铸造法制备金属基复合材料的研究现状

收稿日期:2010212203; 修订日期:2011201216
作者简介:熊光耀(19622　),江西南昌人,教授.研究方向:复合材料、表
面工程.
Em ail :xiongguangyao @
Vol.32No.4Apr.2011铸造技术
FOUNDR Y TECHNOLO GY
铸造法制备金属基复合材料的研究现状
熊光耀,郑美珠,赵龙志
(华东交通大学载运工具与装备省部共建教育部重点实验室,江西南昌330013)
摘要:综述铸造法制备金属基复合材料的各种工艺,如液态浸渗法、搅拌铸造法、离心铸造法、中间合金法、喷射分散法和铸渗法。

指出其仍普遍存在的一些问题,并提出超声波在铸造法制备金属基复合材料中具有重要作用。

随着研究的深入,这种超声复合法必将得到更广泛的应用。

关键词:金属基复合材料;铸造法;制备方法;增强体
中图分类号:TB331 文献标识码:A 文章编号:100028365(2011)0420563203
Re s e a r c h o n t he Me t al Ma t ri x Co mp os it e s Pr ep a r e d b y Ca s ti n g Pr o c e s s
XIONG G uang 2yao ,ZHENG Mei 2zhu ,ZHAO Long 2zhi
(K ey Laboratory of Ministry of Education for Conveyance and Equipment ,E ast China Jiaotong U niversity ,N an 2chang 330013,China)
Abs t rac t :All kinds of preparation technologie s of metal matrix compo site s by casting such as liquid
infiltration ,stirring casting ,centrifugal casting ,intermediate alloy ,jet 2spread and cast 2infiltration are reviewed.Some problems generally existing in casting are pointed out ,and ultrasonic in preparing metal matrix compo site s by casting plays an important role is put forward.With further re search ,the method of ultrasonic compound will be more widely applied.
Ke y w ords :Metal matrix compo site s ;Casting proce ss ;Preparation technology ;Reinforcement
金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于材料的制备方法,因此,研究和发展有效地制备方法一直是金属基复合材料研究中的重要问题之一。

由于铸造法制备金属基复合材料时温度高,熔融态的金属流动性好,便于一次形成复杂工件,所需设备也相对简单,成本较低,能适应规模生产,是近年来研究较多、发展较快的复合材料制备方法[1]。

本文重点阐述铸造法制备金属基复合材料的工艺,并指出其存在的主要问题及今后的研究方向。

1　铸造法制备金属基复合材料1.1　液态浸渗法
液态浸渗法是在一定条件下将液态金属浸渗到增强材料多孔预制件的孔隙中,凝固获得复合材料的制备方法。

根据液态金属浸渗时有无外部压力,可分为无压浸渗、压力浸渗、真空浸渗和真空压力浸渍。

1.1.1　无压浸渗法
无压浸渗法是金属熔体在无外界压力作用下,自发浸渗固体增强体颗粒多孔预制件,制备金属基复合
材料的方法[2]。

其可直接获得近终形的制品。

但需要在相对较高的温度下进行,且浸渗速率较低,工艺成本较高;同时还存在界面反应,降低了材料的性能。

为控制界面反应,改善金属与增强体界面润湿性和提高浸渗效率,常用的方法有:基体合金化、控制浸渗气氛、添加助渗剂,以及在增强相表面涂覆涂层等[3]。

赵国田等[4]对SiC p 进行表面氧化改性后,采用化学镀层法镀镍,实验结果表明,SiC p 表面镀镍后明显地改善了铝合金对它的润湿性能,促使浸渗过程快速进行。

并且复合材料中SiC p 颗粒在基体合金中分布均匀,与基体合金界面结合良好,无孔洞。

1.1.2　压力浸渗法
压力浸渗法是将液态金属在一定的压力下浸渗到增强体预制件孔隙中,并在压力下凝固获得复合材料的方法[2]。

其能有效克服增强体和金属不浸润的困难,且在压力下复合,两者结合牢固,力学性能较高;制品局部复合化容易实现;成本较低。

但需要严格控制预制件预热温度、熔体温度、压力大小等工艺参数,并且要求模具和预制件具有足够的强度。

1.1.3　真空浸渗法
真空浸渗法是通过抽真空将液态金属抽吸到预制件孔隙中,并凝固获得金属基复合材料的方法[2]。

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法仅适用于可重熔铸造的颗粒增强金属基复合材料的成型[5],且通常作为浇注手段与熔模精密铸造配合使用。

1.1.4　真空压力浸渍法
真空压力浸渍法是在真空和高压惰性气体共同作用下,将液态金属压入增强材料制成预制件孔隙中,制备金属基复合材料制品的方法[2]。

其是为了获得更好的浸渗效果,将压力浸渗和真空浸渗融合在一起演变而来的,兼备了两者的优点。

真空压力浸渍的特点是:适合于形状复杂零件的铸造,且基本上无需进行后续加工;浸渍在真空中进行、压力下凝固,制品无气孔、疏松和缩孔等铸造缺陷,组织致密,材料性能好;工艺参数易于控制,可避免严重界面反应。

但其设备较复杂,制备大尺寸零件要求大型设备,工艺周期长、效率较低[6]。

1.2　搅拌铸造法
搅拌铸造法是将增强颗粒直接加入到金属熔体中,通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中,使其形成颗粒增强金属基复合材料熔体,然后浇铸成锭坯、铸件等。

根据金属熔体加热状态可分为全液态搅拌铸造法和半固态搅拌铸造法。

1.2.1　全液态搅拌铸造法
全液态搅拌铸造法是通过高速旋转的搅拌器使完全熔融的基体金属液产生旋涡,向旋涡中逐渐加入颗粒等增强物。

由于旋涡的抽吸作用,颗粒被卷入熔液中,待均匀分散于金属熔体中,再用挤压铸造等适当的铸造方法成型[7]。

此方法工艺简单,设备投资少。

但基体金属熔体温度较高,对搅拌器质量要求也高,只能制备较粗颗粒的复合材料。

另外,若不是在真空或惰性气体保护下搅拌,在高速搅拌的旋涡中不可避免混入气体和杂质,易出现偏析和“结团”现象,影响复合材料性能[8]。

袁广江等[9]采用真空搅拌铸造法制备了20vol%SiC颗粒增强A356基复合材料,结果表明,SiC颗粒均匀分布于基体中,复合材料具有优良的综合力学性能。

1.2.2　半固态搅拌铸造法
半固态搅拌铸造法,又称复合铸造法,是把基体金属加热到半固态时的适当温度进行搅拌,边搅拌边加入颗粒等增强物。

这时,即使增强物与金属熔体不润湿或润湿不好,由于半固态熔体中固相粒子的夹带和包裹作用,增强物还是能得到较好的分散。

然后再加热升温至浇铸温度进行浇铸,就可得到增强物分散均匀的金属基复合材料零件或坯件[7]。

复合铸造法可以用来制造颗粒细小、含量高的颗粒增强金属基复合材料,也可用来制造晶须、短纤维金属基复合材料。

但由于金属熔体粘度大,不利于气体和杂质排出,所制得的复合材料力学性能并没有明显提高,有的还有些下降。

此外,必须选择结晶温度区间较大的基体材料,且搅拌温度控制比较困难[10]。

1.3　离心铸造法
离心铸造法是指根据制品的要求,利用铸型旋转产生的离心力,使金属熔液中密度不同的增强体和基体合金分离至内层或外层,形成复合铸件的工艺方法。

主要用于颗粒增强复合材料,通过改变转速、颗粒大小和密度,使增强介质呈梯度分布,并控制外层颗粒体积百分比,达到有选择性的强化[11]。

离心铸造法也是目前制备金属基功能梯度复合材料的一种有效的方法。

其特点在于工艺相对简单,对设备要求不高,能以比较低的生产成本制备出具有一定形状的组分连续分布或骤变分布的梯度功能复合材料[12]。

秦孝华等[13]利用熔融Al合金基体与颗粒增强相(SiC和Al2O3颗粒)在离心铸造条件下所受的离心力的不同,再通过调整其它工艺参数,利用水平式离心铸造机制备了三种具有不同强化部位:外层强化、内外层同时强化和内层强化的功能梯度复合材料。

离心铸造法因其特殊的装置决定了所制得的产品形状尺寸的特殊性,通常为筒状、盘状等具有对称结构的零件。

此方法简单,具有铸件致密度高、成本低等优点,但是界面质量不容易控制,难形成连续长尺寸的复合材料[14]。

1.4　中间合金法
中间合金法是把颗粒等增强物和金属粉末以一定比例混合,压制成中间合金块,然后投入金属液中,很快金属粉末熔化,中间合金块溃散,增强物进入熔液,此时稍加搅拌,它就均匀分散,浇注凝固后就获得复合材料铸件(或铸锭)[15]。

技术关键在于颗粒等通过中间合金团块引入金属液并分散后,液态金属必须迅速凝固,若停留时间过长,颗粒仍会偏析。

它对解决那些两相不润湿、密度差大、颗粒加入困难等问题效果比较明显[16]。

但常有中间合金块压入后长期不能溃散的问题。

1.5　喷射分散法
喷射分散法是用氩气等惰性气体作为载体,把增强颗粒喷射于浇注的金属液流上,随着液流的翻动而使颗粒得到分散,这种分散有增强颗粒的金属液进入金属铸型,冷却凝固后形成铸件。

这种方法不仅适用于以铝、镁等有色金属为基体的复合材料,而且还可用于钢铁等高熔点合金为基体的复合材料。

长古川正义采用喷射分散法成功制备了低合金钢基体的复合材料。

另有采用喷射法生产Al2SiC颗粒复合材料,SiC
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《铸造技术》4/2011
熊光耀等:铸造法制备金属基复合材料的研究现状
的含量可达到30%[17]。

1.6　铸渗法
铸渗法,又称涂覆铸造法,它是将要铸渗的合金粉末或陶瓷颗粒等预先固定在铸型的特定位置(需要改性的铸件表面对应的型腔内壁),在液态金属浇注过程中,其与液态金属作用,在铸件表面形成表面复合层的一种新技术[18]。

因铸渗与其他表面复合材料的制备方法相比,不需要专用的处理设备,具有操作简单、生产周期短、成本低、节约材料、工件不变形、可以热处理,能够制备较大厚度的复合材料等优点[19],因而受到国内外材料和铸造领域许多研究者的关注。

主要对铸渗机理和制备工艺进行了研究和总结。

但铸渗机理是一个很复杂的问题,单依靠扩散理论和毛细理论很难做出较好解释,到目前还没有形成一套完整的理论来准确地描述整个铸渗过程。

刘建永[20]等,根据铸渗复合层在形成过程中有无化学反应,将铸渗机理分为无化学反应的铸渗机理和反应铸渗机理来总结研究。

合金粉末或陶瓷颗粒与金属液相互作用的过程中还有可能出现颗粒溶解、重熔、再凝固等复杂情况,反应铸渗还会涉及到自蔓延燃烧理论和液相烧结理论。

2　存在的问题和展望
(1)金属基体与增强体的润湿性较差,易发生有害界面反应。

(2)所制得复合材料中常有气孔和夹杂存在,易出现偏析和“结团”现象。

(3)颗粒等增强相的加入易导致复合材料液态条件下的铸造流动性较差。

高强超声波发生器的出现和超声导入变幅杆材料的改进,使超声波逐渐在铸造领域获得应用[21]。

研究发现,超声波在铸造法制备金属基复合材料中,对基体合金的净化、增强相的预处理、促进增强相的均匀分散、改善润湿性及界面结合,以及稳定复合材料的制备工艺均有重要作用[22]。

随着研究的深入,这种超声复合法必将得到更广泛的应用。

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