铝基复合材料制备方法

(2)铸造法
铸造法可以说是一种传统工艺，因为其制取工艺简单、设备简单、成本低，并可以制造出形状复杂与尺寸相对较大的零件，因而自从有了粉末冶金法，铸造法就受到重视。但是，这种工艺又是一种新工艺，因为在传统的搅拌铸造工艺的基础上，人们发展了挤压铸造、熔体浸渗、半固态搅拌、离心铸造、超声波法、喷射法、电磁场法等多种新工艺，大大丰富了铸造法的内涵，使得这种工艺的研究成为热点14,31。但就人们目前运用较多的半固态搅熔铸造法((Semi-Solid Compocasting)而言，其原理为把金属液温度控制在液相线和固相线之间且不断搅拌，然后把颗粒状增强物按一定比例加人到含有一定组分固相粒子的金属液中，并迅速升温至液相线以上直接进行浇注，就得到所需复合材料。使用这种工艺，增强相与基体的浸润性好，增强相粒子分布均匀，增强物不会结集和偏聚，能得到较为理想的结果15,6j。但是，因为金属液处于半固态，粘度较大，其浆液中的气体和夹杂不易排出。另外，在工业化过程中，要准确控制和保持金属液处于半固态温度也是很困难的。武汉冶金科技大学王蕾等用半固态方法制备了性能指标接近汽车活塞的SiCp/Al复合材料。
三、新的制备工艺
新的制备工艺主要指原位合成工艺((in-situ)，原位合成18.91是在一定条件下，由加人到基体金属熔液中的粉末或其他材料与基体发生化学反应
，在金属基体到强化金属基体的目的。原位合成的第二相颗粒尺寸细小、界面清洁、与基体相容性好，且.弥散分布。此外，原位合成工艺降低了原材料成本，可以实现材料的特殊显微结构设计并获得特殊性能，使得这种制备工艺成为金属基复合材料研究的热点。这种工艺主要包括自蔓延合成法、放射反应法、接触反应法、XD法、VIS法、固一液反应法、液一液反应法、混合盐法等多种方法19-101。目前这种工艺主要用来生产TiC,TiN,AIN,TiB:等增强的复合材料。国内石锋等用Lanxide"'法制备了低空隙率的SiCp/Al复合材料，陈康华等用自蔓延工艺合成了高导热、低膨胀SiCp/AI复合材料。
选自《纳米相增强铝基复合材料制备技术的研究进展 何春年，赵乃勤》
十、电磁及机械搅拌复合技术
电磁搅拌主要是利用电磁感应的热效应熔化金属，利用力效应在合金熔体内产生强烈对流使成分和温度均匀，该技术可缩短熔炼时间、减少炉渣的形成、加快合金熔化和成分均匀、降低加热能耗，同时可提高回收率，实现铝液搅拌的自动化，大幅度降低生产成本}3].
制备方法：
一、电沉积方法
可制备高密度、无孔洞、组织可控的纳米复合材料， 同时电沉积是一种基本上在室温下进行的工艺， 工艺过程投资少， 成本低。金属基复合材料（MMCs) 的增强体中以 SiC 的使用量最大 ， 其次是Al2O3。
sPD工艺与其它的纳米材料制备技术，快速凝固法及球磨法等相比较而言最突出的优点在于粉末压实的同时晶粒显著细化，为直接从微米量级铝粉末得到块体纳米相增强铝基复合材料提供了可能性。利用sPD工艺可以制备出无残留空洞和杂质且粒度可控性好的块体纳米相增强铝基复合材料〕
Alexandrov等“9」利用SPTS压实微米级的铝和纳米级的陶瓷混合粉末制备出相对密度大于98%的A1一5% AlzO3;的高强度、高热稳定性的纳米相增强铝基复合材料，力学性能测试结果表明，在A1一5% AIzO复合材料样品中发现了超塑性现象(400 0C、塑性应变率为10一“s一’的拉伸实验显示，样品失效前的延伸率几乎高达200%，塑性应变率灵敏度为0.35)。
七、高能球磨法
高能球磨法(high energy ball milling)’川是利用球磨机的高速转动或振动，使研磨介质对增强体进行强烈的撞击、研磨和搅拌，将其粉碎为纳米级微粒的方法。采用高能球磨法，适当控制球磨条件可以制备出纳米相增强铝基复合粉末，如再采用热挤压、热等静压等技术加压可制成各种块体纳米相增强铝基复合材料制品。具有成本低、产量高、工艺简单易行等特点。缺点是能耗大、增强体粒度不够细、粒径分布宽、杂质易混人等。
李顺林教授领导的课题组成功运用高能球磨法合成出一系列铝基纳米复合材料:CeOz/A1, Ni0/A1 ,CeOz/Al一Ni等多种功能复合材料「zoo。分析结果表明，纳米颗粒在铝(或铝合金)基体中呈单分散状态，这种优异的复合效果迄今为止鲜见有文献报导。K. D. Woo与D. L. Zhang}z'{合作采用高能球磨法成功得到纳米SiC颗粒增强Al一7C/o Si一0. 4% Mg(质量分数)复合材料。由于高能球磨过程中提高了混合粉末的扩散速率，引起烧结过程中粉末的烧结率也加快了，烧结后的显微结构表明:其颗粒尺寸与用混合粉
6 GPa，相当于相同成分完全非晶铝合金的1. 5倍和传统时效强化铝合金的3倍;其高温强度更加优越(300℃时达1 GPa ,是传统铝合金的20倍)。全兴存「川等将RS工艺与热挤压成型技术相结合，成功地制备出'1'iClAl原位复合材料，与常规熔铸工艺相比，其室温拉伸强度增加了100 MPa左右，并表现出良好的高温力学性能。
八、溅射法
溅射(Sputtering)法!”’是采用高能粒子撞击靶材的表面，与靶材表面的原子或分子交换能量或动量，使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到铝基片上形成纳米相增强铝基复合材料。由于溅射法中靶材无相变，化合物的成分不易发生变化，并且溅射沉积到铝基片上的粒子能量非常高，所形成的纳米复合薄膜附着力大。
末直接烧结的颗粒相比明显变小，同时烧结体的硬度也大大提高了。C. Goujon与P. Goeuriot}zz」在低温条件下采用球磨+热压的方法制取了纳米陶瓷颗粒分布均匀且力学性能优良的铝基复合材料，所得到的纳米颗粒尺寸均匀、显微结构稳定。
Kim } `s」和Shiflet} `6’等利用R}方法得到了一种新型的铝一过渡金属一稀土(A 1 - TM - R:})的纳米复合材料:纳米级的面心立方A1晶体均匀地分布在非晶的基体中。这种材料具有极高的强度和良好的塑性:室温强度高达1.
十一、铸造法工艺
铸造法包括机械搅拌法、液态浸渗法、自身反应法、电磁搅拌法和超声波法等。其中，机械搅拌法〔3,5,7、一’3]和液态浸渗法[14-L6】研究得最多，其工艺这里不再赘述。
选自《铝基复合材料的制备及其耐磨性能研究 朱瑞杰，张勇，胡志力》
十二、自生反应法
自生复合材料主要是利用金属凝固过程中的相变规律在材料中形成具有一定方向性排列的第二相(增强相)粒子，达到增强的目的。这种材料各向异性，其制备过程一般要用定向凝固，因而制造工艺比较复杂。
六、大塑性变形法
大塑性变形法(SPD,Severe plastic deformation) }'s}是近年来逐步发展起来的一种独特的纳米粒子铝及铝合金材料制备工艺。它是指铝及铝合金材料处于较低的温度(通常低于0. 4 Tm)环境中，在大的外部压力作用下发生严重塑性变形，从而将材料的晶粒尺寸细化到纳米量级。SPD法细化晶粒的原因在于这种工艺能大大促进大角度晶界的形成。SPD法有两种:大扭转塑性应变法(SPTS)和等槽角压法(ECA),
五、快速凝固工艺
快速凝固(RS, Rapid Solidification) }.}a’对晶粒细化有着显著的效果，利用RS工艺可以获得与传统材料性能迥异的新型材料，这些新材料具有特殊的性能，在航空、航天、电子、电气等高新技术领域可获得广泛的应用，有望能解决材料科学中的某些难题。近年来，国内外学者已开始尝试采用快速凝固技术直接制备各种高性能块体纳米相增强铝基复合材料。、
选自《Al2O3颗粒增强 Ni-Mn 纳米复合材料的超塑性王国峰1, 夏伟宁2, 张凯锋1》
二、（传统制备工艺）
(1)粉末冶金法
最初都采用粉末冶金法(Powder Metallurgy)来制备金属基复合材料，这是因为粉末冶金法制备的材料性能优越，具有良好的界面结合，增强相的比例可以根据实际需要进行调节，成分比例准确，增强相分布均匀，并且可以实现最终成型或近最终成型，节约材料气其较成熟的方法为Alcoa和Ceracon澎11。美国的DWA复合材料专业公司从70年代开始就研制用粉末冶金工艺生产SiCp增强铝基复合材料，现已达到商品化佣a粉末冶金工艺的不足之处为:设备复杂、工艺复杂、生产效率低，成本较高，并且由于工艺本身要求的工况条件及工艺原理的限制，不可能制备出形状复杂或尺寸较大的零件。另外粉末冶金工艺制品本身的孔隙率较大，不利于提高其综合性能。
选自《Sicp增强铝基复合材料的制备与应用的研究 王晓虹，冯培忠，强颖怀》
四、原位反应合成法
原位(In一situ Reactien)反应合成法「’。〕作为一种突破性新的复合技术而受到国内外学者的普遍重视。近年来已开发出许多纳米原位反应合成体系及其相关制备技术，有些已得到实际应用。原位反应合成法制备纳米相增强铝基复合材料的基本原理是通过元素间或化合物间的化学反应，在铝基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷材料增强相，从而达到增强铝基体的目的’‘“〕。首先，由于原位反应合成技术基本上能克服其它工艺通常出现的一系列问题，如克服基体与增强体浸润不良，界面反应产生脆性层，增强相分布不均匀，特别是纳米级增强相极难进行复合问题等;其次，在基体中反应生成的增强相热力学稳定，具有优良的力学性能，增强相与铝基界面无杂质污染，能显著改善材料中两相界面的结合状况，使材料具有优良的热力学稳定性;另外，原位反应省去了增强相的预合成，简化了工艺，降低了成本，因而在开发新型纳米相增强铝基复合材料方面具有巨大的潜力.
铝块在中频感应炉内被熔炼，在
磁场力的作用下，使铝液在熔炉内形成有规律的运动，从而达到对铝溶液的无接触搅拌}“]，其感应加热原理如图1所小.
机械搅拌技术的基本原理是将颗粒增强物直接加入到熔融的铝合金熔体中，通过一定机械方式的搅拌，使颗粒分散在铝合金熔体中，复合成颗粒增强铝基复合材料熔体.
等离子溅射法}z.v’是一种改进的溅射法，它利用等离子区的高温将增强相熔融，再把熔融的增强相快速引向旋转的铝基体并在铝基体上沉积、冷却，最后得到纳米相增强铝基复合材料。由于复合材料形状的复杂性，等离子枪与铝基体都是由计算机控制的，这样制备出的纳米相增强铝基复合材料形状准确、溅射均匀、性能优良。
'T. Lah。一与A. Agarual}'}」等利用等离子溅射法在铝基上成功溅射了碳纳米管并对这种复合材料进行了研究分`}r`;研究结果表明:碳纳米管紧密私附在铝基体中;在高温溅射过程中，碳纳米管性能一十分稳定，没有生成氧化物;铝基复合材料的硬度有了显著提高。
九、溶胶一凝胶法
溶胶一凝胶(Sol一Gel)法}25’是20世纪60年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺，近年来许多人用此法制备纳米微粒来增强铝基复合材料。其基本原理是:将醇盐或无机盐经水解，然后使溶质聚合凝胶化，再经凝胶干燥、锻烧，最后得到纳米微粒，Sol一Gel法的优点是:①化学均匀性好，由于溶胶一凝胶过程中，溶胶由溶液制得，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致。②纯度高，粉体(特别是多组分粉体)制备过程中无须机械混合。③颗粒细，缺点是原料价格高、有机溶剂的毒性以及在高温下作热处理时会使颗粒快速团聚等「2'-=$} o A. Bhattach一。iyya等’28‘采用溶胶一凝胶法制得了A1一Si - Ni纳米复合材料。