金属基复合材料的制备技术

金属基复合材料的制备技术
班级：材料085 学号：09024431 姓名：李培
前言：金属基复合材料是以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。

其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。

金属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有高强度、高弹性率外，它能耐高温，同时不易燃、不吸潮、导热导电性好、抗辐射，是令人注目的复合材料。

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1.金属基复合材料的分类
金属基复合材料按组织形态可分为宏观组合型和微观强化型两类；根据复合材料基体不同可分为钢基、铁基、铝基、镁基复合材料等；按增强相形态的不同可分为颗粒增强复合材料、晶须或短纤维增强金属复合材料及连续纤维增强金属基复合材料。

2.金属基复合材料的特点
（1）优点：高比强度和高比模量，耐高温性好，导电导热，热膨胀系数小，尺寸稳定性好，耐磨性与阻尼性好，不吸湿、不老化、无放气污染。

（2）缺点：制造困难，难于形成理想的界面，加工困难，价格昂贵。

3.金属基复合材料的制备技术
由于金属材料熔点较高，同时不少金属对增强体表面润湿性很差加上金属原子在高温状态下很活泼，易与多种增强体发生反应，所以金属基复合材料的复合工艺比较复杂和困难，这也是金属基复合材料的发展受到制约的主要原因。

3.1 喷射成形法
喷射成形又称喷射沉积（Spray Forming），是用惰性气体将金属雾化成微小的液滴，并使之向一定方向喷射，在喷射途中与另一路由惰性气体送出的增强微细颗粒会合，共同喷射沉积在有水冷衬底的平台上，凝固成复合材料。

凝固的过程比较复杂，与金属的雾化情况、沉积凝固条件或增强体的送入角有关，过早凝固不能复合，过迟的凝固则使增强体发生上浮下沉而分布不匀，这种方法的优点是工艺快速，金属大范围偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免复合材料发生界
面反应，增强体分布均匀。

缺点是出现原材料被气流带走和沉积在效应器壁上等现象而损失较大，还有复合材料气孔率以及容易出现的疏松。

利用喷射成形原理制备工艺有添加法（inert spray form-ing）和反应法（reactive spray forming）两种。

Osprey Metals研究的Osprey工艺是喷射成形法的代表，其强化颗粒与熔融金属接触时间短，界面反应得以有效抑制。

反应喷射沉积法是使强化陶瓷颗粒在金属雾或基体中自动生成的方法。

Lawly等人[9]采用含氧5%～12%的氮气，将Fe-Al[ω（Al）=2%]熔雾合金雾化，使其生成Al2O3获得非常细小的Al2O3弥散强化铁基复合材料的预成型体。

3.2 铸造凝固成型法
铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。

主要方法有搅拌铸造法、液相渗和法和共喷射沉积法等。

铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点，工业应用较广泛。

3.2.1 原生铸造复合法
原生铸造复合法（也称液相接触反应合成技术Liquid Contact Reaction: LCR）是将生产强化颗粒的原料加到熔融基体金属中，利用高温下的化学反应强化相，然后通过浇铸成形。

如TiB强化铝基复合材料原生复合法的化学反应式2B+Ti+Al→TiB2+Al。

这种工艺的特点是颗粒与基体材料之间的结合状态良好，颗粒细小（0.25～1.5μm）均匀弥散，含量可高达40%，故能获得高性能复合材料。

常用的元素粉末有钛、碳、硼等，化合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3 等。

该方法可用于制备A1基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基复合材料。

强化相可以是硼化物、碳化物、氮化物等。

近年来，哈尔滨工业大学从事接触反应法制备复合材料的研究工作[4]，已成功制备了Al-Si/TiC、Al-Cu/TiC和Al/TiB2复合材料，其机械性能优异。

3.2.2 搅拌铸造法
搅拌铸造法也称掺和铸造法等。

是在熔化金属中加入陶瓷颗粒，经均匀搅拌后浇入铸模中获得制品或二次加工坯料，此法易于实现能大批量生成，成本较低。

该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗粒的组合受限制。

3.2.3 半固态复合铸造法
半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。

通常金属凝固时，初生晶
以枝晶方式长大，固相率达0.2%左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。

如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率达0.5%～0.6%仍具有一定的流变性。

液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热到固、液相变点软化，由于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。

强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合[8]。

3.2.4 含浸凝固法（MI技术）
含浸凝固法是一种将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体含浸于熔融基体金属之中，让基体金属浸透预成型体后，使其凝固以制备复合材料的方法。

有加压含浸和非加压含浸两种方法。

含浸法适合于强化相与熔融基体金属之间润湿性很差的复合材料的制备。

强化相含量可高达30%～80%；强化相与熔融金属之间的反应得到抑止，不易产生偏折。

但用颗粒作强化相时，预成形体的制备较困难，通常采用晶须、短纤维制备预成形体。

熔体金属不易浸透至预成形体的内部，大尺寸复合材料的制备较困难。

近几年来，含浸凝固技术有了新的发展，美国Lanxide 公司利用高温下金属Zr 熔体与BC4 预成型体之间的定向反应制备出了Zr-ZrC-Zr复合材料，并已在工程上得到应用[7]，Breslin等人采用Al浸渍SiO2的预成型体，制备出了Al2O3-A1（Si）复合材料，这种材料中的两相互相穿插、连续，并具有某些特殊的性能被称为C4材料。

该技术可以制备各种大小部件，强化相的体积比可达60%，工艺较简单，原料成本低。

3.3粉末冶金复合法
粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等。

适合于分散强化型复合材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。

该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗粒的组合受限制。

粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围
大；较容易实现颗粒均匀化。

但缺点是：工艺复杂，成本高；制品形状、尺寸受限制；微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料等。

3.4 原位生成复合法
原位生成复合法也称反应合成技术[1]，最早出现于1967年前用SHS法合成TiB2 /Cu功能梯度材料的研究中[2]。

金属基复合材料的反应合成法是指借助化学反应，在一定条件下在基体金属内原位生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。

这种增强相一般为具有高硬度、高弹性模量和高温强度的陶瓷颗粒，即氧化物、碳化物、氯化物、硼化物甚至硅化物，它们往往与传统的金属材料，如Al、Mg、Ti、Fe、Cu等金属及其合金，或（NiTi）、（AlTi）等金属间化合物复合，从而得到具有优良性能的结构材料或功能材料[3]。

3.4.1直接氧化（DIMON）法
直接氧化法是由氧化性气体在一定工艺条件下使金属合金液直接氧化形成复合材料。

通常直接氧化法的温度比较高，添加适量的合金元素如Mg、Si等，可使反应速度加快。

这类复合材料的强度、韧性取决于形成粒子的状态和最终显微组织形态。

由于形成的增强体可以通过合金化及其反应热力学进行判断，因此可以通过合金化、炉内气氛的控制来制得不同类型增强体的复合材料。

3.4.2 放热弥散（XD）法
放热弥散复合技术（Exothermic Dispersion）的基本原理是将增强相反应物料与金属基粉末按一定的比例均匀混合，冷压或热压成型，制成坯块，以一定的加热速率加热，在一定的温度下（通常是高于基体的熔点而低于增强相的熔点）保温，使增强相各组分之间进行放热化学反应，生成增强相。

增强相尺寸细小，呈弥散分布。

3.4.3 SHS-铸渗法
SHS-铸渗法[3]是将金属基复合材料的自蔓延高温合成技术（Self- Propagating High Temperature Synthesis）和液态铸造法结合起来的一种新技术，包括增强颗粒的原位合成和铸造成型二个过程。

当前，SHS-铸渗法是有竞争力的反应合成工艺之一，但过程控制非常困难。

其典型工艺为：利用合金熔体的高温引燃铸型中的固体SHS系，通过控制反应物和生成物的位置，在铸件表面形成复合涂层，它可使SHS材料合成与致密化、铸件的成形与表面涂层的制备同时完成。

潘复生[6]等人将SHS技术和铸渗
工艺相结合，制备了颗粒增强的铁基复合材料涂层。

在这种工艺中，SHS过程使基体产生一定数量的增强颗粒，而随后的熔铸过程则利用高温金属液的流动，对SHS过程中易产生的孔隙进行充填，因此两个过程的综合作用下获得较为致密的复合材料。

3.4.4 反应喷射沉积技术（RSD）
反应喷射沉积工艺（Reactive Spray Deposition）生成陶瓷颗粒的反应有气-液反应、液-液反应、固-液反应和加盐反应等多种类型。

它综合了快速凝固及粉末冶金的优点，并克服了喷射共沉积工艺中存在的如颗粒与基体接近机械结合、增强相体积分数不能太高等缺点，成为目前金属基复合材料研究的重要方向之一。

反应喷射沉积工艺过程为：金属液被雾化前喷入高活性的固体颗粒发生液固反应，导致喷入的颗粒在雾化过程中溶解并与基体中的一种或多种元素反应形成稳定的弥散相，控制喷雾的冷却速率以及随后坯件的冷却速率可以控制弥散相的尺寸。

杨滨等人[5]采用液相接触反应合成技术进行反应合成，然后再进行后续的雾化喷射沉积成形步骤，成功地开发出了一种熔铸-原位反应喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备新技术。

制备出TiC/Al- 20Si- 5Fe复合材料。

3.5 叠层复合法
叠层复合法是先将不同金属板用扩散结合方法复合，然后采用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料。

这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。

目前这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用于航空、航天及其它军用设备上，现在正努力向民用方向转移，特别是在汽车工业上有很好的发展前景。

4.结束语
目前，我国金属基复合材料的研究、制备技术与国外先进水平仍有较大的差距，许多问题还有待进一步解决，如基础性研究落后、制备技术及工艺的工业化应用能力差、制品质量不稳定、价格高等。

随着现代高科技的迅猛发展，金属基复合材料已经并将继续大量取代传统材料，在各个领域发挥更重要的积极作用。

为此，我们应大力加强复合材料理论、制备技术和应用的研究，加快科研成果转化生产应用的进程。

参考文献
[1]程秀兰, 潘复生. 金属复合材料的反应合成技术[J]. 材料导报, 1995, (5):
61-66
[2]吴人洁.金属基复合材料的现状与展望[J]. 金属学报, 1997, 33 (1): 78- 82.
[3]汤爱涛, 汪凌云, 潘复生. 金属基复合材料固/液反应制备技术的研究进展
[J]. 重庆大学学报, 2004, 27(11):151-156.
[4] 陈子勇, 陈玉勇, 安阁英. 金属基复合材料的熔体直接反应合成工艺[J]. 材
料导报, 1997, 11(2): 62- 63.
[5]杨滨, 王锋, 黄赞军等. 喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备技术的
发展[J]. 材料导报, 2001, 15(3): 4-6.
[6]潘复生, 张静, 陈万志, 丁培道. SHS-铸渗法制备铁基复合材料涂层[J]. 材
料研究学报, 1997, (11): 165- 166.
[7]BRESLIN M C, RINCNALDA J. A1umina/aluminum co-continuous ceramic
composite (c4) materials Prouduced by solid/1iquid displacement reactions: Processing kinetics and microstructures[J]. Ceram. Eng. Sci. Proc., 1994, 15 (7-
8): 104.
[8]于春田. 纤维增强金属的制法及特征[J]. 铸造, 1995, (7): 36- 39.
[9]鲁云, 马鸣图, 潘复生. 先进复合材料[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.。