e t t a 公司开发的专利复合材料制造X D T M 技术。该技术是向有溶解能力的金属(如A 1)中加入某几种物质使其发生化合反应放热生成需要的增强体。以T i B ， 颗粒在A l 基体中的形成为例， T i、B 和A l 以元素粉末的形成或以A l — T i、A l — B 合金的形式混合并加热至足够高的温度形成熔融的A l 介质， T i 或B 在其中扩散析出T i B ， 。典型的做法是先制备含高体积分数(5 0 v 0 1％ 以上)的母合金， 再加入到金属基体中制得含所需体积分数的复合材料。该技术可产生的陶瓷颗粒包括硼化物、碳化 物、氮化物和硅化物等。 2.4 粉末冶金
粉末冶金是制备高熔点难成型金属材料的传统工艺。它是将快速凝固金属粉末和增强陶瓷颗粒等经筛分、混合、冷压固结、除气、热压烧结， 以及压力加工制得复合材料的一种工艺。研究结果表明， 用粉末冶金工艺生产的颗粒增强金属基复合材料的综合强度水平比用熔融金属工艺生产的同种材料高， 伸长率也较高， 材料微观组织结构有所改善。但是这种工艺及设备复杂， 金属粉末与陶瓷颗粒混合时会因颗粒分布不均， 除气不完全而导致材料内部出现气孔， 温度选择不当易造成汗析。另外， 制得的复合材料坯件一般还需要二次成型。这种设备不适用于生产较大型件，所以对铝基复合材料的工业规模生产有所限制。 2.5 喷射沉积工艺
喷射沉积工艺是由英国S i n g e r 教授首创并干1 9 7 0 年正式公布。这一工艺早期应用于一些金属半成品的生产和制备， 后来加利福尼亚大学L a v e r n i a E J 等人开始利用这一技术制备颗粒增强金属基复合材料。
哈尔滨工业大学武高辉等人对石墨纤维增强铝基复合材料在空间遥感器镜筒结构中的应用进行了研究。为了设计和制造出性能更加优越的空间遥感器，对一种新型航天材料石墨纤维增强铝基复合材料进行了研究。突破了石墨纤维与铝合金的界面反应控制、纤维铺层和缠绕设计等关键技术，成功制备了石墨纤维增强铝基复合材料，材料的密度为2．12×10 kg／m。，弹性模量为129 GPa，线膨胀系数为5．0×10 K 。针对这种复合材料，摸索出一套完整的加工和后处理工艺，并首次把这种复合材料应用在空间红外遥感器镜简结构设计中，设计的镜筒较之钛合金镜筒减重31．8 。最后，完成了镜筒组件的加工装配、透镜的装校和随机振动试验。实验结果表明，镜筒组件的一阶谐振频率为284 Hz，高于100 Hz的设计要求，振动试验后光机系统没有发生变化。上述工作表明，石墨纤维增强铝基复合材料在航天遥感领域具有较高的应用价值。
2．1 材料的特点分析
对于小型空间红外遥感器来说，结构部分不仅要满足高刚度、高强度和尺寸稳定性的要求，而且应该尽量减轻质量。本文研究的空间红外遥感器镜筒材料采用了石墨纤维增强铝基复合材料（以下简称铝基复合材料)，这种材料属于长纤维增强(连续强化)金属基复合材料，由哈尔滨工业大学金属基复合材料研究所自 主研制。
与金属材料相比，铝基复合材料具有如下优点：耐高温、高比强、高比模、热膨胀系数小、尺寸稳定性好、对缺口不敏感且抗磨损。与聚合物基复合材料相比铝基复合材料具有如下优点：耐高低温、防燃、尺寸稳定、抗氧化、抗辐照、抗电磁脉冲、无气化和导热、导电、剪切强度高、热膨胀系数低、可直接加工螺纹和圆孔。
表1比较了常用航天材料的主要性能参数，从中可以看出，铝基复合材料(Gr／A1)的密度比铝小，但是弹性模量比钛大。铝基复合材料的比刚度很大，仅次于铍，但它的生产过程不会像铍一样产生剧毒和污染。它的线膨胀系数为5．0×10 K ，在±5O。C多次循环下，结构尺寸稳定，可以很好地满足光学系统对温度和结构尺寸稳定性的要求。
比刚度和比强度高、线膨胀系数小、尺寸稳定性好是铝基复合材料的突出特点，这些特点决定了它是一种制造空问相机镜筒的理想材料。
2．3 材料的加工和处理工艺
铝基复合材料是一种设计性很强的材料，可以按照设计者的要求进行石墨纤维的铺层、缠绕、毛坯件的精密成型，这样既可以提高材料性能，又可以节约昂贵的石墨纤维，降低成本。设计人员也可以根据材料纤维铺层和缠绕的特性，在结构上设计合理的过渡与连接，充分利用材料特点，使零部件获得更好的力学性能和尺寸稳定性。这种材料还可以直接加工圆孔和螺纹，不需要安装预埋件，较之树脂基复合材料使用起来更加方便。
图2列举了一种典型石墨纤维增强铝基复合材料零件的加工工艺流程。需要特别注意的是在铝基复合材料的切削加工过程中，一般应使用金刚石刀具，而且不能使用冷却液。由于石墨纤维的存在，普通刀具很容易磨损，切削力的稳定性很差，易引起机床的振动，切削速度也不宜过高。图3展示的是铝基复合材料的毛坯料，图4展示的是精加工后的铝基复合材料，从图中可以看出铝基复合材料的表面 加工质量完全可以达到钛合金的水平。这种铝基复合材料发黑过程实际就是在材料表面镀覆双层金属(Ni P合金和Zn)，再进行黑色钝化处理，这样就可以获得耐蚀性能及光学性质良好的膜层，膜层总厚度约为30／xm 。最后通过超声无损检 测来检验零件内部是否存在缺陷。
．4
3 应用实例
应用铝基复合材料进行了空间红外遥感器镜筒结构的设计。已经公开的相关文献表明，本文所研究的铝基复合材料是首次应用于空间光学镜筒结构设计。镜筒是保证红外遥感器成像质量的重要部件。镜筒的结构形式、镜筒材料的选择、镜筒的结构设计不仅要满足光学系统的要求，而且要满足力学性能和真空高低温环境的要求，同时尽可能降低质量。特别是对光学透镜组件来说，其加工与装配都有严格的公差要求，也只有保证各个镜片及其相对位置在空间使用过程中仍然保持地面上的装校精度，才能获得高清晰度和满意的遥感图像。镜筒主要零件使用了上述体积百分比为50 的M40／A1复合材料。材料的具体参数为：密度2．12 x 10。kg／m。，弹性模量l29 GPa，线膨胀系数5．0×10 K_。，经过±5O℃多次循环下，结构尺寸稳定。经过加工后，零件安装透镜的端面位置平行度公差可以达到10 m，表面粗糙度达到1．6，说明了这种复合材料的加工精度可以达到金属材料的精度。零件表面发黑后测量红外发射率为0．856(5O℃)。由于卫星所提供的安装空间有限，本文采用了转折光路设计，如图5所示。镜筒组件结构如图6所示。设计要点如下：
(1)镜筒由遮光罩、窗口镜筒、大镜筒、中镜 简、转折镜筒、反射镜压板几部分组成；
(2)遮光罩由铝蜂窝内胆和碳纤维复合材料外壳组成，具有去除杂散光的功能。窗口镜筒、大镜筒、中镜筒使用铝基复合材料制造。转折镜筒由于形状不规则，采用钛合金精密铸造而成；
(3)铝基复合材料镜筒的设计过程中特别注意了结构过渡处理，考虑具体的结构尺寸，设计相应的圆角和连接方式，可以更好地适应纤维铺层、缠绕的要求。其加工工艺符合图2中的工艺流程；
(4)考虑到镜筒的直径比较小，主镜筒采用分体结构，便于透镜的安装和调试，透镜各个安装端面要求有高的形位公差，以保证各个透镜的相互平行；
(5)通过红外定心仪来调整各片透镜的同轴度。透镜边缘注入XM-23胶，可以固定透镜，同时保证了透镜和镜筒之间的柔性连接，有一定的减振效果；
(6)平面反射镜通过反射镜压板与转折镜筒连接，反射镜压板在结构上能实现反射镜角度调整；
(7)镜筒组件通过螺钉紧固，本身自成一体，这样可以减轻外部干扰对镜筒组件的影响。外部通过两个铝合金支撑座安装固定，如图7所示。
陕西理工学院徐峰等人A12 03颗粒增强铝基复合材料储能焊接头微观组织及性能。对0．3 mm厚Al：O，颗粒增强铝基复合材料薄板进行了储能点焊连接研究试验。发现其微型点焊接头由熔核区、热影响区和熔核向热影响区过渡的熔合区(线)组成。由于储能焊极短的焊接时间，大的冷却速率达到106 K／s，使得熔核组织显著细化，具有快速凝固特征。熔核中增强相A1 O 颗粒发生偏聚现象，在熔核边缘区域出现了气孔缺陷。当焊接电容C=6 600、电压U=80 V、电极压力F=18 N时，获得较高力学性能的焊接接头。
试验选用A1 O。 ／2024A1复合材料作为母材，由粉末冶金法制备而成。A1：O，颗粒平均直径15 m、体积分数10％ ，基体金属为2024A1。焊接试样的尺寸为10 mm×5 ITlm X0．3 mm的薄板材，系线切割加工而成。
1．2 储能焊焊接
试样经金刚砂纸打磨、丙酮清洗和烘干，装配如图I所示的搭接接头。在微型电容储能焊机上进行点焊连接。焊接主要参数为：电容6 600 ixF、电压70～110 V、电极力15—20 N。焊接热输入(E)、焊接电压(U)和电容(C)之问的函数关系为E=C ／2。因此，焊接热输人为】6．17—39．9 J
2．1 接头整体相貌
颗粒增强铝基复合材料储能点焊接头整体形貌如图2所示。接头由3个区域组成：形状较规则的扁平熔核区、熔核周围的热影响区及熔核向母材过渡的熔合区(线)。熔核直径约为780 Ixm，最大厚度约320 txm，约占总厚度的1／2，焊点熔核直径符合要求，熔核边缘邻近接合面的区域出现了气孔，对应着图中的黑色区域。熔合区较窄，勾勒出熔核和母材之间的分界线，其组织细小未发现缺陷；热影响区组织未发生明显的粗化，与母材原始组织保持良好的一致性。可见，储能焊可实现A1：0，颗粒增强铝基复合材料薄板的点焊连接，能获得高质量的焊接接头。
图1 搭接接头示意图
2．2 熔核组织
图3为A1 0 颗粒增强铝基复合材料储能点焊接头熔核组织。从图中可以看出，母材经过储能焊接过程后，熔核组织相对于基体组织发生明显细化，是由于焊接接头的形成过程是在电极力的作用下快速凝固，抑制了组织的长大从而细化了熔核组织；另一方面，熔核金属的熔化及其凝固过程是在电容瞬间放电所产生的强磁场氛围中完成的，强力的磁场搅拌作用也是接头组织细化的原因。熔核中的A1：0 颗粒增强相在熔合区(线)周围发生了偏聚，原因是由于增强相A1：0，颗粒与铝合金基体的导热率和熔点相差很大，导致熔池粘度增大，熔池金属的流动性降低，液相与固相互相并存使得增强相分布不均；在凝固过程中A1 0，颗粒增强相不能成为结晶核心，凝固界面前沿对增强相的推移造成了增强相的偏析；另外，由于较小的电极力使得未能挤出熔核的A1：0，颗粒聚集在熔合区的边缘。
图2 储能焊熔核整体形貌 图3 熔核组织
2．3 熔核的快速凝固
电容储能点焊利用电容瞬时放电产生的电流经电极加载在被焊板材上，形成放电回路。板材接触电阻瞬时产生的热量使接触界面板材局部熔化，在电极力的作用下形成熔核。电容放电结束后，由于cu电极和周围基体的快速吸热，熔核处于较大的过冷状态，熔核的冷却速率很大(达到106 K／s) ，高的冷却速率使熔核的形核率显著增大，熔核组织均匀细小。由于焊接接头尺寸很小，焊接过程中形成的微小熔核中具有较小的温度梯度，凝固速度快，同时也避免了基体组织的迅速长大而形成粗大的柱状晶，接头组织因动态再结晶形成较为均匀细小的柱状晶，晶粒非常细小与母材组织相比晶粒度明显提高，形成了具有快速凝固特征的微观组织焊接接头，提高了焊接质量。
2．4 焊接接头力学性能
2．4．1 接头的显微硬度
A1 0。颗粒增强铝基复合材料储能点焊接头显微硬度分布测试结果如图4所示。焊核区中心组织与母材相近，但由于部分A1：0 颗粒的偏析增加该区域的硬度；热影响区处于很短暂的过热状态，与母材相比组织粗大变化不明显，所以热影响硬度略有提高，但硬度变化不大；熔合区(线)由于又处于固液两相之间。成分和组织不均匀，大的冷却速率，使得熔合区出现较明显的加工硬化现象，同时大量增强相A1 0，颗粒的偏析增大了接头硬度，显微硬度达到113．5 HV，焊接热过程不会造成硬度的显著提高。 2．4．2 接头的剪切强度
点焊接头的剪切强度主要取决于电极力、焊接电压和焊接能量等工艺参数。在电极压力作用下熔核周围金属会发生塑性变形和强烈的再结晶而形成先于熔核生长的塑性环，对消除焊点缺陷、改善金属组织和提高力学性能具有较大作用。而电压对焊接能量有直接的影响，焊接能量过小被焊材料不能被加热到热塑性状态；而焊接能量过大很容易产生飞溅和击穿，都很难得到力学性能好的接头。通过实验发现当焊接电压一定时，随着电极力的增加，接头剪切强度也随之增加。当电极力达到l8 N时，剪切强度达到最大值132．5 MPa，进一步增强电极力接头强度开始逐渐降低，如图5所示。通过综合分析显微硬度和剪切强度与焊接参数之间的相关性，发现对于0．3 mm厚的A1：0，颗粒增强铝基复合材料薄板储能焊，焊接参数：电容C=6 600 IxF、电压U=150—170 V和焊接电极力F=17—19 N时，可获得综合性能优良的焊接接头。
图4 接头显微硬度 图5 接头剪切强度
2．5 断口形貌分析
图6是Al O，颗粒增强铝基复合材料储能焊接头断口形貌。断口主要为韧性断裂韧窝、准解理面、Al：O，颗粒以及拉拔掉A1：0，颗粒的残留凹坑，增强相AI 0，颗粒与基体结合紧密，故可以保证焊接接头强度。经x衍射射线分析，其组织由OL(A1)+A1 0，+少量的其它相(CuA1：和CuA1 Mg)组成。
接头断口形貌
3 结论
(1)采用储能焊方法可实现0．3 mm厚的A1 0，颗粒增强铝基复合材料薄板的点焊连接，微型接头由熔核、热影响区及熔合区组成。熔核厚度约占接头厚度 的1／2，熔核向基体金属过渡良好。
(2)由于储能焊瞬间放电的特点，接头冷却速率大使得接头组织具有快速凝固的特征。
(3)断口主要为韧性断裂韧窝，增强相A1：O，颗粒与基体结合紧密，其相组织由O／(A1)+AI：O，少量的其它相(CuA1 和CuA1：Mg)组成。(4)对于0．3 mm厚的A1：O，颗粒增强铝基复合材料薄板的储能焊，当电容C=6 600 IxF、电压 U=150—170 V和焊接电极力F=17—19 N时，剪切强度可达到132．5 MPa，获得综合性能优良的焊接接头。
分子束外延技术(MBE)的原理及其制备先进材料的研究进展[定稿]
