¿Cuáles son los principales procesos de preparación de composites de matriz metálica en la actualidad?

(1) Método compuesto de pulvimetalurgia

El principio básico del método compuesto de pulvimetalurgia es el mismo que el método de pulvimetalurgia convencional, incluido el método de conformación por sinterización, el método de corte por sinterización y el método de plastificación. , método de formación de procesamiento, etc. Adecuado para la preparación y moldeado de materiales compuestos reforzados con dispersión (materiales compuestos reforzados con partículas o reforzados con fibras). Las principales ventajas del método compuesto de pulvimetalurgia son: la composición del metal base o aleación se puede seleccionar libremente, y la reacción entre el metal base y las partículas de refuerzo no es fácil de producir; el tipo y tamaño de las partículas de refuerzo; se selecciona libremente y se pueden fortalecer una variedad de partículas de refuerzo. El rango de cantidad de adición es grande, es más fácil lograr la uniformidad de las partículas; Las desventajas son: proceso complejo y alto costo; la forma y el tamaño del producto son limitados; la dispersión uniforme de las partículas finas reforzadas es difícil; la interfaz entre las partículas y la matriz no es tan buena como la de los materiales compuestos fundidos, etc.

(2) Método de formación por solidificación por fundición

El método de formación por solidificación por fundición consiste en componer el metal base en estado fundido. Los métodos principales incluyen el método de fundición con agitación, el método de infiltración en fase líquida y el método de deposición por aspersión ***. Los materiales compuestos moldeados por solidificación fundida tienen las características de un proceso simple y una buena calidad del producto, y se utilizan ampliamente en la industria.

1. Método del compuesto de fundición primario

El método del compuesto de fundición primario (también conocido como tecnología de síntesis de reacción de contacto líquido: Reacción de contacto líquido: LCR) consiste en agregar las materias primas para producir partículas reforzadas. a la matriz fundida En los metales, se utilizan reacciones químicas a altas temperaturas para fortalecer la fase, a la que luego se le da forma mediante fundición. Las características de este proceso son que el estado de unión entre las partículas y el material de la matriz es bueno, las partículas son pequeñas (0,25 ~ 1,5 μm), están uniformemente dispersas y el contenido puede llegar hasta el 40%, por lo que el compuesto de alto rendimiento Se pueden obtener materiales. Los polvos elementales de uso común incluyen titanio, carbono, boro, etc., y los polvos compuestos incluyen Al2O3, TiO2, B2O3, etc. Este método se puede utilizar para preparar materiales compuestos a base de A1, a base de Mg, a base de Cu, a base de Ti, a base de Fe y a base de Ni. La fase de refuerzo puede ser de boruro, carburo, nitruro, etc.

2. Método de fundición con agitación

El método de fundición con agitación también se denomina método de fundición por mezcla, etc., que consiste en agregar partículas de cerámica al metal fundido, agitarlo uniformemente y luego verterlo. en el molde para obtener el producto o procesamiento secundario de espacios en blanco, este método es fácil de implementar, se puede producir en grandes cantidades y el costo es bajo. Este método se usa ampliamente en la preparación de materiales compuestos a base de aluminio, pero su principal desventaja es que la combinación de metal matriz y partículas de refuerzo es limitada. Hay dos razones: ① Es fácil que se produzcan reacciones químicas entre las partículas reforzadas y el metal base de la masa fundida; ② Las partículas reforzadas no se dispersan fácilmente de manera uniforme en aleaciones fundidas como las de aluminio. Esto se debe a la mala lubricidad. de partículas cerámicas y aleaciones de aluminio, otro problema es que las partículas cerámicas son propensas a la segregación entre dendritas junto con átomos de soluto.

3. Método de fundición de compuestos semisólidos

El método de fundición de compuestos semisólidos se desarrolla a partir del método de fundición semisólido. Por lo general, cuando el metal se solidifica, los cristales primarios crecen en forma de dendritas. Cuando la proporción de fase sólida alcanza aproximadamente el 0,2%, las dendritas forman un esqueleto de red continua y pierden fluidez macroscópica. Si el metal líquido se agita fuertemente durante el proceso de enfriamiento desde la fase líquida a la fase sólida, el esqueleto de la red dendrítica se romperá y la forma del tejido granular disperso se conservará, suspendida en la fase líquida restante. El tejido todavía tiene cierta reología cuando la proporción de fase sólida alcanza del 0,5% al ​​0,6%. La aleación semisólida que queda en la fase líquido-sólida se puede colar reológicamente debido a su reología; la suspensión semisólida también tiene tixotropía, y el lingote reológico se puede recalentar hasta los puntos de cambio de fase sólida y líquida para ablandarlo. la fundición a presión La acción de corte en la puerta y la pared del molde puede restaurar la reología y llenar el molde. Se añaden partículas reforzadas o materiales reforzados con fibras cortas a la aleación semisólida que está sujeta a una fuerte agitación. Debido al efecto de dispersión y captura de los granos esféricos rotos de la suspensión semisólida sobre las partículas añadidas, no sólo evita la formación de partículas. aglomeración y segregación de las partículas, pero también hace que las partículas sean uniformes en la distribución de la suspensión, mejora la humectabilidad y promueve la unión interfacial.

4. Método de solidificación por impregnación (tecnología MI)

El método de solidificación por impregnación es un método para sumergir un cuerpo formado en fase reforzada previamente preparado que contiene una mayor porosidad en el metal base fundido. un método para preparar materiales compuestos permitiendo que el metal de la matriz penetre en la preforma y luego la solidifique. Hay dos métodos: impregnación a presión e impregnación sin presión. El método de impregnación es adecuado para la preparación de materiales compuestos con poca humectabilidad entre la fase de refuerzo y la matriz metálica fundida. El contenido de la fase de refuerzo puede ser tan alto como del 30 % al 80 %; se suprime la reacción entre la fase de refuerzo y el metal fundido, lo que hace que sea menos probable que se produzca la deflexión.

Sin embargo, cuando se utilizan partículas como fase de refuerzo, la preparación de la preforma es más difícil y normalmente se utilizan bigotes y fibras cortas para preparar la preforma. Es difícil que el metal fundido penetre en el interior de la preforma, lo que dificulta la preparación de materiales compuestos de gran tamaño.

5. Método de fundición centrífuga

El método de fundición centrífuga se utiliza ampliamente en la fundición y formación de piezas huecas. Los materiales compuestos en capas bimetálicas se pueden formar mediante dos métodos de fundición. simple Tiene las ventajas de bajo costo y alta densidad de fundición, pero la calidad de la interfaz es difícil de controlar y es difícil formar materiales compuestos continuos de grandes dimensiones.

6. Método de fundición por solidificación presurizada

Este método consiste en verter el metal fundido en el molde y luego aplicar presión para solidificar el metal fundido bajo presión. El metal está bajo alta presión desde el estado líquido hasta la solidificación, por lo que se puede impregnar completamente, alimentar y evitar que produzca poros, lo que da como resultado piezas fundidas densas. El método de combinar fundición y forja también se denomina fundición por compresión, forja con matriz líquida, forja y fundición, etc. El método de fundición por solidificación presurizada puede preparar piezas de MMC más complejas y también puede reforzarse localmente. Dado que los materiales compuestos son fáciles de combinar bajo presión en estado fundido, la combinación es muy fuerte y se pueden obtener piezas con altas propiedades mecánicas. El tocho compuesto fabricado a esta alta temperatura es más conveniente para el moldeo secundario y puede someterse a varios tratamientos térmicos para cumplir con diversos requisitos de materiales.

7. Método de revestimiento por inmersión en caliente y solidificación inversa

Los métodos de revestimiento por inmersión en caliente y solidificación inversa son métodos utilizados para preparar materiales de revestimiento continuos de dimensiones largas. El revestimiento por inmersión en caliente se utiliza principalmente para el recubrimiento continuo de cables, controlando principalmente la longitud del área de recubrimiento y la velocidad del cable central que pasa a través del área. El método de solidificación inversa utiliza una tira delgada como tira maestra y pasa a través del solidificador inverso a una cierta velocidad de tracción. Dado que la velocidad de la tira maestra es mucho menor que la velocidad del metal fundido, se forma una zona de sobreenfriamiento suficientemente grande cerca. la superficie de la tira maestra. El metal fundido comienza a solidificarse y crecer en la superficie de la tira maestra. Un par de rodillos dispuestos sobre el solidificador inverso desempeñan el papel de aplanar y soldar al mismo tiempo.

8. Método de fundición al vacío

El método de fundición al vacío consiste en enrollar primero la fibra continua en una máquina bobinadora y luego utilizar compuestos poliméricos orgánicos descomponibles, como el ácido polimetacrílico, para hacer un semi. -fibra curada, colocar la preforma en el molde y calentarla a 500°C para descomponer el polímero orgánico. Un extremo del molde se sumerge en el líquido metálico de la matriz y el otro extremo se evacua para aspirar el líquido metálico hacia la cavidad del molde y remojar las fibras.

(3) Método de formación por pulverización

La formación por pulverización, también conocida como deposición por pulverización (Spray Forming), utiliza gas inerte para atomizar el metal en pequeñas gotas y hacer que se muevan en una dirección determinada. Durante el proceso de inyección, se encuentra con las partículas finas mejoradas enviadas por otra ruta de gas inerte junto con la inyección, se depositan sobre una plataforma con un sustrato enfriado por agua y se solidifican en un material compuesto. El proceso de solidificación es relativamente complejo y está relacionado con la atomización del metal, las condiciones de deposición y solidificación, o el ángulo de alimentación del refuerzo. La solidificación prematura no puede recombinarse, y una solidificación demasiado tardía hará que el refuerzo flote y se hunda y se vuelva desigual. repartido. La ventaja de este método es que el proceso es rápido, se puede suprimir la segregación de metal a gran escala y el engrosamiento del grano, se evitan reacciones de interfaz en el material compuesto y los refuerzos se distribuyen uniformemente. Las desventajas son que las materias primas son arrastradas por el flujo de aire y depositadas en la pared efectora, lo que provoca mayores pérdidas. También existe la porosidad del material compuesto y una fácil holgura. Hay dos procesos de preparación que utilizan el principio de formación por pulverización: método aditivo (formación por pulverización inerte) y método de reacción (formación por pulverización reactiva). El proceso Osprey estudiado por Osprey Metals es representativo del método de moldeo por inyección. El tiempo de contacto entre las partículas reforzadas y el metal fundido es corto y la reacción de la interfaz se suprime de manera efectiva. El método de deposición por pulverización reactiva es un método que genera automáticamente partículas cerámicas reforzadas en niebla o matriz metálica.

(4) Método de compuesto laminado

El método de compuesto laminado consiste en componer primero diferentes placas de metal mediante el método de unión por difusión y luego utilizar el método de pulverización iónica o epitaxia de haz molecular para combinarlas alternativamente. Se laminan capas delgadas de diferentes metales o metales y cerámicas para formar compuestos de matriz metálica. Este tipo de material compuesto tiene un buen rendimiento, pero el proceso es complicado y difícil de poner en práctica. En la actualidad, el uso de este material no está muy extendido. En el pasado, se utilizaba principalmente en pequeñas cantidades o en pruebas en la aviación, la industria aeroespacial y otros equipos militares. Ahora se está trabajando arduamente para transferirlo al uso civil, especialmente en el sector. industria del automóvil, que tiene buenas perspectivas de desarrollo.

(5) Método compuesto de generación in situ

El método compuesto de generación in situ también se denomina tecnología de síntesis de reacción. El método de síntesis de reacción de materiales compuestos de matriz metálica se refiere al uso. de reacciones químicas para producir materiales bajo ciertas condiciones. Un método compuesto que genera una o varias fases de refuerzo termodinámicamente estables in situ en la matriz metálica.

Esta fase de refuerzo son generalmente partículas cerámicas con alta dureza, alto módulo elástico y resistencia a altas temperaturas, es decir, óxidos, carburos, cloruros, boruros e incluso siliciuros. A menudo se combinan con materiales metálicos tradicionales, como Al, Mg, Ti. , Fe, Cu y otros metales y sus aleaciones, o (NiTi)(,AlTi) y otros compuestos intermetálicos se combinan para obtener materiales estructurales o materiales funcionales con excelentes propiedades.

El proceso compuesto in situ de compuestos de matriz metálica puede básicamente superar una serie de problemas que a menudo ocurren en otros procesos, como la mala infiltración de la matriz y los refuerzos, la fragilidad causada por reacciones de interfaz, la distribución desigual de refuerzos y problemas con componentes pequeños (submicrónicos y nanoescala), los refuerzos son extremadamente difíciles de componer, etc. Ha recibido amplia atención como un nuevo método de proceso innovador, incluido el método de oxidación directa, el método de autopropagación y el método de crecimiento de cristales in situ.

1. Método de oxidación directa (DIMON)

El método de oxidación directa utiliza gas oxidante para oxidar directamente el líquido de aleación de metal bajo ciertas condiciones de proceso para formar materiales compuestos. Por lo general, la temperatura del método de oxidación directa es relativamente alta y agregar una cantidad adecuada de elementos de aleación como Mg, Si, etc. puede acelerar la velocidad de reacción. La resistencia y tenacidad de este tipo de material compuesto depende del estado de las partículas y de la morfología de la microestructura final. Dado que los refuerzos formados pueden juzgarse mediante la termodinámica de aleación y reacción, se pueden producir materiales compuestos con diferentes tipos de refuerzos mediante aleación y control de la atmósfera del horno.

2. Método de dispersión exotérmica (XD)

El principio básico de la tecnología de compuestos de dispersión exotérmica (dispersión exotérmica) es mezclar uniformemente los materiales de reacción de la fase reforzada y los polvos a base de metal en una mezcla. mezcla en cierta proporción, moldeo por prensado en frío o prensado en caliente para formar un compacto, que se calienta a una determinada velocidad de calentamiento y se mantiene a una determinada temperatura (normalmente superior al punto de fusión de la matriz e inferior al punto de fusión de la fase de refuerzo). Para formar cada componente de la fase de refuerzo se produce una reacción química exotérmica entre ellos para generar una fase mejorada. La fase de refuerzo es de tamaño pequeño y está distribuida de forma dispersa. La tecnología XD tiene muchas ventajas: ① Hay muchos tipos de fases de refuerzo que se pueden sintetizar, incluidos boruros, carburos, siliciuros, etc. ② El porcentaje en volumen de las partículas de la fase de refuerzo se puede controlar controlando la proporción y el contenido del componente de la fase de refuerzo; materiales; ③ Refuerzo El tamaño de las partículas de la fase se puede controlar ajustando la temperatura de calentamiento; ④ Se pueden preparar varios MMC ⑤ Dado que la reacción se lleva a cabo en estado fundido, se puede formar aún más cerca de la forma final; La tecnología XD es uno de los procesos más eficaces para sintetizar materiales compuestos a base de compuestos intermetálicos y a base de metales reforzados con partículas. Sin embargo, los productos elaborados mediante el proceso XD tienen el problema de una mayor porosidad. Actualmente, generalmente se usa la compactación directa durante el proceso de reacción para aumentar la densidad.

3. Método de infiltración de fundición SHS

El método de infiltración de fundición SHS es una combinación de tecnología de síntesis autopropagante de alta temperatura (síntesis autopropagante de alta temperatura) y método de fundición líquida de Materiales compuestos de matriz metálica Una nueva tecnología que combina los dos procesos de síntesis in situ de partículas reforzadas y moldeo por fundición. Actualmente, el método de infiltración SHS-cast es uno de los procesos de síntesis de reacción competitivos, pero el control del proceso es muy difícil. El proceso típico es: utilizar la alta temperatura de la aleación fundida para encender el sistema SHS sólido en el molde de fundición y formar un recubrimiento compuesto en la superficie de la fundición controlando las posiciones de los reactivos y productos. Puede sintetizarse y densificarse. el material SHS y realizar la fundición. La formación y la preparación del revestimiento de la superficie se completan simultáneamente.

4. Tecnología de deposición por pulverización reactiva (RSD)

Las reacciones utilizadas para generar partículas cerámicas mediante el proceso de deposición por pulverización reactiva incluyen reacción gas-líquido, reacción líquido-líquido y reacción sólido-. reacción líquida y reacción de adición de sal. Combina las ventajas de la solidificación rápida y la metalurgia de polvos, y supera las deficiencias en el proceso de deposición por pulverización, como la estrecha combinación mecánica de partículas y matriz, y la fracción de volumen de la fase de refuerzo no puede ser demasiado alta. dirección en la investigación actual sobre materiales compuestos de matriz metálica. El proceso de deposición por pulverización reactiva es el siguiente: antes de atomizar el líquido metálico, se pulverizan partículas sólidas altamente activas en el líquido para provocar una reacción líquido-sólido, lo que hace que las partículas pulverizadas se disuelvan durante el proceso de atomización y reaccionen con uno o más elementos. en la matriz para formar una fase estable. El tamaño de la fase dispersa se puede controlar controlando la velocidad de enfriamiento de la pulverización y posteriormente la velocidad de enfriamiento de la pieza en bruto.