郭占成等：超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 ·1605· 生偏聚并沉积于铸件的一定位置，其含量呈现一 功能梯度材料，发现片状Al3T在离心管外部区域 定的梯度变化分布，液相凝固后形成梯度功能材 富集，并且片晶平面取向垂直离心力的方向，相同 料.根据离心方式的不同，离心超重力铸造制备梯 离心铸造的条件下，A-Al3Ti复合材料的耐磨强 度功能材料的方法可分为离心固体颗粒技术、原 度要高于纯铝试样.Huang等m利用半固态搅拌 位离心技术以及离心混合粉末技术侧 法制备含有3种不同粒径SC的铝合金，并在 Rajan等的采用离心铸造的方法分别制备了 1023K条件下进行离心浇铸得到阶跃式变化的梯 自生初晶硅与非原位SC颗粒增强的铝基梯度功 度功能复合零件毛坯，增强粒子SiC在零件毛坯 能复合的光盘和气瓶.对于非原位SC颗粒增强 径向外层5~10mm区域富集偏聚，内层为无 的铝基梯度功能复合的光盘，SC颗粒的体积分数 SiC的铝基合金.Amanov 1981利用离心固体颗粒的 沿着光盘径向由内向外梯度增加，所以光盘外圈 方法(CSPM)制备了Al/AlZr功能梯度材料，研究 的硬度与强度比其他位置要大.对于自生初品硅 了增强粒子的数量分布、平面取向以及耐磨性能， 颗粒增强的铝基梯度功能复合的气瓶，初晶硅颗 所得的实验结果与上述AI/Al3Ti材料的结果相似， 粒体积分数沿着气瓶径向由外向内梯度增加，所 如图19(a)所示.Zhao等9将自蔓延高温合成法 以气瓶内圈的硬度与耐磨性比其他位置要高 与离心超重力法结合制备出了性能优良的梯度金 Watanabe等研究了利用离心方法制备的A-Al,Ti 属陶瓷复合材料FeCrNi/TiC,如图19(b)所示 a (b) Sample 64 Tungsten coil 62 Reaction chamber 60 58 Rotate 0 12345678910 Rotator Distance/mm 图19超重力凝固制备梯度功能材料.(a)离心凝固AVAI3Zr功能梯度材料示意图：(b)超重力辅助自蔓延高温合成FCNi/TiC梯度金属陶瓷复 合材料 Fig.19 Fabrication of functionally gradient materials(FGMs)by supergravity solidification:(a)schematic illustration of Al/Al3Zr FGM rings prepared by the centrifugal solid-particle method;(b)FeCrNi/TiC gradient composite materials prepared by supergravity-enhanced self-propagating high- temperature synthesis 6.3基因组材料高能量制备及材料成分优化设计 图20(b)所示是我们采用微波加热超重力实 熔体从液相到固相的缓慢凝固过程，由于温 验装置，模拟高熵合金Al2.bCrCuFeNi2分别在常重 度的差异，产物的成分和组织结构与凝固先后顺 力和超重力系数360下凝固实验结果，常重力条 序有关，当冷却结晶凝固速度较慢和超重力系数 件下样品的组织结构均匀分布，而超重力条件下 较大时，凝固样品的宏观和微观结构、成分、性能 样品的不同部位组织结构不同，取样品的不同 沿超重力方向渐变.利用这一特点，超重力凝固可 部位进行抗压强度测试，其抗压强度也不同.对抗 作为基因组材料研究的高通量制备方法，而且所 压强度最高的部位4进行成分分析，然后按此成 得样品的微观结构、成分、性能呈现连续渐变，更 分进行真空熔炼-凝固，结果抗压强度达到了 有利于进行科学研究.例如，Lōffler等1o0利用60000g 2380MPa,延伸率达到了16.12%；而按Al2.oCrCuFeNi2 鼓式离心机实现镁合金Mg50A130Y6Li7Cu7、Mg50A1 成分进行真空熔炼一凝固的样品，抗压强度为 30Li7Cu7和A152.6Cu13.4Ge28Si6共晶成分的相分 1529MPa.延伸率为5.49% 离，发现凝固后的合金组织存在分层现象，其中初 7超重力渗流制备复合材料和多孔材料 生相沉积在试样底端，二元和三元共品相位于试 样中部，为高通量材料制备提供了关键信息.美国 7.1金属-陶瓷颗粒复合材料 加利福尼亚大学采用60000g鼓式离心机，如图20(a) 陶瓷材料具有耐高温、耐磨损和硬度高的优 所示，样品尺寸3×45mm,最高温度560℃，筛选 点，而金属材料具有导电好、导热好和易加工的优 出非晶合金最佳成分点0 点，因此金属-陶瓷复合材料是一类满足某些特殊生偏聚并沉积于铸件的一定位置，其含量呈现一 定的梯度变化分布，液相凝固后形成梯度功能材 料. 根据离心方式的不同，离心超重力铸造制备梯 度功能材料的方法可分为离心固体颗粒技术、原 位离心技术以及离心混合粉末技术[94] . Rajan 等[95] 采用离心铸造的方法分别制备了 自生初晶硅与非原位 SiC 颗粒增强的铝基梯度功 能复合的光盘和气瓶. 对于非原位 SiC 颗粒增强 的铝基梯度功能复合的光盘，SiC 颗粒的体积分数 沿着光盘径向由内向外梯度增加，所以光盘外圈 的硬度与强度比其他位置要大. 对于自生初晶硅 颗粒增强的铝基梯度功能复合的气瓶，初晶硅颗 粒体积分数沿着气瓶径向由外向内梯度增加，所 以气瓶内圈的硬度与耐磨性比其他位置要高. Watanabe 等[96] 研究了利用离心方法制备的 Al−Al3Ti 功能梯度材料，发现片状 Al3Ti 在离心管外部区域 富集，并且片晶平面取向垂直离心力的方向，相同 离心铸造的条件下，Al−Al3Ti 复合材料的耐磨强 度要高于纯铝试样. Huang 等[97] 利用半固态搅拌 法制备含 有 3 种不同粒 径 SiC 的铝合金 ，并 在 1023 K 条件下进行离心浇铸得到阶跃式变化的梯 度功能复合零件毛坯，增强粒子 SiC 在零件毛坯 径向外 层 5～ 10  mm 区域富集偏聚 ，内层为 无 SiC 的铝基合金. Amanov [98] 利用离心固体颗粒的 方法（CSPM）制备了 Al/Al3Zr 功能梯度材料，研究 了增强粒子的数量分布、平面取向以及耐磨性能， 所得的实验结果与上述 Al/Al3Ti 材料的结果相似， 如图 19（a）所示. Zhao 等[99] 将自蔓延高温合成法 与离心超重力法结合制备出了性能优良的梯度金 属陶瓷复合材料 FeCrNi/TiC，如图 19（b）所示. G (a) (b) Sample Tungsten coil Reaction chamber Rotate Rotator Distance/mm Hardness (HRC) 64 62 60 58 56 54 52 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 图 19    超重力凝固制备梯度功能材料. （a）离心凝固 Al/Al3Zr 功能梯度材料示意图；（b）超重力辅助自蔓延高温合成 FeCrNi/TiC 梯度金属陶瓷复 合材料 Fig.19    Fabrication of functionally gradient materials (FGMs) by supergravity solidification: (a) schematic illustration of Al/Al3Zr FGM rings prepared by  the  centrifugal  solid-particle  method;  (b)  FeCrNi/TiC  gradient  composite  materials  prepared  by  supergravity-enhanced  self-propagating  high￾temperature synthesis 6.3    基因组材料高能量制备及材料成分优化设计 熔体从液相到固相的缓慢凝固过程，由于温 度的差异，产物的成分和组织结构与凝固先后顺 序有关，当冷却结晶凝固速度较慢和超重力系数 较大时，凝固样品的宏观和微观结构、成分、性能 沿超重力方向渐变. 利用这一特点，超重力凝固可 作为基因组材料研究的高通量制备方法，而且所 得样品的微观结构、成分、性能呈现连续渐变，更 有利于进行科学研究. 例如，Löffler 等[100] 利用60000g 鼓式离心机实现镁合金Mg50Al30Y6Li7Cu7、Mg50Al 30Li7Cu7 和 Al52.6Cu13.4Ge28Si6 共晶成分的相分 离，发现凝固后的合金组织存在分层现象，其中初 生相沉积在试样底端，二元和三元共晶相位于试 样中部，为高通量材料制备提供了关键信息. 美国 加利福尼亚大学采用 60000g 鼓式离心机，如图 20（a） 所示，样品尺寸 ϕ3×45 mm，最高温度 560 ℃，筛选 出非晶合金最佳成分点[101] . 图 20（b）所示是我们采用微波加热超重力实 验装置，模拟高熵合金 Al2.0CrCuFeNi2 分别在常重 力和超重力系数 360 下凝固实验结果，常重力条 件下样品的组织结构均匀分布，而超重力条件下 样品的不同部位组织结构不同，取样品的不同 部位进行抗压强度测试，其抗压强度也不同. 对抗 压强度最高的部位 4 进行成分分析，然后按此成 分进行真空熔炼 −凝固 ，结果抗压强度达到了 2380 MPa，延伸率达到了16.12%；而按Al2.0CrCuFeNi2 成分进行真空熔炼 −凝固的样品 ，抗压强度为 1529 MPa，延伸率为 5.49%. 7    超重力渗流制备复合材料和多孔材料 7.1    金属−陶瓷颗粒复合材料 陶瓷材料具有耐高温、耐磨损和硬度高的优 点，而金属材料具有导电好、导热好和易加工的优 点，因此金属−陶瓷复合材料是一类满足某些特殊 郭占成等： 超重力冶金：科学原理、实验方法、技术基础、应用设计 · 1605 ·