3金属基复合材料的制备方法 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 金属基复合材料的性能、特点、应用和制造成工艺可以使增强相在金属基体中达到分布均匀。但 本等在很大的程度上取决于金属基复合材料的制备此工艺设备复杂、成本偏高,不易制备形状复杂的 工艺和方法。目前,金属基复合材料的制备工艺和零件,而且在生产过程中存在粉末燃烧和爆炸等危 方法可分为:搅拌铸造法、粉末冶金法、原位生成险,不易进行大规模工业化生产,特别是对于制备 法、挤压铸造法和喷射成形法等 体积偏大的金属基复合材料粉末冶金法不是一种理 31搅拌铸造法”1 想的制备方法。因此粉末冶金法主要应用于实验室 搅拌铸造法(图1)制备金属基复合材料最早研究,没有得到推广。乙. Trojano va等采用粉末 起源于1968年,由S.Ray在熔化的铝液中加入氧冶金方法制备了纳米颗粒增强的镁基复合材料,较 化铝,并通过搅拌含有陶瓷粉末的熔化状态的铝合大地提高其力学性能,材料经330℃热挤压后宏观 金而来的凵。搅拌铸造法根据铸造时加热温度的不组织清晰,材料的蠕变性能也得到相应提高。郗雨 同可分为全液态搅拌铸造(即在液相线以上液态金林研究认为采用合适的烘粉处理后,Mg粉的新 属中加入増强体,搅拌一定时间后冷却)、半固态搅旧程度对复合材料的性能无明显影响;热压工序可 拌铸造(在固液相温度之间加入增强体搅拌一定时以使镁基复合材料的性能更趋稳定。并且采用粉末 间后冷却)和搅熔铸造(在在固液相温度之间加入冶金法制备了SiC颗粒及晶须增强MBI5镁基复合 增强体,搅拌一定时间后升温至基体合金液相线温材料的试样,结果表明:SiC颗粒和晶须能显著 度以上,并搅拌一定时间后冷却)3种。搅拌铸造提高MB15镁合金的室温强度和弹性模量.且SiC 法的特点是:工艺简单,操作方便,可以生产大体晶须的作用比SC颗粒更明显。 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 P均合十如复材曰 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 图2粉末冶金法流程图 颗粒的团聚等现象。谭彦显研究了不同铸造工艺 Fig 2 Flow chart of pow der metallurgy 条件下的镁基复合材料的组织结构,并对其气孔率3.3原位生成法 进行测定。结果表明:搅拌温度、颗粒体积分数和 原位生成法指增强材料在复合材料制造过程 颗粒大小对气孔率有影响,搅拌温度越高和增强颗中,并在基体中自己生成和生长的方法,增强材料 粒体积分数增加气孔率上升。并认为搅熔铸造法制以共晶的形式从基体中凝固析出,也可与加入的相 备的复合材料在颗粒分布及气孔含量方面均优于半应元素发生反应、或者合金熔体中的某种组分与加 固态搅拌铸造法和全液态搅拌铸造法。另外,可以入的元素或化合物之间的反应生成。前者得到定向 针对搅拌铸造法得到的复合材料通过挤压工序使得凝固共晶复合材料,后者得到反应自生成复合材料。 其气孔率减少,组织细化和增强相分布更均匀 原位生成复合材料的特点:增强体是从金属基体中 增强体个预处理 原位形核、长大的热力学稳定相,因此,增强体表 +]心国 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 图1搅拌铸造法流程图 物,不须对增强体进行合成、预处理和加入等工序, Fig 1 Flow chart of stir cas ting 因此,采用该技术制备的复合材料的综合性能比较 32粉末冶金法 高,生产工艺简单成本较低。从液态金属基体中 粉末冶金法(图2)是指将基体金属合金与增原位形成增强体的工艺,可用铸造方法制备形状复 强体粉末混合均匀后在模中冷压,除气后在真空中杂、尺寸较大的净近成形零件。牛玉超等研究认 加热至固液两相区进行热压,最后烧结制得金属基为采用石墨坩埚、电磁搅拌和铝熔体中加入镁的工 复合材料的方法。粉末冶金法特点:可以制备出增艺流程,可实现Al2O3颗粒和铝熔体的有效复合, 101 ?1994-2014chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net3 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 Flow chart of stir casting 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. Trojano va 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 , M g 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 M B15 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 M B15 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 Flow chart of pow der met allurgy 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 Al2 O3 颗粒和铝熔体的有效复合 , 101