58 江苏大学学报自然科学版) 第24卷 MMCp的一种低成本快速制备工艺.燃烧合成有或陶瓷粒子.如利用CAl合金粉末和CuO粉末 两种:自蔓延高温合成模式和热爆合成模式.两种为原料,采用XD法可制取CrA2O3原位复合材 反应模式均是利用物质间自身化学反应所释放的反料”严学华等人分析了CHA原位反应的机 应热,在极短的时间内合成所需的化合物其差别仅理.XD法将整体压坯快速加热至基体熔点以上 在于所用工艺的不同.自蔓延高温合成法(简称的高温,一方面保证增强颗粒的快速原位合成;另 SHS)是前苏联科学家 M erzhanov等人发明的,这方面液态基体金属的形成,使产物变得致密 种工艺适合制备生成焓高的化合物,即将能强烈放 目前,已用XD法原位反应生成Al2O3和AkT 热反应生成增强相的粉末原料和基体粉末混匀压成复合增强的铝基复合材料明另外,美国还采用xD 坯在粉坯一端高能点火,由于熔融金属覆盖未熔粉技术得到的≯钛铝化合物通过熔模铸造工艺做成 末使反应界面显著增大并且放出极高的热量反应有关部件,如透平叶片、透平增压器和其他旋转部 便自发地向另一端蔓延燃烧直至反应全部完成同件,其密度较小,可减少上述部件的离心力·同时 时增强相形成元素在熔融金属中扩散原位反应析出so2粉末与A1粉制成坯体用XD法制备了AbOy 增强相颗粒3.sHsS法最初用来制备细微陶瓷颗 A1复合材料 粒,80年代末开始被应用于陶瓷MMCp的制备4 该技术具有很多优点 根据燃烧波的传播方式,可将燃烧反应分为自蔓燃 (1)增强相的种类多,包括硼化物、碳化物、硅 和热爆两种方式·而自蔓燃根据燃烧波的稳定性又化物 可分为稳态和非稳态两种方式. M unir等人通过 2)增强相粒子的体积百分比可以通过控制反 对燃烧方式的研究,建立了SHs图(如图1所示),应剂的比例和含量加以控制 并从理论上给出了图中各个区域的边界.SHS图可 以为实际生产工艺的制定提供理论指导,如生产磨 (3)增强相粒子的大小可以通过调节价热温度 控制,生成的粒子粒径明显小于其他铸造态和粉末 料时,为了获得大尺寸颗粒,工艺参数就应选择在 SHS图中热爆与稳态SHS交界处靠SHS一侧的高冶金复合材料中的增强相粒子的粒径; 温区域;生产烧结用粉末时,在保证转化率的前提 可以制备各种MMCp和IMCp(金属间化 合物基复合材料) 下,为了获得尺寸细小的颗粒,应选择稳态SHS和 非稳态SHS交界处的非稳态SHS的低温区域 (5)由于反应是在熔融状态下进行的,可以进 步近终形成形 1.1.3混合盐反应法 混合盐反应法( M ixed salt reaction)是英国 LM公司开发的专利技术,LsM公司在其已有 的铝合金晶粒细化技术基础上开发出来的一种铝基 稳态SHs 复合材料的制备方法.具体工艺是,将KBF4和 K2TiF6的混和物投入A液中,混合盐在高温分解 出T利B,它们反应原位生成TiB2,去除浮于液 稀释度 图1SHS示意图 面的反应副产物后,可将含TiB2的A液浇铸成铝 1 Schematic diagram of SHS 锭 1.1.2放热反应法 1.1.4接触反应法 放热反应法即XD( Exot hermit Deposition)法是 我国哈尔滨工业大学等单位在SHS法和XD 由美国于1987年开发的一项利用放热反应在金属法的基础上,开发了接触反应法,接触反应法是一种 或金属间化合物基体中原位分散金属间化合物、陶制备MMCs的新工艺,并申请了中国专利.其工艺 瓷颗粒或晶须的原位复合技术,其基本原理是,步骤主要是取Al、Ti、C粉末按比例混匀压成预制 把含有反应剂元素的合金粉末混合均匀或把反应剂块,用钟罩将预制坯压入A4Si合金液中,Ti和C直 元素与基体金属或合金以粉末态混合均匀,将混合ˆ接原位反应生成ˆ颗粒,再采用杋械搅拌,使颗 物加热到基体金属或合金的熔点以上的温度,这时粒分布均匀,然后将合金液浇铸得到Ti/A复合 反应剂元素在体中发生放热化学应生成合伞山材料:无湘等人采目此法制备T2A4.仓M MCp 的一种低成本快速制备工艺
燃烧合成有 两种: 自蔓延高温合成模式和热爆合成模式
两种 反应模式均是利用物质间自身化学反应所释放的反 应热, 在极短的时间内合成所需的化合物, 其差别仅 在于所用工艺的不同 [ 1]
自蔓延高温合成法( 简称 SHS) 是前苏联科学家 M erzhanov 等人发明的 [ 2] , 这 种工艺适合制备生成焓高的化合物, 即将能强烈放 热反应生成增强相的粉末原料和基体粉末混匀压成 坯, 在粉坯一端高能点火, 由于熔融金属覆盖未熔粉 末, 使反应界面显著增大并且放出极高的热量, 反应 便自发地向另一端蔓延燃烧, 直至反应全部完成, 同 时增强相形成元素在熔融金属中扩散原位反应析出 增强相颗粒 [ 3]
SHS 法最初用来制备细微陶瓷颗 粒, 80 年代末开始被应用于陶瓷 M MCp 的制备 [ 4]
根据燃烧波的传播方式, 可将燃烧反应分为自蔓燃 和热爆两种方式
而自蔓燃根据燃烧波的稳定性又 可分为稳态和非稳态两种方式
M unir 等人 [ 5] 通过 对燃烧方式的研究, 建立了 SHS 图( 如图 1 所示) , 并从理论上给出了图中各个区域的边界
SHS 图可 以为实际生产工艺的制定提供理论指导, 如生产磨 料时, 为了获得大尺寸颗粒, 工艺参数就应选择在 SHS 图中热爆与稳态 SHS 交界处靠 SHS 一侧的高 温区域; 生产烧结用粉末时, 在保证转化率的前提 下, 为了获得尺寸细小的颗粒, 应选择稳态 SHS 和 非稳态 SHS 交界处的非稳态 SHS 的低温区域
图 1 SHS 示意图 Fig . 1 Schematic diagram of SHS 1
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2 放热反应法 放热反应法即 XD( Exothermic Deposition) 法是 由美国于 1987 年开发的一项利用放热反应在金属 或金属间化合物基体中原位分散金属间化合物、陶 瓷颗粒或晶须的原位复合技术 [ 6]
其基本原理是, 把含有反应剂元素的合金粉末混合均匀或把反应剂 元素与基体金属或合金以粉末态混合均匀, 将混合 物加热到基体金属或合金的熔点以上的温度, 这时 反应剂元素在熔体中发生放热化学反应, 生成合金 或陶瓷粒子
如利用 Cu-Al 合金粉末和 CuO 粉末 为原料, 采用 XD 法可制取 Cu-Al2O3 原位复合材 料 [ 7 ]
严学华等人分析了 Cu-Al 原位反应的机 理 [ 8 ]
XD 法将整体压坯快速加热至基体熔点以上 的高温, 一方面保证增强颗粒的快速原位合成; 另一 方面, 液态基体金属的形成, 使产物变得致密
目前, 已用 XD 法原位反应生成 Al2O3 和 Al3 Ti 复合增强的铝基复合材料 [ 9]
另外, 美国还采用 XD 技术得到的
-钛铝化合物通过熔模铸造工艺做成 有关部件, 如透平叶片、透平增压器和其他旋转部 件,其密度较小, 可减少上述部件的离心力
同时 SiO2 粉末与Al 粉制成坯体用 XD 法制备了 Al2 O3
Al 复合材料 [ 10]
该技术具有很多优点: ( 1) 增强相的种类多, 包括硼化物、碳化物、硅 化物; ( 2) 增强相粒子的体积百分比可以通过控制反 应剂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价热温度 控制, 生成的粒子粒径明显小于其他铸造态和粉末 冶金复合材料中的增强相粒子的粒径; ( 4) 可以制备各种 M MCp 和 IMCp( 金属间化 合物基复合材料) ; ( 5) 由于反应是在熔融状态下进行的, 可以进 一步近终形成形
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3 混合盐反应法 混合盐反应法( M ixed salt Reaction) 是英国 LSM 公司开发的专利技术 [ 11] , LSM 公司在其已有 的铝合金晶粒细化技术基础上开发出来的一种铝基 复合材料的制备方法
具体工艺是, 将 KBF4 和 K2TiF6 的混和物投入 Al 液中, 混合盐在高温分解 出[ Ti] 和[ B] , 它们反应原位生成 TiB2 , 去除浮于液 面的反应副产物后, 可将含 TiB2 的 Al 液浇铸成铝 锭 [ 1 2]
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4 接触反应法 我国哈尔滨工业大学等单位在 SHS 法和 XD 法的基础上, 开发了接触反应法, 接触反应法是一种 制备 MM Cs 的新工艺, 并申请了中国专利
其工艺 步骤主要是取 Al、Ti、C 粉末按比例混匀压成预制 块, 用钟罩将预制坯压入A-l Si 合金液中, Ti 和 C 直 接原位反应生成 TiC 颗粒, 再采用机械搅拌, 使颗 粒分布均匀, 然后将合金液浇铸得到 TiCp
Al 复合 材料
王湘等人采用此法制备了 TiCp
ZA43 复合 58 江 苏 大 学 学 报( 自 然 科 学 版) 第 24 卷