顆粒增強金屬基復(fù)合材料制備加工中幾個概念的探討

王承志 ，劉鳳國 ，李玉海 ，黃 勇 ，袁曉光

（1.沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

與金屬材料、無機材料和有機高分子材料等相比較，復(fù)合材料由于其組元性質(zhì)、尺度和空間分布的可設(shè)計性以及制備加工工藝的多樣性，從而在宏觀上表現(xiàn)出優(yōu)于單一材料的獨特性能，因而成為研究的熱點之一。尤其是金屬基復(fù)合材料，由于具有高比強度、高比模量、小的熱膨脹系數(shù)、高的尺寸穩(wěn)定性、良好的高溫強度、耐磨性、疲勞性能[1]、便于利用已有成熟工藝，因而備受關(guān)注，每年都有大量的研究成果問世。但是也同時出現(xiàn)了一些需要重新審視的問題，因此本文針對成本低、最具工業(yè)化應(yīng)用價值的顆粒增強金屬基復(fù)合材料，就其中幾個問題進行初步的探討。

1 復(fù)合的概念

復(fù)合材料區(qū)別于單一材料的本質(zhì)特征就在于“復(fù)合”。按照現(xiàn)代漢語的解釋，“復(fù)合”是指：合在一起;結(jié)合起來。這一解釋既反映了“過程和手段”（合在一起），又描述了合在一起后的“結(jié)果”（結(jié)合起來）。比如復(fù)合材料制備中，通過某種方法使增強體進入基體（合在一起），但不止于此，增強體與基體必須“結(jié)合起來”（因而產(chǎn)生增強體與基體的界面，這有別于不同成分的粉末材料均質(zhì)化的“混合”及其結(jié)果——“混合物”）。因此，“復(fù)合材料”這一術(shù)語中的“復(fù)合”既可以理解為是一種“結(jié)果”，同時也是獲得復(fù)合材料的工藝“過程”之一。關(guān)于復(fù)合材料，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的定義。如上所述，至少在顆粒增強金屬基復(fù)合材料的范疇內(nèi)，以下兩種描述似乎更為貼切：（1）由兩種或兩種以上的材料經(jīng)一定的復(fù)合工藝制造出來的一種新型材料；（2）或者說復(fù)合材料就是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料通過復(fù)合工藝組合而成的復(fù)相材料。但后一種“通過復(fù)合工藝組合而成”中的“復(fù)合”與“組合”從中文的角度看是一種重復(fù)。而“復(fù)合”與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization）對復(fù)合材料的定義（由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料）中的“組合”相比較，對顆粒增強金屬基復(fù)合材料而言，似乎前者的工程意義更明顯。

2 固態(tài)復(fù)合

一些復(fù)合材料的文獻中，根據(jù)增強顆粒進入金屬或合金基體時，基體金屬或合金處于液態(tài)或者半固態(tài)，而將“復(fù)合”分為“液態(tài)復(fù)合”和“半固態(tài)復(fù)合”。當(dāng)然從物理本質(zhì)上講，其實這兩者都是“固-氣界面”被“液-固界面”所替代的過程（浸濕：immersional weitting）（圖1a）。作為這種分類的一種自然延伸，可以有“固態(tài)復(fù)合”的概念。從界面的角度分析，所謂“固態(tài)復(fù)合”就是“固-氣界面”被“固-固界面”所替代的過程（圖1b）。順便指出，本文所說“固態(tài)復(fù)合”一詞，其范疇僅限于顆粒增強金屬基復(fù)合材料，不包括軋制復(fù)合、擠壓復(fù)合、爆炸復(fù)合等層狀復(fù)合材料。

圖1 液態(tài)復(fù)合與固態(tài)復(fù)合

作為“固態(tài)復(fù)合”的例子，比如：

1）球磨

采用高能球磨工藝制備復(fù)合材料時，增強顆粒與金屬或合金粉末組成一個脆性/延性體系。混料時，在硬質(zhì)磨球的撞擊作用下，軟金屬產(chǎn)生塑性變形由球狀逐漸變形為薄片狀，同時增強顆粒會嵌入軟金屬當(dāng)中，如果表面嵌有增強顆粒的薄片發(fā)生彎曲并最終合攏產(chǎn)生折疊包覆（圖2a），或者兩個表面已經(jīng)嵌入增強顆粒的金屬顆粒相碰撞產(chǎn)生壓合或焊合時（圖2b），增強顆粒便會被固態(tài)金屬所包覆，完成固態(tài)復(fù)合過程。當(dāng)然，增強顆粒在外力作用下，直接嵌入金屬顆粒也是一種固態(tài)復(fù)合的方式（圖2a）。高能球磨的產(chǎn)物為復(fù)合粉體，復(fù)合粉體經(jīng)冷壓或熱壓便得到塊體復(fù)合材料；也可以將球磨后的復(fù)合顆粒直接加入到液態(tài)金屬（或液態(tài)合金）中制備復(fù)合材料。此時的固態(tài)復(fù)合（球磨）可以理解為是一種“預(yù)復(fù)合”，而把復(fù)合顆粒加入到液態(tài)金屬中的操作，則屬于“液態(tài)復(fù)合”。圖3為球磨工藝中幾個固態(tài)復(fù)合的例子。a）球磨后，細(xì)小的SiC硬顆粒嵌入到較大尺寸的Al顆粒表面[2];b）鋁粉顆粒在沖擊下的延展和卷曲折疊不斷將SiC顆粒均勻地彌散在鋁粉顆粒的內(nèi)部[2];c）球磨過程中，扁平的A1顆粒相互碾壓、冷焊，同時，顆粒不斷嵌入其中，形成多層的復(fù)合材料層片結(jié)構(gòu)[3];d）具有冷焊條紋的B4Cp/Al復(fù)合粉末[4]。

圖2 球磨工藝中的固態(tài)復(fù)合（▲代表增強顆粒）

圖3 球磨工藝中固態(tài)復(fù)合的例子

2）熱壓、熱擠壓

很多基于粉末的復(fù)合材料制備工藝流程中，包括了對粉體的壓制操作。比如粉末熱壓或熱等靜壓（熱壓過程包括了壓制和燒結(jié)兩個過程）以及粉末熱擠壓（粉末或壓坯的熱擠壓、半固態(tài)擠壓）等工序中均涉及到固態(tài)復(fù)合。根據(jù)基體粉末成分的不同，固態(tài)復(fù)合的具體方式可以有：

（1）增強顆粒與基體合金粉末的固態(tài)復(fù)合；

（2）增強顆粒與基體合金金屬元素粉末的固態(tài)復(fù)合；

（3）增強顆粒與基體合金主元素金屬粉末的固態(tài)復(fù)合。

上述第二種方式可稱為“多元素固態(tài)復(fù)合”，而第三種方式可稱為“單元素固態(tài)復(fù)合”。因而第三種方式，也可以看作第二種方式的特例。雖然后兩種方式屬于“包含”關(guān)系，這里之所以被單獨提出，主要是由于第三種方式具有“預(yù)復(fù)合”的特殊應(yīng)用。所謂“預(yù)復(fù)合”，以SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料為例，進行具體說明。對均勻混合的增強顆粒與基體合金主元素金屬粉末進行冷壓制得冷壓坯，然后再對冷壓坯進行熱壓，基體合金主元素金屬粉末受熱后塑性大大增強，甚至局部出現(xiàn)少量液態(tài)，在壓制力作用下，金屬被擠入增強顆粒表面的凹槽、微裂縫或微孔中（圖4），從而使增強顆粒與金屬在縫紉效應(yīng)（或錨合效應(yīng)）作用下，緊緊包裹住增強顆粒而實現(xiàn)固態(tài)復(fù)合。其后，可以將熱壓后的“預(yù)復(fù)合塊”加入到液態(tài)鋁合金中，并施以攪拌，這時原先增強顆粒四周的金屬雖然會因熔化而脫落，但在毛細(xì)力和范德瓦耳斯力以及液態(tài)合金靜壓力等的共同作用下，增強顆粒表面仍會保留一薄金屬層，即處于“包覆顆?！睜顟B(tài)，由于包覆顆粒與液態(tài)鋁合金屬于“金屬/金屬界面”，因此極大改善了SiC顆粒對液態(tài)鋁合金的潤濕性，從而可順利實現(xiàn)SiC顆粒與鋁合金的復(fù)合[6]。文獻[7]介紹，將熱壓后的“粉末預(yù)制塊”（即預(yù)復(fù)合塊）加入到液態(tài)純鋁中制備SiC/Al復(fù)合材料，并將該工藝稱為“粉末預(yù)制塊重熔稀釋法”，其道理也完全相同。從這種意義上講，此處的預(yù)復(fù)合（固態(tài)復(fù)合）的作用是使單一顆粒變成包覆顆粒，因此也可以視為一種對SiC顆粒的表面預(yù)處理（類似于SiC顆粒高溫氧化處理后其表面形成SiO2層）。

圖4 酸洗后SiC顆粒表面形貌SEM照片[5]

圖5 熱壓工藝中的固態(tài)復(fù)合

圖6 熱擠壓工藝中的固態(tài)復(fù)合

通過熱壓完成的復(fù)合可稱為熱壓復(fù)合（圖5）。通過擠壓完成的復(fù)合可稱為熱擠壓復(fù)合（圖6，圖中黑色方塊代表增強粒子，白色方塊代表金屬或合金粉末）。擠壓前，增強顆粒被基體金屬顆粒所包圍，擠壓過程中兩者均發(fā)生流動，其中塑性基體顆粒產(chǎn)生大變形，并出現(xiàn)新鮮表面，同時在擠壓力的作用下兩相鄰表面被焊合，夾于其間的增強顆粒被緊密包裹而實現(xiàn)復(fù)合。和尺寸。當(dāng)然，也存在“復(fù)合-成形”一體化（即復(fù)合與成形基本同時完成）的情況，而復(fù)合材料性能的獲得則貫穿于復(fù)合、成形的全過程。

表1為復(fù)合材料常用“復(fù)合”與“成形”工藝。由表1可見，由于復(fù)合工藝和成形工藝種類均很多，所以兩者的結(jié)合使得金屬基復(fù)合材料的“復(fù)合-成形”工藝組合更具多樣化特征。需要說明的是，根據(jù)粉末冶金原理，“成形”是先于“燒結(jié)”的基本工藝過程之一。其中“成形”過程主要是“冷壓制”過程，粉末經(jīng)冷壓后，使金屬粉末密實成具有一定形狀、尺寸、孔隙度和強度的坯塊，該坯塊屬于顆粒聚集體（顆粒界），尚不具備所要求的性能，只有經(jīng)“燒結(jié)”，才能成為同時具有規(guī)定形狀、尺寸和所需性能的復(fù)合材料零件。所以，本文將“燒結(jié)”過程同時列入了“復(fù)合”和“成形”工藝（復(fù)合成形一體化），而將粉末冶金中的“成形”（冷壓），作為復(fù)合過程中的一個輔助性工藝（如冷壓→冷壓坯→熱壓（固態(tài)復(fù)合）→復(fù)合材料零件）。

表1 復(fù)合工藝與成形工藝

需要說明的是：（1）表1左側(cè)一列為“復(fù)合”工藝，而右側(cè)一列為“成形”工藝，如前所述，可以將復(fù)合材料制備加工工藝命名規(guī)則定義為“復(fù)合-成形”的形式，如“攪拌鑄造法”，其中“攪拌”為“復(fù)合”工藝，“鑄造”為“成形”工藝；（2）表1中列出的復(fù)合成形工藝并非全部，而且劃分不一定都科學(xué)合理，故僅供參考；（3）在表中“復(fù)合”、“成形”兩列中以同名列出的工藝，一般可以理解為“復(fù)合-成形”一體化工藝，即在成形過程中完成復(fù)合。如，“燒結(jié)”過程既是復(fù)合過程，又是消除孔隙、材料致密化獲得最終尺寸、形狀和性能的過程。再如，“浸滲”和“真空吸鑄”，既是復(fù)合過程又是液態(tài)金屬充填過程（充填過程屬于成形過程的一部分）。

4 結(jié)束語

本文針對顆粒增強金屬基復(fù)合材料的制備與加工中幾個問題進行了初步的分析探討，主要是提出了固態(tài)復(fù)合的概念，并給出了幾種固態(tài)復(fù)合的例子，歸納了復(fù)合與成形的關(guān)系。希望對復(fù)合材料的研究有所助益，并歡迎同行們提出批評意見。

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