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4金属基复合材料制备方法及应用

金属基复合材料制备方法及应用

摘要：

金属基复合材料是以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。

其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。

按金属或合金基体的不同，金属基复合材料可分为铝基、镁基、铜基、钛基、高温合金基、金属间化合物基以及难熔金属基复合材料等。

由于这类复合材料加工温度高、工艺复杂、界面反应控制困难、成本相对高，应用的成熟程度远不如树脂基复合材料，应用范围较小。

但金属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有高强度、高模量外，它能耐高温，同时不燃、不吸潮、导热导电性好、抗辐射。

是令人注目的复合材料。

关键字：

金属基复合材料制备方法应用

1.复合材料的定义

复合材料的定义：

复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。

复合材料既可保持原材料的某些特点，又能发挥组合后的新特征，它可以根据需要进行设计，从而最合理地达到使用要求的性能。

2.金属基复合材料的基本特点

2.1优点：

高比强度和高比模量，耐高温性好，导电导热，热膨胀系数小，尺寸稳定性好，耐磨性与阻尼性好，不吸湿、不老化、无放气污染。

2.2缺点：

制造困难，难于形成理想的界面，加工困难，价格昂贵。

3.金属基复合材料的分类

金属基复合材料按组织形态可分为宏观组合型和微观强化型两类；根据复合材料的基体不同可以分为刚基、铁基、铝基、镁基复合材料等；按增强相形态的不同可分为颗粒增强复合材料、晶须或短纤维金属复合材料及连续纤维增强金属基复合材。

4.金属基复合材料制备工艺方法的分类

由于金属材料熔点较高，同时不少金属对增强体表面润湿性很差加上金属原子在高温状态下很活泼，易与多种增强体发生反应，所以金属基复合材料的复合工艺比较复杂和困难，这也是金属基复合材料的发展受到制约的主要原因。

4.1粉末冶金复合法

粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法，烧结制坯加塑法加成形法等适合于分散强化型复合材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。

该方法在铝基复台材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗粒的组合受限制。

原因有二方面：

①强化颗粒与熔体基本金属之间容易产生化学反应．如4Al+3SiC→Al4C3+3Si；②强化颗粒不易均匀分散在铝合金一类的台金熔傩中。

这是由于陶瓷颗粒与铝合盒的润醌性较差所致。

另一个问题是陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。

粉末冶金复合法的工艺主要优点是：

基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选择强化颗粒的种类、尺寸，还可以多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。

但缺点是：

工艺复杂、成本高；制品形状、尺寸受限制；微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料等。

4.2铸造凝固成型法

铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。

主要方法有搅拌铸造法、液相渗和法和共喷射沉积法等。

铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点，工业应用较广泛。

4.2.1原生铸造复合法

原生铸造复合法（也称液相接触反应合成技术，LiquidContactReaction:

LCR）是将生产强化颗粒的原料加到熔融基体金属中，利用高温下的化学反应强化相，然后通过浇铸成形。

如TiB强化铝基复合材料原生复合法的化学反应是：

2B+Ti+Al→TiB2+AI。

这种方法的特点是颗粒与基体材料之间的结合状态良好，颗牲细小（0．25~1．5µm）均匀弥散，含量可高达40％，故能获得高性能复合材料。

常用的元素粉末有钛、碳、硼等，化合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3等。

该方法可用于制备Al基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基复合材料。

强化相可以是硼化物、碳化物、氯化物等。

4.2.2搅拌铸造法

搅拌铸造法也称掺和铸造法，是在熔化金属中加人陶瓷颗粒，经均匀搅拌后浇入铸摸中获得制品或二次加工坯料，此法易于实现能大批量生产，成本较低。

该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗粒的组合受限制。

原因有两方面：

1.强化颗粒与熔体基本金属之间容易产生化学反应，如：

4Al+3SiC→Al4C3+3Si；②强化颗粒不易均匀分散在铝合金一类的合金熔体中，这是由于陶瓷颗粒与铝台金的润滑性较差。

另一个问题是陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。

4.2.3半固态复合铸造法

半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。

通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达0.2％左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。

如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩于液相中，这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率达0．5％～0．6％仍具有一定的流变性。

液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热到固、液相变点软化，由于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。

强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合。

4.2.4含浸凝固法

含浸凝固法是一种将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体含浸于熔融基体金属之中，让基体金属浸透预成型体后，使其凝固以制备复合材料的方法。

有加压含浸和非加压含浸两种方法。

含浸法适合于强化相与熔融基体金属之间润湿性很差的复合材料的制备。

强化相含量可高达30％～80％；强化相与熔融金属之间的反应得到抑止，不易产生偏折。

但用颗粒作强化相时，预成形体的制备较困难，通常采用晶须、短纤维制备预成形体。

熔体金属不易浸透至预成形体的内部，大尺寸复合材料的制备较困难。

4.2.5离心铸造法

广泛应用于空心件铸造成形的离心铸造法，可以通过两次铸造成型法成形双金属层状复合材料，此方法简单，具有成本低、铸件致密度高等优点，但是界面质量不易控制，难以形成连续长尺寸的复合材料。

4.2.6加压凝固铸造法

该方法是将金属液浇注铸型后，加压使金属液在压力下凝固。

金属从液态到凝固均处于高压下，故能充分浸渗，补缩并防止产生气孔得到致密铸件。

铸、锻相结合的方法叉称挤压铸造、液态模锻、锻铸法等。

此法最适合复杂的异型MMCs。

加压凝固铸造法可制备较复杂的MMCs零件，亦可局部增强。

由于复合材料易在熔融状态下压力复合，故结合十分牢固，可获得力学性能很高的零件。

这种高温下制成的复合坯，二次成型比较方便，可进行各种热处理，达到对材料的多种要求。

4.2.7热浸镀与反向凝固法

热浸镀与反向凝固法都是用来制备连续长尺寸包覆材料的方法。

热浸镀主要用于线材的连续镀层，主要控制通过镀层区的长度和芯线通过该区的速度等。

反向凝固法是利用薄带作为母带，以一定的拉速穿过反向凝固器，由于母带的速度远远低于熔融金属的速度，在母带的表

面附近形成足够大的过冷度，熔融金属以母带表面开始凝固生长，配置在反向凝同器上方的一对轧辊，同时起到拉坯平整和焊合的作用。

4.2.8真空铸造法

用此法是先将连续纤维缠绕在绕线机上，用聚甲丙烯酸等能分解的有机高分子化合物方法制成半固化带，把预成型体放人铸型中，加热到5o0℃使有机高分子分解。

铸型的一端浸入基体金属液，另一端抽真空，将金属液吸人型腔浸透纤维。

4．3喷射成形法

喷射成形叉称喷射沉积（SprayForming），是用惰性气体将金属雾化成微小的液滴，并使之向一定方向喷射，在喷射途中与另一路由惰性气体送出的增强微细颗粒会合，共同喷射沉积在有水冷衬底的平台上，凝固成复合材料。

凝固的过程比较复杂，与金属的雾化情况、沉积凝固条件或增强体的送人角有关，过早凝固不能复合，过迟的凝固则使增强体发生上浮下沉而分布不匀，这种方法的优点是工艺快速，金属大范围偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免复合材料发生界面反应，增强体分布均匀。

缺点是出现原材料被气流带走和沉积在效应器壁上等现象而损失较大，还有复合材料气孔率以及容易出现的疏松。

利用喷射成形原理制备工艺有添加法（inertsprayform—

ing）和反应法（reactivesprayforming）两种。

反应喷射沉积法是使强化陶瓷颗粒在金属雾或基体中自动生成的方法。

Lawly等人[8]采用含氧5％～12％的氮气，将Fe—Al[（w（A1）=2％]熔雾合金雾化，使其生成Al获得非常细小的Al20弥散强化铁基复合材料的预成形体。

4．4叠层复合法

叠层复合法是先将不同金属板用扩散结合方法复合，然后采用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料。

这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。

目前这种材料的应用尚不广泛，过去主要少量应用或试用于航空、航天及其它军用设备上，现在正努力向民用方向转移，特别是在汽车工业上有很好的发展前景。

4．5原位生成复合法

原位生成复合法也称反应合成技术[1]，最早出现于1967年前用SHS法合成TiB:

／Cu功能梯度材料的研究中[2]。

金属基复合材料的反应合成法是指借助化学反应，在一定条件下在基体金属内原位生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。

这种增强相一般为具有高硬度、高弹性模量和高温强度的陶瓷颗粒，即氧化物、碳化物、氯化物、硼化物、甚至硅化物，它们往往与传统的金属材料，如Al、Mg、Ti、Fe、cu等金属及其合金，或（NiTi）、（AITi）等金属间化合物复合，从而得到具有优良性能的结构材料或功能材料[3]。

金属基复合材料的原位复合工艺基本上能克服其它工艺中常出现的一系列问题，如基体与增强体浸润不良、界面反应产生脆性、增强体分布不均匀、对微小的（亚微米和纳米级）增强体极难进行复合等。

它作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视，其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生长法等[2]。

4.5.1直接氧化（DIMON）法

直接氧化法是由氧化性气体在一定工艺条件下使金属合金液直接氧化形成复合材料。

通常直接氧化法的温度比较高，添加适量的合金元素如Mg、Si等，可使反应速度加快。

这类复合材料的强度、韧性取决于形成粒子的状态和最终显微组织形态。

南于形成的增强体可以通过合金化及其反应热力学进行判断，因此可以通过合金化、炉内气氛的控制来制得不同类型增强体的复合材料。

4.5.2放热弥散（XD）法

放热弥散复合技术（ExothermicDispersion）的基本原理是将增强相反应物料与金属基粉末按一定的比例均匀混合，冷压或热压成型，制成坯块，以一定的加热速率加热，在一定的温度下（通常是高于基体的熔点而低于增强相的熔点）保温，使增强相各组分之间进行放热化学反应，生成增强相。

增强相尺寸细小，呈弥散分布。

XD技术具有很多优点：

①可合成的增强相种类多，包括硼化物、碳化物、硅化物等；②增强相粒子的体积百分比可以通过控制增强相组分物料的比例和含量加以控制；③增强相粒子的大小可以通过调节加热温度加以控制；④可以制备各种MMC；⑤由于反应是在融熔状态下进行，可以进一步近终形成型。

XD技术是合成颗粒增强金属基及金属间化合物基复合材料的最有效的工艺之一。

但用XD工艺制成的产品存在着较大孔隙度的问题，目前一般采用在反应过程中直接压实来提高致密度。

4.5.3SHS——铸渗法

SHS——铸渗法[3]是将金属基复合材料的自蔓延高温合成技术（Self-PropagatingHighTemperatureSynthesis）和液态铸造法结合起来的一种新技术，包括增强颗粒的原位合成和铸造成型二个过程。

当前，SHS一铸渗法是有竞争力的反应合成工艺之一，但过程控制非常困难。

其典型工艺为：

利用合金熔体的高温引燃铸型中的固体SHS系，通过控制反应物和生成物的位置，在铸件表面形成复合涂层，它可使SHS材料合成与致密化、铸件的成形与表面涂层的制备同时完成。

潘复生[6]等人将SHS技术和铸渗工艺相结合，制备了颗粒增强的铁基复合材料涂层。

在这种工艺中，SHS过程使基体产生一定数量的增强颗粒，而随后的熔铸过程则利用高温金属液的流动，对SHS过程中易产生的孔隙进行充填，因此两个过程的综合作用下获得较为致密的复合材料。

4.5.4反应喷射沉积技术（RSD）

反应沉积工艺（ReactiveSprayDeposition）生成颗粒的反应有气一液反应、液一液反应、同一液反应和加盐反应等多种类型。

它综合了快速凝固及粉末冶金的优点，并克服了喷射共沉积工艺中存在的如颗粒与基体接近机械结合、增强相体积分数不能太高等缺点，成为目前金属基复合材料研究的重要方向之一。

反应喷射沉积工艺过程为：

金属液被雾化前喷入高活性的固体颗粒发生液固反应，导致喷入的颗粒在雾化过程中溶解并与基体中的一种或多种元素反应形成稳定的弥散相，控制喷雾的冷却速率以及随后坯件的冷却速率可以控制弥散相的尺寸。

杨滨等人[5]采用液相接触反应合成技术进行反应合成，然后再进行后续的雾化喷射沉积成形步骤，成功地开发出了一种熔铸一原位反应喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备新技术。

制备出TiC／Al一20Si一5Fe复合材料。

5.金属基复合材料的应用

金属基复合材料的应用属复合材料技术可以发挥组元材料各自的优势,实现各组元材料资源的最优配置,节约贵重金属材料,实现单一金属不能满足的性能要求,它既可以替代进口并填补国内空白，又具有广阔应用范围，具有很好的经济效益和社会效益，容易获得方方面面的扶持和帮助。

如发展不锈钢复合材料就一直是国家发改委、科技部积极支持、倡导的高科技项目。

1.稀有金属复合材料增长速度较快

随着国家环保产业政策实施力度的加强，稀有金属复合材料在电力烟气脱硫设备的应用持续增长，同时化工行业的投资国产化程度大大加快，也为稀有金属材料的发展提供了良好发展机遇。

国家产业政策的支持、较高的技术壁垒、产业升级的需求拉动为行业的发展提供了广阔空间。

稀有金属复合材料行业，作为一种新型材料是国家鼓励类的产业结构，其传统应用领域的是电厂的烟气脱硫装置，国家节能排污环保政策的进一步推进，为稀有金属材料行业的发展提供政策上的支持也为行业需求的拉动提供了稳定的基础。

而随着国家宏观经济的好转，化工行业的固定资产投资也在快速发展，化工设备的国产化为稀有金属材料行业发展提供的新的发展机遇。

中国装备制造业的结构升级尤其是在数控机床、大型成套设备上的更新换代也为稀有金属材料行业的发展提供广阔的发展空间。

稀有金属材料主要应用于大规模、连续性的化工、电力行业，客户的资源积累对于缺乏技术、规模支持的新进入者构成了很高的壁垒稀有金属材料行业的整体规模还比较小，客户的需求个性化特征比较明显，这对于资金实力雄厚的大企业缺乏足够的吸引力，因此这一块市场对大企业构成市场障碍公司的其他业务如金属纤维，主要用于化工、汽车尾气过滤，国家的节能排污政策的推广也为行业的发展提供了良好发展机遇。

而难溶金属制品主要应用于冶金、航天航空、核能、电子等高科技产业，这些产业的快速发展对于难溶金属制品行业也是良好的机遇。

2.不锈钢复合板的应用

（一）不锈钢复合中板的应用

不锈钢复合钢板是一种以碳钢为基体单面或双面整体连续地包覆不锈钢的两种金属高效节能材料。

它充分发挥两种材料特性优势，既具有不锈钢的耐腐蚀、耐磨性、抗磁性、豪华性和装饰性；又具有碳钢良好的可焊性、成型性、拉延性和导热性，因而它是一种多功能材料。

同时由于它可节约镍铬合金，可降低成本，价格低廉，因而被广泛用于石油、化工、制盐制碱等国民经济和行各业，用于取代全不锈钢，具有巨大的社会经济效益。

不锈复合中板是我国国民经济不可缺少的钢材品种，其应用前景十分广阔。

（1）炼油和石化工业

高硫、高盐、高酸度值原油的炼制，其主要炼制设备如：

常减压塔、吸收塔、分馏塔、稳定塔均需用不锈复合钢板取代普通容器钢板来制造，才能保证必要的寿命。

我国老年化的油田也有这个问题。

此外，随着对石油、天然气的开发和对高H2S、SO2及含氮离子气田的开发，国内外采用不锈复合钢板作为输油、输气管线，我国设计部门已经在考虑采用不锈复合的焊管。

（2）制盐制碱工业及其它化工工业

我国基础化工产品名列世界前茅，普通制盐的母液蒸罐、真空制卤的蒸发室已普遍采用复合钢板取代塞焊板：

化学工业的高压釜、结晶器，贮藏槽等都已用上了不锈钢复合钢板，只不过是大多是推焊制造的。

随着对不锈复合钢板的破坏机理的深入研究，在强腐蚀介质条件下采用复合钢板取代100%不锈钢的可能性愈来愈大。

（3）电力工业

电力工业对复合板的要求是近几年才提到的日程上的，但来势迅猛，数量惊人，仅一座三峡大坝上便需要1.5万吨之多，而横断山脉的水力蕴藏量是三峡的10余倍，此外广西等地均有相当的水力资源，水电行业的应用前景是十分诱人的。

每座大型水电厂大约需大量复合钢板，主要用于料仓、料斗、溜槽、脱水器等部位，不过近年来由于对环保要求的提高，降底空气中的SO2的烟气脱硫工程的出现，不锈钢复合钢板将成为火电厂的首选材料。

水电工业中用于排沙底孔，导流底空的钢衬，以及船闸廊道、闸坂的衬板等，其基本要求是高耐磨性、抗冲击性和适当的耐蚀性。

（4）建筑结构管

用不锈复合钢管建设大型体育场馆的屋顶是集美观与经济于一体的永久型建筑设计。

生产出这种大复基比的复合材料的任务就自然地落到了轧制法的肩上，如果再铺之以抛光表面，则可抢到先机。

抛光不锈钢复合中板是各种体育馆、展览馆球结点管结构的首选材料。

（5）金属镁精炼炉

金属镁是重要的战物资源又是国民经济的基础资源，精密铸造，及铝合金的制造等领域。

用该法生产出来的粗镁要在精炼炉中经过再熔和脱除杂质的精炼过程，才能达到合格的产品。

目前国内硅热法还原制镁精炼炉大多采用井式炉，其热源主要是外热式燃煤和煤气或电力。

通过炉壳将热量传给炉内的金属镁，进行熔化和精炼。

精炼锅大多是奥氏体热强钢，离心浇铸筒体与普通烧铸封头焊接而成。

因其材料本身导热性和可焊性都很低，加之铸造过程中不可避免的铸造缺陷，导致使用中存在着热效率低、炉子寿命低、生产率低、燃料浪费大、成品质量差等重大问题。

（6）贮运行业

乙二醇、橄榄油、啤酒等液体的贮罐和专用槽车的制造现已逐渐采用不锈钢复合材料，年需求量不断增长，抛光复合板愈来愈受青睐。

（7）大口径工业焊管

主要用于各种腐蚀介质的输送，高硫原油的输送等。

此外，随着城市建设的飞速发展，煤气已成为居民燃料结构的主要组成部分，错综复杂的煤气管的防腐问题已成为城市安全防范目标之一，复合焊管的应用前景是乐观的。

（8）大型照明灯杆、路灯杆、旗杆

随着城市建设的发展，对耐腐蚀、美观典雅的匀变截面灯杆的需求已经提到议事日程上，目前市场上出现的包敷式的复合直管已无法满足各种造型的要求，而用轧制法生产出来的抛光复合钢板可制成各种变截面灯杆，效果十分理想。

使用前景看好。

（二）不锈复合冷轧钢板和钢带的应用和市场前景

复合中板大多应用于工业；复合薄板（带）又大多应用于民用。

人们常常在重视复合钢板工业应用的同时，忽视了它在民用项目中的应用，这就导致了复合钢板市场发育出现了偏废现象。

实际上，冷轧不锈复合薄钢带在人们的日常生活中可应用的项目很多，其用量应远大于主要应用于工业的复合中板。

随着在建筑和高档建筑中对门窗材料的功能性、装饰性、工艺性诸项要求的提高，不锈钢冷轧钢板将是今后高层建筑、沿海建筑的首选最佳材料。

不锈钢门窗比铝合金门窗具有高得多的抗风载强度、保温性和抗腐蚀性等优点，但令门窗制造厂家深感头痛的是不锈钢的强度较高，在轧制型材过程中残余变形大，尺寸精度难以控制，而不锈复合钢板因其碳钢基板和复层材料巧妙和设计配合使冷做硬化大大减小弯曲园角半径减小工件形状美观，恰好扬长避短，因而是当今最具有发展潜力的新型高档门窗用材，已经受到建筑行业选觉者的青睐。

此外，高层高档建筑中的幕墙是提高建筑物外装饰、丰富城市景观的关键部位，由于不锈钢幕墙装饰效果极佳，其格调高雅、明快、鲜亮醒目、安全可靠，给整个建筑物增添光彩和实力，因而已经成为我国建筑装饰的趋势。

复合钢板在其保持全不锈钢功能的基础上，令成本大大降低，因而将会是幕墙骨架的最佳首选材料。

结束语

作为高科技含量、高附加值金属的金属复合材料，将是未来金属发展主体趋势。

中国政府为扩大内需力保经济长，国务院未来两年内将进行4万亿经济刺激，金属材料作为国民经济发展的基础材料，并且扩大内需所有项目的86%需求与金属消费有关，无疑将是这次新机遇中的最大和最先受益行业，已在拉动内需中正蓄势待发。

随着扩大内需铁路、公路、水运等运输设施，城市交通设施，城市供水、供气、供电设施，城镇保证性住宅，大中型城市的商务便利设施，大中型水利工程，大中型能源、原材料保障工程、公共物流仓储设施，生产性服务公共设施、文化、体育、卫生设施，通信设施，科学设施，公共安全设施等相继投资和中国西部大开发、四川灾后重建、西电东送、西气东输、2010年上海世博会、2010广州亚运会、2011年深圳大运会以及泛珠三角9+2区域合作工程都已全面启动，必将迎来金属复合材料市场需求的新高潮，对各种金属复合材料的需求无疑是重大机遇！

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