收 稿 日 期 :2011-06-22 作者简介:倪增磊(1986- ),男,河南平顶山人,硕士研究生,主要研究 方
向为粉末冶金成形工艺; 电话:13783692484; E-mail:nfl-86926@
解决初晶硅和 SiC 颗粒的大小、形态及分布问题，提 高其力学性能， 最终制备出能够满足各种用途且综 合性能优异的铝基复合材料， 是近年来国内外材料 研究者研究的重点。 本文主要综述了铝基复合材料 的几种制备方法。
崔崇等用无压浸渗法制备的高体积分数 SiC/Al 基复合材料 试样的金相 组 织 ，SiC 颗 粒 在 复 合 材 料 中的分布相对均匀，没有团聚现象，但是大小不同的 颗粒分布是不均匀的，SiC 颗粒形状为多边形，带有 一定的棱角，基体铝合金为白色，成连续网状分布， SiC 颗粒与基体合金的界面结合良好， 无孔洞和微 裂纹的存在。 微观结构致密且增强相与基体合金结合 良好，这有利 于 提 高 材 料 的 整 体 强 度 和 耐 磨 性 等 。
Aghajanian 等撰文指出， 要使自发渗透得以进 行，需具备两个必要条件：①铝合金中一定含有 Mg 元素；②气氛为 N2 环境。 影响该工艺的主要因素为： 浸渗温度、颗粒大小和环境气氛种类。无压渗透工艺 的本质是实现自润湿作用，通过适当控制工艺条件， 如合金成分、温度、保温时间和助渗剂等，可取得良 好的润湿， 使自发浸渗得以进行。 作为液态法的一 种， 无压浸渗法存在 SiC 颗粒和金属铝液润湿性差 的问 题，而 SiC/Al 系统会 发生界 面 反 应 ，生 成 脆 性
度 )、 合 金 成 分 的 配 合 。 SiC 颗 粒 在 大 气 环 境 中 (1100±5 ℃)保温适当时间，除去表面的挥发性有机 物，并使 SiC 表面形成一层氧化膜，使颗粒表面由原 来的晶体 SiC 变为氧化态网络状的 SiO2。 SiC 表面 氧化膜 SiO2 的存在可在一定程度上改善润湿，促进 渗 透 ， 这 是 因 为 SiO2 具 有 比 SiC 较 低 的 表 面 能 ， SiO2 与铝液相 接触生成的 Si 溶于铝基体 而促进渗 透 [6]。 1.4 残余气孔率对组织的影响
1 无压浸渗法
无压浸渗法 是 Aghaianian 等于 1989 年在 直接 金属氧化工艺的基础上发展而来的一种制备复合材 料 的 新 工 艺[4]，将 基 体 合 金 放 在 可 控 气 氛 的 加 热 炉 中加热到基体合金液相线以上温度， 在不加压力和 没有助渗剂的参与下， 液态铝或其合金借自身的重 力作用自动浸渗到颗粒层或预制块中， 最终形成所 需的复合材料。
NI Zenglei1, WANG Aiqin1, TIAN Keqing2
(1. Henan University of Science and Technology, College of Material Science and Engineering, Luoyang 457003, China; 2. Zhengzhou Coal Mining Machinery Group Co., Ltd., Zhengzhou 450013, China)
下半月出版
Material & Heat Treatment 材料热处理技术
铝基复合材料的制备方法
倪增磊 1, 王爱琴 1, 田可庆 2
(1. 河南科技大学 材料科学与工程学院, 河南 洛阳 457003; 2. 郑州煤矿机械集团股份有限公司, 河南 郑州 450013)
摘 要：综述了无压浸渗法制备高体积分数 SiC/Al 复合材料，以及粉末真空包套热挤压和喷射沉积工艺制备高硅
Abstract：The pressureless infiltration process for the preparation of high volume fraction SiC/Al composite, vacuum canning hot-extrusion process and spray deposition technology process for the preparation of high-silicon aluminum composite were reviewed. The development trends for the preparation of aluminum composite material were looked forward.
Mg 在无压浸渗工艺中的重要作用被认为是无 压浸渗工艺得以实现的两个必不可少的条件之一。 在整个无压浸渗工艺中 Mg 起重要的贯穿作用[5]，对 Mg 在浸渗工艺各阶段不同的作用进行全面深入的 研究。 对无压浸渗工艺制备铝基复合材料的研究现 状和机理探讨可认为，在无压浸渗过程中，Mg 元素 起着浸渗开始和浸渗终止的双重作用， 当温度升高 到 一 定 程 度 时 ，Mg 可 扩 散 到 铝 液 的 表 面 与 表 层 的 Al2O3 氧化膜发生反应：
《热加工工艺》 2011 年第 40 卷第 20 期
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材料热处理技术 Material & Heat Treatment
2011 年 10 月
相，致使最终的复合材料界面较差， 这对材料的力 学性能造成不良影响。 为了控制界面反应，提高润 湿性，目前主要围绕基体合金化、颗粒表面改性处理 的研究。 1.1 Mg 在无压浸渗过程中的作用
含量铝基复合材料的方法，同时展望了制备铝基复合材料的发展趋势。
关键词：铝基复合材料； 无压浸渗； 粉末真空包套热挤压； 喷射沉积
中 图 分 类 号 ：TB333
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2011)20-0099-04
Preparation Methods for Aluminum Matrix Composite
经粉末真空包套热挤压制备的高硅含量铝基复 合材料，初晶 硅相当细小 ，在 2～3 μm，且分布 均匀 弥散、致密度高[8]。 这主要因为快速凝固技术使合金
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Hot Working Technology 2011, Vol.40, No.20
下半月出版
Material & Heat Treatment 材料热处理技术
2 粉末真空包套热挤压法
采用快速凝固技术与粉末冶金技术相结合制备 高硅含量铝基复合材料。 由于 Al 活性很高，在快速 凝固制粉时不可避免地会形成一层氧化膜， 导致在 致密化过程中合金元素的相互扩散受到阻碍， 难以 形成冶金粘结。因此，采用了粉末真空包套热挤压这 一 特 殊 的 致 密 化 工 艺 [7]。
无 压 浸 渗 制 备 高 体 积 分 数 SiC/Al 基 复 合 材 料 残留的气孔主要是因为铝液没有完全填充多空预制 体的空隙而留下的空洞， 影响了高体积分数 SiC/Al 基复合材料的组织与性能。因此，铝液能否畅通浸渗 多孔预制体是造成残余气孔大小的关键因素， 但多 孔预制体孔隙的均匀分布和相互贯通性能直接决定 铝液能否畅通浸渗进而影响残余气体的分布、大小。 造孔剂含量主要影响多孔预制体的孔隙率， 进而影 响高硅含量铝基复合材料的残余气孔率。 随着多孔 预制体孔隙率的增大， 高硅含量铝基复合材料的残 余气孔率增大， 但多孔预制体的孔隙率达到一定值 时，由于孔隙率太大而导致浸渗效果不佳，导致存在 较大的缺陷， 这一点可有由液体浸渗多孔预制体的 动力学得到解释。
熔体具有更高的冷却速度和更大的过冷度， 合金熔 体在凝固过程中可萌生出更多的晶核， 且生长时间 很短， 从而使合金的微观组织得到显著细化。 热挤 压时强大的三向压应力产生高度的界面切应力作 用，使粉末的表面氧化膜破碎、粉末发生移动，填充 间隙， 促进粉末颗粒之间通过咬合和粘结而形成良 好的冶金结合， 得到致密程度相当高的高硅含量铝 基复合材料。 随着挤压温度的提高，硅相有所长大， 但是使 Al-Si 合金粉末固溶强化下降， 粉末越容易 挤压，促进 Al 相的流动和 Si 相的重排，从而减少材 料内部大量存在的气孔、缺陷等造成的空隙；在热挤 压过程中， 硅相在强大的三向压应力作用下发生破 碎，从而在一定的条件下抵消了硅相的长大，因此在 经过热挤压后， 高硅铝合金中的硅尺寸并没有因加 热 保 温 而 显 著 增 大 [9]。
3Mg(l)+Al2O3(s）→2Al(l)+3MgO(s) 从而使铝液表层致密的 Al2O3 氧化膜被相对较 疏 松 的 MgO 氧 化 膜 取 代 ， 而 铝 液 则 可 从 疏 松 的 MgO 氧化膜的孔 道中流出与 陶瓷增强物 直接接触 润湿, 同时根据吉布斯吸附理论，Mg 会富集在液态 金属表面，降低界面张力，促进润湿和浸渗。 在浸渗 过 程 中 ，Mg 不 断 挥 发 到 浸 渗 前 沿 得 氧 ， 阻止 了 Al2O3 氧化膜的形成，使浸渗过程得以继续下去。 当 浸渗前沿的 Mg 损耗到一定程度时，浸渗终止。 结果 表 明 ，Mg 在 浸 渗 前 沿 的 含 量 和 得 氧 功 能 对 浸 渗 过 程起着至关重要的作用。 1.2 N2 对无压浸渗工艺的影响 N2 气氛被 认 为 是 无 压 浸 渗 过 程 中 另 一 必 不 缺 少的因素。 在铝液对 Al2O3 和 SiC 预制体的无压浸 渗过程中， 用 Ar 在不同程度上取代 N2 进行研究。 结果发现，当 N2 的含量小于 25%时，浸渗时间将被 极大延长，而且有大量的氮化物生成；而在 100%的 Ar 气氛下，铝液不能浸渗陶瓷预制体。 这说明 N2 气 氛的作用并不仅仅是防止铝液被空气中的氧发生氧 化， 因为单纯的 Ar 气氛也能起到这个作用， 但 Ar 气氛却难以帮助完成浸渗。 由此可推断，N2 气氛对 无压浸渗过程还起到其他重要作用。 1.3 基体合金化及颗粒改性对无压浸渗工艺的影响 基体合金化就是通过向基体中添加某些类别的 金属元素，调整基体合金的成分，提高金属-陶瓷体 系的润湿性，有时还辅以特殊气氛保护，使润湿性进 一步提高。 高体积分数 SiC 复合材料铝的浸渗除满 足两个必要条件外， 还需要工艺参数 (如时间、温