金屬基復(fù)合材料的制備方法

1、.金屬基復(fù)合材料的制備技術(shù)摘要：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)對材料的要求日益提高，使普通的單一材料越來越難以滿足實際需要。復(fù)合材料是多種材料的統(tǒng)計優(yōu)化，集優(yōu)點于一身，具有高強度、高模量和輕比重等一系列特點。尤其是金屬基復(fù)合材料(MMCs)具有較高工作溫度和層間剪切強度，且有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨損、不吸濕、不放氣、尺寸穩(wěn)定、不老化等一系列的金屬特性，是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。Abstract: The development of modern science and technology and industrial production of materials requirements incre

2、asing, the ordinary single material is more and more difficult to meet the actual needs. Composite material is a variety of statistical optimization, set merit in a body, has the advantages of high strength, high modulus and light specific gravity and a series of characteristics. Especially the meta

3、l matrix composite ( MMCs ) has the high working temperature and interlaminar shear strength, and a conductive, thermal conductivity, wear resistance, moisture, do not bleed, dimensional stability, aging and a series of metal properties, is a kind of structural material.關(guān)鍵詞：復(fù)合材料(Composite material)、

4、發(fā)展概況(Development situation)、金屬基復(fù)合材料(Metal base composite material)、發(fā)展前景(Development prospect)正文：一：復(fù)合材料簡介復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同物理、化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)以微觀或宏觀的形式復(fù)合而成的多相材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。復(fù)合材料按其組成分為金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與金屬復(fù)合材料、非金屬與非金屬復(fù)合材料。按其結(jié)構(gòu)特點又分為：纖維復(fù)合材料。夾層復(fù)合材料。細粒復(fù)合材料?；祀s復(fù)合材料。

5、1二：金屬基復(fù)合材料簡介(1)定義：金屬基復(fù)合材料是以金屬或合金為基體，以高性能的第二相為增強體的復(fù)合材料。它是一類以金屬或合金為基體, 以金屬或非金屬線、絲、纖維、晶須或顆粒狀組分為增強相的非均質(zhì)混合物, 其共同點是具有連續(xù)的金屬基體。(2)分類：按增強體類型分為：1.顆粒增強復(fù)合材料；2.層狀復(fù)合材料；3.纖維增強復(fù)合材料按基體類型分為：1.鋁基復(fù)合材料；2.鎳基復(fù)合材料；3.鈦基復(fù)合材料；4.鎂基復(fù)合材料 按用途分為：1.結(jié)構(gòu)復(fù)合材料；2.功能復(fù)合材料（3）性能特征：金屬基復(fù)合材料的性能取決于所選用金屬或合金基體和增強物的特性、含量、分布等。綜合歸納金屬基復(fù)合材料有以下性能特點。 A高比

6、強度、比模量 B. 良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能 C熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好D良好的高溫性能和耐磨性E良好的斷裂韌性和抗疲勞性能F不吸潮、不老化、氣密性好三 發(fā)展概況：近20多年來，金屬基復(fù)合材料一直是人們深入研究的對象，很多金屬被考慮作為可能的集體材料。包括鋰（Li）、鎂（Mg）、硅（Si）、鋁（Al）、鈦（Ti）、銅（Cu）鎳（Ni）、鋅（Zn）等。輕金屬最具有應(yīng)用潛力，這主要是因為復(fù)合材料的比強度有很重要的使用意義。很多制備金屬基復(fù)合材料的方法被人們提出，并得到發(fā)展完善以致工業(yè)應(yīng)用。根據(jù)基體合金的狀態(tài)，大致可以分為固態(tài)擴散法、粉末冶金法、熔鑄法幾大類。熔鑄法由于工藝成本低，因而得到廣泛的研究與

7、應(yīng)用。常見的較為成熟的工藝主要有擠壓鑄造，半固態(tài)復(fù)合鑄造，以及浸滲法。金屬基復(fù)合材料可以分為兩大類，連續(xù)增強型和非連續(xù)增強型復(fù)合材料。有人指出，金屬基復(fù)合材料發(fā)展的未來前景主要在于非連續(xù)增強，特別是SiC1四、金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀1金屬基復(fù)合材料的界面金屬基復(fù)合材料的界面問題一直是困擾本領(lǐng)域工作者的重大問題因為金屬基復(fù)合材料的界面有三種類型，而且界面以五種不同的方式結(jié)合，所以界面區(qū)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜雖然多數(shù)金屬基復(fù)合材料是以界面反應(yīng)的形式結(jié)合，但是反應(yīng)的程度受工藝方法及溫度參數(shù)的影響極大，同時由于界面區(qū)尺寸僅為納米級，從而使分析表征工作困難很大2. 金屬基復(fù)合材料的凝固過程金屬的凝固過程已經(jīng)研究

8、得比較成熟，但金屬基復(fù)合材料的凝固過程由于增強體的存在使基體金屬的凝固過程變得復(fù)雜，難以套用現(xiàn)有的金屬凝固理論實際上由于增強體的存在，其凝固過程中的溫度場和濃度場、晶體生長的熱力學(xué)和動力學(xué)過程都會發(fā)生變化。同時一般凝固過程均處于非平衡條件下，因此流體的流動行為、溶質(zhì)的再分配規(guī)律以及凝固體的組織形態(tài)也有相應(yīng)的變化。3. 非連續(xù)增強金屬基復(fù)合材料的制備科學(xué)非連續(xù)增強體（顆粒、短纖維、晶須）增強的金屬基復(fù)合材料，由于其制造工藝較簡單，價格相對低廉，所以在汽車、紡織等民用工業(yè)中初步獲得應(yīng)用，特別是SiC 顆粒增強和硅酸鋁（或莫來石）短纖維增強的復(fù)合材料現(xiàn)在已有一定的生產(chǎn)規(guī)模。4. 金屬基復(fù)合材料的原位

9、復(fù)合金屬基復(fù)合材料的原位復(fù)合工藝基本上能克服其它工藝中通常出現(xiàn)的一系列問題，如基體與增強體浸潤不良，界面反應(yīng)產(chǎn)生脆性層，增強體分布不均勻，特別是對微小的（亞微米和納米級）增強體極難進行復(fù)合等，作為一種具有突破性的新工藝方法而受到普遍的重視，并廣泛開展了研究工作。其中包括直接氧化法、無壓力浸潤法、自蔓延法和在金屬中已有研究基礎(chǔ)的原位共晶生長法等。五、金屬基復(fù)合材料的制備（一）粉末冶金復(fù)合法粉末冶金復(fù)合法基本原理與常規(guī)的粉末冶金法相同，包括燒結(jié)成形法、燒結(jié)制坯加塑法加工成形法等適合于分散強化型復(fù)合材料（顆粒強化或纖維強化型復(fù)合材料）的制備與成型。粉末冶金復(fù)合法的工藝主要優(yōu)點是：基體金屬或合金的成分

10、可自由選擇，基體金屬與強化顆粒之間不易發(fā)生反應(yīng)；可自由選擇強化顆粒的種類、尺寸，還可多種顆粒強化；強化顆粒添加量的范圍大；較容易實現(xiàn)顆粒均勻化。缺點是：工藝復(fù)雜，成本高；制品形狀、尺寸受限制；微細強化顆粒的均勻分散困難；顆粒與基體的界面不如鑄造復(fù)合材料等。（二）鑄造凝固成型法鑄造凝固成型法是在基體金屬處于熔融狀態(tài)下進行復(fù)合。主要方法有攪拌鑄造法、液相滲和法和共噴射沉積法等。鑄造凝固成型鑄造復(fù)合材料具有工藝簡單化、制品質(zhì)量好等特點，工業(yè)應(yīng)用較廣泛。1、原生鑄造復(fù)合法原生鑄造復(fù)合法（也稱液相接觸反應(yīng)合成技術(shù)Liquid Contact Reaction：LCR）是將生產(chǎn)強化顆粒的原料加到熔融基體金

11、屬中，利用高溫下的化學(xué)反應(yīng)強化相，然后通過澆鑄成形。這種工藝的特點是顆粒與基體材料之間的結(jié)合狀態(tài)良好，顆粒細?。?.251.5m），均勻彌散，含量可高達40%，故能獲得高性能復(fù)合材料。常用的元素粉末有鈦、碳、硼等，化合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3等。該方法可用于制備A1基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基復(fù)合材料，強化相可以是硼化物、碳化物、氮化物等。2、攪拌鑄造法攪拌鑄造法也稱摻和鑄造法等，是在熔化金屬中加入陶瓷顆粒，經(jīng)均勻攪拌后澆入鑄模中獲得制品或二次加工坯料，此法易于實現(xiàn)能大批量生成，成本較低。該方法在鋁基復(fù)合材料的制備方面應(yīng)用較廣，但其主要缺點是基體金屬與強化顆粒的組合

12、受限制。原因有兩方面：強化顆粒與熔體基本金屬之間容易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；強化顆粒不易均勻分散在鋁合金一類的合金熔體中，這是由于陶瓷顆粒與鋁合金的潤滑性較差，另一個問題是陶瓷顆粒容易與溶質(zhì)原子一起在枝晶間產(chǎn)生偏析。3、半固態(tài)復(fù)合鑄造法半固態(tài)復(fù)合鑄造法是從半固態(tài)鑄造法發(fā)展而來的。通常金屬凝固時，初生晶以枝晶方式長大，固相率達0.2%左右時枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動性。如果在液態(tài)金屬從液相到固相冷卻過程中進行強烈攪拌則使樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而保留分散的顆粒狀組織形態(tài)，懸浮于剩余液相中，這種顆粒狀非枝晶的微組織在固相率達0.5%0.6%仍具有一定的流變性。液固相共存的半固態(tài)合金因具有流變性，可以進

13、行流變鑄造；半固態(tài)漿液同時具有觸變性，可將流變鑄錠重新加熱到固、液相變點軟化，由于壓鑄時澆口處及型壁的剪切作用，可恢復(fù)流變性而充滿鑄型。強化顆?；蚨汤w維強化材料加入到受強烈攪拌的半固態(tài)合金中，由于半固態(tài)漿液球狀碎晶粒對添加顆粒的分散和捕捉作用，既防止顆粒的凝聚和偏析，又使顆粒在漿液中均勻分布，改善了潤濕性并促進界面的結(jié)合。4、含浸凝固法（MI技術(shù)）含浸凝固法是一種將預(yù)先制備的含有較高孔隙率的強化相成形體含浸于熔融基體金屬之中，讓基體金屬浸透預(yù)成型體后，使其凝固以制備復(fù)合材料的方法。有加壓含浸和非加壓含浸兩種方法。含浸法適合于強化相與熔融基體金屬之間潤濕性很差的復(fù)合材料的制備。強化相含量可高達3

14、0%80%；強化相與熔融金屬之間的反應(yīng)得到抑止，不易產(chǎn)生偏折。但用顆粒作強化相時，預(yù)成形體的制備較困難，通常采用晶須、短纖維制備預(yù)成形體。熔體金屬不易浸透至預(yù)成形體的內(nèi)部，大尺寸復(fù)合材料的制備較困難。5、離心鑄造法廣泛應(yīng)用于空心件鑄造成形的離心鑄造法，可以通過兩次鑄造成型法成形雙金屬層狀復(fù)合材料，此方法簡單，具有成本低、鑄件致密度高等優(yōu)點，但是界面質(zhì)量不易控制，難以形成連續(xù)長尺寸的復(fù)合材料。6、加壓凝固鑄造法該法是將金屬液澆注鑄型后，加壓使金屬液在壓力下凝固。金屬從液態(tài)到凝固均處于高壓下，故能充分浸滲，補縮并防止產(chǎn)生氣孔，得到致密鑄件。鑄、鍛相結(jié)合的方法又稱擠壓鑄造、液態(tài)模鍛、鍛鑄法等。加壓凝

15、固鑄造法可制備較復(fù)雜的MMCs零件，亦可局部增強。由于復(fù)合材料易在熔融狀態(tài)下壓力復(fù)合，故結(jié)合十分牢固，可獲得力學(xué)性能很高的零件。這種高溫下制成的復(fù)合坯，二次成型比較方便，可進行各種熱處理，達到對材料的多種要求。7、熱浸鍍與反向凝固法熱浸鍍與反向凝固法都是用來制備連續(xù)長尺寸包覆材料的方法。熱浸鍍主要用于線材的連續(xù)鍍層，主要控制通過鍍層區(qū)的長度和芯線通過該區(qū)的速度等。反向凝固法是利用薄帶作為母帶，以一定的拉速穿過反向凝固器，由于母帶的速度遠遠低于熔融金屬的速度，在母帶的表面附近形成足夠大的過冷度，熔融金屬以母帶表面開始凝固生長，配置在反向凝固器上方的一對軋輥，同時起到拉坯平整和焊合的作用。8、真空

16、鑄造法真空鑄造法是先將連續(xù)纖維纏繞在繞線機上，用聚甲丙烯酸等能分解的有機高分子化合物方法制成半固化帶，把預(yù)成型體放入鑄型中，加熱到500使有機高分子分解。鑄型的一端浸入基體金屬液，另一端抽真空，將金屬液吸入型腔浸透纖維。（三）噴射成形法噴射成形又稱噴射沉積（Spray Forming），是用惰性氣體將金屬霧化成微小的液滴，并使之向一定方向噴射，在噴射途中與另一路由惰性氣體送出的增強微細顆粒會合，共同噴射沉積在有水冷襯底的平臺上，凝固成復(fù)合材料。凝固的過程比較復(fù)雜，與金屬的霧化情況、沉積凝固條件或增強體的送入角有關(guān)，過早凝固不能復(fù)合，過遲的凝固則使增強體發(fā)生上浮下沉而分布不勻。這種方法的優(yōu)點是工

17、藝快速，金屬大范圍偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免復(fù)合材料發(fā)生界面反應(yīng)，增強體分布均勻。缺點是出現(xiàn)原材料被氣流帶走和沉積在效應(yīng)器壁上等現(xiàn)象而損失較大，還有復(fù)合材料氣孔率以及容易出現(xiàn)的疏松。利用噴射成形原理制備工藝有添加法（inert spray form-ing）和反應(yīng)法（reactive spray forming）兩種。Osprey Metals研究的Osprey工藝是噴射成形法的代表，其強化顆粒與熔融金屬接觸時間短，界面反應(yīng)得以有效抑制。反應(yīng)噴射沉積法是使強化陶瓷顆粒在金屬霧或基體中自動生成的方法。（四）疊層復(fù)合法疊層復(fù)合法是先將不同金屬板用擴散結(jié)合方法復(fù)合，然后采用離子濺射或分子束外延

18、方法交替地將不同金屬或金屬與陶瓷薄層疊合在一起構(gòu)成金屬基復(fù)合材料。這種復(fù)合材料性能很好，但工藝復(fù)雜難以實用化。目前這種材料的應(yīng)用尚不廣泛，過去主要少量應(yīng)用或試用于航空、航天及其它軍用設(shè)備上，現(xiàn)在正努力向民用方向轉(zhuǎn)移，特別是在汽車工業(yè)上有很好的發(fā)展前景。（五）原位生成復(fù)合法原位生成復(fù)合法也稱反應(yīng)合成技術(shù)，金屬基復(fù)合材料的反應(yīng)合成法是指借助化學(xué)反應(yīng)，在一定條件下在基體金屬內(nèi)原位生成一種或幾種熱力學(xué)穩(wěn)定的增強相的一種復(fù)合方法。這種增強相一般為具有高硬度、高彈性模量和高溫強度的陶瓷顆粒，即氧化物、碳化物、氯化物、硼化物、甚至硅化物，它們往往與傳統(tǒng)的金屬材料，如Al、Mg、Ti、Fe、Cu等金屬及其合金

19、，或（NiTi）（AlTi）等金屬間化合物復(fù)合，從而得到具有優(yōu)良性能的結(jié)構(gòu)材料或功能材料。金屬基復(fù)合材料的原位復(fù)合工藝基本上能克服其它工藝中常出現(xiàn)的一系列問題，如基體與增強體浸潤不良、界面反應(yīng)產(chǎn)生脆性、增強體分布不均勻、對微小的（亞微米和納米級）增強體極難進行復(fù)合等。它作為一種具有突破性的新工藝方法而受到普遍的重視，其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生長法等。1、直接氧化（DIMON）法直接氧化法是由氧化性氣體在一定工藝條件下使金屬合金液直接氧化形成復(fù)合材料。通常直接氧化法的溫度比較高，添加適量的合金元素如Mg、Si等，可使反應(yīng)速度加快。這類復(fù)合材料的強度、韌性取決于形成粒子的狀態(tài)和最終顯

20、微組織形態(tài)。由于形成的增強體可以通過合金化及其反應(yīng)熱力學(xué)進行判斷，因此可以通過合金化、爐內(nèi)氣氛的控制來制得不同類型增強體的復(fù)合材料。2、放熱彌散（XD）法放熱彌散復(fù)合技術(shù)（Exothermic Dispersion）的基本原理是將增強相反應(yīng)物料與金屬基粉末按一定的比例均勻混合，冷壓或熱壓成型，制成坯塊，以一定的加熱速率加熱，在一定的溫度下（通常是高于基體的熔點而低于增強相的熔點）保溫，使增強相各組分之間進行放熱化學(xué)反應(yīng)，生成增強相。增強相尺寸細小，呈彌散分布。XD技術(shù)具有很多優(yōu)點：可合成的增強相種類多，包括硼化物、碳化物、硅化物等；增強相粒子的體積百分比可以通過控制增強相組分物料的比例和含量加

21、以控制；增強相粒子的大小可以通過調(diào)節(jié)加熱溫度加以控制；可以制備各種MMC；由于反應(yīng)是在融熔狀態(tài)下進行，可以進一步近終形成型。XD技術(shù)是合成顆粒增強金屬基及金屬間化合物基復(fù)合材料的最有效的工藝之一。但用XD工藝制成的產(chǎn)品存在著較大孔隙度的問題，目前一般采用在反應(yīng)過程中直接壓實來提高致密度。3、 SHS-鑄滲法SHS-鑄滲法是將金屬基復(fù)合材料的自蔓延高溫合成技術(shù)（Self-Propagating High Temperature Synthesis）和液態(tài)鑄造法結(jié)合起來的一種新技術(shù)，包括增強顆粒的原位合成和鑄造成型兩個過程。當(dāng)前，SHS-鑄滲法是有競爭力的反應(yīng)合成工藝之一，但過程控制非常困難。其典

22、型工藝為：利用合金熔體的高溫引燃鑄型中的固體SHS系，通過控制反應(yīng)物和生成物的位置，在鑄件表面形成復(fù)合涂層，它可使SHS材料合成與致密化、鑄件的成形與表面涂層的制備同時完成。4、反應(yīng)噴射沉積技術(shù)（RSD）反應(yīng)噴射沉積工藝（Reactive Spray Deposition）生成陶瓷顆粒的反應(yīng)有氣液反應(yīng)、液液反應(yīng)、固液反應(yīng)和加鹽反應(yīng)等多種類型。它綜合了快速凝固及粉末冶金的優(yōu)點，并克服了噴射共沉積工藝中存在的如顆粒與基體接近機械結(jié)合、增強相體積分數(shù)不能太高等缺點，成為目前金屬基復(fù)合材料研究的重要方向之一。反應(yīng)噴射沉積工藝過程為：金屬液被霧化前噴入高活性的固體顆粒發(fā)生液固反應(yīng)，導(dǎo)致噴入的顆粒在霧化過程中溶解并與基體中的一種或多種元素反應(yīng)形成穩(wěn)定的彌散相，控制噴霧的冷卻速率以及隨后坯件的冷卻速率可以控制彌散相的尺寸。2六、金屬基復(fù)合材料的發(fā)展前景金屬基復(fù)合材料要在未來取得進一步的發(fā)展，并列人規(guī)模生產(chǎn)品種的行列，還有一段艱難的路程，但是由于它性能優(yōu)勢的存在，是有明確發(fā)展前景的，這就需要廣大材料研究工作者進行深人細致的基礎(chǔ)研究，探索新的工藝方法并開拓新的有針對性的應(yīng)用