金属基复合材料半固态加工的研究及应用现状

１　半固态技术在金属基复合材料制备中的应用

利用半固态技术制备金属基复合材料的方法主要有：半固态机械搅拌铸造法、电磁搅拌法，半固态压力浸渗法、喷射沉积法、半固态压力复合法以及应力诱导熔化

激活法［５～９］

等，下面介绍其中的四种方法。

１．１　半固态搅拌铸造法

搅拌铸造包括机械搅拌和电磁搅拌，其原理是将基体金属熔体的温度控制在液相线与固相线之间，同时对其施加搅拌。在搅拌过程中，将增强物颗粒加入半固态熔体中，加入的增强颗粒在半固态的铝合金熔体中与金属粒子相互碰撞、摩擦，使得增强颗粒与基体金属熔体的润湿复合，在搅拌的作用下逐步分散在半固态熔体中，最终形成均匀的金属基复合材料。半固态搅拌铸造法主要用于制造颗粒细小的、含量较高的颗粒增强金属基复合材料。

１．２　半固态压力浸渗法

压力下浸参半固态致密制备复合材料的方法是在压力下液态浸渗制备基础上提出的一种新的复合材料制备方法，其原理是首先使用压力液态浸渗法制备出复合材料，然后对仍处于固液区间的复合材料继续施加大的压力，进行半固态加压，从而提高复合材料的致密度，消除缺陷，改善其组织和力学性能。哈工大的杜之明等在总结金属基复合材料各种制备方法的优缺点的基础上，提出了压力下浸渗－半固态致密法制备金属基复合材料，并成功地制备出混杂增强Ａｌ２Ｏ３ｓｆ

・ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料。该方法具有生产效率高、产品质量稳定、成本低等优点，而且既可制备整体复合材料又可和常规的液态模锻（挤压铸造）工艺压铸工艺结合制备局部增强复合材料，在国防工业和汽车行业中具有广阔的应用前景。

１．３　半固态压力复合法

该方法可以用于制备颗粒增强金属基复合材料和多层复合板状材料。制备颗粒增强金属基复合材料时，先将需要复合的材料制备成粉末并均匀混合，然后加热到一定的温度，使其处于半固态温度区间，在一定的压力下保温一段时间，便可制得分布均匀、基体组织致密、界面结合良好的复合材料；用于制备多层复合板状材料，首先

金属基复合材料半固态加工的研究及应用现状

洪小英 四川信息职业技术学院 ６２８０１７

半固态加工技术作为一种近净形技术，

被认为是２１世纪的一种先进制造技术。它具有产品质量高、性能好，模具寿命长，生产效率高等优点，在金属加工领域，特别是航空航天以及汽车行业，有着广阔的应用

前景［１，２］

。复合材料由多种异种材料复合而成，具有单种材料所不具备的特殊性能，能够满足航空航天、国防工业等领域对材料的多功能或某种特殊功能的需要，因而也有着重要的应用价值。

现在，金属基复合材料的制备方法主要有常规铸造法、粉末烧结法和浸透法等，这些方法虽然有着普遍的应用，但是仍然存在着一些亟待解决的问题，比如液态基体金属与非金属增强相之间润湿难、增强相分布不均匀，容易聚集等等，这样就阻碍了金属基复合材料的广泛应用。半固态金属在液固两相区具有良好的流动性，相对于液态金属其粘度较大，并且其粘度随搅拌强度的增加而减小。利用这些特点，通过搅拌等方法，就可以克服了大部分增强材料与金属母液不润湿而难以复合的缺点，并能够阻止增强相的上浮、下沉以及聚集，

成功地制备出均匀的复合材料［３，４］

。而将半固态成形技术用于复合材料的成形，可以消除缺陷，增加制件的致密度，使增强相与基体界面结合得较为紧密，得到性能优良的制件。

目前，半固态技术在复合材料的制备以及成形中的应用是国内外研究人员研究的热点。

将其中的一种或多种板料的表面进行清理并预热到一定温度，然后将其它需要复合的材料制备成半固态浆料，在压力下将这两种或多种材料焊合，最终形成界面稳定、结合强度较高的复合材料。半固态压力复合的方法具有一定的应用。有人用粉末混合－半固态挤压方法成功地制备出ＳｉＣｐ／２０２４Ａｌ复合材料，其半固态挤压的成形力仅为固态挤压力的１／５～１／３，所制备的复合材料基体合金相比力学性能得到很大改善，屈服强度提高６６～１３１ＭＰａ，抗拉强度提４３～８７ＭＰａ，弹性模量提高１８．３～３６ＧＰａ；也有人使用半固态压力复合的方法制备了钢－ＱＴｉ３．５－３．５石墨复合材料，所得材料的初生固相颗粒与石墨颗粒分布非常均匀。钢板与ＱＴｉ３．５－３．５石墨覆层的交接处为复合界面，接触得相当紧密，而且不存在明显的缺陷。

１．４　喷射沉积法

喷射共沉积工艺的基本原理是：在喷射沉积过程中，　将具有一定动量的颗粒增强相强制喷入雾化液流中，　使熔融金属和颗粒增强相共同沉积到运动基体上，　制备近成形颗粒增强金属基复合材料沉积坯的一种方法。采用喷射共沉积法制备颗粒增强金属基复合材料具有如下优点：用该法制备的复合材料增强相颗粒分布均匀，　增强相与基体结合良好，　同时由于在雾化过程中液相存在的时间极短，　可以避免有害界面反应的发生，　氧含量及夹杂物污染均低，　材料具有优良的综合性能。在喷射共沉积过程中，　除惰性在喷射共沉积过程中，除惰性气体能吸收大量热量，　提高熔体凝固速度，　抑制基体合金偏析和组织粗化外增强颗粒的加入也可增加基体冷速，　同时对晶界迁移产生拖曳力，　阻碍晶界迁移，　晶粒度明显减小。喷射共沉积工艺能制备难成形的材料，如Ｔｉ－Ａｌ、Ｎｉ－Ａｌ等金属间化合物及各种非平衡态基体复合材料的接近最终形状的零部件。其特点是工序少、效率高，　能直接制备大尺寸近形坯，　成本较低。

２　半固态技术在金属基复合材料成形中的应用

金属基复合材料由于增强相的存在，在压力下基体与增强相变形不协调，导致其存在较高的局部应力。因而较之基体金属材料，金属基复合材料的塑性较差，室温下的延伸率一般都低于１０％，即使是在高温下，采用普通的成形工艺其延伸率亦没有明显地提高，这使得金属基复合材料加工成形比较困难，成为阻碍金属基复合材

料进一步开发应用的主要因素之一［１０，１１］

。而使用半固态成形，与固态和液态成形等成形相比，具有诸多优点：

（１）胚料在成形的时候处于液、固共存的温度区间，所需的成形力较小，材料变