（4）改进制备工艺

定向凝固、机械合金化、热压或热等静压、微晶涂层等。

7、试述高性能金属基复合材料的主要制备方法、优点以及设计与过程中应考虑的主要材料科学问题及解决方法，并谈金属基复合在工业实际应用中面临的主要问题。选一种具体简述金属基复合材料制备原理和应用情况。

制备方法：

金属基复合材料多数制造过程是将复合过程与成型过程合为一体，同时完成复合和成型。由于基体金属的熔点，物理和化学性质不同，增强体的几何形状、化学、物理性质不同，应选用不同的制造工艺。现有的制造工艺有粉末冶金法、热压法、热等静压法、挤压铸造法、共喷沉积法、液态金属浸渗法、反应自

生法等，归纳起来可分成以下几大类：固态法、液态金属法和自生成法及其他制备方法。

金属基复合材料常用制备方法：热压扩散结合法、粉末冶金成型法、渗铸法、液态金属模锻法、搅拌法，挤压铸造成型法。

优点：

金属基复合材料的性能主要取决于所选用的金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等。通过优化组合可以获得既有金属特性，又有高比强度、高比模量、耐热、耐磨等综合性能的复合材料。

高比强度、高比模量；

良好的导热、导电性能；

热膨胀系数小、尺寸稳定性好；

耐磨性好；

良好的疲劳性能和断裂韧性；

不吸潮、不老化、气密性好，性质稳定，组织制密。

设计过程中考虑的问题：

考虑到金属基复合材料的性能、应用、成本等因素，金属基复合材料的制造技术应具备以下几个条件：

（1）能使增强材料以设计的体积分数和排列方式均匀的分布于金属基体中，满足符合复合材料结构和强度设计要求。

（2）能确保复合材料的界面效应、混杂效应或者复合效应充分发挥，有利于复合材料性能的提高和互补，不能因制造工艺不当而造成材料性能下降，特别是不能对高性能增强材料造成损伤。

（3）能够充分发挥增强材料对基体金属的增强效果、增韧效果、尽量避免在制造过程中增强材料和金属基体之间发生各种不利的化学反应，得到适合界面结构和特性的复合材料。

（4）设备投资少。工艺简单易行，可操作性强，便于实现批量或者规模生产。

（5）尽量能制造出接近最终产品的形状，尺寸和结构，减少或者避免后加工工序。

解决途径或者办法：

由于金属所固有的物理和化学特性，其加工性能不如树脂好，在制造金属基体复合材料中需要解决一些关键性技术，主要包括以下几点：

（1）由于加工温度高，在高温下易发生不利的化学反应。在加工过程中，为了确保基体的浸润性和流动性，需要采用很高的加工温度（往往接近或者高于基体的熔点）。在高温下，基体与增强材料易发生界面反应，有时会发生氧化而生成有害的反应产物。这些反应往往会对增强材料造成损害，形成过强的结合界面，而过强结合界面会使材料产生早期低应力破坏。同时，高温下反应的产物通常呈脆性，会成为复合材料整体破坏的裂纹源。因此，控制复合材料的加热温度是一项关键技术。

解决办法：尽量缩短高温加热时间，使增强材料与基体界面反应降至最低程度；通过提高工作压力使增强材料与基体浸润速度加快；采用扩散粘结法可有效控制温度并缩短时间。

（2）增强材料与基体润湿性差是金属基复合材料制造的又一难点。绝大多数的金属基复合材料如：碳铝、碳镁、碳化硅铝、氧化铝、铜等等，基体对增强材料润湿性差，有时根本不发生润湿现象。

解决办法：加入合金元素，优化基体成分，改善基体对增强材料的润湿性，常用的合金元素有钛、锆、铌、铈等；对增强材料进行表面处理，涂覆一层可抑制界面反应的涂层，可有效改善其润湿性。表面涂层涂覆的方法比较多，有CVD、PVD、溶胶-凝胶和电镀或化学镀等。

（3）按照结构设计要求和所需方向，，使增强材料均匀地分布于基体中也是金属基体复合材料制造中的难点。增强材料的种类较多，如短纤维、晶须、颗粒等，还有直径较粗的单丝、直径较细的纤维束等，同时在尺寸、形态、理化性能上也有很大的差异，使其均匀地或按设计强度的需要分布比较困难。

解决办法：对增强材料进行适当的表面处理，使其浸润基体速度加快；加入适当的合金元素改善基

体的分散性；施加适当的压力，使基体分散性增大。

在实际工业应用中面临的主要问题：

（1）在力学上存在的问题

以往对复合材料力学性能的研究大都是建立在连续介质力学的理论基础上,属宏观力学.但实际上,复合材料的结构与连续介质的模型偏离很远,建立的很多模型并不能很好地描述复合材料的力学行为,所以人们开始注意微观结构与力学性质的关系,试图建立和补充微观力学的研究.由于复合材料结构复杂,应考虑随机和统计的概念,而且其力学受工艺、环境及原材料性能影响很大,因此,要建立严格的力学模型和数学模型困难很大,只能采取由实验结果寻找经验关系的方法来进行研究,将来或许可利用模糊数学的概念来解决复合材料的力学问题.

（2）金属基复合材料的界面

界面是多种复合材料中既重要又复杂的关键问题,也是一直困扰本领域研究者的重大问题,复合材料中增强相与基体的界面强烈地影响着材料的物理性能和机械性能。当前的工作是致力于用各种先进的分析手段如透射电镜、扫描电镜、X射线衍射仪等方法表征界面结构.对于复合材料来说,不同材料的良好复合应该有适当匹配的热扩散,其中扩散系数是表征物质扩散能力和热物理化学性能的重要参量.研究界面扩散和扩散系数传统的方法是把含界面的样品按不同的距离逐层剥离下来,而后用化学分析或光谱分析的方法剖析分离物样的浓度.这样的方法相当繁琐,而且仍然是以平均成分代替真实成分,也不能微观和精确.现代电子探针分析(EPMA) 方法的发展,提供了一种微观界面研究的最佳方法.陶景光等对金刚石复合界面的扩散问题提出了能谱仪与波谱仪原位互补分析研究的方法,并指出较低熔点钴的扩散分布是金刚石复合界面质量的关键.黄大千等用电子探针、X射线能谱仪、透射电镜、扫描电镜研究了碳化硅颗粒增强Al2014复合材料的界面,发现界面没有Si 和Al 的相互扩散.由于界面结构对复合材料性能具有很大影响,人们希望得到最佳的界面,以获得复合材料的最佳性能.因此,界面的研究成为材料科学中普遍而重要的问题.

（3）热疲劳问题

金属基复合材料及涂层技术的发展,赋予材料高的耐磨、耐蚀性及抗高温氧化性,但对于在高温、高压环境下工作的零部件,由于在使用过程中受温度急剧变化而易产生热疲劳破坏,这就要求对这些新材料的热疲劳性能进行研究.对于涂层材料需指出的是,由于涂层与基体之间存在一个性能突变的界面,尤其是热膨胀系数相差较大,难以得到足够的结合强度,并在高温下内外温差较大的使用环境中,界面处易产生很大的热应力而引起涂层的剥落.这也是引起热疲劳破坏的一个主要原因.

简述一种金属基复合材料制备原理和应用情况

挤压铸造法是目前制备非连续增强金属基复合材料最成功的工艺。它是通过铸造机将液态金属强行压入增强材料预制件中以制造复合材料的一种方法。挤压铸造法是将增强体制成预成型体，干燥预热后，再浇入金属熔体并将模具压下并加压，液态金属在压力下浸渗入预制件中，并在压力下凝固，制成接近最终形状和尺寸的零件。挤压铸造法具有成本低、工艺简单、增强体体积分数可调范围大、可以制备近净成型产品的优点。另外，由于基体合金在高压下浸渗和凝固，可以大大改善增强体和基体合金的结合状况，减少铸造缺陷，提高材料的致密度，从而改善复合材料的机械性能。但挤压铸造法受产品形状和尺寸的影响，对大体积零件的适应性不高，而且对模具和设备要求较高，预制件的制备技术直接影响到增强体颗粒在基体合金内的分布情况，继而对复合材料力学性能产生影响，同时挤压压力会损害预制件的完整性，使得其应用受到一定的限制。

8、非晶材料的主要制造技术及应用。

1、非晶态材料的制备原理

（1）获得非晶态材料的根本条件

——足够快的冷却速度，并冷却到材料的再结晶温度以下。

（2）制备非晶态材料需解决的两个技术关键：

（a）必须形成分子或原子混乱排列的状态；

（b）将热力学亚稳态在一定范围内保存下来，并使之不向晶态转变。

（3）制备非晶材料的基本原理示意

（a）可以看出，一般的非晶态形成存在气态、液态和固态三者间的相互转化；

（b）图中粗箭头表示物态间的平衡转变；

（c）非晶态转变在图中用空心箭头表示，在箭头的旁边标出了实现该物态转变所采用的技术。

（4）影响非晶态材料制备的因素

（a）最主要因素——临界冷却速率Rc

（c）熔点Tm，降低熔点可使得合金成分处于共晶点附近，更容易形成非晶态。

多元合金比二元合金更容易形成非晶态。

（d）玻璃化温度Tg，玻璃化温度：在某些材料的热容-温度曲线上，随T↑，热容值有一急剧增大的趋势，该点即为材料的玻璃化温度。提高玻璃化温度，金属更容易直接过冷到Tg 以下而不发生结晶。

2、主要制造技术：

粉末冶金法、气相直接凝聚法（溅射、真空蒸发沉积、电解和化学沉积、辉光放电分解法、激光加热、离子注入法）、液体急冷法（喷枪法、锤砧法、离心法、压延法、单辊法、熔体沾出发、熔滴法）、

3、性能特点

（1）具有高的抗拉强度；

（2）具有很高的强度、硬度和较高的刚度；

（3）具有很好的韧性和延性；

（4）具有高的弯曲强度、高的断裂韧性、高的冲击断裂能和较低的杨氏模量；

（5）在过冷温度区间具有高应变率超塑性能；

（6）高的抗腐蚀性能。

（7）具有软磁性和超导性。

4、应用

（1）缺乏晶体材料所具有的磁各向异性，导磁率高，损耗小。也就是说，旋转磁化容易，各向磁场灵敏度高，因此，可用来构成高灵敏度磁场计或磁通量传感器。现已相继开发出应力ˉ磁效应式高灵敏度应力传感器、磁致伸缩效应式机械传感器。

（2）具有高电阻率(比坡莫合金高几倍)，因此，即使是在高频范围内也能得到较小的涡流损耗和极好的磁特性，有效利用此特性便可开发研制出磁性晶体难以实现的快速响应传感器。

（3）不存在晶粒边界、位错等晶体材料固有的缺陷，因而机械强度高，抗化学性强。

（4）直到居里温度（近似为200~500K），其组合成分均可随意确定。因此，可望用于开发研制快速响应温度传感器。

9、当前涡轮叶片的主要制造技术及技术瓶颈。

涡轮叶片的制备工艺从早期的挤压、锻造发展为铸造，经历了等轴晶叶片、定向凝固柱状晶叶片和单晶叶片三个发展阶段。作为最为先进的单晶叶片，其性能水平成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上, 也是一个国家航空工业水平的显著标志。

铸造单晶叶片从最早的功率降低法进行冷却，逐渐发展为空冷法、液态金属冷却法；启晶方式由早期的晶种启晶的方式逐渐发展为现在主流的铜盘冷却方式；选晶方式主要有转折式和螺旋式选晶，并以螺旋选晶器为主。

在涡轮材料方面，近期的发展方向是：定向共晶合金、超单晶合金、机械合金化高温合金，远期的是人工纤维增强高温合金、定向再结晶氧化物弥散强化合金以及新的能承受高温度的材料如金属间化合物及复合材料，碳－碳复合材料，陶瓷和陶瓷基复合材料。未来的发动机将大量采用非金属材料。

在制造工艺和结构上，现在国外在探索更高性能水平的单晶对开和扩散连接的叶片和多孔层板叶片制造技术，这种加工技术可使涡轮进口温度进一步提高。由小孔加工发展的铸造冷却技术使得在涡轮叶片上铸造出0.25mm 的气膜孔成为可能，单晶精密铸造、真空扩散焊和优良的表面防护及处理等工艺技术的发展保证了涡轮叶片经过设计越来越精细。