材料导报 1995,N95 内调整。⑧在保持材料较好的韧性和髙温性氧化生成一层氧化膜〔如A!2O3、TiO 能的同时,可较大幅度地提高材料的强度和ZrO2),里层金属液再通过氧化层逐渐向表 弹性模量。④具有工艺简便,成本低的特征,层扩散,到达表面时金属液中少量金属便被 并且可制得形状复杂、尺寸大的构件,被认为氧化,进而逐渐蔓延开来,最终形成金属氧化 是最有前途实现产业化的工艺技术之 物增强的金属基复合材料或金属增韧的陶瓷 2金属基复合材料反应合成技术的发基复合材料CMC)其中所形成的氧化物易 展现状 呈网状或骨骼状 Khatri等8利用DMOX法研制出 2.1反应铸造工艺 Al2O3增强的AlCu-Mg、A1Ni、Al-Si-Mg 反应铸造法是将含有复合元素的原材料和ASi-Zn合金基复合材料,其中Al2O3/ 如气体、陶瓷颗粒、金属或盐粒等)加入熔融A1-Ni和Al2O3/AI-Cu更适合于高温使用。 金属液中,采用一定的工艺手段使之与金属研究认为合金液中加入少量Si、Mg是为了 液中的某些元素反应,在金属内部原位生成改变A2O3的生成速度,以最终调节A2O3 所需的增强相,而后浇注成型的方法。根据外含量。如以Cu、Ni代Si,并且同时升高熔体 加组分状态的不同,主要有气一液反应、固—温度,就能增加Al2O3的相对含量。印度 液反应和加盐反应三种反应模式。 Hadapan0和西班牙 Narciso等0利用 2.1.1气一液反应法 DMOX技术成功研制出了Al2O3-SiC颗粒 将氧化性气体(如CH4、N2或空气)通入增强的铝基复合材料,从而避免了SC颗粒 熔融金属或合金液中,使之与熔体中的个别与铝液发生界面反应而产生有害相A1,C3的 组元反应,生成稳定的高强度、高弹性模量的问题,其反应原理式如下: 碳化物、氮化物或氧化物,最终冷却凝固获得 SC+3/2O2=SO2+CO↑ 这种陶瓷颗粒增强的金属基复合材料,其中 siO2+Al→Al2O3+Si 典型反应类型有 关于DMOX技术的A1O3生长机制, CH4+Ti=TiC+2H2↑ Newkirk1于1986年提出了“通道”模型。但 Al+1/2N,=AIN 直接熔体氧化陶瓷的形成是一种非常规性的 Ti+1/2N,=TiN 金属氧化现象,是由气、液、固相同时参与的 Khatri等研究了利用CH4气体与Al 种类似晶体生长的复杂行为,其确切机制 Ti熔体反应生成TC/Al复合材料的复合工尚在进一步研究中 艺。美国 Lanxi公司和日本学者 Makoto2.1.2固一液反应生成法 等研究并开发了一种利用N2(或NH3)与 (1)直接合成法。将碳粉或硼粉加入一定 铝液反应而获得AN/AI复合材料的复合工温度下的金属或合金熔体中并搅拌,或与某 艺。与Al-Ti合金液反应还可得到AN和种金属粉混合加入,使碳或硼与金属液反应 TiN增强的金属基复合材料。同时,他们还生成碳化物或硼化物强化粒子。反应类型有: 发现在合金液体中加Mg、Li等元素,有利于 Ti+2B= TiB, 降低液态铝的表面能,并能增强新生成的陶 Ti+C=TiC 瓷粒子与铝液的相容性 Premkumar12利用钛与碳的反应原理 直接熔体氧化( Direct Melt Oxidation)研制成功了TiC/Al复合材料。 Johns 法,简称DMOX或 DIMOX、DMO法,也是son11通过向铝合金液中添加Ti、B粉(按 利用气液反应的原理,让高温熔融金属液(如 定比例配料)并搅拌从而获得TiB2/Al复 AI、Ti、zr等)暴露在空气中,使其表面首先合材料,同时发现在其复合熔体冷却形核时, S1994-2013ChinaacAdemicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net材料 导 报

, 塑
内调 整 。
在保持 材料 较好 的韧性和 高温 性 能的 同时 , 可较大幅度地 提 高材 料的 强 度 和 弹性模量 。
具 有工 艺简 便 , 成 本低 的特 征 , 并且可 制得形状 复杂 、 尺 寸大 的构件 , 被 认为 是 最有 前途实 现产业 化 的工 艺技术之 一 。
金属基复合材料反应合成技术 的发 展现状


反应铸造工艺 反应 铸造法 是将含 有复合元 素的 原材 料
如 气体 、 陶瓷颗 粒 、 金 属或 盐粒等
加 入熔 融 金 属液 中 , 采 用一 定 的工 艺 手 段 使之 与 金 属 液 中 的某些元 素 反 应 , 在 金 属 内 部原 位 生 成 所需 的增 强相 , 而后 浇注成 型 的方法 。 根据 外 加组 分状 态的 不同 , 主要 有气一 液反 应 、 固一 液 反应和 加盐 反应三 种 反应模 式 。




气一 液反应 法 将 氧化性 气体
如


、

或空气
通 入 熔 融 金 属或 合金 液 中 , 使 之 与熔 体 中 的个 别 组 元反 应 , 生成 稳定 的高 强度 、 高 弹性模量 的 碳 化物 、 氮化 物或 氧化物 , 最终 冷 却凝 固获 得 这 种 陶 瓷颗 粒 增强 的 金 属 基复合材 料 , 其 中 典型反 应类 型有







十 ZH : 个 A I十 1/2N 2一 A IN T i十 1/2N 2一T IN K h at ri 等[s1 研 究了利 用 C H ‘ 气体 与 Al - Ti 熔体反 应生成 TI C /Al 复合材料 的复 合 工 艺 。 美国 L an xid 公 司[6〕和 日本 学者 M ak o to 等 [7j 研 究 并 开 发 了一 种 利 用 N :(或 N H 3 )与 铝液反 应而 获得 A IN /A I复合材料 的复 合 工 艺 。 与 AI 一 Ti 合金 液 反 应还 可得 到 A IN 和 TI N 增强 的金 属 基复合材 料 。 同 时 , 他 们还 发现 在合金液 体中 加 M g 、 L i 等元 素 , 有利 于 降低 液 态 铝 的表 面能 , 并能 增 强新 生 成 的 陶 瓷粒 子与铝液的相 容性 。 直 接 熔 体氧 化 (D i reet M elt O x id ati o n ) 法 , 简称 D M O X 或 D IM O X 、 D M O 法 , 也 是 利 用气液 反应的原 理 , 让高 温熔 融金属 液 (如 A I 、 Ti 、 z : 等)暴 露 在 空 气 中 , 使 其 表 面 首 先 氧 化 生 成 一 层 氧 化 膜 (如 A 1 2 0 3、 T I O Z 、 Zr O Z ) , 里 层金 属 液再 通 过 氧化 层 逐 渐 向表 层 扩散 , 到 达表 面 时金 属 液 中 少量 金属 便 被 氧 化 , 进 而逐渐 蔓延开 来 , 最 终形 成 金属 氧化 物 增强 的金属 基复合材 料 或金 属增 韧 的陶瓷 基复 合材料 (C M C ) 。 其 中所形 成 的氧 化物易 呈 网状 或骨骼 状 。 K h a t r i 等〔‘〕利 用 D M O x 法 研 制 出 了 A l : 0 3 增 强 的 A l 一 C u 一 M g 、 A I 一 N i 、 A I 一 5 1 一 M g 和 A I 一 Si 一 Z n 合 金 基 复 合 材 料 , 其 中 A ! 2 0 3 / A 卜N i 和 A I : 0 3 /A 卜C u 更 适 合于 高 温 使 用 。 研 究 认 为合 金 液 中 加 入 少 量 Si 、 M g 是 为 了 改 变 A 1 2 O : 的 生 成速 度 , 以 最 终调 节 Al : 0 3 含 量 。 如 以 C u 、 Ni 代 Si , 并 且 同时 升 高熔 体 温 度 , 就 能 增 加 A 1 2 O 3 的 相 对 含 量 。 印 度 D h and apani[, 〕和 西 班 牙 N arei so 等[’0 〕利 用 D M O X 技 术 成 功 研 制 出 了 A 1 2 O 3一 SI C 颗 粒 增 强 的 铝基 复合 材 料 , 从 而 避免 了 SI C 颗 粒 与铝液 发 生界面 反 应而 产生 有害相 A I ; C : 的 间题 , 其反应 原理 式如 下 : 5 iC + 3 /20 2一 5 10 2 + C O 个 5 10 2 + A I~ A 1 2 0 3十 5 1 关 于 D M O X 技 术 的 A 1 2 O : 生 长 机制 , N e w k i r k [ , , 〕于 19 56 年提 出 了 “ 通道 ” 模型 。 但 直接熔 体氧 化陶 瓷的形成是 一种 非 常规性 的 金属 氧 化现 象 , 是 由 气 、 液 、 固 相 同 时 参与的 一种 类 似 晶体生长的 复 杂行为 , 其 确 切机 制 尚在进一步 研究 中 。 2 . 1 . 2 固一 液 反应 生成 法 (1) 直 接合成 法 。 将碳 粉或硼 粉加入 一定 温度 下的 金属 或合金 熔体中 并搅拌 , 或与某 种金 属 粉混合加 入 , 使 碳或 硼 与金 属 液 反应 生成 碳化物 或硼 化物强 化粒 子 。 反应 类 型有 : T i十 Z B = T IB Z T i+ C 二 T IC P re m k u m a r [ , “〕利 用 钦与 碳 的 反 应 原理 研 制 成 功 了 TI C /A I 复 合 材 料 。 Jo h ns - s o n [ ’‘一 ’‘〕通 过 向铝合金 液 中添加 T i 、 B 粉 (按 一 定 比例 配 料 )并搅拌 从而 获 得 TI B Z /A I复 合材 料 , 同时 发现在 其复 合熔 体冷 却形 核时 ,