顆粒增強鋁基復合材料的研究現(xiàn)狀

楊 佳，曹風江，譚建波

（1.河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊 0500l8；2.滄州職業(yè)技術學院，河北滄州 06l000）

·綜 述·

顆粒增強鋁基復合材料的研究現(xiàn)狀

楊 佳l，曹風江2，譚建波l

（1.河北科技大學材料科學與工程學院，河北石家莊 0500l8；2.滄州職業(yè)技術學院，河北滄州 06l000）

復合材料是一種重要的工程材料，具有優(yōu)異的力學性能。顆粒增強鋁基復合材料是眾所周知的復合材料之一，具有優(yōu)異的性能，如高強度、硬度、剛度、耐磨性和耐疲勞性，因此成為了20世紀最具有發(fā)展前途的材料之一。本文綜述了顆粒增強鋁基復合材料的研究現(xiàn)狀，從基體、增強顆粒的選擇，復合材料的制備方法、影響復合材料制備的因素及解決方法等方面進行了詳細闡述，并且針對目前面對的問題，提出了以后的發(fā)展方向。

鋁基復合材料；基體；增強顆粒；制備方法；潤濕性

復合材料是將兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料通過物理或化學的方法在宏觀或微觀上復合而成的具有優(yōu)良性能的新材料，新材料具有組成材料的互補性能[l]。根據(jù)復合材料的基體不同，復合材料可以分為：陶瓷基復合材料、金屬基復合材料和樹脂基復合材料[l]。根據(jù)復合材料的增強相不同可分為：顆粒增強復合材料和纖維增強復合材料[l]。其中顆粒增強鋁基復合材料是2l世紀最具有發(fā)展前途的先進材料之一。該種復合材料具有高比強度、高比剛度、高比模量、低密度以及良好的高溫性能，并且顆粒增強鋁基復合材料耐磨、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)低、導熱性能良好[2～4]。與纖維增強鋁基復合材料相比，顆粒增強鋁基復合材料價格低，并且各向同性、克服了纖維損傷、微觀組織不均勻和纖維與纖維接觸反應帶大等問題[5]。目前常用的顆粒增強鋁基復合材料的基體有純鋁和鋁合金[l]，常用的增強顆粒有 SiC、Al2O3、TiC、Si3N4、B4C、石墨等[6，7]。

對于粒度的選擇，理論上粒度越細，顆粒彌散程度越好，復合材料的性能越好，但是顆粒越細，由于液態(tài)鋁的阻礙作用，增強顆粒不易混合均勻，并且會出現(xiàn)嚴重的界面反應。如果增強顆粒太粗，顆粒由于自重會產(chǎn)生明顯的下沉或上浮現(xiàn)象，出現(xiàn)明顯的鑄造偏析。因此增強顆粒的最佳粒度為5 μm～25μm[2]、對于增強顆粒的含量，增強顆粒含量少，起不到良好強化作用；增強顆粒含量高，會出現(xiàn)顆粒聚集現(xiàn)象，顆粒與顆粒粘結不牢固，制備的復合材料致密度低，材料力學性能差。因此外加顆粒的體積分數(shù)一般控制在0～25%之間[2]。常用的制備鋁基復合材料的方法有攪拌熔鑄法、粉末冶金法、擠壓鑄造法、噴射沉積法和原位復合法。

l 鋁基復合材料的選擇

1.1 鋁基復合材料基體的選擇

鋁基復合材料的基體有純鋁和鋁合金，最常見的鋁基材料為鑄造鋁合金，而非變形鋁合金。雖然變形鋁合金的變形性比鑄造合金好，但是鑄造鋁合金具有良好的鑄造性能，流動性好，不易產(chǎn)生縮孔和裂紋。并且通過二次加工可以制備出結構復雜的零件，節(jié)約成本，降低工時。根據(jù)復合材料的制備方法不同，也需要考慮不同的基體材料，如果制備方法需要二次加工，則選用鑄造鋁合金會更加合適。鋁合金根據(jù)鋁之外的其他材料分類，可分為：Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn 和 Al-RE 等[2，8]。

1.2 鋁基復合材料增強顆粒的選擇

選擇增強體主要考慮的因素為：鋁基復合材料所需性能、增強顆粒與基體的界面結合狀態(tài)、界面反應和潤濕性。并且增強體具有基體不具備的性能，如：高強度、高硬度、高彈性模量、低密度和良好的化學穩(wěn)定性。纖維增強雖然性能優(yōu)良，但是由于纖維制備困難，所以成本高，且高溫易發(fā)生蠕變。而顆粒增強鋁基復合材料具有成本低、制備工藝簡單，并且制備的復合材料各向同性、易于二次加工。目前常用的增強顆粒有 SiC、Al2O3、TiC、Si3N4、B4C 和石墨。表l是常見增強顆粒的性能[9，l0]。由于SiC具有良好的耐磨性、化學穩(wěn)定性、高溫強度，并且抗化學腐蝕，因此SiC的研究和應用最廣泛。

表l 常見增強顆粒的性能

2 鋁基復合材料的制備方法

2.1 攪拌熔鑄法

攪拌熔鑄法就是通過機械攪拌使增強顆粒與液態(tài)或半固態(tài)金屬混合均勻，然后澆注成型[2]。攪拌熔鑄法制備鋁基復合材料，具有許多優(yōu)點，如攪拌可以獲得足夠大的剪切力，有利于克服增強顆粒與增強顆粒、增強顆粒與金屬液之間的粘滯阻力。工藝簡單，適合工業(yè)生產(chǎn)，顆粒尺寸要求不高，并且成本低、效率高，可以制造形狀的復雜零件。但是攪拌熔鑄法制備鋁基復合材料仍需克服增強顆粒潤濕性差、顆粒不易混合均勻?qū)е陆M織不夠致密，易產(chǎn)生氣孔和夾雜等問題。并且當發(fā)生界面反應時，易產(chǎn)生硬脆相，使整個晶相的完整性發(fā)生了破壞。在澆注過程可能會有氣體或雜質(zhì)卷入而不易排出。對于澆注過程產(chǎn)生氣孔夾雜等問題目前常用的解決方法是通保護氣體或者抽真空。加入Mg、Ce以改善潤濕性也是目前常用的方法。針對如何使增強顆粒分布均勻問題，國內(nèi)外學者主要針對攪拌速度、顆粒尺寸、攪拌葉片旋向、顆粒預處理工藝等因素進行研究[ll～l4]。Metan[l5]等研究了通過電磁攪拌和加入細化顆粒AlTi5Bl對鋁硅復合材料的顆粒的控制，足夠高的磁場攪拌可以細化晶粒，但是會產(chǎn)生偏析。張宏偉[l6]研究了通過將強化顆粒進行預燒結并且加入合金Mg元素改善增強顆粒的潤濕性，并且確定在生產(chǎn)工藝參數(shù)為加熱溫度6l2℃、攪拌速度500rpm、攪拌時間30 min時，制備的復合材料組織最均勻，力學性能最優(yōu)。

2.2 粉末冶金法

最早用來制備鋁基復合材料的工藝方法就是粉末冶金法，該方法可以用來制備高熔點、難成型的合金材料。粉末冶金就是選取合適粒度的金屬粉末和增強體顆?；旌暇鶆?，然后冷壓固結、除氣。在一定溫度、一定壓力下燒結成型，然后熱處理制備所需材料[l7]。該制備方法比攪拌熔鑄法制備復合材料的溫度低，因此大大減小了界面反應的發(fā)生。其次金屬粉與增強顆粒的含量可以控制。但是粉末冶金在冷壓固結中容易產(chǎn)生氣孔，如果金屬粉末與增強顆?；旌喜痪鶆蜻€會影響熱壓燒結導致材料的致密度降低。燒結溫度選擇不當會產(chǎn)生偏析影響復合材料的微觀組織和力學性能；制件需要二次加工，所制得的零件形狀受限，并且該工藝復雜，生產(chǎn)周期長，成本高。

2.3 擠壓鑄造法

擠壓鑄造的原理：將增強顆粒通過一定的方式粘結制成所需要的增強體預制件，將增強體預制件放在壓膜中，然后將液態(tài)的鋁合金制件澆入壓膜當中，再施加一定的壓力，使溶液滲入到預制件的間隙之中，然后自然冷卻便可得到所需形狀的復合材料。擠壓鑄造需要注意，壓膜和預制件都要進行預熱，防止鋁溶液澆注過程還沒完成，鋁溶液便已凝固，使得溶液無法擠壓進去，如果壓力過大可能會破壞壓膜形狀，最終影響復合材料的質(zhì)量。擠壓鑄造制備的零件形狀基本接近預制件的形狀，甚至可以直接得到所需零件形狀。其次，鋁溶液與預制件接觸時冷卻速度快，界面高溫接觸時間短，不易造成過強的界面反應，一般不容易產(chǎn)生常規(guī)的鑄造缺陷。并且增強顆粒的體積含量可以增加到最大含量。擠壓鑄造也存在一定的：

l）預制件不易制備，尤其是形狀復雜的預制件。

2）擠壓鑄造的壓力不易控制，壓力過小，液態(tài)鋁不易擠壓進去，壓力太大又容易破壞預制件的形狀，破壞復合材料的質(zhì)量。張瓂偉[l8]通過擠壓鑄造法制備了Ti2AlC顆粒增強鋁基復合材料，并且研究了該復合材料的組織及性能，通過對比Ti2AlC體積分數(shù)分別為20%和40%的復合材料的組織及性能，得出40%比20%的致密度高，且組織中含20%的由Al、Ti2AlC 和少量 TiC 相組成，40% 的由 Al、Ti2AlC以及少量的TiC和TiAl3相組成。Ti2AlC的加入都阻礙了塑性變形和裂紋的產(chǎn)生，提高了強度和拉伸性能，40%的復合材料導電性能更加優(yōu)良。曲壽江[l8]等通過對增強顆粒體積為25%的SiCp/Al復合材料進行熱擠壓變形，研究提出新制備的25%SiCp/Al復合材料的工藝，并且成功地對25∶l復合材料進行了熱擠壓變形，并且發(fā)現(xiàn)熱擠壓變形使復合材料的強度、剛度和塑性得到明顯提高。

2.4 噴射沉積技術

噴射沉積技術是一種新型的快速凝固技術，是在液態(tài)金屬鋁霧化過程中加入增強顆粒，使鋁合金粉末與增強顆粒同時沉積在收集器上。該方法制備鋁基復合材料過程金屬液與增強顆粒接觸時間短，因此界面反應小，不容易出現(xiàn)宏觀的鑄造缺陷。制備的復合材料的組織為等軸晶組織，具有良好的力學性能。并且生產(chǎn)周期短，成型速度快。但是該方法制備的復合材料也具有缺點，如增強顆粒不能均勻分布，生產(chǎn)設備昂貴，導致成產(chǎn)成本高，并且增強顆粒利用率低[20]。Perez[2l，22]等采用 N2-O2混合氣體霧化噴射沉積成形Cu-Al合金。當混合氣體中氧體積分數(shù)為8%時，將會形成大約體積分數(shù)為l%的Al2O3和2%～4%的CuO/Cu2O.蘇斌[23]發(fā)明了自動控制增強顆粒輸送裝置，實現(xiàn)了復合材料中增強體顆粒的梯度分布，并且確定了最佳的生產(chǎn)工藝參數(shù)，制備了SiCp/Al-20Si-3Cu復合材料，并且觀察組織、致密度和耐磨性等。馮朝輝[24]等利用噴射沉積、熱擠壓、軋制等方法制備了SiCp/2024鋁基復合材料軋制板材，并且研究了其組織與力學性能，研究表明SiCp/2024鋁基復合材料在熱擠壓和軋制后可以得到組織細小的晶粒，并且增強顆粒分布均勻，力學性能顯著提高，強化相為Al2CuMg相。

2.5 原位復合法

原位復合法是指液體鋁合金與加入的其他物質(zhì)發(fā)生反應生成增強相。該種方法制備的增強顆粒與基體相鋁合金潤濕性比較好、無污染，顆粒與基體相兼容性比較好。并且增強顆粒細小，增強效果好。目前原位復合法的方式主要有自蔓延合成工藝[25]、XD工藝[26]和氣液反應工藝[27]。Fale等[28-29]將不同質(zhì)量分數(shù)的NHCl4和CaO粉末混合加入到700℃鋁熔體中，制備出AlN/Al復合材料，AlN顆粒彌散分布在鋁熔體中，且硬度和耐磨性都得到了提高。張呈呈[30]研究了優(yōu)化鹽水法制備原位（ZrB2+Al3Zr）p/2024Al復合材料，探索了其機理，并研究了軋制工藝。

3 影響顆粒增強鋁基復合材料制備的因素及解決方法

3.1 增強顆粒與基體的潤濕性

液固兩相之間的潤濕性好壞取決于液固界面之間的夾角，當夾角為0°時，液固兩相完全潤濕；當夾角小于90°時，液固兩相潤濕性比較好；當夾角大于90°時，液固兩相不潤濕。而對于增強顆粒與液態(tài)金屬鋁之間基本不潤濕，再加上高溫狀態(tài)下形成的氧化鋁薄膜進一步阻礙了基體與增強顆粒之間的潤濕性。基體相與顆粒之間的潤濕性好壞直接導致復合材料綜合性能的好壞。潤濕性差將會導致增強顆粒分布不均勻，即使分布均勻也會由于潤濕性差導致嚴重的偏析現(xiàn)象，致使復合材料力學性能下降。目前常用的改善潤濕性的方法有：①增強顆粒上電鍍一層金屬薄膜[8，3l]，將增強顆粒上電鍍一層鋁薄膜或者鎳薄膜，改善材料潤濕性。②改變合金組分，如加入Mg、Li、Ca等，可以有效提高增強顆粒與基體的潤濕性。③增強顆粒進行預處理，如用酸堿、超聲波等除去增強顆粒表面的雜質(zhì)和氧化物薄膜，或者改變增強顆粒的形狀，提高潤濕性。④對增強顆粒進行預熱處理。

3.2 界面反應

在較高溫度時，增強顆粒會與基體相發(fā)生反應。有些反應可能會改善增強顆粒與基體的潤濕性，改善界面的結合狀態(tài)，提高材料的綜合性能。但是有些反應會破壞增強顆粒的完整性，甚至會生成硬脆性，導致復合材料的力學性能下降。因此，在選擇增強顆粒時必須結合其與基體之間的性能，控制好兩者之間的反應程度，使之達到最佳的結合狀態(tài)。

3.3 增強顆粒的均勻性問題

增強顆粒在基體中分布是否均勻直接影響復合材料的綜合性能，因此改善增強顆粒在基體中的均勻度是十分必要的。影響增強顆粒在基體中分布的因素有許多，如：增強顆粒的形狀、粒度、百分含量、攪拌時間和方式、澆注溫度等。可以通過控制以上幾種方式改善增強顆粒的均勻性問題。如：①選擇合適的粒度、體積、形狀，增強顆粒粒度太小容易發(fā)生團聚，粒度太大又起不到彌散強化的效果，可控制粒度在 5 μm～25μm[2]之間，體積分數(shù) 0～25%之間[2]，形狀最好為球形。②選擇合適的攪拌時間和攪拌方式。隨著攪拌時間的增加，剪切應力也增大，顆粒分布更加均勻。③選擇合適的攪拌溫度，減少金屬液粘度對增強顆粒均勻性的影響，降低偏析。

4 結束語

顆粒增強鋁基復合材料作為一種新型的材料，具有優(yōu)異的性能，因此廣泛應用于汽車、航空航天、航海和軍事等高端行業(yè)。但是材料在制備過程仍具有一定的缺陷需要去克服，如增強顆粒分布不均勻、表面潤濕性差、顆粒與基體之間的界面反應等問題都是目前面對的棘手的問題需要解決。因此仍需加強對顆粒增強鋁基復合材料的制備機理、制備工藝、制備設備等領域的研究，使其在國民經(jīng)濟和國防科技方面發(fā)揮重要的作用。

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Research Status of Particle Reinforced Aluminum Matrix Composite

YANG Jial，CAO Feng-jiang2，TAN Jian-bol
（1.School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 0500l8，China；2.Cangzhou Technical College，Cangzhou Hebei 06l000，China）

Composite material is a kind of important engineering material due to its outstanding mechanical properties.Particle reinforced aluminum matrix composite is one of the widely known composite because of its superior properties such as high strength，hardness，stiffness，wear and fatigue resistance.So the particle reinforced aluminum composite material has become one of the most promising materials of the 20th century.The research progress of particle reinforced aluminium matrix composite was summarized in this paper.The research status of the composite was reviewed in detail from the choice of the reinforcement and the matrix，the preparation technique of aluminum matrix composite，the factors affecting the performance of the composite.The research direction and development prospects of the composite were pointed out.

aluminum matrix composites，matrix，enhanced particle，preparation，wettability

TB333 文圖標識碼:A

l674-6694（20l7）05-0069-04

20l7-06-28

楊佳（l992-），女，河北省行唐人，碩士研究生，主要從事精確成型及凝固控制技術方面的研究。

譚建波（l964-），男，河北定州人，教授，博士，E-mail：tanjianl998@l63.com

河北省自然科學基金項目（E20l4208087），河北省高等學?？茖W技術研究項目（ZD20l5003），河北省引進留學人員資助項目（C20l4005l5）.

l0.l6666/j.cnki.issnl004-6l78.20l7.05.0l8