颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其存在的问题20091311

颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其存在的问题
冶金0901班
张莹
20091311
近年来，随着不断追求轻量化、高性能化、长寿命、高效能的发展目标带动牵引了轻质高强多功能颗粒增强铝基复合材料的持续发展。

提出的低密度、高比强度、高比模量、低膨胀、高导热、高可靠等优异以及良好的抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀等综合性能要求，传统轻质材料已很难全面满足要求，如铝合金模量低、线胀系数较大; 钛合金密度较大、热导率极低; 纤维增强树脂基复合材料在空间环境下使用易老化等，颗粒增强铝基复合材料经过30 多年的发展，已在国外航空航天领域得到了规模应用，这充分验证了与铝合金、钛合金、纤维树脂基复合材料等传统材料相比具有的显著性能优势，奠定了颗粒增强铝基复合材料在材料体系中的地位和竞争态势。

而且更重要的是，在世界范围内有丰富的铝资源，加之易于进行工艺加工成型和处理，因而制各和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济，易于推广，可广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育运动等领域，因此，这种材料在国内外受到普遍重视。

颗粒增强铝基复合材料已成为当下世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点，各国已经相继进入了颗粒增强铝基复台材料的应用开发阶段，在美国和欧洲发达国家，该类复台材料的工业应用已开始，并且被列为二十一世纪新材料应用开发的重要方向并日益向工业规模化生产和应用的方向发展。

本文旨在探讨颗粒增强铝基复合材料的制备方法及在亟待解决的各方面的问题，推进其应用发展的进程。

主要制备方法介绍：
增强体颗粒的分布均匀性和界面结合状况是影响复合材料性能的重要因素。

因此，如何使增强体颗粒均匀分布于铝基体井与铝基体形成良好的界面结台是颗粒增强铝基复台材料制备过程中必须解决的两个最关键问题。

以下是制备颗粒增强铝基复合材料的一些方法：
1、原位法
原位法的原理是通过元素间或元素与化合物之间反应制备陶瓷增强金属基复合材料，是近年来迅速发展的一种新的复合工艺方法，目前已成功地在铝基中实现了硼化物、碳化物、氮化物等的原位反应。

由于这些增强相引入的特殊性，不仅它的尺寸非常细小，而且与基体具有良好的界面相容性，使得这种复合材料较传统外加增强相复合材料具有更高的强度和模量，以及良好的高温性能和抗疲劳、耐磨损性能。

原位自生铝基复合材料的制备方法较多，下面进行简略介绍。

（1）自蔓延高温合成法：该技术是利用热脉冲使放热反应起始于反应剂粉末压坯的一端，其生成热使邻近的粉末温度骤然升高．发生化学反应并以燃烧波的形式蔓延通过整个反应物，当燃烧波推行前移时反应物转变成产物。

该技术的特点是在无需外加热源的情况下，利用高放热化学反应放出的热量使其在引发后自身延续合成材料，节能，粉末纯度高，粒径细小，活性高，易于烧结并能获得高性能的材料。

（2）原位热压放热反应合成法：该技术是在原位热压技术的基础上发展起来的一种新下艺。

在制备过程中将反应物的物料混合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。

该技术的突出优点是利用燃烧合成过程的放热反应，在产物处于反应高温时，施加一定的压力。

使材料的致密与反应合成同时完成。

获得了事半功倍的效果。

（3）放热弥散技术：这种方法法是美国一个实验室在自蔓延法的基础上改进而来的。

其原理是利用两组分间的放热反应得到第三种组分，制得含有很高增强体体积分数的中间合金，然后进行挤压、轧制制得复合材料旧，或者与主要合金混合重熔使之得到所需含量的颗粒增强体
（4）反应自发浸渗技术：该技术是指将基体合金锭和反应物的混合粉料或压坯在一定气氛条件下同时加热。

合金熔化后在毛细力的作用下自发浸渗到反应物孔隙内，并同时发生反应生成细小的、热力学稳定的陶瓷增强体旧。

这种技术的优点是：①可以制备各种大小部件；②强化相的体积分数可达60％；③强化相种类较多，有A1203、AlN、SiC、MgO等；④原料成本低，工艺简单；⑤能够制备大体积分数增强体，可近终成形等。

（5）接触反应法：接触反应法是我国哈尔滨工业大学等单位在其他方法的基础上开发的一种新工艺。

其工艺原理是：将反应元素粉末按一定比例混匀，并压实成预制块，然后用钟罩等工具将预制块压入一定温度的金属液中。

在金属液的高温作用下，预制块中的元素发生化学反应，生成所需的增强相，搅拌后浇注成型。

（6）混合盐反应法：混合盐法是根据铝合金晶粒细化剂生产工艺提出的一种生产复合材料的工艺。

其基本工艺是将混合盐放入铝熔体中，混合盐在高温下分解出Ti和B，它们反应原位生成TiB2颗粒增强铝基复合材料。

研究结果表明，当混合盐加入量为基体的20％时，TiB2颗粒分布最均匀，且获得的复合材料性能最好，但吹气精炼时则使复合材料强度下降。

（7）气液反应合成法技术：该技术是目前比较成熟的技术之一，该技术的普遍做法是将含氮气体或含碳气体充人铝熔体或A1，Si合金熔体中，反应生成AlN或SiC强化粒子例。

生成的强化相粒子粒度细小，工艺连续性好，可获得直接使用的铝基复合材料铸件例。

混合盐作为原位合成方法中的一种，具有工艺简单，周期短，无需真空和惰性气体保护。

可直接浇注成形，易于批量生产和推广。

是一种以经济的方式获得高性能复合材料的方法，是目前研究得最多、发展最快的原位技术方法。

（8）反应喷射沉积法：分为反应喷雾沉积法和反应低压等离子喷射沉积法。

反应喷雾沉积法是利用特殊的液体分散器，在氧化性气氛中，将铝液分散成大量微小的液滴，使其表面氧化生成Al203膜，而后这些带有Al203的薄膜的液滴沉积在一起时，液滴间相互碰撞使表层Al203膜破碎并分散开来，同时内部铝液迅速冷却凝固。

最终形成具有弥散分布了Al203粒子的铝基复合材料。

反应低压等离子喷射沉积法、法是将喷射室预先抽成真空后，通人某些气体如时、He、N2和H2等使气压升至数千帕；然后用等离子弧发生器将通人喷射室的气体加热和电离，形成高温高速的等离子射流。

熔化和雾化金属物料，同时在这种高能等离子体的轰击撞碰下，反应气体如CH4、N2等和金属小液滴吸收能量而相互反应，生成相应的陶瓷颗粒，再与剩余的金属液滴一起沉积后即得到这种陶瓷颗粒增强的金属基复合材料。

这两种技术均结合了快速熔化、凝同的特点。

在保证了细晶基体和增强颗粒分布均匀的同时，也保证了氧化颗粒与基体良好的化学或冶金结合。

同时，由于其工艺成本较低、生产效率高，因此具有很好的发展应用前景。

（9）熔体直接反应法：熔体直接反应法是将含有增强颗粒形成元素的固体颗粒或粉末在某一温度加到熔融铝合金表面，然后搅拌使反应充分进行，从而制备内生增强的复合材料
印。

原位法固然有许多优点，但也存在一定的问题：
1）化相的种类有限，限制了材料的研发种类。

2）对制备过程中材料微观组织的形成规律有待深入认识。

3）工艺控制问题。

在目前的制备水平下，增强体的均匀化分布程度难以提高，反应过程也无法精确控制。

4）界面问题。

界面的结构和结合强度极大地影响材料的性能，界面反应产生的脆性相甚至使材料报废。

对界面的研究还不够深入，如增强体的尺寸和体积分数、第二强化相、第三组元的加入对界面的影响，在热加工和使用环境下界面结构的变化等。

5）反应副产物问题。

在反应生成增强体的同时，往往产生其它物质，使材料的性能恶化，因此必须在工艺过程中抑制或消除副产物的产生。

6）应用问题。

许多原位铝基复合材料具有优异的综合性能，然而许多材料还处于研发阶段。

目前，制备成本无法大幅度降低，限制了其在民用工业领域的应用一。

2、喷射沉积法
喷射沉积成形技术是一种新型的快速凝固技术。

是在雾化器内将陶瓷颗粒与金属熔体相混合，后被雾化喷射到水冷基底上形成激冷复合颗粒，喷射沉积成形过程中将一定量的增强相颗粒喷人，与金属熔滴强制混合后在沉积器上共沉积以获得复合材料坯件。

其突出的优点是可以直接由液态金属雾化与沉积形成具有快速凝固组织和性能特征的具有一定形状的坯件，以减少或去除各种高成本的制造和加工中间环节。

利用喷射沉积成形技术制备颗粒增强金属基复合材料是该技术近年来发展的一个重要方向。

但这类方法的最大缺点是增强颗粒利用率低，材料制备成本高。

为了有效解决喷射沉积成形金属基复合材料制备过程中增强颗粒分布不匀和颗粒利用率较低的问题，目前又研发出了多层喷射沉积技术和熔铸-原位反应喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备技术。

熔铸-原位反应喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备技术的突出优点是：颗粒在熔体内部原位反应生成，不存在颗粒损失问题。

材料制备成本降低，颗粒在基体中均匀分布，可沿用现行喷射沉积成形制备金属材料的各项工艺参数，设备无需做任何改动。

多层喷射沉积技术可以实现增强颗粒与合金雾化液滴在空中捕获粘结，实现基体与增强颗粒之间良好的冶金结合，再采用热挤压工艺使复合材料致密化。

通过基体发生强烈塑性变形带动增强颗粒发生再分布，从而改善增强颗粒在材料中的微观均匀性，改善或消除微区域内增强体颗粒的偏聚。

该技术有效地解决了颗粒在基体中分布不匀和利用率较低的难题。

3、铸造法
铸造法是液态法的主要方法，其关键是把固相增强颗粒均匀地散布于液态铝中，并使其最终弥散地分布在所形成的同态基体中。

铸造法按增强材料与金属液体的混合方式不同。

可分为搅拌铸造、正压铸造、无压浸渗法等方法。

（1）搅拌铸造法：目前所采用的有液态机械搅拌法及半同态机械搅拌法。

前者是通过搅拌器的旋转运动使增强材料均匀分布在液体中，然后浇注成型。

此法所用设备简单，操作方便，但增强颗粒不易与基体材料混合均匀，且材料的吸气较严重。

后者是利用合金在同液温度区间经搅拌后得到的流变性质，将增强颗粒搅人半固态溶液中，依靠半同态金属的粘性
阻止增强颗粒因密度差而浮沉来制备复合材料。

此法能获得增强颗粒均匀分布的复合材料，但只适应于有固液相温度区间的基体合金材料。

搅拌熔铸法制备复合材料的过程中，由于碳化硅增强体颗粒与铝溶液润湿性差，因此，实现增强体颗粒均匀分布较为困难，同时，增强体颗粒极易与铝溶液发生严重化学反应，因此，界面结合也较差。

此外，添加的增强体颗粒的尺寸通常较大，体积含量一般为20％左右，与其他方法相比，该方法制备的复合材料力学性能较差，但制备成本最低。

（2）正压铸造法：正压铸造按加压方式分为挤压铸造和离心铸造。

挤压铸造法该法就是将碳化硅预制件放人经过精密加工的石墨浇铸模中，预热到一定温度，加入熔化的铝合金液在压力作用下先渗入模壁间隙中，液体在压头作用下渗入预制块，并在压力下凝固。

最后去压，冷却。

该工艺中预制件的预热温度、铝合金液的渗入温度、压力大小、冷却速度是关键工艺参数。

该法施加压力可以较大，生产时间短，渗透可以在几分钟完成，工艺的稳定性好；缺点就是需要高压设备及密封良好的耐高压模具，所以生产费用较高，在生产形状复杂的零件方面限制很大。

挤压铸造由于复合材料在高压下结晶凝固，既改善了金属熔体和增强颗粒的浸润性。

又消除了疏松、气孔等缺陷，大幅度提高了复合材料的强度和塑性，因此，挤压铸造法制备的铝基复合材料质量较好。

国内曾采用此法制备出增强物分布均匀、组织致密、无缺陷的铝一石墨复合材料及铸件。

离心铸造法是在离心作用下将金属液体渗入增强材料间隙形成复合材料的一种方法。

该法是将预制件放人高速旋转的铸模中，然后将Al合金液在浇铸口倒人，在离心力的作用下完成渗透。

此法避免了上述两种方法中高压力对设备的要求，降低了设备投资和生产成本，但是其特殊的装置决定了所制产品形状尺寸的特殊性，通常只能为筒环状，因而难以在工业上得到推广应用。

4、熔渗法
又叫浸渗法熔渗技术是指金属液体与多孔性固体外表面相接触。

靠毛细管力将金属液体吸引到同体内部进而凝同成形。

熔渗技术又分为压力熔渗和无压熔渗两种。

（1）压力熔渗法：压力熔渗是预先把增强体用粘结剂粘结，做成相应形状的预制件，放入金属压型内，浇注金属液。

并加压使金属液渗入预制件间隙，凝同后就得到所要求的金属基复合材料。

所加压力可采用液体压力和气体压力两种。

这种方法可排除对增强物与金属液结合有重要影响的润湿性、反应性、比重差等重要因素的干扰作用。

在预制件制备好以及熔渗时温度、压力等参数控制得当的情况下，可成功地制取满意的复合材料。

（2）无压浸渗法：原理是破坏金属液体表面的氧化层以改善液体与增强颗粒的浸润性，借助预制体内的毛细管力作用将金属液体引入增强材料的间隙。

无压浸渗法工艺简单，不需要高压设备，成本较低，可仿形成形，并可制作大型复杂构件，增强体的体积分数可调，甚至可达75％，是目前浸渗的研究热点。

无压渗透法是预先把增强体用适当的粘结剂粘结．做成所需形状的预制坯，然后将预制坯放在金属模具型腔内的适当位置。

浇注金属液，利用金属液体的自重压力和表面张力，使其渗透到有增强体的预制坯中，凝固后即成所要求的铝基复合材料。

这种方法主要适用于颗粒增强体和铝合金基体材料的界面润湿性良好的铝基复合材料的制备。

我国已经成功地用低成本的无压浸渗新工艺，并与碳化硅颗粒坯体热压铸精密成形技术以及与无需模具的坯体表面渗透阻挡技术相结合，实现了高体分数碳化硅铝基复合材料
典型复杂件的成形，使得制件毛坯的尺寸精度及表面粗糙度均达到铝合金精密铸造零件的水平。

该法是制造高体分数碳化硅铝基复合材料复杂、大尺寸构件的理想方法。

5、粉末冶金法
粉末冶金法是将金属粉末充满在排列规整或无规取向的短纤维或晶须中，然后进行烧结或挤压成型。

粉末冶金法工艺过程分为混合、压实和烧结三个步骤，工艺过程如下：首先将碳化硅颗粒和激冷微晶铝合金粉用机械手段均匀混合。

制得复合坯料，然后将复合坯料装人金属或非金属的摸具中经冷压，除气，然后加热到固液两相区进行真空热压制成复合材料锭块，再通过挤压、轧制、铸造等二次加工制成型材和零件。

粉末冶金法可以任意改变碳化硅与铝的体积百分比，故能够根据不同要求制得各种不同体积分数的复合材料，而且颗粒分布均匀，性能稳定。

该方法的缺点是制造出的复合材料的内部组织出现不均匀现象，孔洞率较大；工艺比较复杂，所制零件的结构和尺寸均受限制。

随着科研人员对粉末冶金法的不断深入研究，开发出了新的粉末冶金方法：机械合金化粉末冶金法。

机械合金化粉末冶金法制备的复合材料中增强体颗粒分布均匀、界面结合良好，增强体颗粒粒度可在纳米至微米范围内调节，增强体含量可高达70％（体积分数），同时，该方法制备的复合材料的力学性能最高，制备工艺较为成熟，但工艺成本较高，产品价格比基体合金约高十倍左右，所以还只能用于航空航天和军事用途，不能在民用工业推广使用。

总的来说，采用此种方法制备铝基复合材料具有一些独特的优点：
1)粉末冶金法所使用的温度较低，可有效减轻增强体与基体间的有害界面反应，制得的复合材料具有较好的力学性能；
2)颗粒或晶须与基体混合较均匀，偏聚或团聚现象不太严重；
3)增强体的加入量可以任意调节，体积分数控制方便，成分比例准确；
4)此法能够制备其它方法所不能制备的铝基复合材料；
缺点是：
1)原材料和设备成本高；
2)工艺较为繁琐，材料易受污染；
3)制造出的复合材料一般都存在内部组织不均匀、孔洞率较大的现象，因此必须进行二次塑性加工，以提高其综合性能；
4)制品的结构和尺寸受到限制。

开发与应用中存在的问题
1、各种制备工艺方法期待完善
现有的工艺方法虽然都成功地制备了碳化硅铝基复合材料，但各种方法均有其优缺点，很难判断某种方法已成为主流方法，具有优异综合性能的碳化硅铝基复合材料的获得还存在某些障碍。

例如由于碳化硅与铝液之间润湿性差，虽然可以通过细化碳化硅颗粒来提高材料的比力学性能，但颗粒越细，颗粒团聚现象越严重，从而影响了复合材料的性能。

另外，颗粒越细，即表面积越大，表面能也随之升高，此时气体易于被吸附而引入金属液中。

2、碳化硅铝基复合材料的成本需要努力降低
复合材料应用受到限制的主要原因之一就是生产复合材料的成本居高不下。

目前碳化硅
铝基复合材料主要应用于航空、航天、军工领域，而在民用结构上较少应用，这跟这种材料的高成本有密切关系。

通过优化制备工艺，缩短工艺流程，减少辅助设施，提高工艺效率以及回收利用复合材料等技术方法均可降低材料生产的成本。

这些技术方法尚需进一步深入探讨。

3、碳化硅铝基复合材料后续加工性能值得考虑
碳化硅铝基复合材料由于含硬而脆的碳化硅颗粒，切削难度大。

而现代精密的机械零件绝大多数仍需依靠机加工获得最终形状和精度，也就是说难以避免切削问题。

焊接加工也是金属基复合材料使用中不可避免的问题，材料难以焊接将会影响其使用范围。

在获得优异性能的碳化硅铝基复合材料的同时必须兼顾其后续加工性能。

4、界面理论的研究有待进一步深人
复合材料的界面理论研究即是研究复合材料的界面润湿、界面结构、界面结合机制和界面稳定性等问题。

界面结合状况影响着复合材料的各种性能。

研究界面与材料性能的相互关系已成为复合材料研究的前沿领域。

界面理论的形成有助于发现改善复合材料界面结合状况的途径。

例如，弄清了润湿机理及影响因素可以找到改善润湿的途径。

界面润湿性是界面相容性的一个方面，有时甚至能成为颗粒分布的决定性因素。

5、材料当与环境和谐，体现可持续发展当今人们对环保日益重视，国家要求可持续发展，碳化硅铝基复合材料研发制备过程中还应考虑到这种复合材料的再生和回收问题。

再生与回收一方面可降低制备成本，另一方面可减小对环境造成的负担。

因此，在碳化硅铝基复合材料研发制备过程中融贯环境意识，实现废料的再生循环利用，让有限的资源发挥最大的用途，从而保证社会可持续发展。

因此需加大材料再生循环利用的研究力度。

研究展望：
在“十一五”期间，围绕颗粒增强铝基复合材料的应用技术，从材料性能、坯锭制备能力、构件塑性变形、零件精密加工到应用试验等颗粒增强铝基复合材料大尺寸复杂结构件研制全流程取得了重大突破，解决了有无问题，但距离工程化应用仍然存在成本高、制造效率低、可靠性与稳定性有待提高等新材料实用化过程中面临的共性问题，为此，“十二五”期间，需要攻关大尺寸、复杂形状颗粒增强铝基复合材料结构件低成本、高效率制备技术，突破构件的近终成型; 大尺寸颗粒增强铝基复合材料及结构件的可靠性控制技术; 大尺寸、复杂形状颗粒增强铝基复合材料结构件高效精密制造技术，实现多项典型应用，多领域发展的良好态势。

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