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多相颗粒增强铝基复合材料的研究 摘要 本文研究了用混合盐反应法、两步法以及综合外加和原位反应的方法制备的 多相颗粒增强的铝基复合材料一( t l b 2 + s i c ) z l l 0 9 复合材料、( t i b 2 + 灿2 0 3 ) z l 2 0 2 复合材料和( z r b 2 + n b 2 ) a 1 复合材料，利用x 射线衍射仪( ) 、电 子探针显微分析仪( e p m a ) 、光学显微镜( o m ) 、扫描电镜( s e m ) ，透射电镜( t e m ) 和高分辨透射电镜( r e m ) 等测试手段，对复合材料的微观组织结构、增强相的 分布以及力学性能做了分析，此外本文还对 f i b 2 a i s i 活塞复合材料的力学性能 以及t i b ：a 1 界面状况做了相应的研究 采用综合外加和原位法制备出含有s i c 颗粒以及 f i b 2 颗粒两相颗粒增强的 ( t i b 2 + s i c ) z l l 0 9 复合材料，方法可行有效观察发现，所制备的两相颗粒 增强复合材料中，s i c 和t i b 2 颗粒分布较均匀，局部区域有t i b 2 颗粒的聚集现 象，s i c 颗粒呈尖角状。t i b 2 颗粒的局部富集往往同s i c 颗粒和珊瑚状的共晶s i 交织在一起。材料的室温拉伸性能及硬度测试显示n b 2 和s i c 两相颗粒增强a 1 s i 基复合材料的硬度比相同含量的单一 r i b 2 或s i c 颗粒增强复合材料明显提高， 而其拉伸强度也略有提高，弥补了单一s i c 颗粒增强铝基复合材料u t s 降低的 不足 采用两步原位反应的方法制备了b 2 + 刖2 0 3 ) z l 2 0 2 复合材料，增强相t t b 2 颗粒尺寸在l p m 左右，多与0 - c u a l 2 相交织在一起，a 1 2 0 3 颗粒尺寸在3 p m 左右， 界面干净，彼此分离。刖2 0 3 和t i b 2 颗粒的引入使基体材料的室温抗拉强度明显 提高，提高幅度远远超过同等分数单一颗粒增强的复合材料，这与颗粒对基体的 协同增强有关铸态时断裂型式为塑性断裂t 6 处理后，0 - c u a l 2 相固溶析出为 短杆状，与颗粒增强相共同起到强化基体作用，( t i b 2 + a 1 2 0 3 ) z l 2 0 2 复合材料 的抗拉强度由2 2 1 0 m p a 提高至3 3 9 6 m p a ，断裂型式为部分韧窝和部分解理的混 合型断裂 v 山东大兰硕士学位论文 利用混合盐反应法首次制备出了含有z r b 2 增强相的铝基复合材料并通过透 射电镜对z r b 2 增强相进行了观察和分析从热力学上分析了( z r b 2 + t 诅2 ) a 1 复合材料制备过程中的化学反应。一定配比的混合盐反应的产物为z r b 2 、z r a l 3 和t i b 2 ，其中反应生成的z r b 2 为六方结构，尺寸大部分小于l p m z r b 2 围绕t i b 2 颗粒分布，z r b 2 与t i b 2 组成的颗粒团簇在基体中均匀分布。z r b 2 与a - a l 存在位 向关系：【0 0 1 z r a 2 1 1 1 k ，0 2 0 ) z r a 2 ( h o ) o 反应生成的z r a l 3 呈长条状，与 a - a l 存在位向关系： 2 1 1 z 棚 1 1 1 a i ，( i u ) z , a j 3 ( i 0 0 * j 。 t i b 2 颗粒能够明显改善活塞合金的力学性能，研究表明，相比于未增强的基 体合金， l i b 2 颗粒增强活塞用复合材料显示出明显的时效峰值，在硬度曲线上存 在一段孕育时间段。t i b 2 颗粒增强活塞用复合材料的时效加速提前，其时效峰比 未强化基体合金时间上发生了前移现象室温下t i b 2 颗粒增强活塞用复合材料 较基体具有更高的抗拉强度，并且随着面b 2 颗粒含量的增多，拉伸强度值也随 之增大，当温度超过2 5 0 c 时，复合材料的抗拉强度值明显下降。高分辨透射电 镜显示，t i b 2 a i 复合材料界面光滑洁净，结合良好，没有其它反应产物，界面 结合为直接的原子结合，属于半共格界面结构。 l i b 2 与基体a l 存在以下位向关 系： 0 0 0 1 r 培2 1 1 1 m ，( i 2 o ) r m 2 ( h o ) a i 。 关键词：颗粒增强铝基复合材料，原位反应，7 _ x b 2 ，l i b 2 ，力学性能 v i s t u d yo nm m i p h a s ep a ! r t i c u l a t e sr e 耵呵f o r c e d a l u m i n u mm a r i u xc o m p o s i t e s b yd e g a n gz h a o m u l t i p h a s ep a r t i c u l a t e sr e i n f o r c e da l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e 呷b 2 + s i c ) z l l 0 9 ，( t i b 2 + a 1 2 0 3 ) z l 2 0 2a n d ( t i b 2 + z r b 2 ) a i ，w h i c hw e r ef a b r i c a t e db ym i x i n g s a l t sr e a c t i o n , t w os t e pm e t h o da n ds y n t h e s i z a t i o nm e t h o d , a 聆i n v e s t i g a t e di nt h i s t h e s i s b ym e a n so f x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，e l e c t r o n - p r o b em i c r o - a n a l y z e r ( e p m a ) ， o p f i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，a 旧n s m i s s i o ne l c c u o n m i c r o s c o p e ( t e 岣a n dh i g h - r e s o l u t i o nt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( b r t e 岣。 t h em i c r o s m s c t u r e ，d i s t r i b u t i o no fr e i n f o r c e m e n t sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c o m p o s i t e sw e i ea n a l y z e d i na d d i t i o n ，s o m er e s e a r c ha b o u tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft t b 2p a r t i c u l a t er e i n f o r c e dp i s t o na l l o yc o m p o s i t e sa n dt h ei 吲a 1i n t e r f a c e p r o p e r t i e sw e r em a d e i nt h i st h e s i s f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo f ( t i b 2 + s i c ) z l l 0 9c o m p o s i t e sb ys t i r r i n gc a s t i n ga n di n - s i r e m e t i 湖i sa v m l a b l e i tw a so b s e r v e dt h a tt h ed i s t r i b u t i o no ft i b 2a n ds i cp a r t i c u l a t ei s h o m o g e n e o u sa n ds o m et i b 2a g g l o m e r a t i o n se x i s ti ng r a i nb o t m d a r y s i cp a r t i c u l a t ei sc u s p a t e s h a p e t h et i l l 2a g g l o m e r a t i o n si n t e r l a c ew i t ht h es i cp a r t i c u l a t ea n dc o r a l l i n e ，l i k ea n e c t i cs i t h er e s u l l so f h a r d n e s st e s t sa n dt e n s i l ee x p e r i m e n t sa tr o o mt e m p e r a t u r er e v e a lt h a tt h eh a r d n e s s o f l h e ( t d 3 2 + s i c ) , r z l l 0 9c o m p o s i t e si so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a to f t h ec o m p o s i t e sz e i n f o z c e db y t h e 鲫ca m o u n ts i n g l er e i n f o r c e m e n t s t h et e n s i l es t r e n g mo f t h e ( t i b 2 + s i c ) z l l 0 9c o m p o s i t e s i ss l i g h t l yh i g h e rf l l a nt h ec o m p o s i t e sr e i n f o r c e db yt h es a m ea m o t m ts i n g l er e i n f o r c e m e n t sa n di t v i i c o 、伪l l l cs h 讲姆t h a tu t so f c o m p o s i t e sr e i n f o r c e db ys i cp a r t i c l ed e c l i n e ss h a r p l y f t 但2 + a 1 2 0 3 ) z l 2 0 2c o m p o s i t e sh a v eb e e np r e p a r e db yt w o - s t 印i n - s i t u r e a c t i o nm e t h o d t h es i z eo ft i b 2p a r t i c u l a t ei s a b o u t l t u na n di n t e r w e a v ew i t ho - c u a l 2p h a s e ma l 舢 m c u l a l ei sa b o u t3 岬i ns i z e ，w h i c hi ss e p a r a t e da n di t si n t e r f a c ei sc l e a n t h e 捌l l c t i 彻o f t i b 2a l l da 1 2 0 3r e i n f o r c e m e n tp h a s e si n t ot h em a t r i xc a r ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h eu l t i m a t et e n s i l e s 呦g i l i ( t r r s ) a tr o o mt e m p e r a t u r e a n dt h er e i n f o r c e de f f i c i e n c yo f ( a 1 2 0 a + t t b 2 ) z l 2 0 2i s s u p e r i o rt ot h ec o m p o s i t e sr e i n f o r c e db yt h e $ a l n ea m o u n ts i n g l er e i n f o r c e m e n t s , w h i c hi s 他l 如t o t h ec o o p e r a t i v er e i n f o r c e m e n to f p a r t i c u l a t e s t h ef r a c t u r eo f a s - c a s tc o m p o s i t e si sd u c t i l e 如咖” a f t c rt 6 订e 撕n 曲lo - c u a l 2p h a s ep r e c i p i t a t ef r o mt h em a t r i xa n d i ss h o r t - r o ds h a p e ，w h i c ha l s o g i v e r i s e t ot h e i m p r o v e m e n t o f c o m p o s i t e s t h e u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t h o f ( a 1 2 0 3 + t i b 2 ) z l 2 0 2c o m p o s i t ei n c r e a s e sf r o m2 2 1 ，0 m p at o3 3 9 6 m p a t h et y p eo ff r a 咖e i s m u l t i p l ef r a c t u r eo f p a r td i m p l ea n dp a r tc l e a v a g e m e c h a n i s m 1 ka h 珊i 咖mm a t r i xc o m p o s i t e sr e i n f o r c e db yz r b 2r e i n f o r c e m e n t sw e r ef i r s t f a b r i c a t e db ym i x i n gs a l t sr e a c t i o nm e t h o da n di n v e s t i g a t e du s i n gt h et e m t h e c h 如1 i c a lr f a c t i o n sd u r i n gt h ef a b r i c a t i o no f ( z r b 2 + t i b 2 ) a ic o m p o s i t e sa 璋r e s e a r c h e di n t l l e 册o d y n 锄i c s t h er e a c t i o np r o d u c t so f c e r t a i np r o p o r t i o nm i ) 【i n gs a l t si n c l u d ez r b 2 , t i b 2 a n d z r a l 知z r b 2r e i n f o r c e m e n t sa f eh e x a n g u l a r 啦u 魄髓a n dt h ea v e r a g es i z ei s l e s st h a nl i m a t h e z r b 2 他i i l 斯c 锄bd i s t r i b u t ea r o u n dt h et i b 2r e i n f o r c e m e n t sa n d t h ea g g l 嘶删。璐c o n s i s t i n g o f 柚2a n dt i b 2d i s t r i b u t eu n i f o r m l yi nt h em a t r i x t h e r ea l eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i p sk t w 嘲 z r b 2a n da i ：【0 0 1 】2 d i l l l 。0 2 0 ) z 2 ( i 1 0 ) 1 t h ez r a l 3p h a s e i ss a i p - s h a p e da n dt h e r e e x i s t o r i e n t 缸沁n f e l a t i o n s h i p sb e t w e e n z r a l 3a n d a i ： 2 1 1 z 邶 1 1 1 l ，( 而跏( i o l h t i b 2p a r t i c l ec a r le v i d e m l yi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp i s t o na l l o y s c o m p a r e dw i t ht h eu r t r e i n f o r c e da l l o y s ，t h ep i s t o na l l o yc o m p o s i t e sr e i n f o r c e db y t i b 2p a r t i c l es h o w 柚o b v i o u sa g i n gp e a ka n da l li n c u b a t i o nt i m ei nt h eh a r d n e s s - t h ea g i n g i s 黜l e r 纳e di nt h ec o m p o s i r e s i n f o r c e dw i t ht i b 2 t h ea g i n gp e a k so f c o m p o s i t e sa r es h i f u x lt o 柚哪l i 盯t i m et h a nt h em a t r i xa l l o y s a t f o o r l lt e m p e r a t u r e ，t h eu t so f t h ec o m p o s i t e si n c r e a s e s _=i = j 目自_ _ _ _ _ _ _ - _ _ - l l _ - _ _ v l n 舔t h ep e l 佣l t a g eo ft i b 2r e i n f o r c e m e n ti n c r e a s e s w h e nt h et e m p e r a t u r ei sb e y o n d2 5 0 ( 2 t h e u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho f t h ep i s t o nc o m p o s i t e sd e c r 渊s h a r p l y t h er e s u l t so f h r t e mr e v e a l l h a tt h et i b 2 a ii n t e r f a c ei sc l e a na n ds m o o t h , w i t h o u ta n yo t h e rc h e m i c a l p r o d u c t s t h e c o m b i n a t i o no fi n t e r f a c ei sa t o mc o m b i n a t i o na n ds e m i - c o h e r e n c es t r u c t u r e t h e r ea l eo r i e n t a t i o n r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t i b 2 a n d a i ：【0 0 0 1 自n 2 1 1 1 a b ( i 2 i 0 ) v m 2 h ( h o h k e yw o r d s ：p a r t i c u l a t er e i n f o r c e da l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e s ，i n - s i t ur e a c t i o n , z r b 2 ，t i b 2 ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i x - ；： 彦、 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：建三绝旦4 日期：笸：垒：之三 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盘缢。日! l 导师签名：鱼亟空l 垒日期：q ：兰主 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 复合材料的发展现状 复合材料是由两种或两种以上的材料通过复合工艺组合而成的一种多相材 料，由于不同种类材料性能的复合效应，使得复合材料其性能明显优于原材料， 它综合了基体材料和增强材料的优点，充分发挥了材料的使用性能。复合材料的 种类比较多，可以按照材料和增强相种类进行分类【1 3 】复合材料中基体起到承 载负荷并向强化相转移的作用，常用的基体材料有树脂、陶瓷和金属。树脂基( 聚 合物基) 复合材料( r e s i nm a t r i xc o m p o s i t e s ) 是目前研究最多、最为成熟、应 用也比较广泛的一类，其特点是易于加工、密度小、有良好的力学和绝缘性能， 然而其熔点低，难以满足强度和刚度等性能的较高要求；陶瓷基复合材料 ( c e r a m i cm a t r i xc o m p o s i t e s ) 的优点是熔点高，有高的挤压强度、优良的耐腐 蚀和耐氧化性能，但韧性较差，其应用大大受到限制；而金属基复合材料( m e t a l m a t r i x c o m p o s i t e s ) 以其优良的综合力学性能( 高的比强度、比模量、比硬度、 耐磨性) 和物理性能( 低的热膨胀性能、良好的导电、导热性能等) ，在航天、 汽车、电子等领域有广阔的应用前景，成为当前先进材料研究中一个比较活跃的 领域。 目前金属基复合材料的研究主要集中在镁、铝等轻金属以及其合金领域，铜、 铅基复合材料作为功用材料有一些研究，以钛、镍、铌及金属间化合物为基的高 温金属基复合材料已成为重要的研究方向之一综合来说，以镁、铝等轻金属为 基体的金属基复合材料质量轻、比强度和比模量高，而且还具有高的疲劳抗力、 耐磨抗力、低的振动性、抗腐蚀、热稳定性好、热膨胀系数小、导电性好附j 等 许多优点，其中好的导电导热性这一点是陶瓷基复合材料所不能比拟的。正是由 于上述的众多优点，在诸多领域中金属基复合材料可以替代钢铁铝镁合金以及贵 重的特殊合金和非金属材料。 金属基复合材料按照强化相的形状、尺寸含有量等分为分散强化、颗粒增强 及纤维增强三类。分散强化金属基复合材料强化相的平均直径是小于0 1 9 m 的 山东大学硕士学位论文 微粒子，容积比为百分之几由于微粒子阻碍金属基体的位错运动而强化基体， 其典型代表是s a p ( 烧结铝粉) 颗粒增强金属基复合材料( p r n d c ) 是将陶瓷 颗粒增强相由外加或自身反应进入金属基体中得到兼有金属性能和增强相优点 的复合材料，其颗粒的平均直径是o 1 1 9 m ，粒子体积分数最高可达9 0 ，其典 型代表是w c c o 等超硬合金，它是把陶瓷具有的耐磨性、耐热性等优良性能和 韧性结合起来取其优点改善其脆性的复合材料而纤维增强金属的增强机理是高 强度高模量的纤维承受载荷，基体只是作为传递和分散载荷的媒介，它最早开始 于1 9 6 3 年m c d a n e l 发表钨纤维增强铜合金的研究 近代金属基复合材料研究始于1 9 2 4 年s c h i n i t 关于铝氧化铝粉末烧结的研 究工作，在2 0 世纪3 0 年代，出现了沉淀强化理论，并在以后的几十年里得到很 快的发展。到8 0 年代初，日本丰田公司首次将陶瓷纤维增强铝基复合材料用于 制造柴油发动机的活塞，从此金属基复合材料的研制与开发工作得到异乎寻常的 发展。现在许多先进国家都非常重视复合材料的发展。美国国防部在其关键技术 规划中将复合材料列为a 类首项，自1 9 9 7 年以来美国国防部向a c m 技术投资 1 2 亿美元。世界其他工业强国也拨巨款开展对a c m 的研究，如日本通产省拨出 8 0 0 万美元用于1 9 9 3 1 9 9 7 年的先进高温复合材料的开发在近几十年里，金属 基复合材料方面取得了很快的发展和许多重大的科研成果，如在金属系智能材料 研制方面我国也取得了很大的进展 纤维增强、颗粒增强及分散强化的金属基复合材料的制备方法有相同点也有 不同点。但是总的来说，对制备金属基复合材料的研究一直侧重于外加增强体与 基体复合的方法，比如粉末冶金法、热轧法、搅拌铸造法、半固态合金铸造法、 中间合金法、喷射法和融体浸渗工艺等。但是这些方法不仅工艺复杂而且存在增 强体与基体之间相容性较差和结合不良等问题。而近几年来发展起来一种制各金 属基复合材料的新型方法一原位反应生成法。原位内生法源于六十年代苏联科学 家发现的自蔓延燃烧现象，后被用于复合材料的制备技术中，该法称为自蔓延燃 烧反应法( s e l f - p r o p a g a t i n g h i g h t e m p e r a t u r e s ) ，简称s h s 。以后在此基础上又产 生了其他的各种方法。该方法的特点是，颗粒增强体是在制备复合材料过程中从 金属基体中原位反应、形核并长大的热力学稳定向，增强体尺寸比较细小、表面 2 山东大学硕士学位论文 无污染，界面结合强度高，能在保证材料具有较好韧性和高温性能的同时较大幅 度的提高材料的强度和弹性模量由于克服了外加复合的一些不足，因此自8 0 年代以来当美国l a n x i d e 公司和d r e x e l 大学等先后发表了各自研制的原位复合材 料及相应的制备工艺，拉开了原位制备复合材料的序幕后，原位生成颗粒增强金 属基复合材料已成为金属基复合材料的一个热点。 1 2 增强相的选择 前已介绍金属基复合材料的增强体有纤维、颗粒等，由于颗粒增强金属基复 合材料具有结构和性能的各项异性、制备成本较低、适于用传统的金属加工工艺 加工成型等优点，其研究倍受重视。 颗粒增强金属基复合材料的增强体按照成分构成可划分为金属石墨及陶瓷 三大类。其中，陶瓷材料又分为氧化物( 如a i 2 0 3 、z r 0 2 、c a o 、m g o 、s i 0 2 、 瓢0 2 、c e 0 2 等) 碳化物( 如t i c 、w e 、c r 7 c 3 ，s i c 等) 氮化物( 如s i n 3 ) 硼化 物( 如t i b 2 、b s i ) 陶瓷颗粒除了具有来源广、成本低的特点外，还具有高的耐 火度、耐蚀性、抗高温氧化性、抗蠕变性以及减震性等优越性能，因此被广泛的 用于复合材料美国在航天领域、日本则在汽车行业成功应用了颗粒增强铝基复 合材料7 射，由于铝的密度比钢铁密度要低的多，铝基复合材料应用于汽车可减 轻车体重量，从而提高其性能、降低油耗，并延长使用寿命。国内在这方面也进 行了大量的研究，但多数局限于实验室 颗粒增强基体的性能很大程度上取决于颗粒大小，当尺寸较大时，其一方面 能使裂纹方向改变，另一方面能阻止裂纹的扩展。但是在尺寸较小时，如弥散强 化，颗粒的作用在于阻止位错运动。无论位错横切还是绕过颗粒，都要消耗能量， 放慢运动速度，在宏观上表现出强度的提高。一般使用的外加颗粒尺寸为 m 1 0 - 3 0 9 r a 具体来说，结构材料一般选择高模量、高强度、低密度的增强相且颗粒为球 形或近球形为佳：热控元件则要需要选择低热膨胀系数、高导热性的增强相。增 强颗粒的大小和分布对复合材料的机械性能影响很大，研究已经表明颗粒增强相 越小，分布越均匀，材料的机械性能就越好因此需要考虑基体金属的种类和成 3 山东大学硕士学位论文 分选择合适的增强相，以保证和基体有适当的物理和化学相容性。采取适当的工 艺措施使颗粒在基体内分布均匀，减少颗粒间的相互接触和团聚，以改善材料受 载时内部的应力分布，是保证复合材料具有良好性能的关键之一表1 1 列举了 常用颗粒增强相的物理和力学性能1 9 o l 表1 - 1 常用增强颗粒的部分性能 t a b l e lp r o p e r t i e so f s o m cr e i n f o r c i n gp a r t i c l e s 另外，由于原位复合材料的增强体是通过适当的反应剂，在适宜的温度下， 借助于基体金属和它们的之间的化学反应而得到的，因而增强体的选择需要考虑 制备反应过程在热力学上有无可能，且动力学上能否实现。通常利用下列反应制 备铝基原位复合材料： 合成反应：如面+ c d n c 4 a i + 3 c = a 1 4 c 3 置换反应：如3 s i 0 2 + 4 a l = 2 a 1 2 0 3 + 3 s i 分解反应：如3 a 1 6 s i 2 0 i 3 + ( 8 + x ) a l = 1 3 a 1 2 0 3 + 6 s i + x a l 1 3 制各方法 合适的制备方法是复合材料能否广泛应用的重要前提。对适合铸造方法的评 4 山东大学硕士学位论文 价主要是从这样几个方面考虑的：增强材料是否均匀分布在基体中，是否在制备 中出现不必要的化学反应，在制造中所带来的材料利用及工程损耗有多大，制出 的复合材料零件是否还需要继续加工处理，制造成本相对与材料成本的比例有多 大，预制型是否会变形或移位。考虑到经济原因，铸造方法用于制造复合材料在 近几年来得到很大的发展。目前正在应用的铸造方法有以下几种： 1 3 1 外加法 该法是将预先制备好的增强相颗粒以合适的工艺强制加入合金基体中。其优 点是工艺简单，增强相颗粒可有a h 0 3 、t i c 、t i b 2 、s i c 、a 1 n 、s i o ：等多种， 且颗粒百分含量易控制。不足之处是颗粒表面易受污染、与基体结合面较差，颗 粒直径一般大于l 岬，同时存在润湿性低等问题。目前大多采用对颗粒进行表面 处理等方法，均能收到显著效果 1 3 1 1 浸渗法 该方法是先把增强体颗粒预制成型，然后将基体熔液倒入，在一定压力下使 其浸渗至颗粒间隙而达到复合化的目的【j 其特点是可以实现局部增强，并可以 通过浸渗时温度的控制来排除颗粒与液态铝合金之间的界面反应；浸渗时间短， 金属液冷却快，增强相体积分数可以大范围调节；能有效保证增强相颗粒分布均 匀其局限性是预制件的孔隙率与孔径难以控制，若气体在基体合金液凝固前未 能及时排除便形成气孔，补缩不足也是一种常见的缺陷。在压力浸渗过程中易发 生颗粒的重新分布而使其分布不均匀，特别是通常压力值都高达1 0 0 m p a 以上， 对浸渗模具的要求较高。因此在压力浸渗的基础上发展了气压浸渗技术该工艺 采用的压力一般只有几个至十几个m p a 的压力，浸渗速度较慢，基体金属液流 动速度小，预制件中细小空洞难以填充。 用浸渗方法已经制备了多种颗粒或纤维增强金属基复合材料，一些已经得到 工业化推广。最近，c o n t r e r a s 用无压浸渗制备了t i c 颗粒强化a 1 m g 和a 1 c u 基 复合材料1 1 2 j 1 3 1 2 搅拌法 该法是在基体合金处于熔融状态时将增强颗粒在机械搅拌的作用下混入基 s 山东大学硕士学位论文 体合金中制取颗粒增强金属基复合材料的一种方法。它能克服热力学表面障碍和 粘滞阻力的作用，所用设备工艺相对简单，并可进行铸锭和型材生产，能进行常 规的二次加工；不足之处是所制造的成品易有气孔、夹杂和增强相分布不均等问 题。此工艺是较早出现的复合材料的制备方法，到目前仍有较多的应用【”。4 】 常用的搅拌法有喷射法、液态搅拌法和半固态搅拌法几种喷射法是一种快速凝 固法，它最初是由s i n g e r 开发，由o s p r e ym e t a l 公司投入生产应用，它是在雾 化器内将陶瓷颗粒与金属熔体相混合，随后被雾化喷射到水冷基底上，形成激冷 复合材料，需随后进行固结才能制成大块复合材料喷射法制备复合材料的关键 是控制好预热的温度，并避免氧化或混入气泡液态搅拌法是通过搅拌器的旋转 运动使增强材料使增强材料均匀分布在液体中然后浇注成型f i 扪。此法所用设备简 单，操作方便，但增强颗粒不易与基体材料混合均匀，且材料的吸气较严重此 法适用于两相密度差较小的复合体系，若密度过大容易产生颗粒集聚和宏观偏析 现象。半固态搅拌法是利用合金在固液温度区间经搅拌后得到的流变性质，将增 强颗粒搅入半固态熔液中，依靠半固态金属的粘性阻止增强颗粒因密度差异而沉 浮来制备复合材料。此法能得到增强颗粒分布均匀的复合材料，但是此法只适用 于有固液相温度区间的基体合金材料。 l 3 13 正压铸造 正压铸造可按加压方式分为挤压铸造和离心铸造。挤压铸造是按零件的形状 制作增强物预制块，将预制块放入铸型，在重力下浇入液态金属或合金，液体在 压力作用下渗入预制块国内曾采用此法制备出了增强物分布均匀、组织致密、 无缺陷的a l 一石墨复合材料及其铸件。离心铸造是根据制品的要求，借助于离心 力的作用，把强化相颗粒分布于制品外表面或内表面的工艺方法采用此法可获 得表层有一定厚度的复合材料，用来制造外表面或内表面有特殊性能要求的制 品如铸铝石墨复合材料，石墨较轻，偏析在内表层，可提高耐磨性；对铸铝 锆石复合材料，锆石颗粒密度大，偏析在外表层，具有高的抗磨损性能。此法不 足之处在于仅适用于回转体类制品的表面复合。 1 3 1 4 中间合金法 6 山东大学硕士学位论文 中间合金法是把颗粒与金属粉末混合成中间合金团块，然后把它加入到金属 液中使其崩溃、分散，以获得复合材料。其关键在于粒子通过中间合金块引入金 属液并分散后，液态金属液必须迅速凝固，不然停留时间过长，粒子仍会偏析。 它对于解决那些两相不润湿、密度差大、粒子加入困难等问题效果比较明显。研 制出密度适宜、溃散性好的中间合金是此工艺方法的一个重要环节。 1 3 2 原位反应技术 原位反应合成法的基本原理是在一定条件下，通过元素之间或元素与化合物 之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷 增强相，从而达到强化金属基体的目的。 1 3 2 1 自蔓延高温合成法( s h s ) s h s ( s e l f - p r o p a g a t i n gh i g l it e m p e r a t u r es y n t h e s i s ) 最早是由前苏联学者 m e r z h a n o v 和b o r o v i n s h a y a 于1 9 6 7 年提出【1 嗣，基本原理是将增强相的组分原料 与金属粉末充分混和均匀，压坯成型，在真空或惰性气氛中引燃，使组分之间充 分发生化学反应，放出的热量蔓延引起未反应的邻近部分继续反应，直到全部反 应完成。它一般有两种基本的燃烧反应形式：一是在压坯的一端进行强烈点火， 使反应以燃烧波的形式自动蔓延进行；二是以极快的加热速度将压坯加热至燃 点，使其以整体热爆合成反应的形式快速进行前者主要用于强放热反应体系， 如西1 3 2 、t i c 等的生成，后者主要用于弱放热体系，如b 4 c 、s i c 等的生成。 目前用s h s 法已经制备了3 0 0 多种材料，包括复合材料、电子材料、陶瓷材 料、金属间化合物和超导材料等。k u n r a t h 切、x i a 1 研等人将、豇0 2 、c 的粉末 混合，用s h s 工艺合成了( n c + a 1 2 0 3 ) 强化铝基复合材料，张二林、严有为 等【1 9 - 2 。1 人用t i c 、a l 粉合成了a i - t i c 复合材料，并把它用于铝的晶粒细化。 s h s 法反应的优点有：能耗低、设备简单且生产效率高；反应中放出大量热 量易使杂质挥发而除去，因而产品纯度高。尽管该方法有许多优点，但其中有一 个明显的不足是所制备的材料多为疏松开裂状态，因此s h s 一致密一体化是该工 艺的一个发展方向。常与s h s 技术相配合的致密化工艺有反应烧结、热挤压、 熔铸和离心铸造等，其中s h s 熔铸法和s h s 一热压反应烧结工艺是目前用s h s 7 山东大学硕士学位论文 法制备致密材料的热点研究内容。 1 3 2 2 放热弥散法( e x o t h e r m i cd i s p e r s i o n 简称x i ) 法) x d 法是美国m a r t i nm a r i t t al a b o r o t o r y 在前苏联科学家m e r z h a n o v 发明的 s h s 法的基础上改进而来的1 2 2 2 3 1 与s h s 法相比，该法不是采用强烈点火，而 是采用连续加热的方法引发化学反应。其基本原理是将增强相组分与金属粉末以 一定的比例均匀混合，冷压或热压成型，制成坯快，以一定的加热速率预热试样 在一定的温度范围内( 通常是高于基体的熔点而低于增强相的熔点) ，增强相各 组分之间通过化学反应，生成增强相。 相比于s h s ，此方法制备复合材料的优点是：只需要常规加热设备，不需要 点火装置，降低了成本：反应在基体中进行，易于控制反应温度和反应时间该 法可以制备低含量的颗粒增强铝基复合材料，所得的复合材料致密度高。另外， 也可以用) 【d 法先制备出增强体含量很高的母体复合材料，然后在重熔的同时， 加入适量的基体金属进行稀释；铸造成型后即得到所需增强体含量的m m c 据 报道，用x d 法制备的2 0 t i b z a l 复合材料，除塑性稍有下降外，其他性能较 纯铝和外加法制备的2 0 t i b 2 a i 复合材料有较大的提高1 相- 2 7 。 1 3 2 3 混和盐反应法 混和盐法是由l o n d o ns c a n d i n a v i a n 公司根据铝合金晶粒细化剂生产工艺提 出的一种生产复合材料的工艺，并申请了专利混合盐反应法基于现有的铝合金 熔炼工艺，易于批量生产该法在生产以t i b 2 为增强相的过程中发现豇b 2 常被 盐膜包围，削弱了增强效果，其基本原理是将k b f 4 和k 2 硎f 6 混和盐放入铝熔体 中，反应生成颗粒增强铝基复合材料研究结果表明，当混和盐加入量为基体的 2 0 时，颗粒分布最均匀，且获得的复合材料性能最好，但吹气精炼使复合材料 强度下降 2 8 1 。 由于这些盐很容易与铝液发生发应，因此不需要磨粉、压坯、真空保护等工 艺和条件，而且其来源广泛，价格便宜，合金可直接浇注成型，这就大大降低了 合金材料的制备成本。但是其缺点是反应中形成的大量熔渣与铝液润湿性很好， 不易清除干净，对坩锅和操作工具腐蚀严重 - ii | _ _ 3 山东大学硕士学位论文 1 3 2 4 机械合金法( m e c h a n i c a l a l l o y i n g ) m a 是1 9 7 0 年由b e n j a m i n 首先提出的，此法是将各种粉末直接形成复合材 料的一种工艺首先将所需的粉末置于球磨机中磨碎，使粉末变细，压铸，粉碎 和冷态结合，形成尺寸较为均匀的颗粒，在将球磨后的粉末真空脱气，热压或冷 处理固化成型，该法最大的特点是不受相律支配，可以自由的选择金属基体和增 强相。在球磨过程中，粉末颗粒经受反复的断裂和焊合，尺寸不断减小，相互接 触面积合缺陷密度大大增加，使得在常规技术高温下才能发生的反应在更低的温 度或者在常温下就可以发生【2 9 一们。k w a n g - m i nl e e 等运用m a 法制备了a l t i b 2 复合材料，压缩强度、抗压强度、抗拉强度、抗氧化性均有明显提高。另据报道， m a 法制备的a i f l i a l 3 复合材料，n a b 呈颗粒状，尺寸非常细小，弥散分布于基 体之上，复合材料不仅具有很高的强度，而且具有很好的塑性。 1 3 2 5 气液反应合成法( v l s ) v l s ( v a p o rl i q u i ds y n t h e s i s ) 7 - 艺为美国k o c a z k 等人发明【3 f - 3 3 ，其基本原 理是将含增强相的混合物与某一惰性气体为载体通入液态基体中，该气体在液态 金属中分解出增强相的某一组分元素再生与基体合金中某一元素进行化学反应 生成增强相k o c z a k 等人利用c h 和a r 气混合物通入铝合金中，制成了n c 为 增