《热加工工艺》2005年第4期 综述 12增强颗粒的影响 搅拌铸造法 如何使颗粒增强相在金属基体中均匀分布,并且 固体分散法{流变铸造法 保证颗粒增强相在金属基体中能够和基体结合良好是 螺旋挤压法 制备金属基复合材料首要解决的问题。陶瓷颗粒增强 颗粒增强金喷射沉积法了雾化共沉积 喷射条带 相基本上是选择ALO3、SC、ZO2、Mg、SiN4、SO2、 基复合材料 挤压铸造 wC、BC等。选择陶瓷颗粒增强相并不是随意的,不 液态浸渗法了气压浸渗 仅要考虑颗粒增强相的应用条件、制备工艺,而且还要 无压浸渗 XD工艺 考虑材料的成本等因素。选择最多的是AO3和S 原位复合法了自蔓延反应 因为这两种增强相具有优异的性能,见表1。 气液反应 表1AO3和SC的物理性能 图1颗粒增强金属基复合材料的制备方法 「弹性模量「密度热膨胀 拌铸造技术上取得突破,并申请了一项专利。搅拌铸 造法有两种:真空搅拌铸造法和非真空搅拌铸造法 SC|420~4503.2 真空搅拌铸造法就是在真空状态下,采用搅拌的方法 A30439%701003使基体熔液和增强相混和,之后进行浇注的方法。 颗粒本身的尺寸和形状对制备工艺的影响如下 袁广江等人用真空搅拌铸造法成功地制备出 (a)颗粒尺寸颗粒尺寸越小,颗粒的表面积越20p%s颗粒增强A356基复合材料。李明伟等l 大,表面能就越大,颗粒的团聚的情况就越来越严重 从真空度、搅拌杆的形状、搅拌时间浇注方式等方面 (b)颗粒形状当颗粒为圆形时,颗粒的周边应探讨了降低搅拌铸造法制造铝基复合材料的孔隙率的 变分布均匀且应变较小随着颗粒的尖锐化,尖角部分措施。搅拌铸造法有很多优点,如成本低,便于一次 的应力会集中,而且会越来越严重;与此同时,颗粒周形成复杂的工件,所需设备相对简单,能够适应批量生 边的应变分布会逐渐变得不均匀在颗粒的尖角部分产。但是仍然存在一些问题,如在搅拌的过程中陶瓷 会出现应变集中,随着颗粒的尖角角度越来越小,应变颗粒的偏聚问题、陶瓷颗粒在液体中分布的均匀性问 集中越来越严重。这就会引起颗粒的尖角处原位塑性题、界面反应问题等。另外,非真空搅拌铸造时,在搅 大大降低。 拌的过程中容易引入气体,致使产品内部产生气孔 13金属基体和增强体颗粒之间的润湿性 同时利用这种方法制取金属基复合材料时,颗粒增强 要使增强相颗粒进入到金属基体中,细化晶粒改相的体积分数会受到限制。 善复合材料的综合性能,必须改善增强颗粒和金属基 (2)挤压铸造法此法制备金属基复合材料是很 体之间的润湿性,否则增强体颗粒无法进入到金属基成熟的一种方法。挤压铸造法首先是将增强体作成预 体中,起不到细化晶粒,改善复合材料综合性能的作制块,放入模具,再浇入基体合金熔液,随后加压,使基 用。通常可以对增强颗粒进行表面处理、添加合金元体熔液渗入预制块成锭。日本丰田公司采用挤压铸造 素等途经改善二者的润湿性。这一点将在下面讨论。法制备了A!O3晶须增强铝基复合材料并将其应用到 汽车活塞上,这是铝基复合材料首次在工业上得到应 2颗粒增强金属基复合材料的制备方法用。张雪囡等利用挤压铸造的方法成功制备了SC 金属基复合材料发展至今,人们一直对金属基复晶须和纳米SC颗粒混杂增强铝基复合材料。结果发 合材料的有效制备方法、金属基体与增强体之间的界现,晶须与纳米颗粒分布均匀,并与基体合金的界面结 面反应规律、控制界面反应的途径等进行了大量的研合良好,无界面反应物和孔洞。与基体相比,复合材料 究工作,取得了许多重要的成果大大推动了金属基复的抗拉强度和弹性模量都明显得到提高。挤压铸造有 合材料的发展和应用。颗粒增强金属基复合材料发展以下优点:生产周期短,易于大批量生产,可以制备出 至今的制备方法有很多种,见图1,本文仅介绍以下几形状和最终制品的形状相同或相似的产品;液态金属 种常用的方法 浸渗的时间短,冷却速度快,可以降低乃至消除颗粒界 (1)搅拌铸造法该法是将增强体加入到基体金面反应;增强相的体积分数可调范围大。但是挤压铸 属液中,通过高速旋转的搅拌器使液相和固相混合均造不易制备形状复杂的制件,当浸渗压力很大时,对模 匀,然后浇入到铸型中。这种方法的关键环节是将增具和所制件的完整性有很大的影响 强体均匀分布于基体中,并且使基体和增强相之间有 (3)半固态搅熔复合法此法是在金属合金处于 良好的界面结合。早在1986年,美国的Skbω就在搅半固态的情况下,通过搅拌使增强相颗粒和金属合金 2 01994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights res servedhttp://www.cnki.net1. 2 增强颗粒的影响 如何使颗粒增强相在金属基体中均匀分布 ,并且 保证颗粒增强相在金属基体中能够和基体结合良好是 制备金属基复合材料首要解决的问题。陶瓷颗粒增强 相基本上是选择 A l2O3、SiC、ZrO2、MgO、Si3N4、SiO2、 WC、B4 C等。选择陶瓷颗粒增强相并不是随意的 ,不 仅要考虑颗粒增强相的应用条件、制备工艺 ,而且还要 考虑材料的成本等因素。选择最多的是 A l2O3 和 SiC, 因为这两种增强相具有优异的性能 ,见表 1。 表 1 Al2O3 和 S iC的物理性能 增强相 弹性模量 /GN·m 22 密度 /g·cm 23 热膨胀系 数 /10 26 K 21 比热容 /J·kg 21 K 21 热导率 /W·m 21 K 21 泊松 比 SiC 420～450 3. 2 4. 3 840 10～40 (1 100℃) 0. 17 A l2O3 380～450 3. 96 7. 0 1 050 5～10 (1 000℃) 0. 25 颗粒本身的尺寸和形状对制备工艺的影响如下 : ( a)颗粒尺寸 颗粒尺寸越小 ,颗粒的表面积越 大 ,表面能就越大 ,颗粒的团聚的情况就越来越严重。 ( b)颗粒形状 当颗粒为圆形时 ,颗粒的周边应 变分布均匀且应变较小 ,随着颗粒的尖锐化 ,尖角部分 的应力会集中 ,而且会越来越严重 ;与此同时 ,颗粒周 边的应变分布会逐渐变得不均匀 ,在颗粒的尖角部分 会出现应变集中 ,随着颗粒的尖角角度越来越小 ,应变 集中越来越严重。这就会引起颗粒的尖角处原位塑性 大大降低。 1. 3 金属基体和增强体颗粒之间的润湿性 要使增强相颗粒进入到金属基体中 ,细化晶粒 ,改 善复合材料的综合性能 ,必须改善增强颗粒和金属基 体之间的润湿性 ,否则 ,增强体颗粒无法进入到金属基 体中 ,起不到细化晶粒 ,改善复合材料综合性能的作 用。通常可以对增强颗粒进行表面处理、添加合金元 素等途经改善二者的润湿性。这一点将在下面讨论。 2 颗粒增强金属基复合材料的制备方法 金属基复合材料发展至今 ,人们一直对金属基复 合材料的有效制备方法、金属基体与增强体之间的界 面反应规律、控制界面反应的途径等进行了大量的研 究工作 ,取得了许多重要的成果 ,大大推动了金属基复 合材料的发展和应用。颗粒增强金属基复合材料发展 至今的制备方法有很多种 ,见图 1,本文仅介绍以下几 种常用的方法 : (1)搅拌铸造法 该法是将增强体加入到基体金 属液中 ,通过高速旋转的搅拌器使液相和固相混合均 匀 ,然后浇入到铸型中。这种方法的关键环节是将增 强体均匀分布于基体中 ,并且使基体和增强相之间有 良好的界面结合。早在 1986年 ,美国的 Skibo就在搅 图 1 颗粒增强金属基复合材料的制备方法 拌铸造技术上取得突破 ,并申请了一项专利。搅拌铸 造法有两种 :真空搅拌铸造法和非真空搅拌铸造法。 真空搅拌铸造法就是在真空状态下 ,采用搅拌的方法 使基体熔液和增强相混和 ,之后进行浇注的方法。 袁广江等人 [ 3 ]用真空搅拌铸造法成功地制备出 20vol% SiC颗粒增强 A356基复合材料。李明伟等 [ 4 ] 从真空度、搅拌杆的形状、搅拌时间、浇注方式等方面 , 探讨了降低搅拌铸造法制造铝基复合材料的孔隙率的 措施。搅拌铸造法有很多优点 ,如 :成本低 ,便于一次 形成复杂的工件 ,所需设备相对简单 ,能够适应批量生 产。但是仍然存在一些问题 ,如在搅拌的过程中陶瓷 颗粒的偏聚问题、陶瓷颗粒在液体中分布的均匀性问 题、界面反应问题等。另外 ,非真空搅拌铸造时 ,在搅 拌的过程中容易引入气体 ,致使产品内部产生气孔。 同时利用这种方法制取金属基复合材料时 ,颗粒增强 相的体积分数会受到限制。 (2)挤压铸造法 此法制备金属基复合材料是很 成熟的一种方法。挤压铸造法首先是将增强体作成预 制块 ,放入模具 ,再浇入基体合金熔液 ,随后加压 ,使基 体熔液渗入预制块成锭。日本丰田公司采用挤压铸造 法制备了 A l2O3 晶须增强铝基复合材料并将其应用到 汽车活塞上 ,这是铝基复合材料首次在工业上得到应 用。张雪囡 [ 5 ]等利用挤压铸造的方法成功制备了 SiC 晶须和纳米 SiC颗粒混杂增强铝基复合材料。结果发 现 ,晶须与纳米颗粒分布均匀 ,并与基体合金的界面结 合良好 ,无界面反应物和孔洞。与基体相比 ,复合材料 的抗拉强度和弹性模量都明显得到提高。挤压铸造有 以下优点 :生产周期短 ,易于大批量生产 ;可以制备出 形状和最终制品的形状相同或相似的产品 ;液态金属 浸渗的时间短 ,冷却速度快 ,可以降低乃至消除颗粒界 面反应 ;增强相的体积分数可调范围大。但是挤压铸 造不易制备形状复杂的制件 ,当浸渗压力很大时 ,对模 具和所制件的完整性有很大的影响。 (3)半固态搅熔复合法 此法是在金属合金处于 半固态的情况下 ,通过搅拌使增强相颗粒和金属合金 《热加工工艺 》 2005年第 4期 综 述 63