颗粒增强铝基复合材料的制备方法及其存在的问题冶金0901班张莹20091311近年来，随着不断追求轻量化、高性能化、长寿命、高效能的发展目标带动牵引了轻质高强多功能颗粒增强铝基复合材料的持续发展。

提出的低密度、高比强度、高比模量、低膨胀、高导热、高可靠等优异以及良好的抗磨耐磨性能和耐有机液体和溶剂侵蚀等综合性能要求，传统轻质材料已很难全面满足要求，如铝合金模量低、线胀系数较大; 钛合金密度较大、热导率极低; 纤维增强树脂基复合材料在空间环境下使用易老化等，颗粒增强铝基复合材料经过30 多年的发展，已在国外航空航天领域得到了规模应用，这充分验证了与铝合金、钛合金、纤维树脂基复合材料等传统材料相比具有的显著性能优势，奠定了颗粒增强铝基复合材料在材料体系中的地位和竞争态势。

而且更重要的是，在世界范围内有丰富的铝资源，加之易于进行工艺加工成型和处理，因而制各和生产铝基复合材料比其他金属基复合材料更为经济，易于推广，可广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育运动等领域，因此，这种材料在国内外受到普遍重视。

颗粒增强铝基复合材料已成为当下世界金属基复合材料研究领域中的一个最为重要的热点，各国已经相继进入了颗粒增强铝基复台材料的应用开发阶段，在美国和欧洲发达国家，该类复台材料的工业应用已开始，并且被列为二十一世纪新材料应用开发的重要方向并日益向工业规模化生产和应用的方向发展。

本文旨在探讨颗粒增强铝基复合材料的制备方法及在亟待解决的各方面的问题，推进其应用发展的进程。

主要制备方法介绍：增强体颗粒的分布均匀性和界面结合状况是影响复合材料性能的重要因素。

因此，如何使增强体颗粒均匀分布于铝基体井与铝基体形成良好的界面结台是颗粒增强铝基复台材料制备过程中必须解决的两个最关键问题。

以下是制备颗粒增强铝基复合材料的一些方法：1、原位法原位法的原理是通过元素间或元素与化合物之间反应制备陶瓷增强金属基复合材料，是近年来迅速发展的一种新的复合工艺方法，目前已成功地在铝基中实现了硼化物、碳化物、氮化物等的原位反应。

由于这些增强相引入的特殊性，不仅它的尺寸非常细小，而且与基体具有良好的界面相容性，使得这种复合材料较传统外加增强相复合材料具有更高的强度和模量，以及良好的高温性能和抗疲劳、耐磨损性能。

原位自生铝基复合材料的制备方法较多，下面进行简略介绍。

（1）自蔓延高温合成法：该技术是利用热脉冲使放热反应起始于反应剂粉末压坯的一端，其生成热使邻近的粉末温度骤然升高．发生化学反应并以燃烧波的形式蔓延通过整个反应物，当燃烧波推行前移时反应物转变成产物。

该技术的特点是在无需外加热源的情况下，利用高放热化学反应放出的热量使其在引发后自身延续合成材料，节能，粉末纯度高，粒径细小，活性高，易于烧结并能获得高性能的材料。

（2）原位热压放热反应合成法：该技术是在原位热压技术的基础上发展起来的一种新下艺。

在制备过程中将反应物的物料混合或与某种基体原料混合后通过热压工艺制备，组成物相在热压过程中原位生成。

该技术的突出优点是利用燃烧合成过程的放热反应，在产物处于反应高温时，施加一定的压力。

使材料的致密与反应合成同时完成。

获得了事半功倍的效果。

（3）放热弥散技术：这种方法法是美国一个实验室在自蔓延法的基础上改进而来的。

其原理是利用两组分间的放热反应得到第三种组分，制得含有很高增强体体积分数的中间合金，然后进行挤压、轧制制得复合材料旧，或者与主要合金混合重熔使之得到所需含量的颗粒增强体（4）反应自发浸渗技术：该技术是指将基体合金锭和反应物的混合粉料或压坯在一定气氛条件下同时加热。

合金熔化后在毛细力的作用下自发浸渗到反应物孔隙内，并同时发生反应生成细小的、热力学稳定的陶瓷增强体旧。

这种技术的优点是：①可以制备各种大小部件；②强化相的体积分数可达60％；③强化相种类较多，有A1203、AlN、SiC、MgO等；④原料成本低，工艺简单；⑤能够制备大体积分数增强体，可近终成形等。

（5）接触反应法：接触反应法是我国哈尔滨工业大学等单位在其他方法的基础上开发的一种新工艺。

其工艺原理是：将反应元素粉末按一定比例混匀，并压实成预制块，然后用钟罩等工具将预制块压入一定温度的金属液中。

在金属液的高温作用下，预制块中的元素发生化学反应，生成所需的增强相，搅拌后浇注成型。

（6）混合盐反应法：混合盐法是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。

其基本工艺是将混合盐放入铝熔体中，混合盐在高温下分解出Ti和B，它们反应原位生成TiB2颗粒增强铝基复合材料。

研究结果表明，当混合盐加入量为基体的20％时，TiB2颗粒分布最均匀，且获得的复合材料性能最好，但吹气精炼时则使复合材料强度下降。

（7）气液反应合成法技术：该技术是目前比较成熟的技术之一，该技术的普遍做法是将含氮气体或含碳气体充人铝熔体或A1，Si合金熔体中，反应生成AlN或SiC强化粒子例。

生成的强化相粒子粒度细小，工艺连续性好，可获得直接使用的铝基复合材料铸件例。

混合盐作为原位合成方法中的一种，具有工艺简单，周期短，无需真空和惰性气体保护。

可直接浇注成形，易于批量生产和推广。

是一种以经济的方式获得高性能复合材料的方法，是目前研究得最多、发展最快的原位技术方法。

（8）反应喷射沉积法：分为反应喷雾沉积法和反应低压等离子喷射沉积法。

反应喷雾沉积法是利用特殊的液体分散器，在氧化性气氛中，将铝液分散成大量微小的液滴，使其表面氧化生成Al203膜，而后这些带有Al203的薄膜的液滴沉积在一起时，液滴间相互碰撞使表层Al203膜破碎并分散开来，同时内部铝液迅速冷却凝固。

最终形成具有弥散分布了Al203粒子的铝基复合材料。

反应低压等离子喷射沉积法、法是将喷射室预先抽成真空后，通人某些气体如时、He、N2和H2等使气压升至数千帕；然后用等离子弧发生器将通人喷射室的气体加热和电离，形成高温高速的等离子射流。

熔化和雾化金属物料，同时在这种高能等离子体的轰击撞碰下，反应气体如CH4、N2等和金属小液滴吸收能量而相互反应，生成相应的陶瓷颗粒，再与剩余的金属液滴一起沉积后即得到这种陶瓷颗粒增强的金属基复合材料。

这两种技术均结合了快速熔化、凝同的特点。

在保证了细晶基体和增强颗粒分布均匀的同时，也保证了氧化颗粒与基体良好的化学或冶金结合。

同时，由于其工艺成本较低、生产效率高，因此具有很好的发展应用前景。

（9）熔体直接反应法：熔体直接反应法是将含有增强颗粒形成元素的固体颗粒或粉末在某一温度加到熔融铝合金表面，然后搅拌使反应充分进行，从而制备内生增强的复合材料印。

原位法固然有许多优点，但也存在一定的问题：1）化相的种类有限，限制了材料的研发种类。

2）对制备过程中材料微观组织的形成规律有待深入认识。

3）工艺控制问题。

在目前的制备水平下，增强体的均匀化分布程度难以提高，反应过程也无法精确控制。

4）界面问题。

界面的结构和结合强度极大地影响材料的性能，界面反应产生的脆性相甚至使材料报废。

对界面的研究还不够深入，如增强体的尺寸和体积分数、第二强化相、第三组元的加入对界面的影响，在热加工和使用环境下界面结构的变化等。

5）反应副产物问题。

在反应生成增强体的同时，往往产生其它物质，使材料的性能恶化，因此必须在工艺过程中抑制或消除副产物的产生。

6）应用问题。

许多原位铝基复合材料具有优异的综合性能，然而许多材料还处于研发阶段。

目前，制备成本无法大幅度降低，限制了其在民用工业领域的应用一。

2、喷射沉积法喷射沉积成形技术是一种新型的快速凝固技术。

是在雾化器内将陶瓷颗粒与金属熔体相混合，后被雾化喷射到水冷基底上形成激冷复合颗粒，喷射沉积成形过程中将一定量的增强相颗粒喷人，与金属熔滴强制混合后在沉积器上共沉积以获得复合材料坯件。

其突出的优点是可以直接由液态金属雾化与沉积形成具有快速凝固组织和性能特征的具有一定形状的坯件，以减少或去除各种高成本的制造和加工中间环节。

利用喷射沉积成形技术制备颗粒增强金属基复合材料是该技术近年来发展的一个重要方向。

但这类方法的最大缺点是增强颗粒利用率低，材料制备成本高。

为了有效解决喷射沉积成形金属基复合材料制备过程中增强颗粒分布不匀和颗粒利用率较低的问题，目前又研发出了多层喷射沉积技术和熔铸-原位反应喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备技术。

熔铸-原位反应喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备技术的突出优点是：颗粒在熔体内部原位反应生成，不存在颗粒损失问题。

材料制备成本降低，颗粒在基体中均匀分布，可沿用现行喷射沉积成形制备金属材料的各项工艺参数，设备无需做任何改动。

多层喷射沉积技术可以实现增强颗粒与合金雾化液滴在空中捕获粘结，实现基体与增强颗粒之间良好的冶金结合，再采用热挤压工艺使复合材料致密化。

通过基体发生强烈塑性变形带动增强颗粒发生再分布，从而改善增强颗粒在材料中的微观均匀性，改善或消除微区域内增强体颗粒的偏聚。

该技术有效地解决了颗粒在基体中分布不匀和利用率较低的难题。

3、铸造法铸造法是液态法的主要方法，其关键是把固相增强颗粒均匀地散布于液态铝中，并使其最终弥散地分布在所形成的同态基体中。

铸造法按增强材料与金属液体的混合方式不同。

可分为搅拌铸造、正压铸造、无压浸渗法等方法。

（1）搅拌铸造法：目前所采用的有液态机械搅拌法及半同态机械搅拌法。

前者是通过搅拌器的旋转运动使增强材料均匀分布在液体中，然后浇注成型。

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。

后者是利用合金在同液温度区间经搅拌后得到的流变性质，将增强颗粒搅人半固态溶液中，依靠半同态金属的粘性阻止增强颗粒因密度差而浮沉来制备复合材料。

此法能获得增强颗粒均匀分布的复合材料，但只适应于有固液相温度区间的基体合金材料。

搅拌熔铸法制备复合材料的过程中，由于碳化硅增强体颗粒与铝溶液润湿性差，因此，实现增强体颗粒均匀分布较为困难，同时，增强体颗粒极易与铝溶液发生严重化学反应，因此，界面结合也较差。

此外，添加的增强体颗粒的尺寸通常较大，体积含量一般为20％左右，与其他方法相比，该方法制备的复合材料力学性能较差，但制备成本最低。

（2）正压铸造法：正压铸造按加压方式分为挤压铸造和离心铸造。

挤压铸造法该法就是将碳化硅预制件放人经过精密加工的石墨浇铸模中，预热到一定温度，加入熔化的铝合金液在压力作用下先渗入模壁间隙中，液体在压头作用下渗入预制块，并在压力下凝固。

最后去压，冷却。

该工艺中预制件的预热温度、铝合金液的渗入温度、压力大小、冷却速度是关键工艺参数。

该法施加压力可以较大，生产时间短，渗透可以在几分钟完成，工艺的稳定性好；缺点就是需要高压设备及密封良好的耐高压模具，所以生产费用较高，在生产形状复杂的零件方面限制很大。