颗粒增强金属基复合材料制备工艺的综述

材料热处理技术Material&HeatTreatment2011年5月

颗粒增强金属基复合材料制备工艺的综述

刘建华,沈胜利

(郑州职业技术学院,河南郑州450121)

摘

要：概述了颗粒增强金属基复合材料的种类，介绍了目前颗粒增强金属基复合材料的常用的制备工艺。

文献标识码：A

文章编号：1001-3814(2011)10-0106-03

关键词：颗粒增强金属基复合材料；制备工艺；原位复合中图分类号：TG441.8

PreparationMethodsforParticulateReinforcedMetalMatrixComposite

LIUJianhua,SHENShengli

(ZhengzhouTechnicalCcollege,Zhengzhou450121,China)

Abstract：Thekindsofparticulatereinforcedmetalmatrixcompositewereoutlined.Thepreparationmethodsforparticulatereinforcedmetalmatrixcompositeweresummarized.

Keywords：particulatereinforcedmetalmatrixcomposite;preparationmethod;in-situsynthesis

金属基复合材料起源于20世纪50年代末或强度和比刚度；与基体合金相比，其具有优异的机械性能和物理性能、高的比强度和比模量、良好的抗疲劳性能、低的热膨胀系数和良好的热稳定性，是颗粒增强金属基复合材料中开发最早，品种和规格最多，应用最广泛的一类复合材料[2]。这种金属基复合材料的密度只有钢的1/3，为钛合金的2/3。与铝合金相近，镁及其合金具有比铝更低的密度，镁基复合材料是继铝基复合材料之后的又一具有竞争力的轻金属复合材料。镁质结构件在机械加工、循环再生和铸造方面较铝有很大的技术优势，而且用镁基材料可以代替特种塑料，因此，镁基复合材料在航空航天特别是汽车工业中具有潜在的应用前景和广阔的市场[3]。钛合金本身具有较高的室温和高温比强度，加入高弹性模量、高强度和颗粒增强相后，可进一步提高其比弹性模量、比强度、疲劳强度和耐磨性[4]。铜及其合金具有优良导热性、导电性、耐腐蚀性、接合性和可加工性等综合物理、力学性能，它既继承了紫铜的优良导性，又具有高的强度和优越的高温性能，在各种领域都有广阔的应用前景[5]。

60年代初期。近年来，金属基复合材料的制备工艺

及理论研究发展非常迅速，早期的研究集中在连续纤维增强物，但由于连续纤维的成本较高，复合材料的制备工艺难度大，从而限制了它的研究与发展。与纤维增强金属基复合材料相比，颗粒增强金属基复合材料的制备方法有更多选择余地，其局限性更小。

颗粒增强金属基复合材料发展至今约有30年历史，现代科学技术的发展要求材料具有良好的综合性能，如高强度、高韧性、高耐磨性、低密度和良好的抗疲劳性。目前颗粒增强技术及复合材料已经在世界范围内得到广泛应用，并且逐渐走向工业化。在20世纪90年代末，碳化硅颗粒增强铝基复合材料在大型客机上获得正式应用普惠公司从PW4084发动机开始，将以DWA公司生产的挤压态碳化硅颗粒增强变形铝基复合材料(6092/SiC/17.5p-T6)，作为风扇出口导流叶片，用于所有采用PW4000系发动机的波音747上[1]。颗粒增强金属基复合材料在航空航天等领域中发挥重大作用，具有良好的应用前景。

1金属基体

金属基复合材料按照基体的不同可分为铝基、

2颗粒增强相选择

陶瓷颗粒增强相基本上是选择Al2O3、SiC、ZrO2、

镁基、钛基和铜基复合材料等。从以往和目前的状况来讲，铝及其合金为基体的复合材料具有高的比

收稿日期:2010-11-18

作者简介:刘建华(1965-),女,河南郑州人,讲师,主要研究方向为物理

教育;电话:15038310673;E-mail:zzxyljh@http://www.77cn.com.cn

MgO、Si3N4、SiO2、WC、B4C等。选择陶瓷颗粒增强相

并不是随意的，不仅要考虑颗粒增强相的应用条件、制备工艺，而且还要考虑材料的成本等因素，目前作为颗粒增强相研究较多的是Al2O3和SiC颗粒。

陶瓷颗粒的自身形状和尺寸对制备工艺也有很大影响：当颗粒为圆型的时候，颗粒的周边应变分布

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下半月出版

均匀且应变较小，随着颗粒的尖锐化，尖角部分的应力会集中，而且会越来越严重。与此同时，颗粒周边的应变分布会逐渐变得不均匀，在颗粒的尖角部分会出现应变集中，随着颗粒的尖角角度越小，应变集中越严重；颗粒尺寸越小，颗粒的表面积越大，表面能就越大，颗粒团聚的情况也就越严重。要使增强相颗粒进入到金属基体中，细化晶粒，改善复合材料的综合性能，增强颗粒和金属基体之间的润湿性必须改善，通常可对增强颗粒进行表面处理、添加合金元素等途经改善二者的润湿性[6]。

Material&HeatTreatment材料热处理技术

强相的体积分数会受到限制[10]。

3.3挤压铸造法

挤压铸造法(有些文献称为预制件浸渗法[9])首先是将增强体做成预制块，放入模具，再浇入基体合金熔液，随后加压，使基体熔液渗入预制块成锭。崔岩等[11]用挤压铸造法制备出45vol%-50vol%的性能优异的SiCP/A1复台材料。热物理性能数据与理论预测的一致说明材料是均匀的，无明显缺陷存在。

SiC-Al界面有良好的结合，界面能够起到有效传载

的作用，很好地约束Al基体的嘭胀，且界面热阻较小，结合十分紧密。

挤压铸造法可制备出形状和最终制品相同或相似的产品；液态金属浸渗的时间短，冷却速度快，可降低乃至消除颗粒界面反应；增强相的体积分数在较大范围内可调。但是挤压铸造不易制备形状复杂的制件，当浸渗压力很大时，对模具和所制件的完整性有很大的影响。

3制备工艺

粉末冶金法是将颗粒与金属粉充分混合后冷压

3.1粉末冶金法

成型，真空加热到固液两相区内热压，将热压后坯料进行热挤压或冷轧制成零部件。粉末冶金法有三个步骤：粉末混合、压实和烧结。肖永亮等[7]用粉末冶金法制备了纳米SiC颗粒增强铝基复合材料，经实验发现，材料的组织均匀而且细小。粉末冶金法的优点是不存在界面反应，可以制备出大体积分数的复合材料，任何合金都可以作为基体材料，允许使用几乎所有种类的增强相；增强颗粒分布均匀，质量稳定。董树荣等[8]用粉末冶金法制备了纳米碳管增强铜基复合材料，纳米碳管体积分数显著影响复合材料的综合性能，纳米碳管含量在12vol%左右时．复合材料的致密度和硬度达到较好的综合值。但是粉末冶金法也存在一些问题,如成本高，一般需要二次成型；工艺程序复杂，植被周期长；粉末在球磨过程中形状受到限制等问题。

3.4高能超声复合法

采用高能超声制备金属基复合材料，能在极短的时间内使增强相在基体中达到较好的分散，并兼具除气，除渣的作用。超声能引起固液界面能的变化导致润湿性的改善，声空化泡崩溃时产生的强烈冲击波使团聚物分散开，同时在具有较高速度和加速度的声流效应的协同作用下，高能超声可使增强体在基体金属中均匀弥散分布。在超声波的作用下，熔体粘度的下降，使气泡上浮除气，进而降低复合材料制品中的气孔率，改善材料的力学性能。潘蕾等[12]利用高能超声复合法制备了SiCP／ZA27复合材料(其中SiC颗粒的最小粒径可达0.5μm)。对其进行力学测试结果表明．随颗粒尺寸和含量的增加，复合材料的抗拉强度和弹性模量有所提高,但颗粒含量对力学性能的影响远比粒径显著。

3.2搅拌铸造法

该方法是将增强体加入到基体金属液中，通过高速旋转的搅拌器使液相和固相混合均匀，然后浇入到铸型中。这种方法的关键是将增强体均匀分布于基体中，并且是基体和增强相之间有良好的界面结合，搅拌铸造法可分为液相搅拌法和液固两相搅拌法[9]。搅拌铸造法有很多优点，如：成本低，便于一次形成复杂工件，所需设备相对简单，能够适应批量生产。但是仍存在一些问题，如在搅拌过程中陶瓷颗粒的偏聚问题，陶瓷颗粒在液体中分布的均匀性问题、界面反应问题等。另外，非真空搅拌铸造时，在搅拌的过程中容易引入气体，致使产品内部产生气孔。同时利用这种方法制取金属基复合材料时，颗粒增《热加工工艺》2011年第40卷第10期

3.5喷射沉积法

喷射沉积法是使金属熔体和陶瓷增强相颗粒在雾化器内混合，然后被雾化喷射到水冷的基体上成型。通过喷射沉积技术制取金属基复合材料，金属熔滴和陶瓷增强相颗粒接触的时间极短，有效地控制了界面化学反应。控制工艺气氛也可最大限度的控制氧化反应的发生。喷射沉积法应用范围广，几乎可以适用任何基体和陶瓷颗粒增强相。陈振华等[13]采用多层喷射共沉积工艺制备了6066铝合金/15%

SiC颗粒复合材料，得到了增强颗粒分布均匀、增强

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材料热处理技术Material&HeatTreatment

颗粒与基体界面洁净、基体冷凝速度高的沉积坯，沉积坯经挤压后进行了T6处理，其力学性能为σb=

2011年5月

3.6.3

DIMOX技术

DIMOX技术是Lanxide公司的Newkirt等于1986年发明的技术，该技术基本原理是熔融金属合

金在高温下与广义的气、液或固态氧化剂发生氧化反应，原位生成以反应固体产物(氧化物、氮化物或硼化物)骨架为基体并含有5%～30%三维连通金属相的复合材料。该技术用于制备金属基复合材料和低孔隙率的陶瓷基复合材料，其技术要求是熔融的金属或合金向增强相中渗透，同时与气氛中的氧反应，形成三维互联或部分三维互联的网状基体，增强相粒子散布其中。林营等[15]利用金属直接氧化法制备了

640MPa，σ0.2=510MPa，E=133GPa，δ=9.4%。3.6原位复合法

在金属基复合材料的制备过程中，增强体与金属基体之间的相容性，即增强体与金属基体的润湿性是需要解决的问题。同时，增强体与金属基体之间都存在界面反应，它也影响到金属基复合材料在高温制备时和高温应用时的性能和稳定性。如果增强体(颗粒、纳米颗粒、晶须等)能从金属基体中直接

(即原位)生成，则上述相容性问题就可得到明显改

善。原位生成的增强体与金属基体界面能有良好的结合，生产相的热力学稳定性好，增强体与金属基体之间的润湿和界面反应也得到很好解决，这种制备方法就是原位复合法。原位复合法工艺也有缺点，工艺过程较难掌握，增强相的成分和体积分数不易控制。

目前报道的原位合成技术主要有：原位热压技术、XD技术(exothermicdispersion)、CVD技术、

SiC颗粒增强Al2O3-Al复合材料，借助于XRD、OM

和SEM对该复合材料的微观结构进行观测，分析了SiO2氧化层的形成在复合材料制备过程中的作用。结果表明，SiO2层可防止材料的粉化现象。

4展望

金属基复合材料发展至今，一直存在着两个重

要问题，就是有害的界面反应和颗粒的偏聚问题，这两个问题给复合材料的制备带来很多不利，人们一直在努力寻求解决这两类问题的办法。选择合适的制备工艺可在一定程度上控制有害的界面反应和偏聚问题。

目前金属基复合材料还处于研究阶段，由于成本原因暂时只应用在航天军工方面，大批量工业生产还做不到。其优异的力学性能、热性能会吸引人们不断的探索研究具有优异性能且廉价的金属基复合材料及制备工艺。参考文献：

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DIMOX技术和熔体浸渍技术和反应结合技术及SHS技术等。3.6.1原位热压技术

将反应物混和或与某种基体原料混合后通过热压工艺制备，组成物相在热压过程中原位生成。通过调整工艺参数，也可采取常压烧结工艺。原位热压技术是常用的原位复合技术，国内不少研究机构或个人都利用该法制备复合材料。李超等[14]利用原位热压技术制备Ti3AlC2/TiB2复合材料，以Ti粉、Al粉、石墨和B4C粉为原料采用原位热压法成功合成了

Ti3AlC2/TiB2复合材料。利用DSC和XRD对其反应

路径进行研究，并利用扫描电镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对复合材料的微观结构进行了表征，最后测试了复合材料的硬度和强度。结果表明，用

ParkJ，LenshekDX，PovirkGL．Reinforcement

B4C-Ti-Al-C体系，可在较低温度下合成致密无杂质Ti3AlC2/TiB2复合材料；引入的TiB2明显提高了Ti3AlC2的硬度和强度。3.6.2放热弥散法(XD技术)

XD原理是将含增强相形成元素的混合粉末和

基体粉末混匀，压坯、除气后，加热至基体熔点温度以上，增强相形成元素在基体熔液中扩散，原位反应析出增强相颗粒。XD复合技术是在燃烧合成的基础上，发展起来的一种制备金属基复合材料的新工艺。

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(下转第112页)

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(上接第105页)

141210品质因数

品质因数，但退火温度过高，磁粉芯的品质因数降低。

(3)随着磁粉粒度的减小，磁粉芯的品质因数

增大。参考文献:

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