金属基复合材料的制备

    近些年来，科技的不断发展和进步，使得传统材料已无法满足多种产业对其比强度、比刚度等性能的要求。高性能材料的研发是现今新科技发展的重要方向，而复合材料的出现在较大程度上解决了材料所面临的问题，促进了材料的发展。复合材料是由２种或２种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成的具有新性能的材料。由于具备较高的比强度和比刚度，金属基复合材料的研究和发展受到了众多行业尤其是重工业的密切关注，然而加工困难是限制其工业应用的瓶颈问题，成本控制问题也并没有得到完全解决，所以更多应用于航空航天、军事科技等尖端科技领域。

 

    近年来，人们通过研究金属基体与增强体之间界面反应的规律、控制界面反应的方法等开发出了多种有效制备金属基复合材料的方法，大大推动金属基复合材料的发展和应用。目前，金属基复合材料的制备方法根据增强相产生的方式不同可分为第二相外加法、原位复合法两类。

 

    第二相外加法就是将增强相加入到基体内来制备复合材料的方法，应用广泛。常见的第二相外加法包括粉末冶金法、铸造凝固成型法和喷射成型法。

 

1、粉末冶金法

 

    粉末冶金法制备复合材料是指将金属基体与增强体粉末混合均匀后压制成型，在低于金属液相线温度下进行烧结，利用原子扩散使金属基体与增强体粉末结合在一起的制备复合材料的方法。粉末冶金法制备复合材料一般包括筛选粉末，基体粉末与增强颗粒混合、粉末预压、热压、二次加工４个步骤。粉末冶金法常见的二次加工方法有挤压，轧制等，二次加工可实现对制件的致密化处理并达到最终成型的目的。其优点在于：可以自由选择基体金属成分和强化颗粒的种类、尺寸；复合温度低，基体金属不易与强化颗粒进行反应，充分发挥各原料特性；颗粒强化均匀，强化颗粒添加范围大，还可实现多种颗粒共同强化。

 

图1.我司生产的（左）sps烧结炉（右）真空烧结炉

 

2、铸造凝固成型法

 

    铸造凝固成型法是将基体金属加热到熔融状态，再使其与增强相进行复合从而得到金属基复合材料的方法。利用铸造凝固成型法制备金属基复合材料，所需成本低，工艺过程简单易于控制，得到的制件质量好，应用较为广泛。常用的方法有搅拌铸造法和挤压铸造法。搅拌铸造法是一种常见的制备金属基复合材料方法，它通过机械搅拌的方法使处于熔融状态的金属基体与增强相混合，来制取复合材料。搅拌铸造法由于较低的成本和简单的工艺流程而受到了广泛关注，其设备投入少，制件进行二次加工来作为超塑性变形的预处理工艺，可进一步提高其性能。搅拌铸造法可用于生产大体积制件，便于进行大规模生产，不论是在高端科技的航空航天领域，还是在汽车、机械工业等民用领域，都有大量的应用实例。挤压铸造是一种利用高压作用，使液态金属或半固态金属充型凝固的精确铸造方法。利用液态模锻来制备金属基复合材料，就是将增强相预成型、加热后浇入金属液或熔体，将模具压下后加压，冷却得到金属基复合材料制件。

 

图2. 铸造成型生产的零件

 

3、喷射成型法

 

    喷射成型法是一种新型的金属成型工艺，利用金属快速凝固技术，将熔融金属雾化喷射，沉积后直接得到金属坯件，又称为喷射沉积。喷射成型法在２０世纪８０年代被引入制备复合材料，由于其普遍的适应性而得到快速发展。利用喷射成型技术制备金属基复合材料，是利用稀有气体将熔融金属雾化进行喷射，与另一端由稀有气体输送的增强相混合，在水冷衬底平台沉积，形成复合材料制件。

 

    原位复合法也称反应合成技术，是一种制备金属基复合材料的新型方法。不同于一些传统制备复合材料工艺，原位复合法并不需要外加增强相，而是利用一些特殊反应使增强相在金属基体中自己生成，从而避免了增强相在复合材料中的偏聚现象。在原位复合法制备复合材料的过程中，增强相可以共晶形式凝固析出，得到的复合材料称为定向凝固共晶复合材料；也可通过金属基体、合金熔体中相应元素和加入的元素进行反应得到，称为反应自生成复合材料。由于增强相的形核和长大都是在基体内完成的，因此增强相与基体之间不存在物理、化学性质不相容的现象，相互之间润湿效果好，结合强度高，不需要对增强相进行预处理，保证了它的纯净度。

 

图3. 原位复合法制备金属—有机骨架材料示意图

 

    目前，越来越多的金属基复合材料的制备方法正在被研发出来。除了文中提到的几种常见的方法外，还包括含浸凝固法、热浸镀与反向凝固法、叠层复合法等多种复合方法，但由于其技术以及成本的限制，还并没有被广泛应用。随着进一步的研究，相信更多的复合材料制备方法将问世，必将促进金属基复合材料的普及和发展。相对于传统的金属或合金材料，金属基复合材料的制造成本偏高且工艺比较复杂。对于民用工业企业来说，高昂的生产研发成本是制约金属基复合材料进行规模化应用生产的最大问题。因此，若要使其实现产业化、规模化，就需要进一步研究制备方法，开发新型的制备工艺，以此降低成本，增强金属基复合材料在材料市场上的竞争力。

 

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