金屬復(fù)合材料的分類及制造技術(shù)研究進(jìn)展

楊志國

摘 要： 由于我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，對金屬材料使用性能設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)也更加嚴(yán)格。當(dāng)前的單一金屬材料已經(jīng)無法符合標(biāo)準(zhǔn)需求，金屬復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。其具備單一金屬材料缺少的高性能特點(diǎn)，得到了許多行業(yè)的親睞?，F(xiàn)簡要分析金屬復(fù)合材料的分類和制造技術(shù)，力求為今后的相關(guān)工作提供可靠的參照。

關(guān)鍵詞：金屬復(fù)合材料 分類 制造技術(shù)

中圖分類號(hào)：TG1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2016）05-0292

金屬復(fù)合材料的制造技術(shù)是其廣泛運(yùn)用的前提，同樣是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。金屬復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù)相對復(fù)雜，直接關(guān)系到材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高質(zhì)量性以及經(jīng)濟(jì)性。隨著金屬復(fù)合材料在各個(gè)領(lǐng)域中的大量運(yùn)用，其生產(chǎn)工藝?yán)碚撘搏@得了很大程度的進(jìn)步，具備非常廣闊的發(fā)展前景[1]。

一、金屬復(fù)合材料的分類

1.顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

此類材料主要借助顆粒本身的強(qiáng)度，基體能夠?qū)㈩w粒有效整合，顆粒均直徑高于1微米，彌散強(qiáng)化的沉降容積比為90%左右。增強(qiáng)體顆粒通常為：碳化硅、三氧化二鋁、碳化鈦、二硼化鈦、鎳鋁合金、碳化硅、陶瓷、石墨以及金屬顆粒等。這種復(fù)合材料具備均質(zhì)性，顆粒的成本較低，來源較多、生產(chǎn)技術(shù)多樣話，且容易成形與生產(chǎn)的一類金屬基復(fù)合材料。所有金屬復(fù)合材料內(nèi)，此類材料的應(yīng)用范疇最廣泛。不但在航空航天和軍事方面大量應(yīng)用，還在交通運(yùn)輸行業(yè)、微電子行業(yè)以及核領(lǐng)域大量應(yīng)用。

2.連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

其主要借助無機(jī)纖維和金屬細(xì)線使金屬變成輕質(zhì)量高強(qiáng)度的金屬材料。當(dāng)前各類增強(qiáng)金屬材料中，連續(xù)纖維具備最顯著的增強(qiáng)成效與更好的剛性。其具備顯著的各向異性，可其復(fù)合與制造技術(shù)復(fù)雜且難以把握，所以，生產(chǎn)成本高。這種材料通常在航空航天中應(yīng)用[2]。

3.短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

短纖能夠分成天然纖維與短切纖維兩類。天然纖維通常指某些植物與菌類纖維，長通常35-150毫米之間。短切纖維通常借助長纖維切割獲得，長在1-50毫米之間。和連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料相比，其成本更低。和基體合金比較，其具備更高的比強(qiáng)度、比剛度以及耐磨性能，各向異性則很大程度低于連續(xù)纖維。短纖維復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)通?！?0%。在汽車和電力領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

4.晶須增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

這種復(fù)合材料和連續(xù)纖維金屬基復(fù)合材料比較，各向異性非常低。和短纖維復(fù)合材料比較，其性能較好。但晶須在金屬復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)通?！?0%。其通常在航空航天中的飛機(jī)結(jié)構(gòu)和推桿方面廣泛應(yīng)用。

5.混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

將以上幾類增強(qiáng)模式實(shí)行有機(jī)結(jié)合則產(chǎn)生了混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。其混雜整合能夠分成以下幾類：①顆粒-短纖維；②顆粒-連續(xù)纖維；③連續(xù)纖維-連續(xù)纖維。對短纖維金屬基復(fù)合材料或者晶須金屬復(fù)合材料進(jìn)行預(yù)制的時(shí)候，容易發(fā)生粘結(jié)和團(tuán)聚問題，顆粒的合理添加則能夠消除此類現(xiàn)象。和一般金屬基復(fù)合材料比較，該材料能夠很大程度提升復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度，進(jìn)而有效提升復(fù)合材料的力學(xué)性能[3]。

二、金屬復(fù)合材料的制造技術(shù)研究

1.液相復(fù)合制造技術(shù)

1.1攪拌復(fù)合制造技術(shù)

攪拌復(fù)合制造技術(shù)也可以稱為攪拌鑄造方法，主要借助機(jī)械設(shè)備進(jìn)行攪拌，使顆粒增強(qiáng)體和液金屬充分混合，之后常規(guī)壓力鑄造生產(chǎn)出金屬基復(fù)合材料部件。其能夠分成漩渦制造技術(shù)與Duralcan制造技術(shù)。這種制造技術(shù)的優(yōu)勢主要是應(yīng)用常規(guī)熔煉工具，其成本較低，并能夠生產(chǎn)精密性部件?？善湟廊淮嬖谝恍┤毕荩热?，鑄造過程中，生產(chǎn)階段氣體和雜物極易混進(jìn)，顆粒不均衡的散布。此外，生產(chǎn)需更多的時(shí)間與更高的溫度，金屬和顆粒彼此非常容易出現(xiàn)界面反應(yīng)，顆粒增多則會(huì)導(dǎo)致金屬液體的黏性提升，導(dǎo)致顆?；爝M(jìn)變形區(qū)域，增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)通?！?5%。

1.2浸滲復(fù)合制造技術(shù)

此類制造技術(shù)主要包含高壓浸滲、低壓浸滲以及無壓浸滲幾類，這種生產(chǎn)技術(shù)以及在生產(chǎn)豐田汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞中廣泛應(yīng)用。金屬液體浸滲制造技術(shù)屬于一類生產(chǎn)高體積分?jǐn)?shù)金屬基復(fù)合材料的主要技術(shù)，具備很好的效果?？善湟灿蓄A(yù)制體形變、不均衡微觀構(gòu)造、晶粒規(guī)格較大以及界面反應(yīng)等問題。以下對幾種浸滲復(fù)合材料制造技術(shù)進(jìn)行分析。①擠壓制造技術(shù)。這種制造技術(shù)就是把增強(qiáng)體復(fù)合材料變成有形且具備相當(dāng)強(qiáng)度的預(yù)制塊，之后把液體金屬浸滲到預(yù)制塊內(nèi)，保持壓力進(jìn)行凝固。這種生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)勢為：金屬浸滲和塊體凝固速度更快、生產(chǎn)成效更高、生產(chǎn)成本更低以及能夠批量制造?？蓱?yīng)用這種生產(chǎn)技術(shù)制造的部件結(jié)構(gòu)與規(guī)格遭到設(shè)備與壓力的影響較大，在距離沖頭更遠(yuǎn)的地點(diǎn)極易產(chǎn)生塊體結(jié)構(gòu)疏松問題。在把握充型速率，集渣以及塊體排氣方面的缺陷；②氣壓浸滲生產(chǎn)技術(shù)。這種生產(chǎn)技能可以切實(shí)避免金屬與增強(qiáng)體發(fā)生氧化現(xiàn)象，遏制了界面反應(yīng)問題，優(yōu)化界面，提升了浸潤效果，降低了塊體發(fā)生疏松問題的可能性。因生產(chǎn)階段氣壓≤10MPa，因此，部件不會(huì)出現(xiàn)裂縫?？傻蛪航B很難生產(chǎn)大型的零部件，制造的成效較差，且制造技術(shù)更復(fù)雜，生產(chǎn)時(shí)間也更長；③無壓浸滲生產(chǎn)技術(shù)。這種生產(chǎn)技術(shù)在液體金屬無外界壓力與真空的環(huán)境中，自主浸滲到預(yù)制塊的孔隙中，凝固后得到細(xì)密的金屬基復(fù)合材料。這種生產(chǎn)技術(shù)的成本很低，能夠生產(chǎn)相對復(fù)雜的部件，不需利用抗高溫的生產(chǎn)模具。如果浸滲性較強(qiáng)的金屬，能夠添加阻尼圖層，以避免嚴(yán)重增長，保證復(fù)雜的薄壁構(gòu)造近無余量鑄造。這種生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)美國企業(yè)壟斷，且美國政府不允許其進(jìn)行轉(zhuǎn)讓[4]。

1.3噴射共沉積復(fù)合制造技術(shù)

這種生產(chǎn)技術(shù)避免了生產(chǎn)階段含氧量較高、界面反應(yīng)較大的問題。該技術(shù)的特征為：迅速冷卻階段粒子不容易發(fā)生不均勻散布，且可以切實(shí)遏制界面反應(yīng)的出現(xiàn)。因沖擊破碎作用，原子的進(jìn)入能夠生產(chǎn)亞微米顆粒，等到更有效的性能，特別是高溫耐性?？缮a(chǎn)技術(shù)所需的相關(guān)設(shè)備更加復(fù)雜，難以有效控制。增強(qiáng)相規(guī)格通常為細(xì)小的顆粒，較大的顆粒與非連續(xù)纖維極易阻塞住噴口。

1.4熔體原位復(fù)合制造技術(shù)

這種制造技術(shù)產(chǎn)生的增強(qiáng)體通常是陶瓷相，還能夠生產(chǎn)金屬間化合物，主要是顆粒和晶須之類。主要包含原位合成技術(shù)、接觸式反應(yīng)技術(shù)、直接氧化技術(shù)、氣-液反應(yīng)技術(shù)以及反應(yīng)噴射沉積技術(shù)幾類。應(yīng)用此類生產(chǎn)技術(shù)能夠使增強(qiáng)體外面和基體之間的界面整潔、沒有雜質(zhì)。界面為原位復(fù)合材料、其結(jié)合性較佳，增強(qiáng)體在基體內(nèi)分布更加均衡，增強(qiáng)體規(guī)格同樣更小。

2.固相復(fù)合制造技術(shù)

2.1粉末冶金制造技術(shù)

這種制造技術(shù)主要應(yīng)用熱壓或者熱靜壓方式促使材料復(fù)合，進(jìn)而生產(chǎn)出復(fù)合塊體。這種生產(chǎn)技術(shù)對基體與增強(qiáng)體的要求較低，其體積分?jǐn)?shù)非常容易進(jìn)行調(diào)整，正是鑄造方式所不具備的。此外，通過對增強(qiáng)體進(jìn)行反復(fù)加工使其均衡分布，晶粒細(xì)微，性能較好。

2.2擴(kuò)散結(jié)合制造技術(shù)

這種制造技術(shù)是在小于基體熔點(diǎn)的溫度中進(jìn)行高壓，借助對基體出現(xiàn)塑性形變、蠕性形變和擴(kuò)散作用，使基體之間、基體和增強(qiáng)體之間密切整合，進(jìn)而獲得徹底壓實(shí)的復(fù)合材料。這種生產(chǎn)技術(shù)可以切實(shí)遏制材料界面反應(yīng)，消除潤濕性缺陷。主要用來生產(chǎn)連續(xù)型纖維復(fù)合材料。可其只可以制造平板形狀或者低曲率板不復(fù)雜的部件[5]。

3.固液兩相區(qū)制造技術(shù)

3.1流變鑄造制造技術(shù)

這種制造技術(shù)主要對固-液兩相區(qū)的金屬體進(jìn)行攪拌，產(chǎn)生粘性較低的漿液，并添加陶瓷顆粒。借助半固態(tài)觸變作用將增強(qiáng)相分散，避免顆粒發(fā)生沉浮現(xiàn)象，確保顆粒彌散性散布在熔體內(nèi)?？善渚哂袛嚢枇鞒贪娜咳毕?，只在凝固區(qū)間相對更快的金屬中適用，同樣不可遏制界面反應(yīng)與顆粒不均勻散布現(xiàn)象。

3.2固液兩相區(qū)熱壓制造技術(shù)

這種制造技術(shù)具備流變性特征，能夠?qū)嵭辛髯兩a(chǎn)。半固態(tài)漿具備觸變特征，能夠把流變錠再次加溫到需要的軟化性，傳送到壓鑄機(jī)內(nèi)進(jìn)行加工。因壓鑄階段澆口部位的剪切影響，能夠恢復(fù)流變作用，進(jìn)而充分進(jìn)行鑄型。顆粒增強(qiáng)體添加到攪拌的半固態(tài)漿液內(nèi)，因半固態(tài)合金內(nèi)的球形碎晶顆粒對加入粒子具有分離與捕捉的功能，不僅避免了加入顆粒的沉浮與聚集，還能夠促進(jìn)加入顆粒在半固態(tài)漿液內(nèi)的均勻散布，提升了潤濕性，推動(dòng)界面整合。

總結(jié)：綜上所述，金屬復(fù)合材料在許多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，對金屬基復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行研究是當(dāng)前的主要工作。盡管已經(jīng)進(jìn)行了許多研究分析，可依然有許多不足，產(chǎn)業(yè)化程度還很低。所以，需加強(qiáng)科研力度，降低制造成本，以切實(shí)提升金屬基復(fù)合材料的質(zhì)量，并廣泛的應(yīng)用在更多的領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)

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