金屬基復(fù)合材料的制備工藝是什

（一）粉末冶金復(fù)合法

　　粉末冶金復(fù)合法基本原理與常規(guī)的粉末冶金法相同，包括燒結(jié)成形法、燒結(jié)制坯加塑法加工成形法等適合于分散強(qiáng)化型復(fù)合材料（顆粒強(qiáng)化或纖維強(qiáng)化型復(fù)合材料）的制備與成型。粉末冶金復(fù)合法的工藝主要優(yōu)點(diǎn)是：基體金屬或合金的成分可自由選擇，基體金屬與強(qiáng)化顆粒之間不易發(fā)生反應(yīng)；可自由選擇強(qiáng)化顆粒的種類、尺寸，還可多種顆粒強(qiáng)化；強(qiáng)化顆粒添加量的范圍大；較容易實(shí)現(xiàn)顆粒均勻化。缺點(diǎn)是：工藝復(fù)雜，成本高；制品形狀、尺寸受限制；微細(xì)強(qiáng)化顆粒的均勻分散困難；顆粒與基體的界面不如鑄造復(fù)合材料等。

（二）鑄造凝固成型法

　　鑄造凝固成型法是在基體金屬處于熔融狀態(tài)下進(jìn)行復(fù)合。主要方法有攪拌鑄造法、液相滲和法和共噴射沉積法等。鑄造凝固成型鑄造復(fù)合材料具有工藝簡(jiǎn)單化、制品質(zhì)量好等特點(diǎn)，工業(yè)應(yīng)用較廣泛。

1、原生鑄造復(fù)合法

　　原生鑄造復(fù)合法（也稱液相接觸反應(yīng)合成技術(shù)Liquid Contact Reaction：LCR）是將生產(chǎn)強(qiáng)化顆粒的原料加到熔融基體金屬中，利用高溫下的化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)化相，然后通過(guò)澆鑄成形。這種工藝的特點(diǎn)是顆粒與基體材料之間的結(jié)合狀態(tài)良好，顆粒細(xì)?。?.25～1.5μm），均勻彌散，含量可高達(dá)40%，故能獲得高性能復(fù)合材料。常用的元素粉末有鈦、碳、硼等，化合物粉末有Al2O3、TiO2、B2O3等。該方法可用于制備A1基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基復(fù)合材料，強(qiáng)化相可以是硼化物、碳化物、氮化物等。

2、攪拌鑄造法

　　攪拌鑄造法也稱摻和鑄造法等，是在熔化金屬中加入陶瓷顆粒，經(jīng)均勻攪拌后澆入鑄模中獲得制品或二次加工坯料，此法易于實(shí)現(xiàn)能大批量生成，成本較低。該方法在鋁基復(fù)合材料的制備方面應(yīng)用較廣，但其主要缺點(diǎn)是基體金屬與強(qiáng)化顆粒的組合受限制。原因有兩方面：①?gòu)?qiáng)化顆粒與熔體基本金屬之間容易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；②強(qiáng)化顆粒不易均勻分散在鋁合金一類的合金熔體中，這是由于陶瓷顆粒與鋁合金的潤(rùn)滑性較差，另一個(gè)問(wèn)題是陶瓷顆粒容易與溶質(zhì)原子一起在枝晶間產(chǎn)生偏析。

3、半固態(tài)復(fù)合鑄造法

　　半固態(tài)復(fù)合鑄造法是從半固態(tài)鑄造法發(fā)展而來(lái)的。通常金屬凝固時(shí)，初生晶以枝晶方式長(zhǎng)大，固相率達(dá)0.2%左右時(shí)枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動(dòng)性。如果在液態(tài)金屬?gòu)囊合嗟焦滔嗬鋮s過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌則使樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而保留分散的顆粒狀組織形態(tài)，懸浮于剩余液相中，這種顆粒狀非枝晶的微組織在固相率達(dá)0.5%～0.6%仍具有一定的流變性。液固相共存的半固態(tài)合金因具有流變性，可以進(jìn)行流變鑄造；半固態(tài)漿液同時(shí)具有觸變性，可將流變鑄錠重新加熱到固、液相變點(diǎn)軟化，由于壓鑄時(shí)澆口處及型壁的剪切作用，可恢復(fù)流變性而充滿鑄型。強(qiáng)化顆粒或短纖維強(qiáng)化材料加入到受強(qiáng)烈攪拌的半固態(tài)合金中，由于半固態(tài)漿液球狀碎晶粒對(duì)添加顆粒的分散和捕捉作用，既防止顆粒的凝聚和偏析，又使顆粒在漿液中均勻分布，改善了潤(rùn)濕性并促進(jìn)界面的結(jié)合。

4、含浸凝固法（MI技術(shù)）

　　含浸凝固法是一種將預(yù)先制備的含有較高孔隙率的強(qiáng)化相成形體含浸于熔融基體金屬之中，讓基體金屬浸透預(yù)成型體后，使其凝固以制備復(fù)合材料的方法。有加壓含浸和非加壓含浸兩種方法。含浸法適合于強(qiáng)化相與熔融基體金屬之間潤(rùn)濕性很差的復(fù)合材料的制備。強(qiáng)化相含量可高達(dá)30%～80%；強(qiáng)化相與熔融金屬之間的反應(yīng)得到抑止，不易產(chǎn)生偏折。但用顆粒作強(qiáng)化相時(shí)，預(yù)成形體的制備較困難，通常采用晶須、短纖維制備預(yù)成形體。熔體金屬不易浸透至預(yù)成形體的內(nèi)部，大尺寸復(fù)合材料的制備較困難。

5、離心鑄造法

　　廣泛應(yīng)用于空心件鑄造成形的離心鑄造法，可以通過(guò)兩次鑄造成型法成形雙金屬層狀復(fù)合材料，此方法簡(jiǎn)單，具有成本低、鑄件致密度高等優(yōu)點(diǎn)，但是界面質(zhì)量不易控制，難以形成連續(xù)長(zhǎng)尺寸的復(fù)合材料。

6、加壓凝固鑄造法

　　該法是將金屬液澆注鑄型后，加壓使金屬液在壓力下凝固。金屬?gòu)囊簯B(tài)到凝固均處于高壓下，故能充分浸滲，補(bǔ)縮并防止產(chǎn)生氣孔，得到致密鑄件。鑄、鍛相結(jié)合的方法又稱擠壓鑄造、液態(tài)模鍛、鍛鑄法等。加壓凝固鑄造法可制備較復(fù)雜的MMCs零件，亦可局部增強(qiáng)。由于復(fù)合材料易在熔融狀態(tài)下壓力復(fù)合，故結(jié)合十分牢固，可獲得力學(xué)性能很高的零件。這種高溫下制成的復(fù)合坯，二次成型比較方便，可進(jìn)行各種熱處理，達(dá)到對(duì)材料的多種要求。

7、熱浸鍍與反向凝固法

　　熱浸鍍與反向凝固法都是用來(lái)制備連續(xù)長(zhǎng)尺寸包覆材料的方法。熱浸鍍主要用于線材的連續(xù)鍍層，主要控制通過(guò)鍍層區(qū)的長(zhǎng)度和芯線通過(guò)該區(qū)的速度等。反向凝固法是利用薄帶作為母帶，以一定的拉速穿過(guò)反向凝固器，由于母帶的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熔融金屬的速度，在母帶的表面附近形成足夠大的過(guò)冷度，熔融金屬以母帶表面開始凝固生長(zhǎng)，配置在反向凝固器上方的一對(duì)軋輥，同時(shí)起到拉坯平整和焊合的作用。

8、真空鑄造法

　　真空鑄造法是先將連續(xù)纖維纏繞在繞線機(jī)上，用聚甲丙烯酸等能分解的有機(jī)高分子化合物方法制成半固化帶，把預(yù)成型體放入鑄型中，加熱到500℃使有機(jī)高分子分解。鑄型的一端浸入基體金屬液，另一端抽真空，將金屬液吸入型腔浸透纖維。

（三）噴射成形法

　　噴射成形又稱噴射沉積（Spray Forming），是用惰性氣體將金屬霧化成微小的液滴，并使之向一定方向噴射，在噴射途中與另一路由惰性氣體送出的增強(qiáng)微細(xì)顆粒會(huì)合，共同噴射沉積在有水冷襯底的平臺(tái)上，凝固成復(fù)合材料。凝固的過(guò)程比較復(fù)雜，與金屬的霧化情況、沉積凝固條件或增強(qiáng)體的送入角有關(guān)，過(guò)早凝固不能復(fù)合，過(guò)遲的凝固則使增強(qiáng)體發(fā)生上浮下沉而分布不勻。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝快速，金屬大范圍偏析和晶粒粗化可以得到抑制，避免復(fù)合材料發(fā)生界面反應(yīng)，增強(qiáng)體分布均勻。缺點(diǎn)是出現(xiàn)原材料被氣流帶走和沉積在效應(yīng)器壁上等現(xiàn)象而損失較大，還有復(fù)合材料氣孔率以及容易出現(xiàn)的疏松。利用噴射成形原理制備工藝有添加法（inert spray form-ing）和反應(yīng)法（reactive spray forming）兩種。Osprey Metals研究的Osprey工藝是噴射成形法的代表，其強(qiáng)化顆粒與熔融金屬接觸時(shí)間短，界面反應(yīng)得以有效抑制。反應(yīng)噴射沉積法是使強(qiáng)化陶瓷顆粒在金屬霧或基體中自動(dòng)生成的方法。

（四）疊層復(fù)合法

　　疊層復(fù)合法是先將不同金屬板用擴(kuò)散結(jié)合方法復(fù)合，然后采用離子濺射或分子束外延方法交替地將不同金屬或金屬與陶瓷薄層疊合在一起構(gòu)成金屬基復(fù)合材料。這種復(fù)合材料性能很好，但工藝復(fù)雜難以實(shí)用化。目前這種材料的應(yīng)用尚不廣泛，過(guò)去主要少量應(yīng)用或試用于航空、航天及其它軍用設(shè)備上，現(xiàn)在正努力向民用方向轉(zhuǎn)移，特別是在汽車工業(yè)上有很好的發(fā)展前景。

（五）原位生成復(fù)合法

　　原位生成復(fù)合法也稱反應(yīng)合成技術(shù)，金屬基復(fù)合材料的反應(yīng)合成法是指借助化學(xué)反應(yīng)，在一定條件下在基體金屬內(nèi)原位生成一種或幾種熱力學(xué)穩(wěn)定的增強(qiáng)相的一種復(fù)合方法。這種增強(qiáng)相一般為具有高硬度、高彈性模量和高溫強(qiáng)度的陶瓷顆粒，即氧化物、碳化物、氯化物、硼化物、甚至硅化物，它們往往與傳統(tǒng)的金屬材料，如Al、Mg、Ti、Fe、Cu等金屬及其合金，或（NiTi）（、AlTi）等金屬間化合物復(fù)合，從而得到具有優(yōu)良性能的結(jié)構(gòu)材料或功能材料。

　　金屬基復(fù)合材料的原位復(fù)合工藝基本上能克服其它工藝中常出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，如基體與增強(qiáng)體浸潤(rùn)不良、界面反應(yīng)產(chǎn)生脆性、增強(qiáng)體分布不均勻、對(duì)微小的（亞微米和納米級(jí)）增強(qiáng)體極難進(jìn)行復(fù)合等。它作為一種具有突破性的新工藝方法而受到普遍的重視，其中包括直接氧化法、自蔓延法和原位共晶生長(zhǎng)法等。

1、直接氧化（DIMON）法

　　直接氧化法是由氧化性氣體在一定工藝條件下使金屬合金液直接氧化形成復(fù)合材料。通常直接氧化法的溫度比較高，添加適量的合金元素如Mg、Si等，可使反應(yīng)速度加快。這類復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性取決于形成粒子的狀態(tài)和最終顯微組織形態(tài)。由于形成的增強(qiáng)體可以通過(guò)合金化及其反應(yīng)熱力學(xué)進(jìn)行判斷，因此可以通過(guò)合金化、爐內(nèi)氣氛的控制來(lái)制得不同類型增強(qiáng)體的復(fù)合材料。

2、放熱彌散（XD）法

　　放熱彌散復(fù)合技術(shù)（Exothermic Dispersion）的基本原理是將增強(qiáng)相反應(yīng)物料與金屬基粉末按一定的比例均勻混合，冷壓或熱壓成型，制成坯塊，以一定的加熱速率加熱，在一定的溫度下（通常是高于基體的熔點(diǎn)而低于增強(qiáng)相的熔點(diǎn)）保溫，使增強(qiáng)相各組分之間進(jìn)行放熱化學(xué)反應(yīng)，生成增強(qiáng)相。增強(qiáng)相尺寸細(xì)小，呈彌散分布。XD技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)：①可合成的增強(qiáng)相種類多，包括硼化物、碳化物、硅化物等；②增強(qiáng)相粒子的體積百分比可以通過(guò)控制增強(qiáng)相組分物料的比例和含量加以控制；③增強(qiáng)相粒子的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)加熱溫度加以控制；④可以制備各種MMC；⑤由于反應(yīng)是在融熔狀態(tài)下進(jìn)行，可以進(jìn)一步近終形成型。XD技術(shù)是合成顆粒增強(qiáng)金屬基及金屬間化合物基復(fù)合材料的最有效的工藝之一。但用XD工藝制成的產(chǎn)品存在著較大孔隙度的問(wèn)題，目前一般采用在反應(yīng)過(guò)程中直接壓實(shí)來(lái)提高致密度。

3、 SHS-鑄滲法

　　SHS-鑄滲法是將金屬基復(fù)合材料的自蔓延高溫合成技術(shù)（Self-Propagating High Temperature Synthesis）和液態(tài)鑄造法結(jié)合起來(lái)的一種新技術(shù)，包括增強(qiáng)顆粒的原位合成和鑄造成型兩個(gè)過(guò)程。當(dāng)前，SHS-鑄滲法是有競(jìng)爭(zhēng)力的反應(yīng)合成工藝之一，但過(guò)程控制非常困難。其典型工藝為：利用合金熔體的高溫引燃鑄型中的固體SHS系，通過(guò)控制反應(yīng)物和生成物的位置，在鑄件表面形成復(fù)合涂層，它可使SHS材料合成與致密化、鑄件的成形與表面涂層的制備同時(shí)完成。

4、反應(yīng)噴射沉積技術(shù)（RSD）

　　反應(yīng)噴射沉積工藝（Reactive Spray Deposition）生成陶瓷顆粒的反應(yīng)有氣—液反應(yīng)、液—液反應(yīng)、固—液反應(yīng)和加鹽反應(yīng)等多種類型。它綜合了快速凝固及粉末冶金的優(yōu)點(diǎn)，并克服了噴射共沉積工藝中存在的如顆粒與基體接近機(jī)械結(jié)合、增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)不能太高等缺點(diǎn)，成為目前金屬基復(fù)合材料研究的重要方向之一。反應(yīng)噴射沉積工藝過(guò)程為：金屬液被霧化前噴入高活性的固體顆粒發(fā)生液固反應(yīng)，導(dǎo)致噴入的顆粒在霧化過(guò)程中溶解并與基體中的一種或多種元素反應(yīng)形成穩(wěn)定的彌散相，控制噴霧的冷卻速率以及隨后坯件的冷卻速率可以控制彌散相的尺寸。