液态法制备技术对金属基复合材料

液态法制备技术对金属基复合材料
性能的影响分析
摘要：合材料的研究是当前材料科学研究的一个前沿领域，尤其是金属基复合材料和金属间化合物基复合材料。

不同制备方法使得复合材料性能有很大差异。

本文列举了常见的液态法制备技术并阐述了不同技术对于金属基复合材料性能的影响。

正文：
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。

制备金属基复合材料有以下难点：制备温度选择难度大；界面反应难以控制；金属基体与增强材料之间润湿性差，甚至在制备温度下完全不润湿；将增强材料按照设计要求、方向均匀分布于基体中比较困难。

常用制备方法分为固态法（包括粉末冶金法、热压法、热等静压法、轧制法、热挤压法、拉拔法等），液态法（包括挤压铸造法、真空吸铸、真空压力浸渍法、搅拌复合法、共喷沉积法等），自生成法（原位自生法）及其他制备方法（物理气相沉积法、化学气相沉积法、化学镀和电镀法、复合镀法等）。

其中液态法由于其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]。

本文重点阐述不同液态法对金属基复合材料性能的影响。

1、无压浸渍法
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。

2、压力浸渍法
压力浸渗法是将液态金属在一定的压力下浸渍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。

3、真空浸渍法
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]。

该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[3]，且通常作为浇注手段与熔模精密铸造配合使用。

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]。

该方法兼具压力浸渍和真空浸渍的有点，有着更好的浸渍效果。

该法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。

5、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[4]。

此方基体金属熔体温度较高，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[5]。

6、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[4]。

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。

7、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[6]。

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[7]。

8、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) [8]。

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[9]。

但常有中间合金块压入后长期不能溃散的问题。

9、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。

10、喷射沉积法
喷射沉积包括如下工艺。

喷射轧制：喷射沉积形成连续的带材产品，随后进行热轧或冷轧。

喷射锻造：目的在于生产供热锻用的喷射铸造预型坯，或者在喷射铸造中空坯后挤压。

离心喷射沉积：熔融金属被离心雾化，沉积在冷衬底上，由衬底上可取下形成的大管子。

喷射涂层：涂层结合在衬底上，同时喷射喷丸，可制得全致密热加工的无应力沉积物喷射共沉积制备颗粒增强复合材料具有铸造和粉末冶金工艺无法相比的优越性，颗粒分布均匀，无界面反应，基体晶粒细
小，无宏观偏聚，成功地解决了传统颗粒增强金属基复合材料的制备技术难题。

[10]
金属基复合材料的制备工艺极大地影响着其最终性能。

目前随着技术不断完善，制备工艺益发成熟，金属基复合材料的应用将会越来越广泛。

参考文献
[1] 蒲泽林,褚景春,毛雪平. 颗粒增强金属基复合材料的制备方法综述[J]. 现代电力, 2002 , 19 (6) : 31237.
[2] 于化顺. 金属基复合材料及其制备技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2006.
[3] 王春江,王强,郝冀成. 液态金属铸造法制备金属基复合材料的研究现状[J ] . 材料导报, 2005 ,19 (5) : 53257.
[4] 王文明,潘复生,LU Yun ,等. 搅拌铸造制备SiCp/ Al 复合材料的研究现状[J ] . 轻合金加工技术, 2004 , 32 (4) :125.
[5] 谭锐,唐骥. 铸造法制备SiCp/ Al 复合材料的研究现状[J ] . 铸造, 2005 , 54 (7) : 6422647.
[6] 汤佩剑. 复合材料及其应用技术[M] . 重庆: 重庆大学出版社, 1998.
[7] 张志强. 金属基复合材料制备技术及发展[J ] . 机械工程师, 2006 , (2) : 32235.
[8] 刘玉红. MA 法制备Al2O3 、SiC 弥散强化Al 基复合粉末的研究[D] . 昆明: 昆明理工大学, 2010.
[9] 李伟,陈美玲,陈玉喜. 铸造金属基颗粒增强复合材料的研究现状与展望[J ] . 铸造, 2002 , 51 (4) : 205-208.
[10]彭超群, 黄伯云. 喷射沉积技术[J]. 有色金属, 2002, 54(1): 12-15,26。