金属基复合材料的研究进展

金属基复合材料的研究进展

随着科学技术的快速发展，材料的性能提出了更高、更严、更多的要求。传统的单一材料无法满足社会的需求。因此,复合材料作为新材料领域的一个重要分支,正日益发展并在许多行业中得到应用。金属基复合材料(MetalMatrixComposite,MMC作为复合材料研究的一个重要代表,是从20世纪60年代初发展起来的。国外在研制硼纤维的基础上首先发展了硼/铝复合材料,并取得了成功。另外,由于价格较低的碳纤维的迅速发展,至20世纪70年代中期研究工作主要集中于碳纤维增强铝,并用熔融钾钠处理和硼钦涂覆两种工艺解决了纤维与铝液的浸润问题。近年来,由于金属基复合材料及其增强体的研究不断深入及扩大,出现了碳化硅单丝粗纤维、束丝纤维、晶须、颗粒和氧化铝长纤维、短纤维等增强铝基的多种金属基复合材料,并成为当前研究工作的中心。本文在阐述金属基复合材料制备方法的基础上,提出了目前制备技术存在的问题和发展方向,对金属基复合材料的产业化大规模生产提出合理建议。1属抗体的优点金属基复合材料是采用相应的制备工艺,将不同种类、不同形态的陶瓷、非金属增强相分布在金属基体中而获得的复合材料,按所用金属基体及增强体的不同,使用温度在300~1200℃。它的性能兼备了金属基体与增强相的优点,具有高的比强度和比刚度、耐高温、耐磨损、横向性能及层间剪切强度高,并具有高的热稳定性和体积稳定性,以及材料的可设计性,因而最先在航天领域得到应用。金属基复合材料按使用特点可分为结构复合材料(强度、模量等为主)和功能复合材料(耐磨、导热、阻尼、屏蔽等);也可按增强体的类别来分类,如连续纤维增强金属基复合材料和非连续增强金属基复合材料(包括颗粒、晶须和短切纤维等);按金属基体的不同则可分为铝基、镁基、铜基、锌基、钛基、铁基、高温合金基、金属间化合物基及难熔金属基复合材料等,有时把金属迭层材料也纳入此范畴。金属基复合材料的主要体系见文献。2金属基材料的制备工艺2.1界面制备方法液态金属制备方法是指金属处于熔融状态下与固体增强物复合在一起的方法。这一方法的关键技术是有效控制高温下的界面反应及基体的氧化反应。液态法可用来直接制造复合材料零件,其工艺包括液态金属搅拌熔铸法、液态浸渗法和喷射沉积法等。2.1.1搅拌熔铸法主要解决的问题液态金属搅拌熔铸法是一种适合于工业规模生产颗粒增强金属基复合材料的主要方法,工艺简单成本低廉。其基本原理是将增强颗粒直接加入基体金属熔体中,通过一定的搅拌方式使颗粒均匀地分散于金属基体中,然后浇铸成锭坯、铸件等。搅拌熔铸法需主要解决的困难有:(1)增强颗粒不易进入和均匀分散在金属熔体中,易产生团聚;(2)强烈的搅拌容易造成金属熔体的氧化和大量吸气。目前,针对以上困难的主要解决措施有:(1)在金属熔体中添加合金元素以改善浸润性,例如在铝熔体中加入Ga、Mg和Li等元素,可有效降低熔体表面张力,增加其与陶瓷颗粒的浸润性;(2)对颗粒增强物进行表面处理,如用热处理法去除颗粒表面的有害吸附物,也可在颗粒表面涂覆Ni、Cu等金属以改善浸润性;(3)控制复合过程的气氛,采用真空或惰性气体保护等措施来防止复合过程中气体的吸入和金属熔体的氧化;(4)采用有效的搅拌方法,如漩涡法、Dulacan法及复合铸造法等。2.1.2复合材料的制备液态浸渗法是先将增强相用胶黏剂粘结起来,做成预制件,用惰性气体或机械化装置作为压力媒体将金属液压入预制件的间隙中,凝固后即成复合材料。按其具体工艺不同,可分为压力浸渗法、无压浸渗法和真空浸渗法。2.1.3雾化-增强金属基复合材料图1为喷射成型法示意图。该工艺过程是将基体金属在坩埚中熔炼后,在压力作用下通过喷嘴送入雾化器,在高速惰性气体射流的作用下,液态金属被分散为细小的液滴,形成“雾化锥”。同时通过一个或多个喷嘴向“雾化锥”喷射入增强颗粒,使之与金属雾化液滴一起沉积在一基板(收集器)上并快速凝固形成颗粒增强金属基复合材料。该工艺具有独特的优点:(1)高致密度,可达到理论的95%~98%;(2)快速凝固,冷却速度达103~106K/s,金属晶粒和组织细化、成分均匀、很少或没有界面反应;(3)具有通用性和产品多样性;(4)工艺流程短、工序简单、效率高,有利于工业化生产。2.2金属离子检测固态法的特点是制备过程中温度较低,金属基体与增强相均处于固态,可抑制金属与增强相之间的界面反应。属于这类制备方法的工艺主要包括:粉末冶金法、热压法等。2.2.1般工艺流程粉末冶金法是最早用来制备金属基复合材料的一种固态制备法,可以制备复合材料坯锭以供挤压、轧制、锻压和旋压而最终成形,又可以直接近终成形形状复杂的复合材料零件。图2所示为粉末冶金法制备金属基复合材料的一般工艺流程。粉末冶金法适用于制备各种颗粒或晶须增强的金属基复合材料,增强相体积分数不受限制,所制得的材料性能较高。但其制备工艺复杂、成本较高,限制了复合材料的工业化、大规模生产。2.2.2复合材料的制备热压法主要用于制备纤维增强金属基复合材料。工艺流程如下,其基本原理是先将增强纤维与基体金属制成复合材料预制片,然后将预制片按设计要求裁剪成所需的形状、叠层排布,并事先按照含量的要求,在叠层时添加基体箔,将叠层放入模具内进行加热加压,最终制得复合材料或零件。热等静压法也是热压法的一种,与普通热压法相比,热等静压法用惰性气体加热,工件在各个方向上受到均匀压力的作用。热压法工艺流程为:增强材料上铺金属箔→裁剪成型→抽真空→加热至所需温度→加压与保压→冷却取出制品并加以清理。3熔铸法制备复合材料的关键问题常用的金属基复合材料的制备方法有粉末冶金法、熔铸法、压力或无压浸渗法、喷射沉积法等。这些技术虽然工艺各有特点,但它们的一个共有缺陷就是工艺复杂,生产成本较高,这也是金属基复合材料难以广泛应用的重要原因之一。因此,降低复合材料的生产成本是促使其大规模应用的重要环节,在各种制造技术中,熔铸法被普遍认为是最适合工业化低成本制备金属基复合材料的技术。例如,国际铝业公司于20世纪90年代初分别在美国加州和加拿大魁北克建成年产过超1万吨的颗粒增强金属基复合材料。在国内,上海交通大学、北京有色金属研究总院等科研院所较早地开展了搅拌熔铸法制备复合材料的研究工作,北京有色金属研究总院已建立起国内最大的真空搅拌熔铸设备。纵观熔铸法制备复合材料的研究结果,可以看出仍存在以下几个关键问题:(1)增强相的均匀分散性问题尚未完美解决。涡流搅拌及气体送粉引起的吸气,增强相与基体之间的不浸润性,增强相的团聚等问题仍然存在。(2)以往的制备方法往往只注重于增强相的均匀分散性,而对增强相与基体间的界面结合状况考虑较少。事实上,金属基体与增强相间的界面将载荷从基体传递至增强相,是影响材料性能,进而制约材料应