第1个回答 2012-03-16
金属基复合材料的制备技术班级： 班级：材料 085 学号： 学号：09024431 姓名： 姓名：李培 前言： 前言：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。金属基复合材料除了和树脂基复合材料同样具有高强 度、高弹性率外，它能耐高温，同时不易燃、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 1. 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 材料基体不同可分为钢基、 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、 晶须或短纤维增强金属复合材料及连续纤维增强 金属基复合材料。 2.金属基复合材料的特点 （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）缺点：制造困难，难于形成理想的界面，加工困难，价格昂贵。 3.金属基复合材料的制备技术 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。 3.1 喷射成形法 喷射成形又称喷射沉积 （ Spray Forming） ， 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 分类 特点 制备技术 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入角有 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 （ inert spray form-ing） 和反 应 法 （ reactive spray forming） 两种。Osprey Metals 研究的 Osprey 工艺是喷射成形 法的代表， 其强化颗粒与熔融金属接触时间短， 界面反应得以有效抑制。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[9] 采用含氧 5%～ 12%的氮气， 将 Fe- Al 〔 ω （ Al） =2%〕 熔雾合金雾化， 使其生成 Al2O3 获得非常细小的 Al2O3 弥散强化铁基复合材料的预成型体。 3.2 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。 3.2.1 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 Liquid Contact Reaction： 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 式 2B+Ti+Al→TiB2+Al。这种工艺的特点是颗粒与基体材料之间的结合状态良 好，颗粒细小 （ 0.25～1.5?m） 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 A1 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、 氮化物等。 近年来，哈尔滨工业大学从事接触反应法制备复合材料的研究工作[4]， 已成 功制备了 Al- Si /TiC、 Al- Cu /TiC 和 Al/TiB2 复合材料， 其机械性能优异。 3.2.2 搅拌铸造法 搅拌铸造法也称掺和铸造法等。是在熔化金属中加入陶瓷颗粒，经均匀搅拌 后浇入铸模中获得制品或二次加工坯料， 此法易于实现能大批量生成， 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。 3.2.3 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， 悬浮于剩余液相中， 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。[8] 3.2.4 含浸凝固法 （ M I 技术） 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。 近几年来，含浸凝固技术有了新的发展，美国 Lanxide 公司利用高温下金属 Zr 熔体与 BC4 预成型体之间的定向反应制备出了 Zr-ZrC-Zr 复合材料，并已 在工程上得到应用[7]，Breslin 等人采用 Al 浸渍 SiO2 的预成型体， 制备出了 Al2O3-A1 （ Si） 复合材料， 这种材料中的两相互相穿插、 连续， 并具有某 些特殊的性能被称为 C4 材料。该技术可以制备各种大小部件，强化相的体积比 可达 60%， 工艺较简单， 原料成本低。 3.3 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 结制坯加塑法加工成形法等。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。 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。 3.4 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 TiB2 /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） 、 （ AlTi） 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] 。 3.4.1 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。 由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。 3.4.2 放热弥散 （ XD） 法 放热弥散复合技术 （ Exothermic Dispersion） 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。 3.4.3 SHS-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- Propagating High Temperature Synthesis） 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-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。 3.4.4 反应喷射沉积技术 （ RSD） 反应喷射沉积工艺 （ Reactive Spray Deposition） 生成陶瓷颗粒的反应有气 -液反应、 液-液反应、 固-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-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- 20Si- 5Fe 复合材料。 3.5 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.结束语 [3] 目前， 我国金属基复合材料的研究、 制备技术与国外先进水平仍有较大 的差距， 许多问题还有待进一步解决，如基础性研究落后、制备技术及工艺的 工业化应用能力差、 制品质量不稳定、 价格高等。 随着现代高科技的迅猛发展， 金属基复合材料已经并将继续大量取代传统材料， 在各个领域发挥更重要的积 极作用。 为此， 我们应大力加强复合材料理论、 制备技术和应用的研究， 加 快科研成果转化生产应用的进程。 参考文献〕 〔 参考文献〕 1995， 〔 1〕 程秀兰， 潘复生.金属复合材料的反应合成技术 〔 J〕 .材料导报， (5):61- 66. 〔 2 〕 吴人洁.金属基复合材料的现状与展望 〔 J〕 .金属学报， 1997， 33(1):78- 82. 〔 3〕 汤爱涛， 汪凌云， 潘复生.金属基复合材料固/液反应制备技术的研究 进展 〔 J〕 .重庆大学学报， 2004， 27 （ 11） : 151- 156. 〔 4〕 陈子勇， 陈玉勇， 安阁英.金属基复合材料的熔体直接反应合成工艺 〔 J〕 .材料导报， 1997， 11(2):62- 63. 〔 5〕 杨滨， 王锋， 黄赞军， 等.喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制 备技术的发展 〔 J〕 .材料导报， 2001， 15(3):4- 6. 〔 6〕 潘复生， 张静， 陈万志， 丁培道.SHS-铸渗法制备铁基复合材料涂层 〔 J〕 .材料研究学报， 1997， (11):165- 166. 〔 7 〕 BRESLIN M C，RINCNALDA J. 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