2004年11月 重庆大学学报(自然科学版) Nov.2004 第27卷第11期 Journal of Cmngging University(Natural Science Edition) Vol 27 No. 11 文章编号:1000-582X(2004)11-0151-06 金属基复合材料固/液反应制备技术的研究进展 汤爱涛汪凌云,潘复生 (重庆大学材料科学与工程学院,重庆40000 摘要:金属基复合材料固/液反应制备技术是最有发展潜力的原位反应合成技术之一,近年来发展迅速。 文中对放热弥散复合技术、接触反应涂层制备技术、液相接触反应合成技术熔体浸渍技术和固/液反应喷射沉积 复合技术等几种典型的固/液反应制备技术的研究进展进行了综述,重点总结和分析了放热弥散复合技术、接触 反应涂层制备技术和液相接触反应合成技术的研究现状,讨论了各种固/液反应制备技术的工艺特点和存在的问 题 关键词金属基复合材料;反应合成;固/液反应;原位合成 中图分类号:TB33 文献标识码:A 在复合材料的快速发展中,金属基复合材料(MM应、固-固反应等反应类型进行归类。对以ⅥS技术 Cs)因其特有的高强度、高硬度、耐磨及耐高温等优良为代表的气-液反应合成技术和以SHS技术为代表 性能,引起国内外材料科学工作者的普遍关注,现已发的固-固反应合成技术,有关文献已进行了较多的分 展成为先进复合材料的一个重要分支。但工艺复杂、析和讨论,文中着重就近年来发展最快的固-液反应 成本昂贵增强体易偏聚、性能不稳定等问题依然没有合成技术进行总结、分析和讨论。 很好解决。针对这些情况而发展的金属基复合材料反 应合成( Reactive Synthesis)技术在近十多年来有了重要 放热弥散复合技术(XD技术) 进展。 放热弥散复合技术( Exothermic Dispersion)的基本 在复合材料的制备技术中,反应合成技术有时又原理是将增强相反应物料与金属基粉末按一定的比例 称原位生成复合法,最早出现于1967年前用SHS法均匀混合,冷压或热压成型,制成坯块,以一定的加热 合成TB∥Cu功能梯度材料的研究中凹。金属基复合速率加热,在一定的温度下(通常是高于基体的熔点而 材料的反应合成法是指借助化学反应,在一定条件下低于增强相的熔点)保温,使增强相各组分之间进行放 在基体金属内原位生成一种或几种热力学稳定的增强热化学反应,生成增强相。增强相尺寸细小,呈弥散分 相的一种复合方法。这种增强相一般为具有高硬度、布。其工艺关键是控制金属基复合材料中增强相尺寸 高弹性模量和高温强度的陶瓷颗粒,即氧化物、碳化大小、形状及体积分数等。该技术具有很多优点:1)可 物、氮化物、硼化物、甚至硅化物,它们往往与传统的金合成的增强相种类多,包括硼化物、碳化物、硅化物等 属材料,如AMg、T、Fe、u等金属及其合金,或(N-2)增强相粒子的体积百分比可以通过控制增强相组分 T)、(A1)等金属间化合物复合,从而得到具有优良性物料的比例和含量加以控制;3)增强相粒子的大小可 能的结构材料或功能材料3 以通过调节加热温度加以控制;4)可以制备各种 金属基复合材料的反应合成技术分类较为复杂,MMC和MC;5)由于反应是在融熔状态下进行,可以 从反应原料的状态出发,可按气-液反应,固-液反进一步近终形成型 *收稿日期2004-06-27 基金项目:国家“863”项目(715-009-0170和2003AA3210);国家自然科学基金项目(59871067);全国高校博士基金 (200020611008) 作者简介:汤爱涛(1963-),女,四川渠县人,副教授,重庆大学博士研究生,主要从事复合材料方向研究。 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://n.cnki.net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 2004 年 11 月 重 庆 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Nov. 2004 第 27 卷第 11 期 Journal of Chongqing University(Natural Science Edition) Vol. 27 No. 11 文章编号 :1000 - 582X(2004) 11 - 0151 - 06 金属基复合材料固/ 液反应制备技术的研究进展 Ξ 汤 爱 涛 ,汪 凌 云 ,潘 复 生 (重庆大学 材料科学与工程学院 ,重庆 400030) 摘 要 :金属基复合材料固/ 液反应制备技术是最有发展潜力的原位反应合成技术之一 ,近年来发展迅速。 文中对放热弥散复合技术、接触反应涂层制备技术、液相接触反应合成技术、熔体浸渍技术和固/ 液反应喷射沉积 复合技术等几种典型的固/ 液反应制备技术的研究进展进行了综述 ,重点总结和分析了放热弥散复合技术、接触 反应涂层制备技术和液相接触反应合成技术的研究现状 ,讨论了各种固/ 液反应制备技术的工艺特点和存在的问 题。 关键词 :金属基复合材料 ;反应合成 ;固/ 液反应 ;原位合成 中图分类号 :TB33 文献标识码 :A 在复合材料的快速发展中 ,金属基复合材料(MM2 Cs) 因其特有的高强度、高硬度、耐磨及耐高温等优良 性能 ,引起国内外材料科学工作者的普遍关注 ,现已发 展成为先进复合材料的一个重要分支。但工艺复杂、 成本昂贵、增强体易偏聚、性能不稳定等问题依然没有 很好解决。针对这些情况而发展的金属基复合材料反 应合成(Reactive Synthesis) 技术在近十多年来有了重要 进展。 在复合材料的制备技术中 ,反应合成技术有时又 称原位生成复合法[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、氮化物、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 (Ni2 Ti) 、(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 ] 。 金属基复合材料的反应合成技术分类较为复杂 , 从反应原料的状态出发 ,可按气 - 液反应 ,固 - 液反 应、固 - 固反应等反应类型进行归类。对以 VLS 技术 为代表的气 - 液反应合成技术和以 SHS 技术为代表 的固 - 固反应合成技术 ,有关文献已进行了较多的分 析和讨论 ,文中着重就近年来发展最快的固 - 液反应 合成技术进行总结、分析和讨论。 1 放热弥散复合技术(XD 技术) 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。其工艺关键是控制金属基复合材料中增强相尺寸 大小、形状及体积分数等。该技术具有很多优点 :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 MMCp和 IMCp ;5) 由于反应是在融熔状态下进行 ,可以 进一步近终形成型。 Ξ 收稿日期 :2004 - 06 - 27 基金项目 :国家“863”项目 (715 - 009 - 0170 和 2003AA33X210) ;国家自然科学基金项目 (59871067) ;全国高校博士基金 (200020611008) 作者简介 :汤爱涛(1963 - ) ,女 ,四川渠县人 ,副教授 ,重庆大学博士研究生 ,主要从事复合材料方向研究
重庆大学学报(自然科学版) 004年 XD技术自80年代初由美国 Brupbacher等人发明触反应,原位生成a-Al2O颗粒和[n]原子,而后[] 以来,在TA、iA、A3TA2O3、T2SnC等化合物和新再与C反应形成TC颗粒。图1为A-TO2-C反应 材料的反应合成方面有许多重要进展。已报道的由中TC形成的示意图。有文献已经证实TA3和C发 XD工艺生产的MC种类包括A、五、Fe、Cu、P、Sn和生反应形成TC是完成可能的。复合材料中较细的 N及金属间化合物TA、T3A、A3T、Ti2SnC、NA等,TC颗粒是由于在原料配比时严格控制了TC:C=1:1 它们的几何形状以片状、颗粒或晶须状原位形成。文(原子百分比)。当反应结束时,铝液中T和C含量已 献[4]报道了含有TiB2分散相的NA材料的研究结很低,不会导致和C原子向已反应生成了的TC颗 果。这种复合材料是用NA、五和TiB2都是剧烈的粒表面有更多的扩散,所以反应后就获得了微细的 放热反应,这个反应能在N、A比率变化较大范围内TC颗粒 进行,TB2的含量也较大。这种复合材料的微观组织 是由TB、(-NA及N3A颗粒组成。张二林等人5 Al3Ti Ti-rich layer 对A-T-C系中反应合成A/TC复合材料的机理进 Ti. Al 行了探讨。研究表明,该反应机理是一种溶解和析出 Al+Ti 过程,其间T溶解于熔化了的铝液中并扩散到碳颗粒 周围形成富T层,富T层的T与碳发生反应生成 (a)C和们的反应 (b)C和A3T反应 TC并从铝液中析出。反应过程可分为3个阶段:铝 图1ATO2·C反应中TC形成的示意图 T2SnC粉末的合成是近年来ⅫD技术应用中很有 粉的熔化A3相的形成和分解,TC颗粒的形成。 程秀兰等人近年来对A-TO2反应体系进行了特色的研究工作之一。Dong等人89在T-Sn-C体 近年来较多的研究71。A-TO2反应体系作为一合系中采用固/液反应发展了一种典型的TSnC粉末合 成高性能新材料的新型体系,得到了中外不少专家的 成技术。采用这种技术,Sn在230℃开始熔化后为T 青睐,但如果A-TO2反应完全,并且铝量足够,则除 Sn-C反应体系提供了有利于热传递和化学反应的 了在铝基体中原位生成a-AO3颗粒外,还有粗大的液相。五和液相Sn反应后形成T-Sn化合物,然后T 块状或长条状的A3T相出现,该相在铝基体中呈明显 Sn化合物再和石墨反应形成T2SnC化合物。这种 的各向异性生长,是一种不利的硬脆相。为此,在A 固/液反应的优点在于低的合成温度、短的反应时间和 TO反应烧结粉末体系中添加一定量的石墨粉,以较少的杂质含量。研究表明,TSC化合物在120℃ 期消耗A-TO2反应产生的活性T原子,一方面避免以下的Ar气中有好的热稳定性但在空气中要发生氧 各向异性的不利硬脆相A五的出现,另一方面原位生化一分解一再氧化的复杂过程。利用电弧熔化技术应 成另一种增强效果更好的增强颗粒Tc(4AN+3O+用固液反应合成工艺制备 TiAl/ TiAIN复合材料是另 3C=2A2O3+3TC),从而获得了综合性能较佳的 有特色的工作。文献[10]报道了最近的研究结果 AlO3-TCA原位复合材料。实验结果表明,1) 所合成的T2AN化合物以短棒状为主,直径小于5 TO2粉末压坯在1200℃高温烧结后,可以原位形成m,分布在层片状晶粒中。T2AN的形成减小了基体 A2O3-A3I/A铝基复合材料。AT呈粗大条状或的晶粒尺寸。均匀化处理后使层片状晶粒进一步分解 为TA和非常细小的T2AN。性能测试表明,TA 块状,由晶界向晶内生长;a-Al2O3颗粒沿晶原位形 T2AN复合材料的延性和TA材料相当,但抗弯强度 成。2)A-TO2-C粉末压坯在900℃以下烧结时 因铝液表面致密A2O3薄膜的存在,反应极其微弱:而明显增加。 在1000℃以上烧结时,反应明显加剧;当烧结温度达 Ⅻ工艺已被初步证明是合成颗粒增强金属基及 到1200℃,A3五已基本被TC颗粒所取代。3)A 金属间化合物基复合材料的最有效的工艺之一。但用 TO2·C完全反应后可得到AO3TCA原位复合材XD工艺制成的产品存在着较大孔隙度的问题,目前 料,其中a-A2O3颗粒(<1um)和TC颗粒(0.5~2 般采用在反应过程中直接压实来提高致密度 um)相混杂沿晶网状原位生成,并且有向铝晶粒内弥2接触反应涂层制备技术(CICR技术) 散的趋势。机理研究认为:在A-TO-C反应烧结 接触反应涂层制备技术( bating Techology 中,首先A-TO2-C粉末体系中TO2与熔融铝液接 2 C1994-2010 China Academic ournal Electronic Publishing House. ll rights reserved. htp: //n. cnki. net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net XD 技术自 80 年代初由美国 Brupbacher 等人发明 以来 ,在 TiAl、Ti3Al、Al3Ti、Al2O3、Ti2SnC 等化合物和新 材料的反应合成方面有许多重要进展。已报道的由 XD 工艺生产的 MMCs种类包括 :Al、Ti、Fe、Cu、Pb、Sn 和 Ni 及金属间化合物 TiAl、Ti3Al、Al3Ti、Ti2SnC、NiAl 等 , 它们的几何形状以片状、颗粒或晶须状原位形成。文 献[4 ]报道了含有 TiB2 分散相的 NiAl 材料的研究结 果。这种复合材料是用 Ni、Al、Ti 和 TiB2 都是剧烈的 放热反应 ,这个反应能在 Ni、Al 比率变化较大范围内 进行 ,TiB2 的含量也较大。这种复合材料的微观组织 是由 TiB、( - NiAl 及 Ni3Al 颗粒组成。张二林等人[5 ] 对 Al - Ti - C 系中反应合成 Al/ TiC 复合材料的机理进 行了探讨。研究表明 ,该反应机理是一种溶解和析出 过程 ,其间 Ti 溶解于熔化了的铝液中并扩散到碳颗粒 周围形成富 Ti 层 , 富 Ti 层的 Ti 与碳发生反应生成 TiC并从铝液中析出。反应过程可分为 3 个阶段 :铝 粉的熔化 ,Al3Ti 相的形成和分解 , TiC 颗粒的形成。 程秀兰等人近年来对 Al - TiO2 反应体系进行了 近年来较多的研究[6 - 7 ] 。Al - TiO2 反应体系作为一合 成高性能新材料的新型体系 ,得到了中外不少专家的 青睐 ,但如果 Al - TiO2 反应完全 ,并且铝量足够 ,则除 了在铝基体中原位生成α- Al2O3颗粒外 ,还有粗大的 块状或长条状的 Al3Ti 相出现 ,该相在铝基体中呈明显 的各向异性生长 ,是一种不利的硬脆相。为此 ,在 Al - TiO2 反应烧结粉末体系中添加一定量的石墨粉 ,以 期消耗 Al - TiO2 反应产生的活性 Ti 原子 ,一方面避免 各向异性的不利硬脆相 Al3Ti 的出现 ,另一方面原位生 成另一种增强效果更好的增强颗粒 TiC(4Al + 3TiO2 + 3C = 2Al2O3 + 3TiC) ,从而获得了综合性能较佳的 Al2O3 - TiC/ Al 原位复合材料。实验结果表明 ,1) Al - TiO2 粉末压坯在 1 200 ℃高温烧结后 ,可以原位形成 Al2O3 - Al3Ti/ Al 铝基复合材料。Al3 Ti 呈粗大条状或 块状 ,由晶界向晶内生长 ;α- Al2O3颗粒沿晶原位形 成。2) Al - TiO2 - C 粉末压坯在 900 ℃以下烧结时 , 因铝液表面致密 Al2O3薄膜的存在 ,反应极其微弱 ;而 在 1 000 ℃以上烧结时 ,反应明显加剧 ;当烧结温度达 到 1 200 ℃,Al3Ti 已基本被 TiC 颗粒所取代。3) Al - TiO2 - C 完全反应后可得到 Al2O3 - TiC/ Al 原位复合材 料 ,其中α- Al2O3颗粒 ( < 1μm) 和 TiC 颗粒 (0. 5～2 μm) 相混杂沿晶网状原位生成 ,并且有向铝晶粒内弥 散的趋势。机理研究认为 :在 Al - TiO2 - C 反应烧结 中 ,首先 Al - TiO2 - C 粉末体系中 TiO2 与熔融铝液接 触反应 ,原位生成α- Al2O3颗粒和[ Ti ]原子 ,而后[ Ti ] 再与 C 反应形成 TiC 颗粒。图 1 为 Al - TiO2 - C 反应 中 TiC 形成的示意图。有文献已经证实 TiAl3和 C 发 生反应形成 TiC 是完成可能的。复合材料中较细的 TiC 颗粒是由于在原料配比时严格控制了 TiC:C = 1 :1 (原子百分比) 。当反应结束时 ,铝液中 Ti 和 C 含量已 很低 ,不会导致 Ti 和 C 原子向已反应生成了的 TiC 颗 粒表面有更多的扩散 ,所以反应后就获得了微细的 TiC 颗粒。 (a) C 和[ Ti ]的反应 (b) C 和 Al3Ti 反应 图 1 Al - TiO2 - C 反应中 TiC 形成的示意图 Ti2SnC 粉末的合成是近年来 XD 技术应用中很有 特色的研究工作之一。Dong 等人[8 - 9 ]在 Ti - Sn - C 体 系中采用固/ 液反应发展了一种典型的 Ti2SnC 粉末合 成技术。采用这种技术 , Sn 在 230 ℃开始熔化后为 Ti - Sn - C 反应体系提供了有利于热传递和化学反应的 液相。Ti 和液相 Sn 反应后形成 Ti - Sn 化合物 ,然后 Ti - Sn 化合物再和石墨反应形成 Ti2SnC 化合物。这种 固/ 液反应的优点在于低的合成温度、短的反应时间和 较少的杂质含量。研究表明 ,Ti2SnC 化合物在1 200 ℃ 以下的 Ar 气中有好的热稳定性 ,但在空气中要发生氧 化 —分解 —再氧化的复杂过程。利用电弧熔化技术应 用固/ 液反应合成工艺制备 TiAl/ Ti2AlN 复合材料是另 一有特色的工作。文献[ 10 ]报道了最近的研究结果 , 所合成的 Ti2AlN 化合物以短棒状为主 ,直径小于 5 μm ,分布在层片状晶粒中。Ti2AlN 的形成减小了基体 的晶粒尺寸。均匀化处理后使层片状晶粒进一步分解 为 TiAl 和非常细小的 Ti2AlN。性能测试表明 , TiAl/ Ti2AlN 复合材料的延性和 TiAl 材料相当 ,但抗弯强度 明显增加。 XD 工艺已被初步证明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。 2 接触反应涂层制备技术 (CTCR 技术) 接触反应涂层制备技术 ( Coating Technology by 152 重 庆 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2004 年
第27卷第11期 汤爱涛等:金属基复合材料固/液反应制备技术的研究进展 153 Contact Reaction)有多种类型,包括熔体烧结技术、热压体中T含量越高,生成的TC颗粒越少,而且颗粒尺 烧结技术、熔体扩散技术、SIsˉ铸渗法、激光熔覆工寸也越小。型腔中间插石墨片的方法得到的涂层厚度 艺等-16l。 小于在型腔侧壁预涂石墨粉的方法得到的涂层厚度 SHS-铸渗法是将金属基复合材料的自蔓延高温前者约为500μm,后者约为700μm。涂层与基体没有 合成技术(SIS技术)(Sef- Propagating High Tempera-明显的界面,结合状态良好。对坩埚熔炼保温工艺涂 ture Synthesis)和液态铸造法结合起来的一种新技术,层厚度可用动力学方程进行计算,计算结果与实验结 它包括增强颗粒的原位合成和铸造成型2个过程。果的变化规律相似 SHS-铸渗法是最有竞争力的反应合成工艺之一,但 过程控制依然非常困难。其工艺过程有多样性,典型 3液相接触反应合成技术①LCR技术) 工艺为:利用合金熔体的高温引燃铸型中的固体SHS 液相接触反应合成技术( Liquid Contact Reaction, 系,通过控制反应物和生成物的位置,在铸件表面形成简称CR)的基本工艺流程为:将基体元素粉末和强化 复合涂层,它可使SHS材料合成与致密化、铸件的成相元素粉末或者将有基体元素和强化相元素的合金粉 形与表面涂层的制备同时完成。潘复生等人把自末按一定比例混合,混合后的粉末冷压成具有一定致 蔓延高温合成技术(SHS技术)和铸渗工艺相结合,制密度的预制块然后将预制块压入处于一定温度的合 备了颗粒增强的铁基复合材料涂层。在这种工艺中,金液中(有时反应原料也可直接放进合金液中),反应 SHS过程使基体产生一定数量的增强颗粒,而随后的后在合金液中生成尺寸细小的强化相,然后浇注成各 熔铸过程则利用高温金属液的流动,对SHS过程中易种形状的复合材料铸件。常用的元素粉末有钛、碳 产生的孔隙进行充填和焊补,因此,两个过程的综合作等化合物粉末有Al2O3、O2B2O3等。该方法可用于 用,可获得较为致密的复合材料。研究表明涂层中陶制备A基№g基、Cu基、五基、Fe基N基复合材料 瓷颗粒在金属体内原位生成,避免了表面污染;金属和强化相可以是硼化物、碳化物、氮化物等 陶瓷的比例可以在较大的范围内调整。复合材料中的 哈尔滨工业大学从1992年起从事接触反应法制 与基体之间无孔隙和过渡区,界面结合良好 备复合材料的研究工作,现已成功制备了A-Si 热压烧结技术是等人1最新开发的一项表面涂TCA-OuTC和A/TB2复合材料,其机械性能优 层复合技术。将反应预制块放在铸铁表面,然后在异。 Asanuma等1利用钛粉、铝粉直接接触反应制成 800~1033K温度范围内进行热压,预制块在热压过了Al3I/A复合材料,并发现硬而脆的Al3T的形貌随 程中发生反应,形成等化合物。在涂层和基体界面的冷却速度和钛的含量而改变。降低冷却速度和钛的含 反应层是和化合物。和热压烧结技术不同熔体烧结量时,其耐磨性明显提高,甚至强于同体积分数的 技术是利用熔体对反应预制块进行烧结,实现增强相SG/A复合材料。章德铭等人B采用反应铸造法 的反应合成。采用这种技术,文献[13-14]在铁基表在工业化生产条件下制备了TC/Fe原位复合材料 面成功地制备了复合材料涂层。激光熔覆工艺目前也在保证与反应质量比为4:1的基础上,研究了成分和 在发展和探讨中。马乃恒等人6l利用该工艺在铝合金工艺参数对TiC/Fe原位复合材料组织和性能的影响。 表面反应合成制备了TCA复合材料涂层。在这种结果表明,反应温度在1600~1700K范围内,温度对 复合材料涂层中,增强体分布均匀,尺寸大约800mm。材料性能的影响波动不大;但保温时间的延长可使反 熔体扩散技术是重庆大学发展的一种新的复合材应合成更加充分。惠希东等人1利用固液反应合成 料涂层的制备工艺16。该工艺选择Fe-合金熔体制备了TC颗粒增强的TcFe·Cr-N基复合材料 为浇注液在常规铸造法进行浇铸的同时,使铸模表面这种复合材料由多面体TC颗粒和基体组成。预制块 的C元素熔入高温合金液体中,与T元素发生反应,中T和C的比例和加入时的温度越高,形成TC的可 原位形成增强相,从而制备TC増强的Fe基复合材料能性越大,TC颗粒的尺寸越小,均匀性越好。于化顺 涂层。结果表明,采用坩埚熔炼法时随着保温时间的等人2-23利用固液反应合成制备了颗粒增强的镁基 延长和基体T含量的升高,生成的TC颗粒增多,颗复合材料。研究证实,SO2、B2O3、Si和Z04种粉末 粒尺寸增大,涂层厚度增加。而采用常规浇铸法时,基体系均能与Mg-Li合金发生反应,反应产物为MgO 体T含量的影响则得到了相反的实验规律,即合金基和MgSi,但反应的起始温度并不一样。其中,SOb 2 01994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htp: /nne cnki net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net Contact Reaction) 有多种类型 ,包括熔体烧结技术、热压 烧结技术、熔体扩散技术、SHS - 铸渗法、激光熔覆工 艺等[11 - 16 ] 。 SHS- 铸渗法是将金属基复合材料的自蔓延高温 合成技术 (SHS 技术) (Self - Propagating High Tempera2 ture Synthesis) 和液态铸造法结合起来的一种新技术 , 它包括增强颗粒的原位合成和铸造成型 2 个过程。 SHS- 铸渗法是最有竞争力的反应合成工艺之一 ,但 过程控制依然非常困难。其工艺过程有多样性 ,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。潘复生等人[11 ]把自 蔓延高温合成技术 (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和焊补 ,因此 ,两个过程的综合作 用 ,可获得较为致密的复合材料。研究表明 ,涂层中陶 瓷颗粒在金属体内原位生成 ,避免了表面污染 ;金属和 陶瓷的比例可以在较大的范围内调整。复合材料中的 与基体之间无孔隙和过渡区 ,界面结合良好。 热压烧结技术是等人[12 ]最新开发的一项表面涂 层复合技术。将反应预制块放在铸铁表面 ,然后在 800～1 033 K温度范围内进行热压 ,预制块在热压过 程中发生反应 ,形成等化合物。在涂层和基体界面的 反应层是和化合物。和热压烧结技术不同 ,熔体烧结 技术是利用熔体对反应预制块进行烧结 ,实现增强相 的反应合成。采用这种技术 ,文献[ 13 - 14 ]在铁基表 面成功地制备了复合材料涂层。激光熔覆工艺目前也 在发展和探讨中。马乃恒等人[6 ]利用该工艺在铝合金 表面反应合成制备了 TiC/ Al 复合材料涂层。在这种 复合材料涂层中 ,增强体分布均匀 ,尺寸大约 800 nm。 熔体扩散技术是重庆大学发展的一种新的复合材 料涂层的制备工艺[16 ] 。该工艺选择 Fe - Ti 合金熔体 为浇注液 ,在常规铸造法进行浇铸的同时 ,使铸模表面 的 C 元素熔入高温合金液体中 ,与 Ti 元素发生反应 , 原位形成增强相 ,从而制备 TiC 增强的 Fe 基复合材料 涂层。结果表明 ,采用坩埚熔炼法时 ,随着保温时间的 延长和基体 Ti 含量的升高 ,生成的 TiC 颗粒增多 ,颗 粒尺寸增大 ,涂层厚度增加。而采用常规浇铸法时 ,基 体 Ti 含量的影响则得到了相反的实验规律 ,即合金基 体中 Ti 含量越高 ,生成的 TiC 颗粒越少 ,而且颗粒尺 寸也越小。型腔中间插石墨片的方法得到的涂层厚度 小于在型腔侧壁预涂石墨粉的方法得到的涂层厚度 , 前者约为 500μm ,后者约为 700μm。涂层与基体没有 明显的界面 ,结合状态良好。对坩埚熔炼保温工艺 ,涂 层厚度可用动力学方程进行计算 ,计算结果与实验结 果的变化规律相似。 3 液相接触反应合成技术(LCR 技术) 液相接触反应合成技术 (Liquid Contact Reaction , 简称 CR) 的基本工艺流程为 :将基体元素粉末和强化 相元素粉末或者将有基体元素和强化相元素的合金粉 末按一定比例混合 ,混合后的粉末冷压成具有一定致 密度的预制块 ,然后将预制块压入处于一定温度的合 金液中(有时反应原料也可直接放进合金液中) ,反应 后在合金液中生成尺寸细小的强化相 ,然后浇注成各 种形状的复合材料铸件。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、氮化物等。 哈尔滨工业大学从 1992 年起从事接触反应法制 备复合材料的研究工作[17 ] ,现已成功制备了 Al - Si/ TiC、Al - Cu/ TiC 和 Al/ TiB2 复合材料 ,其机械性能优 异。Asanuma 等[18 ]利用钛粉、铝粉直接接触反应制成 了 Al3Ti/ Al 复合材料 ,并发现硬而脆的 Al3Ti 的形貌随 冷却速度和钛的含量而改变。降低冷却速度和钛的含 量时 ,其耐磨性明显提高 ,甚至强于同体积分数的 SiCp/ Al 复合材料。章德铭等人[19 - 20 ]采用反应铸造法 在工业化生产条件下制备了 TiC/ Fe 原位复合材料。 在保证与反应质量比为 4 :1 的基础上 ,研究了成分和 工艺参数对 TiC/ Fe 原位复合材料组织和性能的影响。 结果表明 ,反应温度在 1 600～1 700 K范围内 ,温度对 材料性能的影响波动不大 ;但保温时间的延长可使反 应合成更加充分。惠希东等人[21 ]利用固液反应合成 制备了 TiC 颗粒增强的 TiC/ Fe - Cr - Ni 基复合材料。 这种复合材料由多面体 TiC 颗粒和基体组成。预制块 中 Ti 和 C 的比例和加入时的温度越高 ,形成 TiC 的可 能性越大 ,TiC 颗粒的尺寸越小 ,均匀性越好。于化顺 等人[22 - 23 ]利用固液反应合成制备了颗粒增强的镁基 复合材料。研究证实 , SiO2、B2O3、Si 和 ZnO 4 种粉末 体系均能与 Mg - Li 合金发生反应 ,反应产物为 MgO 和Mg2Si ,但反应的起始温度并不一样。其中 ,SiO2、 第 27 卷第 11 期 汤爱涛 等 : 金属基复合材料固/ 液反应制备技术的研究进展 153
154 重庆大学学报(自然科学版) 004年 BO3和S反应温度接近于Mg-Li合金的正常熔炼温料这种材料中的两相互相穿插、连续,并被称为C材 度,较适合于复合材料的反应合成。孙建荣等料(Co- Continuous Ceramic Composite),它具有某些殊 人24-对TC3Cr13和TC/H3两种铁基复合材料的性能 的反应合成和材料的力学性能进行了研究,发现该工 该技术可以制备各种大小部件,强化相的体积比 艺制备的的复合材料工艺性能优良,易于加工成形。可达60%,增强相种类有AlO3、AN、N、SC、MgO、 小于8%颗粒的形成能有效提高材料的常温及高温强ZB2ZC、TB2、TC等第二相,工艺简单、原料成本低 度,但在一定程度上降低了材料的塑性和冲击性能。可近终成型 Cheng等人0通过反应合成技术控制液相铝和SO2 的反应成功制备了AOA复合材料。反应温度对5固-液反应喷射沉积复合技术(RSD技术) 这种复合材料的组织形态有明显影响。当温度升高 反应喷射沉积工艺( Reactive Spray Deposition)有气 时A2O3的形状从细等轴状向骨络状转变 液反应液-液反应、固-液反应和加盐反应等多种 接触反应合成工艺具有成本低、工艺简单、增强体类型,是目前金属基复合材料研究的热门课题。它不 与基体结合好,增强体大小和数量容易控制等优点,尤仅综合了快速凝固及粉末冶金的优点,而且还克服了 其值得指出的是该法可以通过铸造的方法获得各种形喷射共沉积工艺中存在的如颗粒与基体接近机械结 状、尺寸的复合材料铸件,应用范围较宽,是一种很有合、增强相体积分数不能太高(一般不高于20%V等 市场和经济竞争能力的方法 缺点,因而成为目前金属基复合材料研究的重要方向 4熔体浸渍技术(M技术) 之一。反应喷射沉积工艺中固-液反应的典型过程 为金属液被雾化前(如在导液管处)或雾化锥中,喷入 熔体浸渍( Melt Infiltration)是指在高温下金属熔体高活性的固体颗粒,发生液固反应,导致喷入的颗粒在 依靠毛细管力作用向多孔预形体内渗透,包括非反应雾化过程中溶解并与基体中的一种或多种元素反应形 的和反应的熔体浸渍两种。非反应的熔体一般对预形成稳定的弥散相,控制喷雾的冷却速率以及随后坯件 体的润湿性不好而难以达到液相烧结的目的,但也有的冷却速率可以控制弥散相的尺寸。固-液反应喷射 成功的实例2。反应性的熔体则通常可满足润湿的成形技术的优点是:1)可近形成型:2)可获得大体积分 需要,且可以节能(比一般烧结温度低)材料(通常为数的增强相粒子;3)在液-固模式的反应中有大量的 金属陶瓷)的性能也可调控,如B:C·N系统。反应热产生,有利于反应过程的进行并达到节能目的 Savitzky等用AN-Ssi-№g合金、五-A金属间化合4不会产生熔铸法中陶瓷相粒子成渣上浮现象。 物及S等浸渍反应结合SN4(RBSN),使材料的力学LaMy等人用N2和O2的混合气体雾化Fe-2M%合 性能明显提高1。用S熔体浸渍碳预形体制备的S金,得到了含有细小弥散的A2O3、Fe2O3析出相粒子的 SC复合材料是最早利用溶体浸渍技术的成功实沉积坯;在雾化Fe-合金时,注入Fe-C合金粒子, 例,若预形体采用C纤维如纤维束、毡等则S用通过和C之间的反应,得到了粒度在0.5m以下 熔体浸渍后生成的SC将保留纤维的形状围。 的TC和Fe2粒子16。为了有效解决喷射沉积成形 近十几年来熔体浸渍技术有了新的发展美国金属基复合材料制备过程中增强颗粒分布不均和颗粒 Lanxide公司在DMox技术的基础上,利用高温下金利用率较低的问题杨滨等人3l提出将增强相的生成 属在熔体与B4C预形体之间的定向反应制备出了置于熔化室合金熔体中完成(即先采用液相接触反应 ZBC复合材料。复合材料中B2具有板晶形合成技术进行反应合成而不是在现行通常的在雾化 貌2材料的性能可根据残余金属含量来控制当室中进行合成),然后再进行后续的雾化喷射沉积成形 含量为3~12wol%时材料性能为弯曲强度800~步骤,成功地开发出了一种熔铸-原位反应喷射沉积 900MPa,断裂韧性10~15Mam2,杨氏模量350~成形颗粒增强金属基复合材料制备新技术。该技术的 400qa,热膨胀系数7(10/K,这种复合材料已在工突出优点是:颗粒在熔体内部原位反应生成,不存在颗 程上得到应用。采用同样的方法也可制备出TB2粒损失问题材料制备成本降低;颗粒在基体中分布教 TCT复合材料。前不久 Breslin等叫采用A浸渍均匀;可沿用现行喷射沉积成形制备金属材料的各项 SO2或莫来石的预形体,制备出了A2O/A(S)复合材工艺参数,设备无需做任何改动。杨滨等已成功制备 2 01994-2010 China cademic Journal Electronic Publishing House. dll rights reserved. htp: /wnw cnki net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net B2O3 和 Si 反应温度接近于 Mg - Li 合金的正常熔炼温 度 ,较 适 合 于 复 合 材 料 的 反 应 合 成。孙 建 荣 等 人[24 - 25 ]对 TiC/ 3Cr13 和 TiC/ H13 两种铁基复合材料 的反应合成和材料的力学性能进行了研究 ,发现该工 艺制备的的复合材料工艺性能优良 ,易于加工成形。 小于 8 %颗粒的形成能有效提高材料的常温及高温强 度 ,但在一定程度上降低了材料的塑性和冲击性能。 Cheng等人[26 ]通过反应合成技术控制液相铝和 SiO2 的反应成功制备了 Al2O3/ Al 复合材料。反应温度对 这种复合材料的组织形态有明显影响。当温度升高 时 ,Al2O3 的形状从细等轴状向骨络状转变。 接触反应合成工艺具有成本低、工艺简单、增强体 与基体结合好 ,增强体大小和数量容易控制等优点 ,尤 其值得指出的是该法可以通过铸造的方法获得各种形 状、尺寸的复合材料铸件 ,应用范围较宽 ,是一种很有 市场和经济竞争能力的方法。 4 熔体浸渍技术(MI 技术) 熔体浸渍(Melt Infiltration) 是指在高温下金属熔体 依靠毛细管力作用向多孔预形体内渗透 ,包括非反应 的和反应的熔体浸渍两种。非反应的熔体一般对预形 体的润湿性不好而难以达到液相烧结的目的 ,但也有 成功的实例[27 ] 。反应性的熔体则通常可满足润湿的 需要 ,且可以节能(比一般烧结温度低) ,材料 (通常为 金属陶瓷) 的性能也可调控 , 如 B4 C - Al 系统[28 ] 。 Travitzky 等用 Al、Al - Si - Mg 合金、Ti - Al 金属间化合 物及 Si 等浸渍反应结合 Si3N4 (RBSN) ,使材料的力学 性能明显提高[29 ] 。用 Si 熔体浸渍碳预形体制备的 Si/ SiC复合材料是最早利用溶体浸渍技术的成功实 例[30 ] ,若预形体采用 C 纤维 ,如纤维束、毡等 ,则 Si 用 熔体浸渍后生成的 SiC 将保留纤维的形状[31 ] 。 近十几年来 ,熔体浸渍技术有了新的发展 ,美国 Lanxide 公司在 DIMOX 技术的基础上 ,利用高温下金 属 Zr 熔体与 B4C 预形体之间的定向反应制备出了 ZrB2/ ZrC/ Zr 复合材料。复合材料中 ZrB2 具有板晶形 貌[32 ] ,材料的性能可根据残余金属 Zr 含量来控制 ,当 Zr 含量为 3～12 vol %时 ,材料性能为 :弯曲强度 800～ 900 MPa ,断裂韧性 10～15 MPa·m 1/ 2 ,杨氏模量 350～ 400 Gpa ,热膨胀系数 7 (10 - 6 / K,这种复合材料已在工 程上得到应用。采用同样的方法也可制备出 TiB2/ TiC/ Ti 复合材料[33 ] 。前不久 Breslin 等[34 ]采用 Al 浸渍 SiO2 或莫来石的预形体 ,制备出了 Al2O3/ Al (Si) 复合材 料 ,这种材料中的两相互相穿插、连续 ,并被称为 C 4材 料(Co - Continuous Ceramic Composite) ,它具有某些殊 的性能。 该技术可以制备各种大小部件 ,强化相的体积比 可达 60 % ,增强相种类有 Al2O3、AlN、ZrN、SiC、MgO、 ZrB2、ZrC、TiB2、TiC 等第二相 ,工艺简单、原料成本低 , 可近终成型。 5 固 - 液反应喷射沉积复合技术 (RSD 技术) 反应喷射沉积工艺(Reactive Spray Deposition) 有气 - 液反应、液 - 液反应、固 - 液反应和加盐反应等多种 类型 ,是目前金属基复合材料研究的热门课题。它不 仅综合了快速凝固及粉末冶金的优点 ,而且还克服了 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(一般不高于 20 %Vf) 等 缺点 ,因而成为目前金属基复合材料研究的重要方向 之一。反应喷射沉积工艺中固 - 液反应的典型过程 为 :金属液被雾化前(如在导液管处) 或雾化锥中 ,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。固 - 液反应喷射 成形技术的优点是 :1) 可近形成型 ;2) 可获得大体积分 数的增强相粒子 ;3) 在液 - 固模式的反应中有大量的 反应热产生 ,有利于反应过程的进行并达到节能目的 ; 4) 不会产生熔铸法中陶瓷相粒子成渣上浮现象。 Lawly 等人用 N2 和 O2 的混合气体雾化 Fe - 2wt %Al 合 金 ,得到了含有细小弥散的 Al2O3、Fe2O3析出相粒子的 沉积坯 ;在雾化 Fe - Ti 合金时 ,注入 Fe - C 合金粒子 , 通过 Ti 和 C 之间的反应 ,得到了粒度在 0. 5μm 以下 的 TiC 和 Fe2Ti 粒子[16 ] 。为了有效解决喷射沉积成形 金属基复合材料制备过程中增强颗粒分布不均和颗粒 利用率较低的问题 ,杨滨等人[35 ]提出将增强相的生成 置于熔化室合金熔体中完成 (即先采用液相接触反应 合成技术进行反应合成 ,而不是在现行通常的在雾化 室中进行合成) ,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。该技术的 突出优点是 :颗粒在熔体内部原位反应生成 ,不存在颗 粒损失问题 ,材料制备成本降低 ;颗粒在基体中分布教 均匀 ;可沿用现行喷射沉积成形制备金属材料的各项 工艺参数 ,设备无需做任何改动。杨滨等已成功制备 154 重 庆 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2004 年
第27卷第11期 汤爱涛等:金属基复合材料固/液反应制备技术的研究进展155 出TC/A-20S-5Fe复合材料 研究[].兵器材料科学与工程,199023):18 近年来,原位反应雾化喷射沉积成形技术得到了8] DONGH Y,YNCK, CHEN SQ.cta.slid- Liquid Reac- 许多国家的关注。但迄今为止,由于相关的基础性研 tion Synthesis and Thermal Stability of Ti2SnC Powders[J]Jour 究工作滞后,工艺上难以获得增强相均匀分布和显微 nal of Materials Chemistry, 2001, 11: 1 402- 1 407. 组织一致的沉积坯件,致使原位反应雾化喷射沉积成 [9 ZHOU Y C, DONG H Y, WANG X H. Preparation of Ti2SnC by Solid- Liquid Reaction Synthesis and Simultaneous 形技术的实际应用受到限制。这是因为喷射成形过程 Densification Method J. Mat. Res. Inovat., 2002, 6: 219 是一个复杂的工艺过程,众多的工艺参数都影响着沉 积坯的组织和性能现有的理论模型并不能精确地控101KKmA, MIYAMOTO H, MABUCHI H,ea,M 制喷射沉积过程,因此要大力加强对这一技术的基础 crostructure and Mechanical Properties of TiAl/Ti2AiN Comr 和模型化研究,预测和掌握各种工艺参数对喷射沉积 sites Prepared by Combustion Synthesis[J. Materials Trans- 凝固过程的影响规律,为工艺过程的优化控制提供可 action,2001,42(9):1897-1900 靠的理论依据。 []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(spl.):165 6结束语 在金属基复合材料的反应合成技术中,固/液反应121AAr K. IKENAGA A.et al. Formation of 是近几年研究最多的原位复合工艺,也是应用较成功 coatig on spheroidal graphite cast iron 的材料制备工艺,很有发展潜力。文中所总结和讨论 substrates by reaction systhesis processing[J]. Materials Tram cations,2003,44(3):407-4 的放热弥散复合技术、接触反应涂层制备技术、液相接 13〗 WANGY S, ZHANGⅹY, ZENG G T,etal. Cast Sinter 触反应合成技术、熔体浸渍技术和固/液反应喷射沉积 Technique for Producting Surface Composites] 复合技术等五种工艺各有特色,工艺本身也有交叉。 经过近几年的努力,固/液反应合成技术已在若干材料141 WANGY S, ZHANGX Y,LIFC,etl. Study on an Fe 体系中较好地解决了增强体分布不均匀、界面质量难 TiC Surface Composite Produced in Situ[J]. Materials and De 以控制等问题。但许多内容目前还有待进一步研究 如工艺的工业化应用能力、显微组织的稳定性、化学反5马乃恒,方小汉,梁工英,等激光熔覆原位合成TA 应的控制、大尺寸复合材料部件的制备、增强体的形成 复合材料[]中国有色金属学报,200,10(6):843 机理、界面结构和界面分析等。 [16]鲁云,马鸣图,潘复生.先进复合材料(书)[M].北京:机 械工业出版社,2003 参考文献 ]程秀兰,潘复生。金属复合材料的反应合成技术材117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[]材料导报,1997,11(2):62-63 料导报,1995,(5)61 [18 ASANUMA H, HIROHASHI M, et al. Fabrication of in situ [2 SURBRAHMAN J, VUAYAKMAR M. Self-propagat- Ai3Ti/Al composite, Advancement in Synthesis and Processes ing High- temperature Synthesis[J]. Mater. Sci., 1992, 27: 6 I Poc. conf. ] Tormoto, Canada, 20-22, Oct., 1992 249 M58l-7 3] KOCZAK MJ, PREMKUMAR M K, merging techologies for[l9]章德铭,李凤珍,刘兆晶,等.TFe原位复合材料的制 the in- situ production of MMCs[J]. JOM, 1993, 45(1) 备工艺优化卩]哈尔滨理工大学学报,2002,7(4)23 [4 B 1, ENARSRUD MA mix carbothermal reduction[20]刘兆晶,章德铭,左锋.熔体覆盖剂对原位TFe复合 ]- Mater.Sc.Let.,1990,9:1389 材料组织和性能的影响[J].哈尔滨理工大学学报 [5〗张二林,杨波,曾松岩,等.A·T-C系中反应生成TC机 2002,7(2):83-86 理研究卩]材料工程,1998,(2):3-5. [21]惠希东,王执福,孙本茂颗粒TC增强铸造Fe-Cr-Ni [6]程秀兰,潘复生,汤爱涛.高温反应烧结制备原位复合材 基复合材料的制备工艺和显微组织卩].铸造,1996, 料[]中国有色金属学报,1999(2):313 η]程秀兰潘复生,汤爱涛.原位铝基复合材料重熔稀释的[22]于化顺,闵光辉,王大庆.反应合成法制备№-Li基复 20/994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:/nn.cnkinet
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 出 TiC/ Al - 20Si - 5Fe 复合材料。 近年来 ,原位反应雾化喷射沉积成形技术得到了 许多国家的关注。但迄今为止 ,由于相关的基础性研 究工作滞后 ,工艺上难以获得增强相均匀分布和显微 组织一致的沉积坯件 ,致使原位反应雾化喷射沉积成 形技术的实际应用受到限制。这是因为喷射成形过程 是一个复杂的工艺过程 ,众多的工艺参数都影响着沉 积坯的组织和性能 ,现有的理论模型并不能精确地控 制喷射沉积过程 ,因此要大力加强对这一技术的基础 和模型化研究 ,预测和掌握各种工艺参数对喷射沉积 凝固过程的影响规律 ,为工艺过程的优化控制提供可 靠的理论依据。 6 结束语 在金属基复合材料的反应合成技术中 ,固/ 液反应 是近几年研究最多的原位复合工艺 ,也是应用较成功 的材料制备工艺 ,很有发展潜力。文中所总结和讨论 的放热弥散复合技术、接触反应涂层制备技术、液相接 触反应合成技术、熔体浸渍技术和固/ 液反应喷射沉积 复合技术等五种工艺各有特色 ,工艺本身也有交叉。 经过近几年的努力 ,固/ 液反应合成技术已在若干材料 体系中较好地解决了增强体分布不均匀、界面质量难 以控制等问题。但许多内容目前还有待进一步研究 , 如工艺的工业化应用能力、显微组织的稳定性、化学反 应的控制、大尺寸复合材料部件的制备、增强体的形成 机理、界面结构和界面分析等。 参考文献 : [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 ,1995 ,(5) :61. [2 ] SURBRAHMANYAM J , VIJAYAKUMAR M. Self - propagat2 ing High - temperature Synthesis[J ]. Mater. Sci. , 1992 , 27 : 6 249. [3 ] KOCZAKMJ , PREMKUMAR M K. , Emerging technologiesfor the in - situ production of MMCs[J ]. JOM , 1993 , 45 (1) : 44. [4 ] LEE B I , EINARSRUD M A. Low - temperature synthesis of a2 luminium nitride via liquid - liquid mix carbothermal reduction [J ]. Mater. Sci. Lett. , 1990 , 9 : 1389. [5〗 张二林 ,杨波 ,曾松岩 ,等. Ai - Ti - C 系中反应生成 TiC 机 理研究[J ]. 材料工程 , 1998 ,(2) :3 - 5. [6 ] 程秀兰 ,潘复生 ,汤爱涛. 高温反应烧结制备原位复合材 料[J ]. 中国有色金属学报 ,1999 ,9 (2) :313. [7 ] 程秀兰 ,潘复生 ,汤爱涛. 原位铝基复合材料重熔稀释的 研究[J ]. 兵器材料科学与工程 ,1999 ,22 (3) :18. [8 ] DONG H Y, YAN C K, CHEN S Q. et al. Solid - Liquid Reac2 tion Synthesis and Thermal Stability of Ti2SnC Powders[J ] Jour2 nal of Materials Chemistry , 2001 , 11 : 1 402 - 1 407. [ 9 ] ZHOU Y C , DONG H Y, WANG X H . Preparation of Ti2SnC by Solid - Liquid Reaction Synthesis and Simultaneous Densification Method[J ]. Mat. Res. Innovat. , 2002 , 6 : 219 - 225. [10 ] KAKITSUJI A , MIYAMOTO H , MABUCHI H , et al. Mi2 crostructure and Mechanical Properties of TiAl/ Ti2AiN Com2 posites Prepared by Combustion Synthesis[J ]. Materials Trans2 action , 2001 , 42 (9) : 1 897 - 1 900. [11 ] 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 (suppl. ) : 165 - 166. [12 ] KIMATA T, UENISHI K, IKENAGA A , et al. Formation of thick Ni2Al composite coatig on speroidal graphite cast iron substrates by reaction systhesis processing[J ]. Materials Tran2 scations , 2003 , 44 (3) : 407 - 410. [13〗 WANG Y S , ZHANG X Y, ZENG G T, et al. Cast Sinter Technique for Producuing Iron Base Surface Composites[J ]. Materials and Design , 2000 , 21 : 447 - 452. [14 ] WANG Y S , ZHANG X Y, LI F C ,et al. Study on an Fe - TiC Surface Composite Produced in Situ[J ]. Materials and De2 sign , 1999 , 20 : 233 - 236. [15 ] 马乃恒 ,方小汉 ,梁工英 ,等. 激光熔覆原位合成 TiC/ Al 复合材料[J ]. 中国有色金属学报 ,2000 , 10 (6) : 843 - 846. [16 ] 鲁云 ,马鸣图 ,潘复生. 先进复合材料(书) [M]. 北京 :机 械工业出版社 ,2003. [17 ] 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. [18 ] ASANUMA H , HIROHASHI M , et al. Fabrication of in situ Ai3Ti/ Al composite , Advancement in Synthesis and Processes [ Proc. conf. ] , Tornoto , Canada , 20 - 22 , Oct. , 1992 , M581 - 7. [19 ] 章德铭 ,李凤珍 ,刘兆晶 ,等. TiC/ Fe 原位复合材料的制 备工艺优化[J ]. 哈尔滨理工大学学报 , 2002 , 7 (4) :23 - 26. [20 ] 刘兆晶 ,章德铭 ,左锋. 熔体覆盖剂对原位 TiC/ Fe 复合 材料组织和性能的影响 [J ]. 哈尔滨理工大学学报 , 2002 , 7 (2) :83 - 86. [21 ] 惠希东 ,王执福 ,孙本茂. 颗粒 TiC 增强铸造 Fe - Cr - Ni 基复合材料的制备工艺和显微组织 [J ]. 铸造 , 1996 , (11) :4 - 7. [22 ] 于化顺 ,闵光辉 ,王大庆. 反应合成法制备 Mg - Li 基复 第 27 卷第 11 期 汤爱涛 等 : 金属基复合材料固/ 液反应制备技术的研究进展 155
重庆大学学报(自然科学版) 004年 合材料的热力学研究卩]稀有金属,199721(2):156 [30 WHITEHEAD AJ, PAGE T F. Fabrication and characteriza- ion of some novel reaction- bonded silicon carbide mateials [23]王辅中,李荣华Mg-Li基复合材料的研究]稀有金 ]. Mater.Soi.,1992,27:839 属2003,27(2):273 [31 HILLING W B, MEHAN R L, et al. Silicor [24]孙建荣,孙扬善,李龙.TC313复合材料的显微组织和 composites[J Am. Ceram. Soc. Bull 4(12) 力学性能的研究].铸造,200049(7):392-395 25]孙建荣,孙扬善,樊泉.TCH3(4 CrsMbVISt)复合材 [32 BREVAL E, JOHNSON WB. Microstructure of platelet-reir 显微组织和力学性能[\〗材料科学与工艺,2001,9 ceramics prepared by the directed reaction of zirconium (2):146·149 boron carbide[ J]. Am. Ceram. Soc., 1992, 75(8): 2 [26 CHEN XM, WU XW, ZHANGL M, et al. Sythesis of Al203 composites by Reaction between SiO2 and Molten AlU]. Key [33 LEE S K, KM D H, KIM C H J. Farbication of TiB2/TiC/ Engineering materials, 2003. 249: 269-272 li composite]. Mater. Sci., 1994, 29: 4 12 [27 HLLIG B. Making ceramic composites by melt infiltration [34 BRESLN M C, RINGALDAJ. Alumina/aluminum oo.cor ]eram.Soc.Bull.,1994,73(4):56. tinuous ceramic composite (C4) mateials produced by solid/ [28 HLLIGWB. Ceramic composites by infiltration J]. Ceram liquid displacement reactions: Processing kinetics and Fng.Si.Poc.,1985,6:674 crostructure[J]. Ceram. Eng. Sci. Proc., 1994, 15(7-8) [29 IRAVITZKYN A, CAUSSEN N. Microstructure and proper- ties of metal infiltrated RBSN composites[J].ur.cerm.[35]扬滨,王锋,黄赞军,等喷射沉积成形颗粒增强金属基复 Se..1992.9:6l 合材料制备技术的发展[]材料导报2001,15(3)4-6 Recent Development of Solid/ Liquid Reaction Synthesis Technology for Metal Matrix Composites TANG Artao, WANG Ling- yun, PAN Fur sheng Gollege of Materials Science Engineering, Congqing University, Chongqing 400030, China) Apstract: The Solid/ liquid Reaction Synthesis Techmology for Metal Matrix Composites has attracted an increasing interest d a lot of important progresses have been made in recent years. Five typical processes, exothermic dispersion, coating tech mology by contact reaction, liquid contact reaction, melt infiltration and reactive spray deposition, have been reviewed. More attention has been paid to recent development of the research work on the exothermic dispersion, coating techology by contact reaction and liquid contact n.The characteristics of these processes are analysed and the existed problems on the reac tion synthesi Key words metal matrix sites; reaction synthesis; solid/liquid reaction; in situ synthesis (编辑陈移峰) 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAlirightsreservedhttp.://n.cnki.net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 合材料的热力学研究[J ]. 稀有金属 , 1997 ,21 (2) :156 - 159. [23 ] 王辅中 ,李荣华. Mg - Li 基复合材料的研究[J ]. 稀有金 属 ,2003 , 27 (2) :273 - 277. [24 ] 孙建荣 ,孙扬善 ,李龙. TiC/ 3Cr13 复合材料的显微组织和 力学性能的研究[J ]. 铸造 , 2000 ,49 (7) :392 - 395. [25 ] 孙建荣 ,孙扬善 ,樊泉. TiC/ H13 (4Cr5MoV1Si) 复合材料的 显微组织和力学性能[J \ 〗. 材料科学与工艺 , 2001 ,9 (2) :146 - 149. [26 ] CHEN X M , WU X W , ZHANGL M ,et al. Sythesis of Al2O3 Composites by Reaction between SiO2 and Molten Al[J ]. Key Engineering Materials , 2003 , 249 :269 - 272. [27 ] HILLIG W B. Making ceramic composites by melt infiltration [J ]. eram. Soc. Bull. , 1994 , 73 (4) : 56. [28 ] HILLIG W B. Ceramic composites by infiltration[J ]. Ceram. Eng. Sci. Proc. , 1985 , 6 : 674. [29 ] TRAVITZKY N A , CLAUSSEN N. Microstructure and proper2 ties of metal infiltrated RBSN composites[J ]. Eur. Ceram. Soc. , 1992 , 9 : 61. [30 ] WHITEHEAD A J , PAGE T F. Fabrication and characteriza2 tion of some novel reaction - bonded silicon carbide mateials [J ]. Mater. Soi. , 1992 , 27 : 839. [31 ] HILLING W B , MEHAN R L , et al. Silicon/ silicon carbide composites[J ] Am. Ceram. Soc. Bull. , 1975 , 54 (12) : 1054. [32 ] BREVAL E , JOHNSON W B. Microstructure of platelet - rein2 forced ceramics prepared by the directed reaction of zirconium with boron carbide[J ]. Am. Ceram. Soc. , 1992 , 75 (8) : 2 139. [33 ] LEE S K, KIM D H , KIM C H. J. Farbication of TiB2/ TiC/ Ti composite[J ]. Mater. Sci. , 1994 , 29 : 4 125. [34 ] BRESLIN M C , RINGNALDA J. Alumina/ aluminum co - con2 tinuous ceramic composite (C4) mateials produced by solid/ liquid displacement reactions: Processing kinetics and mi2 crostructures[J ]. Ceram. Eng. Sci. Proc. , 1994 , 15 (7 - 8) : 104. [35 ] 扬滨 ,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. Recent Development of Solid/ Liquid Reaction Synthesis Technology for Metal Matrix Composites TANG Ai2tao , WANG Ling2yun , PAN Fu2sheng (College of Materials Science & Engineering , Chongqing University , Chongqing 400030 , China) Apstract :The Solid/ liquid Reaction Synthesis Technology for Metal Matrix Composites has attracted an increasing interest , and a lot of important progresses have been made in recent years. Five typical processes , exothermic dispersion , coating tech2 nology by contact reaction , liquid contact reaction , melt infiltration and reactive spray deposition , have been reviewed. More attention has been paid to recent development of the research work on the exothermic dispersion , coating technology by contact reaction and liquid contact reaction. The characteristics of these processes are analysed , and the existed problems on the reac2 tion synthesis technologies are discussed. Key words : metal matrix composites; reaction synthesis; solid/ liquid reaction ; in situ synthesis (编辑 陈移峰) 156 重 庆 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2004 年
