金属基复合材料的制备方法

金属基复合材料的制备技术摘要：现代科学技术的发展和工业生产对材料的要求日益提高，使普通的单一材料越来越难以满足实际需要。复合材料是多种材料的统计优化，集优点于一身，具有高强度、高模量和轻比重等一系列特点。尤其是金属基复合材料(MMCs)具有较高工作温度和层间剪切强度，且有导电、导热、耐磨损、不吸湿、不放气、尺寸稳定、不老化等一系列的金属特性，是一种优良的结构材料。Abstract:Thedevelopmentofmodernscienceandtechnologyandindustrialproductionofmaterialsrequirementsincreasing,theordinarysinglematerialismoreandmoredifficulttomeettheactualneeds.Compositematerialisavarietyofstatisticaloptimization,setmeritinabody,hastheadvantagesofhighstrength,highmodulusandlightspecificgravityandaseriesofcharacteristics.Especiallythemetalmatrixcomposite(MMCs)hasthehighworkingtemperatureandinterlaminarshearstrength,andaconductive,thermalconductivity,wearresistance,moisture,donotbleed,dimensionalstability,agingandaseriesofmetalproperties,isakindofstructuralmaterial.关键词：复合材料(Compositematerial)、发展概况(Developmentsituation)、金属基复合材料(Metalbasecompositematerial)、发展前景(Developmentprospect)正文：一：复合材料简介复合材料是由两种或两种以上不同物理、化学性质的物质以微观或宏观的形式复合而成的多相材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。②夹层复合材料。③细粒复合材料。④混杂复合材料。[1]二：金属基复合材料简介(1)定义：金属基复合材料是以金属或合金为基体，以高性能的第二相为增强体的复合材料。它是一类以金属或合金为基体,以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒状组分为增强相的非均质混合物,其共同点是具有连续的金属基体。(2)分类：按增强体类型分为：1.颗粒增强复合材料；2.层状复合材料；3.纤维增强复合材料按基体类型分为：1.铝基复合材料；2.镍基复合材料；3.钛基复合材料；4.镁基复合材料按用途分为：1.结构复合材料；2.功能复合材料（3）性能特征：金属基复合材料的性能取决于所选用金属或合金基体和增强物的特性、含量、分布等。综合归纳金属基复合材料有以下性能特点。A．高比强度、比模量B.良好的导热、导电性能C．热膨胀系数小、尺寸稳定性好D．良好的高温性能和耐磨性E．良好的断裂韧性和抗疲劳性能F．不吸潮、不老化、气密性好三发展概况：近20多年来，金属基复合材料一直是人们深入研究的对象，很多金属被考虑作为可能的集体材料。包括锂（Li）、镁（Mg）、硅（Si）、铝（Al）、钛（Ti）、铜（Cu）镍（Ni）、锌（Zn）等。轻金属最具有应用潜力，这主要是因为复合材料的比强度有很重要的使用意义。很多制备金属基复合材料的方法被人们提出，并得到发展完善以致工业应用。根据基体合金的状态，大致可以分为固态扩散法、粉末冶金法、熔铸法几大类。熔铸法由于工艺成本低，因而得到广泛的研究与应用。常见的较为成熟的工艺主要有挤压铸造，半固态复合铸造，以及浸渗法。金属基复合材料可以分为两大类，连续增强型和非连续增强型复合材料。有人指出，金属基复合材料发展的未来前景主要在于非连续增强，特别是SiC[1]四、金属基复合材料的研究现状1．金属基复合材料的界面金属基复合材料的界面问题一直是困扰本领域工作者的重大问题．因为金属基复合材料的界面有三种类型，而且界面以五种不同的方式结合，所以界面区结构非常复杂．虽然多数金属基复合材料是以界面反应的形式结合，但是反应的程度受工艺方法及温度参数的影响极大，同时由于界面区尺寸仅为纳米级，从而使分析表征工作困难很大．2.金属基复合材料的凝固过程金属的凝固过程已经研究得比较成熟，但金属基复合材料的凝固过程由于增强体的存在使基体金属的凝固过程变得复杂，难以套用现有的金属凝固理论．实际上由于增强体的存在，其凝固过程中的温度场和浓度场、晶体生长的热力学和动力学过程都会发生变化。同时一般凝固过程均处于非平衡条件下，因此流体的流动行为、溶质的再分配规律以及凝固体的组织形态也有相应的变化。3.非连续增强金属基复合材料的制备科学非连续增强体（颗粒、短纤维、晶须）增强的金属基复合材料，由于其制造工艺较简单，价格相对低廉，所以在汽车、纺织等民用工业中初步获得应用，特别是SiC颗粒增强和硅酸铝（或莫来石）短纤维增强的复合材料现在已有一定的生产规模。4.金属基复合材料的原位复合金属基复合材料的原位复合工艺基本上能克服其它工艺中通常出现的一系列问题，如基体与增强体浸润不良，界面反应产生脆性层，增强体分布不均匀，特别是对微小的（亚微米和纳米级）增强体极难进行复合等，作为一种具有突破性的新工艺方法而受到普遍的重视，并广泛开展了研究工作。其中包括直接氧化法、无压力浸润法、自蔓延法和在金属中已有研究基础的原位共晶生长法等。五、金属基复合材料的制备（一）粉末冶金复合法粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法、烧结制坯加塑法加工成形法等适合于分散强化型复合材料（颗粒强化或纤维强化型复合材料）的制备与成型。粉末冶金复合法的工艺主要优点是：基体金属或合金的成分可自由选择，基体金属与强化颗粒之间不易发生反应；可自由选择强化颗粒的种类、尺寸，还可多种颗粒强化；强化颗粒添加量的范围大；较容易实现颗粒均匀化。缺点是：工艺复杂，成本高；制品形状、尺寸受限制；微细强化颗粒的均匀分散困难；颗粒与基体的界面不如铸造复合材料等。（二）铸造凝固成型法铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。主要方法有搅拌铸造法、液相渗和法和共喷射沉积法等。铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点，工业应用较广泛。1、原生铸造复合法原生铸造复合法（也称液相接触反应合成技术LiquidContactReaction：LCR）是将生产强化颗粒的原料加到熔融基体金属中，利用高温下的化学反应强化相，然后通过浇铸成形。这种工艺的特点是颗粒与基体材料之间的结合状态良好，颗粒细小（0.25～1.5μm），均匀弥散，含量可高达40%，故能获得高性能复合材料。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A1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。2、搅拌铸造法搅拌铸造法也称掺和铸造法等，是在熔化金属中加入陶瓷颗粒，经均匀搅拌后浇入铸模中获得制品或二次加工坯料，此法易于实现能大批量生成，成本较低。该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗粒的组合受限制。原因有两方面：①强化颗粒与熔体基本金属之间容易产生化学反应；②强化颗粒不易均匀分散在铝合金一类的合金熔体中，这是由于陶瓷颗粒与铝合金的润滑性较差，另一个问题是陶瓷颗粒容易与溶质原子一起在枝晶间产生偏析。3、半固态复合铸造法半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达0.2%左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌则使树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中，这种颗粒状非枝晶的微组织在固相率达0.5%～0.6%仍具有一定的流变性。液固相共存的半固态合金因具有流变性，可以进行流变铸造；半固态浆液同时具有触变性，可将流变铸锭重新加热到固、液相变点软化，由于压铸时浇口处及型壁的剪切作用，可恢复流变性而充满铸型。强化颗粒或短纤维强化材料加入到受强烈搅拌的半固态合金中，由于半固态浆液球状碎晶粒对添加颗粒的分散和捕捉作用，既防止颗粒的凝聚和偏析，又使颗粒在浆液中均匀分布，改善了润湿性并促进界面的结合。4、含浸凝固法（MI技术）含浸凝固法是一种将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体含浸于熔融基体金属之中，让基体金属浸透预成型体后，使其凝固以制备复合材料的方法。有加压含浸和非加压含浸两种方法。含浸法适合于强化相与熔融基体金属之间润湿性很差的复合材料的制备。强化相含量可高达30%～80%；强化相与熔融金属之间的反应得到抑止，不易产生偏折。但用颗粒作强化相时，预成形体的制备较困难，通常采用晶须、短纤维制备预成形体。熔体金属不易浸透至预成形体的内部，大尺寸复合材料的制备较困难。5、离心铸造法广泛应用于空心件铸造成形的离心铸造法，可以通过两次铸造成型法成形双金属层状复合材料，此方法简单，具有成本低、铸件致密度高等优点，但是界面质量不易控制，难以形成连续长尺寸的复合材料。6、加压凝固铸造法该法是将金属液浇注铸型后，加压使金属液在压力下凝固。金属从液态到凝固均处于高压下，故能充分浸渗，补缩并防止产生气孔，得到致密铸件。铸、锻相结合的方法又称挤压铸造、液态模锻、锻铸法等。加压凝固铸造法可制备较复杂的MMCs零件，亦可局部增强。由于复合材料易在熔融状态下压力复合，故结合十分牢固，可获得力学性能很高的零件。这种高温下制成的复合坯，二次成型比较方便，可进行各种热处理，达到对材料的多种要求。7、热浸镀与反向凝固法热浸镀与反向凝固法都是用来制备连续长尺寸包覆材料的方法。热浸镀主要用于线材的连续镀层，主要控制通过镀层区的长度和芯线通过该区的速度等。反向凝固法是利用薄带作为母带，以一定的拉速穿过反向凝固器，由于母带的速度远远低于熔融金属的速度，在母带的表面附近形成足够大的过冷度，熔融金属以母带表面开始凝固生长，配置在反向凝固器上方的一对轧辊，同时起到拉坯平整和焊合的作用。8、真空铸造法真空铸造法是先将连续纤维缠绕在绕线机上，用聚甲丙烯酸等能分解的有机高分子化合物方法制成半固化带，把预成型体放入铸型中，加热到500℃使有机高分子分解。铸型的一端浸入基体金属液，另一端抽真空，将金属液吸入型腔浸透纤维。（三）喷射成形法喷射成形又称喷射沉积（SprayForming），是用惰性气体将金属雾化成微小的液滴，并使之向一定方向喷射，在喷射途中与另一路由惰性气体送出的增强微细颗粒会合，共同喷射沉积在有水冷衬底的平台上，凝固成复合材料。凝固的过程比较复杂，与金属的雾化情况、沉积凝固条件或增强体的送入角有关，过早凝固不能复合，过迟的凝固则使增强体发生上浮下沉而分布不匀。这种方法的优点是工艺快速，金属大范围偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免复合材料发生界面反应，增强体分布均匀。缺点是出现原材料被气流带走和沉积在效应器壁上等现象而损失较大，还有复合材料气孔率以及容易出现的疏松。利用喷射成形原理制备工艺有添加法（inertsprayform-ing）和反应法（reactivesprayforming）两种。OspreyMetals研究的Osprey工艺是喷射成形法的代表，其强化颗粒与熔融金属接触时间短，界面反应得以有效抑制。反应喷射沉积法是使强化陶瓷颗粒在金属雾或基体中自动生成的方法。（四）叠层复合法叠层复合法是先将不同金属板用扩散结合方法复合，然后采用离子溅射或分子束外延方法交