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