金屬基復(fù)合材料的制備

    近些年來，科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，使得傳統(tǒng)材料已無法滿足多種產(chǎn)業(yè)對(duì)其比強(qiáng)度、比剛度等性能的要求。高性能材料的研發(fā)是現(xiàn)今新科技發(fā)展的重要方向，而復(fù)合材料的出現(xiàn)在較大程度上解決了材料所面臨的問題，促進(jìn)了材料的發(fā)展。復(fù)合材料是由２種或２種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀（微觀）上組成的具有新性能的材料。由于具備較高的比強(qiáng)度和比剛度，金屬基復(fù)合材料的研究和發(fā)展受到了眾多行業(yè)尤其是重工業(yè)的密切關(guān)注，然而加工困難是限制其工業(yè)應(yīng)用的瓶頸問題，成本控制問題也并沒有得到完*，所以更多應(yīng)用于航空航天、軍事科技等科技領(lǐng)域。

    近年來，人們通過研究金屬基體與增強(qiáng)體之間界面反應(yīng)的規(guī)律、控制界面反應(yīng)的方法等開發(fā)出了多種有效制備金屬基復(fù)合材料的方法，大大推動(dòng)金屬基復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用。目前，金屬基復(fù)合材料的制備方法根據(jù)增強(qiáng)相產(chǎn)生的方式不同可分為第二相外加法、原位復(fù)合法兩類。

    第二相外加法就是將增強(qiáng)相加入到基體內(nèi)來制備復(fù)合材料的方法，應(yīng)用廣泛。常見的第二相外加法包括粉末冶金法、鑄造凝固成型法和噴射成型法。

1、粉末冶金法

    粉末冶金法制備復(fù)合材料是指將金屬基體與增強(qiáng)體粉末混合均勻后壓制成型，在低于金屬液相線溫度下進(jìn)行燒結(jié)，利用原子擴(kuò)散使金屬基體與增強(qiáng)體粉末結(jié)合在一起的制備復(fù)合材料的方法。粉末冶金法制備復(fù)合材料一般包括篩選粉末，基體粉末與增強(qiáng)顆粒混合、粉末預(yù)壓、熱壓、二次加工４個(gè)步驟。粉末冶金法常見的二次加工方法有擠壓，軋制等，二次加工可實(shí)現(xiàn)對(duì)制件的致密化處理并達(dá)到終成型的目的。其優(yōu)點(diǎn)在于：可以自由選擇基體金屬成分和強(qiáng)化顆粒的種類、尺寸；復(fù)合溫度低，基體金屬不易與強(qiáng)化顆粒進(jìn)行反應(yīng)，充分發(fā)揮各原料特性；顆粒強(qiáng)化均勻，強(qiáng)化顆粒添加范圍大，還可實(shí)現(xiàn)多種顆粒共同強(qiáng)化。

 圖1.我司生產(chǎn)的（左）sps燒結(jié)爐（右）真空燒結(jié)爐

2、鑄造凝固成型法 

    鑄造凝固成型法是將基體金屬加熱到熔融狀態(tài)，再使其與增強(qiáng)相進(jìn)行復(fù)合從而得到金屬基復(fù)合材料的方法。利用鑄造凝固成型法制備金屬基復(fù)合材料，所需成本低，工藝過程簡單易于控制，得到的制件質(zhì)量好，應(yīng)用較為廣泛。常用的方法有攪拌鑄造法和擠壓鑄造法。攪拌鑄造法是一種常見的制備金屬基復(fù)合材料方法，它通過機(jī)械攪拌的方法使處于熔融狀態(tài)的金屬基體與增強(qiáng)相混合，來制取復(fù)合材料。攪拌鑄造法由于較低的成本和簡單的工藝流程而受到了廣泛關(guān)注，其設(shè)備投入少，制件進(jìn)行二次加工來作為超塑性變形的預(yù)處理工藝，可進(jìn)一步提高其性能。攪拌鑄造法可用于生產(chǎn)大體積制件，便于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，不論是在先進(jìn)科技的航空航天領(lǐng)域，還是在汽車、機(jī)械工業(yè)等民用領(lǐng)域，都有大量的應(yīng)用實(shí)例。擠壓鑄造是一種利用高壓作用，使液態(tài)金屬或半固態(tài)金屬充型凝固的準(zhǔn)確鑄造方法。利用液態(tài)模鍛來制備金屬基復(fù)合材料，就是將增強(qiáng)相預(yù)成型、加熱后澆入金屬液或熔體，將模具壓下后加壓，冷卻得到金屬基復(fù)合材料制件。

 圖2. 鑄造成型生產(chǎn)的零件

3、噴射成型法 

    噴射成型法是一種新型的金屬成型工藝，利用金屬快速凝固技術(shù)，將熔融金屬霧化噴射，沉積后直接得到金屬坯件，又稱為噴射沉積。噴射成型法在２０世紀(jì)８０年代被引入制備復(fù)合材料，由于其普遍的適應(yīng)性而得到快速發(fā)展。利用噴射成型技術(shù)制備金屬基復(fù)合材料，是利用稀有氣體將熔融金屬霧化進(jìn)行噴射，與另一端由稀有氣體輸送的增強(qiáng)相混合，在水冷襯底平臺(tái)沉積，形成復(fù)合材料制件。

    原位復(fù)合法也稱反應(yīng)合成技術(shù)，是一種制備金屬基復(fù)合材料的新型方法。不同于一些傳統(tǒng)制備復(fù)合材料工藝，原位復(fù)合法并不需要外加增強(qiáng)相，而是利用一些特殊反應(yīng)使增強(qiáng)相在金屬基體中自己生成，從而避免了增強(qiáng)相在復(fù)合材料中的偏聚現(xiàn)象。在原位復(fù)合法制備復(fù)合材料的過程中，增強(qiáng)相可以共晶形式凝固析出，得到的復(fù)合材料稱為定向凝固共晶復(fù)合材料；也可通過金屬基體、合金熔體中相應(yīng)元素和加入的元素進(jìn)行反應(yīng)得到，稱為反應(yīng)自生成復(fù)合材料。由于增強(qiáng)相的形核和長大都是在基體內(nèi)完成的，因此增強(qiáng)相與基體之間不存在物理、化學(xué)性質(zhì)不相容的現(xiàn)象，相互之間潤濕效果好，結(jié)合強(qiáng)度高，不需要對(duì)增強(qiáng)相進(jìn)行預(yù)處理，保證了它的純凈度。

 圖3. 原位復(fù)合法制備金屬—有機(jī)骨架材料示意圖

    目前，越來越多的金屬基復(fù)合材料的制備方法正在被研發(fā)出來。除了文中提到的幾種常見的方法外，還包括含浸凝固法、熱浸鍍與反向凝固法、疊層復(fù)合法等多種復(fù)合方法，但由于其技術(shù)以及成本的限制，還并沒有被廣泛應(yīng)用。隨著進(jìn)一步的研究，相信更多的復(fù)合材料制備方法將問世，必將促進(jìn)金屬基復(fù)合材料的普及和發(fā)展。相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬或合金材料，金屬基復(fù)合材料的制造成本偏高且工藝比較復(fù)雜。對(duì)于民用工業(yè)企業(yè)來說，高昂的生產(chǎn)研發(fā)成本是制約金屬基復(fù)合材料進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用生產(chǎn)的大問題。因此，若要使其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；托枰M(jìn)一步研究制備方法，開發(fā)新型的制備工藝，以此降低成本，增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在材料市場上的競爭力。 

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