金屬基復(fù)合材料的分類及制造技術(shù)研究進(jìn)展

陳素玲，孫學(xué)杰

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，四川 德陽(yáng) 618000)

金屬基復(fù)合材料的分類及制造技術(shù)研究進(jìn)展

陳素玲，孫學(xué)杰

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，四川 德陽(yáng) 618000)

研究金屬基復(fù)合新材料是當(dāng)代新材料技術(shù)領(lǐng)域中的重要內(nèi)容之一。金屬基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、較好的耐熱性和更低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)金屬基復(fù)合材料的制備工藝不完善、成本高、難形成大規(guī)模的生產(chǎn)等弱點(diǎn)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)工作的研究狀況，從金屬基復(fù)合材料的分類、性能特點(diǎn)以及制成品的制備技術(shù)與應(yīng)用方面，對(duì)其領(lǐng)域內(nèi)取得的研究成果進(jìn)行了總結(jié)和分析。評(píng)述了金屬?gòu)?fù)合材料的制備技術(shù)和目前存在的問(wèn)題，探討了我國(guó)金屬基復(fù)合材料未來(lái)的研究重點(diǎn)。

金屬基復(fù)合材料；分類；制備技術(shù)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，對(duì)材料性能的要求也越來(lái)越高，現(xiàn)有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、低密度的單一材料已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足使用要求。為此，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者采用復(fù)合技術(shù)將不同性能的材料復(fù)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，得到單一材料無(wú)法比擬的、綜合性能優(yōu)越的新型復(fù)合材料[1-3]。復(fù)合材料是以一種材料為基體，另一種材料為增強(qiáng)體，通過(guò)復(fù)合工藝形成的材料。它克服了單一材料的某些弱點(diǎn)，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使之綜合性能優(yōu)于原組成材料，從而滿足各種不同的要求[4-6]。與普通單增強(qiáng)相復(fù)合材料相比，其沖擊強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。復(fù)合材料的種類繁多，按其基體材料不同可分為金屬基、樹脂基和陶瓷基復(fù)合材料。

目前，金屬基復(fù)合材料是我國(guó)應(yīng)用較為廣泛、發(fā)展迅速的復(fù)合材料。它采用金屬或合金為基體，以纖維、晶須、顆粒等為增強(qiáng)體，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和良好的復(fù)合工藝，使基體和增強(qiáng)體之間取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮了各自的性能及工藝優(yōu)勢(shì)[7-8]。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料往往具有更高的比強(qiáng)度(強(qiáng)度和密度之比)、比模量(模量和密度之比)，更好的耐熱性以及更低的熱膨脹系數(shù)。迄今為止，由于金屬基復(fù)合材料的制備工藝不完善、成本高等因素，導(dǎo)致難以大規(guī)模生產(chǎn)[9-10]?；诖?，本研究結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究狀況，總結(jié)分析了金屬基復(fù)合材料的分類、性能特點(diǎn)、制備技術(shù)等方面的研究成果，重點(diǎn)評(píng)述金屬?gòu)?fù)合材料的制備技術(shù)和目前存在的問(wèn)題，并探討了金屬基復(fù)合材料未來(lái)的研究重點(diǎn)。

1 金屬基復(fù)合材料的分類和性能

金屬基復(fù)合材料除力學(xué)性能優(yōu)異外，還具有某些特殊性能和良好的綜合性能，應(yīng)用范圍廣泛。依據(jù)基體合金的種類可分為：輕金屬基復(fù)合材料、高熔點(diǎn)金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物基復(fù)合材料。按增強(qiáng)相形態(tài)的不同可劃分為：連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、混雜增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料[11-13]。以下從基體、增強(qiáng)體以及復(fù)合材料的性能應(yīng)用等方面，分別予以評(píng)述。

1.1 合金基體復(fù)合材料性能

鋁、鎂、鈦、銅合金及金屬間化合物合金是目前應(yīng)用廣泛、發(fā)展迅速的輕金屬合金。用其制成的各種高比強(qiáng)度、高比模量的輕型結(jié)構(gòu)件廣泛地應(yīng)用于航天、航空和汽車工業(yè)等領(lǐng)域[14]。

鋁基復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌性、導(dǎo)熱性較好的性能特點(diǎn)，且鋁基復(fù)合材料適用的制備方法多，易于塑性加工，制造成本低。與鋁基復(fù)合材料相比，鎂基復(fù)合材料最大的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量更輕，多用于航天、空間等對(duì)構(gòu)件質(zhì)量有嚴(yán)格要求的高技術(shù)領(lǐng)域[15-18]。銅的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和塑性在金屬中名列前茅，屬于廉價(jià)金屬，但在銅中加入增強(qiáng)體可提高其強(qiáng)度、剛度、耐熱性和降低熱膨脹系數(shù)，所以銅基復(fù)合材料有良好的導(dǎo)熱性可有效地傳熱散熱，能減少構(gòu)件受熱后產(chǎn)生的溫度梯度，主要用于電力工業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)。鋁基復(fù)合材料在溫度高于300℃后，其強(qiáng)度迅速下降，極限工作溫度約350℃，相比之下，鈦基復(fù)合材料比鋁基復(fù)合材料有更高的耐熱性，但成本明顯高于鋁基復(fù)合材料，因此，鈦基復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域主要集中于飛行器及發(fā)動(dòng)機(jī)的耐熱零部件。另有一類主要用于高溫作業(yè)輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)件方面的金屬間化合物基復(fù)合材料，此類復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高溫性能高的特點(diǎn)，故被選用在發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫零部件上，可大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和效率。通常金屬間化合物基復(fù)合材料的增強(qiáng)體有SiC、TiB2、TiC顆粒等，常見的基體有NiAl、TiAl。

1.2 增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體是一些不同幾何形狀的金屬或非金屬材料。目前，其增強(qiáng)相已有很多，重要的有氧化鋁纖維、硼纖維、石墨(碳)纖維、SiC纖維、SiC晶須；顆粒型的有SiC、碳化硼、圖化鈦等；絲狀的有鎢、鈹、硼、鋼等。金屬基復(fù)合材料按其增強(qiáng)材料的幾何形態(tài)可劃分為以下幾類[13]。

(1)連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是利用無(wú)機(jī)纖維(或晶須)及金屬細(xì)線等增強(qiáng)金屬得到質(zhì)量輕且強(qiáng)度高的材料，纖維直徑從3～150μm(晶須直徑小于1μ m)，縱橫比(長(zhǎng)度／直徑)在102以上[19]。在現(xiàn)有的各種類型增強(qiáng)體中，高性能連續(xù)纖維具有最明顯的增強(qiáng)效果和更高的強(qiáng)度及剛度。連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有明顯的各向異性，但連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的復(fù)合和加工工藝獨(dú)特、復(fù)雜、不易掌握和控制，因此該類復(fù)合材料的制造成本很高。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料主要用于較少考慮成本的航天、航空等尖端技術(shù)領(lǐng)域。

(2)短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

作為金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體的短纖可分為天然纖維制品和短切纖維。天然纖維主要是一些植物纖維和菌類纖維索等，長(zhǎng)度一般為35～150 mm；短切纖維一般是由連續(xù)纖維(長(zhǎng)纖維)切割而成，長(zhǎng)度1～50 mm，用于金屬基復(fù)合材料短纖維增強(qiáng)體的材料主要有Saffil-Al2O3、Al2O3-SiO2、SiC等[15]。短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料成本比連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料低得多，與基體合金相比，短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和高耐磨性，其各向異性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)30%。主要用于汽車行業(yè)、電力行業(yè)等。

(3)晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

晶須是指在特定條件下以單晶的形式生長(zhǎng)而成的一種高純度纖維，其原子排列高度有序，幾乎不含晶界位錯(cuò)等晶體結(jié)構(gòu)缺陷，有異乎尋常的力學(xué)性能。作為金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)體使用的晶須使用做多、性能較好的是SiC、SiN4晶須，成本最低的是Al2O3·B2O3晶須。與連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料相比，其各向異性極?。慌c短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比，晶須增強(qiáng)復(fù)合材料的性能更高；而晶須在復(fù)合材料中的體積分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)30%，主要用于航空航天等高新技術(shù)領(lǐng)域，如飛機(jī)架構(gòu)、推桿加強(qiáng)筋等。

(4)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是利用顆粒自身的強(qiáng)度，其基體起著把顆粒組合在一起的作用，顆粒平均直徑在1μ m以上，強(qiáng)化相的容積比可達(dá)90%。常用作金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體的顆粒主要有：SiC、Al2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4等陶瓷顆粒，以及石墨顆粒、甚至金屬顆粒[16]。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是各向同性、顆粒價(jià)格最低、來(lái)源最廣、復(fù)合制備工藝多樣、最易成形和加工的復(fù)合材料。在各種金屬基復(fù)合材料中，顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的使用范圍最廣，不僅包括航空、航天及尖端軍事領(lǐng)域，還適用于交通運(yùn)輸工具、微電子、核工業(yè)等商業(yè)應(yīng)用。

(5)混雜增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料。

對(duì)上述四種單一的增強(qiáng)形式進(jìn)行有機(jī)的組合就形成了混雜增強(qiáng)。增強(qiáng)體的混雜組合可分為三種：顆粒-短纖維(或晶須)、連續(xù)纖維-顆粒、連續(xù)纖維-連續(xù)纖維。在短纖維或晶須的預(yù)制件中，易出現(xiàn)增強(qiáng)的粘結(jié)、團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒的混入可以解決這一問(wèn)題。與單一的增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料相比，可以大幅度提高材料的橫向強(qiáng)度，改善材料的力學(xué)性能。

2 制備工藝與分析

金屬基復(fù)合材料的復(fù)合制備工藝復(fù)雜、技術(shù)難度較大，但制備技術(shù)研究是決定該類材料迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。所以，研究開發(fā)實(shí)用有效的制備方法一直是金屬基復(fù)合材料的重要問(wèn)題之一。目前，雖然已經(jīng)研制出不少?gòu)?fù)合工藝，但都存在一些問(wèn)題。按照制備過(guò)程中基體的溫度，將其工藝分為液相工藝、固相工藝和液-固兩相工藝[20-22]。

2.1 液相復(fù)合工藝

2.1.1 攪拌復(fù)合工藝

攪拌復(fù)合工藝又稱攪拌鑄造法，是通過(guò)機(jī)械攪拌裝置使顆粒爭(zhēng)強(qiáng)體與液態(tài)金屬基體混合，然后通過(guò)常壓鑄造或真空常壓鑄造或壓力鑄造制成復(fù)合材料錠子或零件?？煞譃殇鰷u法和Duralcan法。其中，Surappa和Rohtgi最早采用攪拌法制備，通過(guò)機(jī)械攪拌在熔體中產(chǎn)生渦流引入顆粒。而攪拌工藝取得最重要的突破來(lái)自于Skibo和Schuster開發(fā)的Duralcan工藝[23-24]。

攪拌復(fù)合工藝最大的優(yōu)點(diǎn)在于采用常規(guī)的熔煉設(shè)備，成本低廉，可以制備精密復(fù)雜零件，但仍存在一些問(wèn)題有待解決，如：鑄造缺陷(氣體、夾雜物的混入)，顆粒分布不均勻，另外，復(fù)合需要較長(zhǎng)時(shí)間和較高溫度，基體金屬與顆粒之間易發(fā)生截面反應(yīng)，顆粒的增加會(huì)使金屬熔體的粘度增大，使顆粒再混入變形區(qū)，增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)25%。

2.1.2 浸滲復(fù)合工藝

浸滲工藝包括高壓、氣壓、無(wú)壓浸滲三種，該制備技術(shù)已用于制造Toyoto發(fā)動(dòng)機(jī)活塞。液態(tài)金屬浸滲法是一種制備大體積分?jǐn)?shù)復(fù)合材料的好方法，但是存在預(yù)制塊的變形、微觀結(jié)構(gòu)不均勻、晶粒尺寸粗大和界面反應(yīng)等缺點(diǎn)[25-26]。

(1)擠壓鑄造。

擠壓鑄造是將增強(qiáng)體材料制成一定形狀并有一定強(qiáng)度的預(yù)制體，再將金屬液浸滲到預(yù)制體中，保壓凝固而成。此工藝的最大優(yōu)點(diǎn)在于浸滲、凝固快、效率高、成本低、可大批量生產(chǎn)。但用此工藝制備的零件結(jié)構(gòu)和尺寸很大程度上受到設(shè)備規(guī)模和壓力容量的限制，且在距沖頭較遠(yuǎn)的位置容易形成疏松和氣孔等缺陷。有充型速度的控制，集渣和排氣問(wèn)題。

(2)氣壓浸滲。

氣壓浸滲能有效防止金屬和增強(qiáng)體的氧化，限制了界面反應(yīng)，改善界面，提高了浸潤(rùn)性，減少了出現(xiàn)氣孔等缺陷的幾率。由于其制造過(guò)程氣壓不超過(guò)10 MPa，所以零件不易開裂。但是，低氣壓浸滲難以制造大型件，生產(chǎn)效率低，工藝步驟多，周期長(zhǎng)。

(3)無(wú)壓浸滲。

無(wú)壓浸滲是金屬液體在沒有外壓力和真空的條件下，自發(fā)地滲入預(yù)制體間隙，冷卻凝固獲得致密的復(fù)合材料。該技術(shù)投資小，可制備復(fù)雜薄壁的零件，無(wú)需耐高溫的模具；若浸滲強(qiáng)的金屬，可加阻尼層，限制過(guò)度增長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)的近無(wú)余量制備。該技術(shù)已被美國(guó)Lanxide公司掌控，并被美國(guó)國(guó)防部列為非轉(zhuǎn)讓技術(shù)。

2.1.3 噴射共沉積復(fù)合工藝

噴射共沉積復(fù)合技術(shù)克服了粉末冶金含氧量大、攪拌復(fù)合界面反應(yīng)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。其最大的工藝特點(diǎn)在于快速冷卻過(guò)程粒子不易偏析，同時(shí)界面反應(yīng)也得到有效地抑制；由于沖擊破碎效應(yīng)，微米原子的射入可制成亞微米級(jí)的增強(qiáng)顆粒，獲得更好的綜合性能，尤其是高溫性能。但其工藝設(shè)備復(fù)雜，控制過(guò)程難度大，增強(qiáng)相的尺寸一般是細(xì)微顆粒，大顆粒和不連續(xù)纖維等容易堵塞噴口。

2.1.4 熔體原位復(fù)合工藝

原位復(fù)合工藝生成的增強(qiáng)體一般為陶瓷相，也可以是金屬間化合物，形式多為顆粒、晶須等。其包括放熱彌撒法、接觸反應(yīng)法、直接氧化或淡化法、氣-液反應(yīng)法及反應(yīng)噴射沉積法。用該制備技術(shù)可使增強(qiáng)體表面與基體間的截面潔凈、無(wú)雜質(zhì)污染，界面是原位匹配、結(jié)合良好，且增強(qiáng)體在基體中易于實(shí)現(xiàn)均勻分布，增強(qiáng)體的尺寸也較小。

2.2 固相復(fù)合工藝

2.2.1 粉末冶金法

粉末冶金法采用熱壓或熱靜壓的方法使材料擴(kuò)散復(fù)合，從而制成復(fù)合材料錠塊。該技術(shù)對(duì)基體合金和增強(qiáng)體的限制少，增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)易調(diào)節(jié)控制，這點(diǎn)也是鑄造法難以比擬的，且經(jīng)二次加工增強(qiáng)體分布均勻，基體晶粒細(xì)小，性能穩(wěn)定[27-29]。

2.2.2 擴(kuò)散結(jié)合工藝

擴(kuò)散結(jié)合工藝是在低于基體合金熔點(diǎn)的適當(dāng)溫度下施加高壓，通過(guò)與基體發(fā)生的塑性變形、蠕變以及擴(kuò)散，將基體與基體、基體與增強(qiáng)體緊密結(jié)合，從而得到完全壓實(shí)的金屬基復(fù)合材料的方法。該方法能有效抑制復(fù)合材料的界面反應(yīng)，解決潤(rùn)濕性問(wèn)題，是連續(xù)纖維增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料的主要制備方法。但僅能生產(chǎn)平板狀或低曲率板等形狀簡(jiǎn)單的構(gòu)件。

2.3 固液兩相區(qū)復(fù)合工藝

(1)流變鑄造法。

流變鑄造法是對(duì)處于固-液兩相區(qū)的熔體施加強(qiáng)烈攪拌形成低粘度的半固態(tài)漿液，同時(shí)引入陶瓷顆粒，利用半固態(tài)漿液的觸變特性分散增強(qiáng)相，阻止陶瓷顆粒的下沉或漂浮，保證陶瓷顆粒彌散分布于金屬熔體中，但存在攪拌工藝所有的問(wèn)題，僅適用于凝固區(qū)間較寬的金屬，也存在界面反應(yīng)、顆粒偏析等問(wèn)題。

(2)固液兩相區(qū)熱壓復(fù)合工藝。

固液兩相區(qū)熱壓復(fù)合工藝具有流變性，可進(jìn)行流變鑄造；半固態(tài)漿液具有觸變性，可將流變鑄造錠重新加熱到所要求的固相組分的軟化度，送到壓鑄機(jī)中壓鑄，由于壓鑄時(shí)澆口處的剪切作用，可恢復(fù)其流變性而充滿鑄型，此稱作觸變鑄造。顆粒或短纖維增強(qiáng)材料加入到強(qiáng)烈攪拌的半固態(tài)合金中。由于半固態(tài)漿液中球狀碎晶粒子對(duì)添加粒子的分散和捕捉作用，既防止了添加粒子的上浮、下沉和凝聚，又使添加粒子在漿液中均勻分散，改善了潤(rùn)濕性，促進(jìn)界面結(jié)合。

3 金屬?gòu)?fù)合材料研制的重點(diǎn)與難點(diǎn)

通過(guò)多年研究積累，我國(guó)已在金屬基復(fù)合材料制備過(guò)程方面取得突破性的進(jìn)步，為推動(dòng)復(fù)合材料的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。但我國(guó)金屬基復(fù)合材料制備技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在較大差距，主要是金屬基復(fù)合材料增強(qiáng)體與基體的潤(rùn)濕機(jī)理、增強(qiáng)體與基體的微觀作用機(jī)理等領(lǐng)域研究薄弱，這是嚴(yán)重制約我國(guó)新型金屬基復(fù)合材料研發(fā)的主要因素。故在未來(lái)研究中，應(yīng)基于金屬基體與增強(qiáng)體間發(fā)生的界面反應(yīng)機(jī)理、金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制，開展增強(qiáng)體與基體的潤(rùn)濕機(jī)理，闡明界面反應(yīng)物脆性相對(duì)增強(qiáng)體的損傷程度；并結(jié)合金屬基復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制，探討金屬基復(fù)合材料的凝固過(guò)程，研究增強(qiáng)相與基體的微觀作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)低密度、高強(qiáng)度和比剛度、高溫性能和抗大氣腐蝕性、低熱膨脹系數(shù)的金屬基復(fù)合材料的突破性發(fā)展。

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Classification and manufacturing technologies of metal matrix composites

CHEN Su-ling
，SUN Xue-jie
(Department of Material Science and Engineering，Sichuan Engineering Technical College，Deyang 618000，China)

Studying on metal matrix composite is one of the important tasks in the modern field of new materials technology.In this paper，according to the weaknesses of incompletely manufacturing method，difficult forming and low-production，the research production was generalized and analyzed，which based on the higher specific strength and specific modulus，the best resistance to effect of heat and lower thermal expansion coefficient.Combined with the study condition，the metal matrix composite was studied on the classifications，properties，manufacturing methods and application of metal matrix composite.And the manufacturing technologies and defects were mainly commented,meanwhile,the future researching scope of the metal matrix composites was discussed.

metal matrix composites；classification；manufacturing method

TG421

C

1001-2303(2011)07-0090-05

2011-02-22

陳素玲(1981—)，女，河南洛陽(yáng)人，碩士，主要從事焊接工藝制訂等工作。