金属基复合材料制备工艺的研究进展张发云Word文件下载.docx
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Abstract:
Theresearchhistoryofmetalmatrixcompositesissummarizedinthepaper,conventionalmetalmatrix
andtypesofreinforcementofmetalmatrixcompositesareintroducedandespeciallytheirfabricationmethods,suchasstircasting、powdermetallurgyandin-situsynthesisarereviewed.Inaddition,thewettability、interfacialchemistry、mechanicalpropertiesofmetalmatrixcompositesandfiniteelementanalysisaboutmetalmatrixcompositesaresimplystudied.Atlast,thedevelopmenttrendaboutshapingofmetalmatrixcompositesbysemi-solidformingtechniquesispresented.
Keywords:
stircasting;
wettability;
interfacialchemistry;
metalmatrixcomposites
*国家自然科学基金（50465003、江西省科技厅和江西省教育厅资助项目（2005-26**男,39岁,博士研究生收稿日期:
2005-11-23
1 引言
金属基复合材料起源于20世纪50年代末期或60年代初期。
近年来,金属基复合材料的制备工艺及理论研究发展非常迅速,早期的研究工作重点主要集中在连续纤维增强物,但由于连续纤维的成本高,复合材料制备工艺难度大,从而限制了它的研究与发展。
与连续纤维增强金属基复合材料相比,非连续纤维增强金属基复合材料具有成本低,制备工艺简单等特点,已经逐渐成为国内外金属基复合材料领域的研究重点[1~8]
。
本文介绍金属基复合材料常用的基体合金、增强体、制备方法、润湿性、界面反应、材料组织与性能,归纳总结目前国内外的研究现状,并展望金属基复合材料的发展前景。
2 常用的金属基体与增强体
2.1 常用的金属基体
当今,作为金属基复合材料的基体有铝基、镁基、铜基、铁基、钛基、镍基、高温合金基、金属间化合物及难熔金属基等,目前,国内外学者研究的金属基复合材料基体主要集中在铝和镁两个合金系上。
本文重点介绍铝、镁基复合材料研究发展的现状。
2.2 常用的增强体
增强体的选择要求与复合材料基体结合时的润湿性较好,并且增强体的物理、化学相容性好,载荷承受能力强,尽量避免增强体与基体合金之间产生界面反应等。
常用的增强体主要有C纤维、Ti纤维、B纤维、Al203、短纤维、SiC晶须、B、C颗粒、SiC颗粒、B4C颗粒、Si3N4颗粒、WC颗粒、Mo2C颗粒、ZrO2颗粒、ZrB2颗粒、A1203颗粒、碳纳米管和石墨等。
增强相的选择并不是随意的,选择一个合适的增强体需要从复合材料应用情况、制备方法以及增强体的成本等诸多方面综合考虑。
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3 金属基复合材料的制备方法
金属基复合材料的性能、特点、应用和制造成本等在很大的程度上取决于金属基复合材料的制备工艺和方法。
目前,金属基复合材料的制备工艺和方法可分为:
搅拌铸造法、粉末冶金法、原位生成法、挤压铸造法和喷射成形法等。
3.1 搅拌铸造法
[9~11]
搅拌铸造法（图1制备金属基复合材料最早起源于1968年,由S.Ray在熔化的铝液中加入氧化铝,并通过搅拌含有陶瓷粉末的熔化状态的铝合金而来的[12]。
搅拌铸造法根据铸造时加热温度的不同可分为全液态搅拌铸造（即在液相线以上液态金属中加入增强体,搅拌一定时间后冷却、半固态搅拌铸造（在固液相温度之间加入增强体搅拌一定时间后冷却和搅熔铸造（在在固液相温度之间加入增强体,搅拌一定时间后升温至基体合金液相线温度以上,并搅拌一定时间后冷却3种。
搅拌铸造法的特点是:
工艺简单,操作方便,可以生产大体积的复合材料（可到达500kg,设备投入少,生产成本低,适宜大规模生产。
但加入的增强相体积分数受到限制,一般不超过20%,并且搅拌后产生的负压使复合材料很容易吸气而形成气孔,同时增强颗粒与基体合金的密度不同易造成颗粒沉积和微细颗粒的团聚等现象。
谭彦显[13]
研究了不同铸造工艺条件下的镁基复合材料的组织结构,并对其气孔率进行测定。
结果表明:
搅拌温度、颗粒体积分数和颗粒大小对气孔率有影响,搅拌温度越高和增强颗粒体积分数增加气孔率上升。
并认为搅熔铸造法制备的复合材料在颗粒分布及气孔含量方面均优于半固态搅拌铸造法和全液态搅拌铸造法。
另外,可以针对搅拌铸造法得到的复合材料通过挤压工序使得其气孔率减少,组织细化和增强相分布更均匀
图1 搅拌铸造法流程图Fig.1 Flowchartofstircasting
3.2 粉末冶金法
粉末冶金法（图2是指将基体金属合金与增强体粉末混合均匀后在模中冷压,除气后在真空中加热至固液两相区进行热压,最后烧结制得金属基复合材料的方法。
粉末冶金法特点:
可以制备出增
强相非常高体积分数的金属基复合材料,并且不受基体合金种类与增强体类型的限制,通过粉末混合工艺可以使增强相在金属基体中达到分布均匀。
但此工艺设备复杂、成本偏高,不易制备形状复杂的零件,而且在生产过程中存在粉末燃烧和爆炸等危险,不易进行大规模工业化生产,特别是对于制备体积偏大的金属基复合材料粉末冶金法不是一种理想的制备方法。
因此粉末冶金法主要应用于实验室研究,没有得到推广。
Z.Trojanova等[14]采用粉末冶金方法制备了纳米颗粒增强的镁基复合材料,较大地提高其力学性能,材料经330℃热挤压后宏观组织清晰,材料的蠕变性能也得到相应提高。
郗雨林[15]研究认为采用合适的烘粉处理后,Mg粉的新旧程度对复合材料的性能无明显影响;
热压工序可以使镁基复合材料的性能更趋稳定。
并且采用粉末冶金法制备了SiC颗粒及晶须增强MB15镁基复合材料的试样[16],结果表明:
SiC颗粒和晶须能显著提高MB15镁合金的室温强度和弹性模量,且SiC晶须的作用比SiC颗粒更明显
图2 粉末冶金法流程图
Fig.2 Flowchartofpowdermetallurgy
3.3 原位生成法
原位生成法[17]指增强材料在复合材料制造过程中,并在基体中自己生成和生长的方法,增强材料以共晶的形式从基体中凝固析出,也可与加入的相应元素发生反应、或者合金熔体中的某种组分与加入的元素或化合物之间的反应生成。
前者得到定向凝固共晶复合材料,后者得到反应自生成复合材料。
原位生成复合材料的特点:
增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相,因此,增强体表面无污染,界面结合强度高。
而且,原位反应产生的增强相颗粒尺寸细小、分布均匀,基体与增强材料间相容性好,界面润湿性好,不生成有害的反应
物,不须对增强体进行合成、预处理和加入等工序,因此,采用该技术制备的复合材料的综合性能比较高,生产工艺简单,成本较低。
从液态金属基体中原位形成增强体的工艺,可用铸造方法制备形状复杂、尺寸较大的净近成形零件。
牛玉超[18]
等研究认为采用石墨坩埚、电磁搅拌和铝熔体中加入镁的工艺流程,可实现Al2O3颗粒和铝熔体的有效复合,
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进而制备出Al2O3（P/ZA35锌基复合材料,与基体合金ZA35相比,复合材料的耐磨性能有了明显的提高。
崔峰[19]等人以Al熔液为载体,采用原位反应生成形状规则、尺寸细小的TiB2颗粒相,再将TiB2颗粒传递到ZA27合金中,形成TiB2颗粒增强的ZA27复合材料。
TiB2颗粒在ZA27复合材料中,分布均匀,平均直径在3μm以下;
并随着TiB2颗粒含量增加,复合材料的抗拉强度、硬度明显提高。
黄赞军[20]等研究了原位反应中反应物配比中随着稀释剂铝量的增多,熔体内的自蔓燃反应启动得越慢,剧烈程度降低,但是反应产物得分布朝不均匀方向变化;
熔体温度越高,反应启动得越快,而且剧烈;
稀释剂镁粉的添加可以极大地缩短反应诱导时间,随着添加量的增加缩短更多。
3.4 挤压铸造法
尽管挤压铸造的概念可以追溯到1800年左右[21],但是第一次挤压铸造实验出现在1931年[22]。
挤压铸造法是制造金属基复合材料较理想的途径,此工艺先将增强体制成预成型体,放入固定模型内预热至一定温度,浇人金属熔体,将模具压下并加压,迅速冷却得到所需的复合材料。
挤压铸造法特点:
可以制备出增强相非常高体积分数（40%~50%的金属基复合材料,由于在高压下凝固,既改善了金属熔体的浸润性,又消除了气孔等缺陷,因此,挤压铸造法是制造金属基复合材料质量较好,可以一次成型。
贾玉玺[23]认为挤压加工有助于提高SiC颗粒分布的均匀性,挤压棒料中的SiC颗粒在挤压方向上定向、有序排列;
挤压加工可以消除SiC/Al复合材料中的疏松、气孔等缺陷,大幅度提高复合材料的强度和塑性。
然而,在制备金属基复合材料时,应该适当地控制挤压力地大小,挤压力过大会引起金属熔体产生湍流,产生内部气泡和基体氧化。
也会破坏复合材料地增强相,降低其力学性能。
因此,分两步的挤压铸造（低压力的渗透和基体合金高压力的凝固成功地制备了一种SiCW/ZK51A镁基复合材料[24]。
挤压铸造法的不足之处主要受到大体积产品的形状和尺寸的影响,因而,针对大体积的零件挤压铸造法适应性不高。
3.5 喷射成形法
喷射成形技术是英国斯旺西大学A.Singer教授于1968年首先提出的,其目的是在于从熔融金属直接制得固态成品或半成品[25],并于1970年首次公开报道。
而作为一种工程技术则是从1974年英国Ospray公司取得专利权开始的。
其工艺的实质是:
将液体金属在高压惰性气体喷射作用下雾化成微细颗粒,然后喷射沉积在一定形状的收集基板上,得到快速凝固因而获得致密的金属半成品。
喷射成形法特点:
得到细小、致密、成分均匀的组织,具有快速凝固工艺的特点,生产工序简单,生产成本较低,适用于生产各种形状的预成形金属制品。
Mo-guchiA等[26]用自己设计的实验结构溅射仪器溅射Mg-10%和Mg-5%Ca镁合金,溅射的同时同步注射SiC颗粒,制备了镁基复合材料。
复合材料的致密度高于95%,在挤压后材料的致密度高于99%。
这种方法制备的复合材料中,SiC颗粒的含量可达到18.8%复合材料的弹性模量和硬度都有较大的提高,但抗拉强度提高不明显。
4 主要研究的问题
4.1 润湿性
在金属基复合材料制备过程中,影响其组织和性能的因素有许多。
金属熔体与增强相之间的润湿性是其中一个非常关键的因素。
影响润湿性主要有以下两点:
1.材料的内在属性（如:
基体与增强相的表面能。
2.增强颗粒的表面状态（如:
颗粒表面有大量的氧化物和污渍。
而改善金属熔体与增强体之间的润湿性的方法主要有:
1.对增强颗粒进行金属涂覆（如Ni,Cu处理。
2.向金属熔体中加入活性元素（如Li,Mg,Ca,Ti,Zr和P等。
3.增强颗粒进行预热及保持颗粒表面清洁等方法。
例如:
在石墨粉末/纤维进行涂覆Ni或SiO2处理可以提高铝基体与石墨增强颗粒之间的润湿性[27]。
李子全[28]应用搅熔铸造工艺研究了经预处理的SiC颗粒在加镁的ZA-27合金中的卷入、分散和润湿过程。
由于发生了存在于SiC颗粒表面的SiO2与由于加Mg而降低表面能的合金液间的润湿,并在旋涡能的促进下,SiC能呈单粒状分散在熔体中;
在高温搅拌时,由于SiO2与合金液中的活性原子Mg和Al等发生界面反应,促进了SiO2与合金液间的进一步润湿,随后SiC颗粒能与合金液发生非反应润湿的主要原因是界面反应提供了无气洁净的SiC表面。
另外,还可以增加增强相的表面能、减少熔化金属基体的表面张力和基体与增强相之间的界面能来改善其润湿性。
同时金属基复合材料在设计和制备过程中应尽可能界面控制化学反应,减少氧化物形成。
通过有效控制界面化学反应来改善其润湿性,过分的界面化学反应会使界面区成为薄弱环节,导
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致复合材料性能下降。
4.2 界面反应[29]
金属基复合材料的界面结构研究是近年来研究重点之一,目的在于通过了解材料微观结构,有效地控制复合材料性能。
一般来说,金属基复合材料的力学性能很大程度上是由基体与增强相之间的界面结构与属性来决定的。
金属基复合材料的界面有3种类型,而且界面以5种不同的方式结合,因此界面结构非常复杂。
牢固的结合界面使得复合材料的弹性模量和抗拉强度增加,界面强度的高低取决于基体的种类与化学成分、增强相的组成与表面状态及复合材料制备方法。
为了最大限度地增加基体/增强相的界面结合强度,有必要改善基体/增强相的润湿性,控制化学反应,尽可能地减少氧化物的形成。
基体/增强相之间的相互作用以机械锁定或化学粘结两种形式存在。
对于非反应体系,界面被认为是一个相对固定的简单边界,能用一个理想化的界面模型来模拟,取决于基本的晶体学参数和相邻相的电子结构,静电反应起支配作用。
对于反应体系,化学反应起支配作用。
反应产物的形成和至少两个界面边界的生长使界面问题复杂化,难以用粗糙的界面模型来模拟。
而对于陶瓷-金属体系来说,大多是反应体系,界面化学反应对制备工艺、性能控制有着非常重要的影响[30]。
SanjayKumarThakur等[31]研究认为基体与增强体之间的界面强度可以用增强颗粒的微观硬度和晶间距离来表示;
通常,在铝基复合材料中对SiCp增强颗粒进行金属涂覆（如Ni,Cu处理可以获得更好的界面特性;
在铝基/镁基复合材料中,经过氧化处理的SiCp增强体以复杂的形式影响其界面特性（可能是由于在界面上形成了反应物;
在增强颗粒金属基复合材料中的界面特性可以由晶间距离与颗粒的硬度、磨损和摩擦系数之间的相互关系来测定。
崔岩等[32]尝试了一种控制SiCP/Al复合材料界面状态与性能的新途径,并首次应用声发射检测技术及其信号的小波分析新方法对控制效果进行评估。
研究表面:
声发射行为的小波分析技术能够描述和区分SiCP/Al复合材料承载及断裂过程中的界面力学行为。
4.3 复合材料力学性能
通常,制备复合材料的目的是为了改善其机械属性,如:
抗拉强度、杨氏模量、蠕变强度和疲劳强度。
抗拉强度与刚度的改善是以损失复合材料的其它性能为代价的（如:
复合材料的塑性。
因此,制备金属基复合材料时应全面衡量其综合性能的利弊,有选择地进行取舍。
一般来说,金属基复合材料随增强体含量的增加,其塑性下降很快。
为进一步提高金属基复合材料的力学性能,改善其塑性,胡连喜[33]采用挤压变形方法来消除铸造缺陷,提高其力学性能。
贾玉玺[23]通过挤压加工消除SiC/Al复合材料中的疏松、气孔等缺陷,大幅度提高复合材料的强度和塑性。
另外,李四清等[34]对复合材料固溶时效处理工艺,复合材料经α+β相区固溶时效处理后,其室温拉伸强度和塑性得到改善。
采用β相区固溶时效处理,材料的持久和蠕变性能明显地改善,而拉伸性能仍保持了较高地水平。
4.4 计算机模拟
随着计算机数值模拟技术的不断改进,计算机模拟技术作为产品设计、生产、加工等主要的辅助手段,其应用范围不断扩大,已开始应用于金属基复合材料。
其理论分析方法有:
自洽模型、微分法、复合圆柱族模型、Eshelby等效夹杂物和Mori-Tanaka模型等等。
目前,随着有限元软件的不断发
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总之,在制备金属基复合材料时,运用计算机模拟技术针对其热力学和动力学过程进行仿真模拟,可以清楚地了解基体/增强体界面反应的过程,减少复杂实验过程中其它因素的影响,节省生产和研发成本,同时采用计算机模拟还可以掌握复合材料受到极限载荷时的破坏及失效形式,为金属基复合材料的结构一性能一制备一体化设计开辟新的研究途径。
5 结束语
当前,金属基复合材料的制备工艺及理论研究发展很快,但仍处在研究阶段,还未进入批量生产,少量产品虽有制品,但距离实际应用还有一段距离。
金属基复合材料在提高强度、硬度、弹性模量的同时,却大大地降低了其塑性,不利于对复合材料二次塑性加工。
但随着半固态成形技术和理论不断成熟与发展。
为金属基复合材料的半固态成形开拓了新的发展方向。
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