金属基复合材料的分类及制造技术研究进展

陈素玲，孙学杰

(四川工程职业技术学院 材料工程系，四川 德阳 618000)

金属基复合材料的分类及制造技术研究进展

陈素玲，孙学杰

(四川工程职业技术学院 材料工程系，四川 德阳 618000)

研究金属基复合新材料是当代新材料技术领域中的重要内容之一。金属基复合材料具有高比强度、高比模量、较好的耐热性和更低的热膨胀系数等优点，针对金属基复合材料的制备工艺不完善、成本高、难形成大规模的生产等弱点，并结合国内外相关工作的研究状况，从金属基复合材料的分类、性能特点以及制成品的制备技术与应用方面，对其领域内取得的研究成果进行了总结和分析。评述了金属复合材料的制备技术和目前存在的问题，探讨了我国金属基复合材料未来的研究重点。

金属基复合材料；分类；制备技术

0 前言

随着科学技术的大力发展，对材料性能的要求也越来越高，现有高强度、高模量、耐高温、低密度的单一材料已远远不能满足使用要求。为此，国内外大量学者采用复合技术将不同性能的材料复合起来，取长补短，得到单一材料无法比拟的、综合性能优越的新型复合材料[1-3]。复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体，通过复合工艺形成的材料。它克服了单一材料的某些弱点，产生协同效应，使之综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求[4-6]。与普通单增强相复合材料相比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。复合材料的种类繁多，按其基体材料不同可分为金属基、树脂基和陶瓷基复合材料。

目前，金属基复合材料是我国应用较为广泛、发展迅速的复合材料。它采用金属或合金为基体，以纤维、晶须、颗粒等为增强体，通过合理的设计和良好的复合工艺，使基体和增强体之间取长补短，发挥了各自的性能及工艺优势[7-8]。与传统的金属材料相比，金属基复合材料往往具有更高的比强度(强度和密度之比)、比模量(模量和密度之比)，更好的耐热性以及更低的热膨胀系数。迄今为止，由于金属基复合材料的制备工艺不完善、成本高等因素，导致难以大规模生产[9-10]。基于此，本研究结合国内外相关的研究状况，总结分析了金属基复合材料的分类、性能特点、制备技术等方面的研究成果，重点评述金属复合材料的制备技术和目前存在的问题，并探讨了金属基复合材料未来的研究重点。

1 金属基复合材料的分类和性能

金属基复合材料除力学性能优异外，还具有某些特殊性能和良好的综合性能，应用范围广泛。依据基体合金的种类可分为：轻金属基复合材料、高熔点金属基复合材料、金属间化合物基复合材料。按增强相形态的不同可划分为：连续纤维增强金属基复合材料、短纤维增强金属基复合材料、晶须增强金属基复合材料、颗粒增强金属基复合材料、混杂增强金属复合材料[11-13]。以下从基体、增强体以及复合材料的性能应用等方面，分别予以评述。

1.1 合金基体复合材料性能

铝、镁、钛、铜合金及金属间化合物合金是目前应用广泛、发展迅速的轻金属合金。用其制成的各种高比强度、高比模量的轻型结构件广泛地应用于航天、航空和汽车工业等领域[14]。

铝基复合材料具有轻质、高强、高韧性、导热性较好的性能特点，且铝基复合材料适用的制备方法多，易于塑性加工，制造成本低。与铝基复合材料相比，镁基复合材料最大的优点是质量更轻，多用于航天、空间等对构件质量有严格要求的高技术领域[15-18]。铜的导电性、导热性和塑性在金属中名列前茅，属于廉价金属，但在铜中加入增强体可提高其强度、刚度、耐热性和降低热膨胀系数，所以铜基复合材料有良好的导热性可有效地传热散热，能减少构件受热后产生的温度梯度，主要用于电力工业和半导体工业。铝基复合材料在温度高于300℃后，其强度迅速下降，极限工作温度约350℃，相比之下，钛基复合材料比铝基复合材料有更高的耐热性，但成本明显高于铝基复合材料，因此，钛基复合材料应用领域主要集中于飞行器及发动机的耐热零部件。另有一类主要用于高温作业轻质高强结构件方面的金属间化合物基复合材料，此类复合材料具有轻质、高温性能高的特点，故被选用在发动机等高温零部件上，可大幅度提高发动机的性能和效率。通常金属间化合物基复合材料的增强体有SiC、TiB2、TiC颗粒等，常见的基体有NiAl、TiAl。

1.2 增强体金属基复合材料

金属基复合材料的增强体是一些不同几何形状的金属或非金属材料。目前，其增强相已有很多，重要的有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、SiC纤维、SiC晶须；颗粒型的有SiC、碳化硼、图化钛等；丝状的有钨、铍、硼、钢等。金属基复合材料按其增强材料的几何形态可划分为以下几类[13]。

(1)连续纤维增强金属基复合材料。

纤维增强金属基复合材料是利用无机纤维(或晶须)及金属细线等增强金属得到质量轻且强度高的材料，纤维直径从3～150μm(晶须直径小于1μ m)，纵横比(长度／直径)在102以上[19]。在现有的各种类型增强体中，高性能连续纤维具有最明显的增强效果和更高的强度及刚度。连续纤维增强复合材料具有明显的各向异性，但连续纤维增强复合材料的复合和加工工艺独特、复杂、不易掌握和控制，因此该类复合材料的制造成本很高。连续纤维增强金属基复合材料主要用于较少考虑成本的航天、航空等尖端技术领域。

(2)短纤维增强金属基复合材料。

作为金属基复合材料增强体的短纤可分为天然纤维制品和短切纤维。天然纤维主要是一些植物纤维和菌类纤维索等，长度一般为35～150 mm；短切纤维一般是由连续纤维(长纤维)切割而成，长度1～50 mm，用于金属基复合材料短纤维增强体的材料主要有Saffil-Al2O3、Al2O3-SiO2、SiC等[15]。短纤维增强金属基复合材料成本比连续纤维增强金属基复合材料低得多，与基体合金相比，短纤维增强金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度和高耐磨性，其各向异性要远远小于连续纤维增强复合材料。短纤维增强金属基复合材料中增强体的体积分数一般不超过30%。主要用于汽车行业、电力行业等。

(3)晶须增强金属基复合材料。

晶须是指在特定条件下以单晶的形式生长而成的一种高纯度纤维，其原子排列高度有序，几乎不含晶界位错等晶体结构缺陷，有异乎寻常的力学性能。作为金属基复合材料的增强体使用的晶须使用做多、性能较好的是SiC、SiN4晶须，成本最低的是Al2O3·B2O3晶须。与连续纤维增强金属基复合材料相比，其各向异性极小；与短纤维增强复合材料相比，晶须增强复合材料的性能更高；而晶须在复合材料中的体积分数一般不超过30%，主要用于航空航天等高新技术领域，如飞机架构、推杆加强筋等。

(4)颗粒增强金属基复合材料。

颗粒增强金属基复合材料是利用颗粒自身的强度，其基体起着把颗粒组合在一起的作用，颗粒平均直径在1μ m以上，强化相的容积比可达90%。常用作金属基复合材料增强体的颗粒主要有：SiC、Al2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4等陶瓷颗粒，以及石墨颗粒、甚至金属颗粒[16]。颗粒增强金属基复合材料是各向同性、颗粒价格最低、来源最广、复合制备工艺多样、最易成形和加工的复合材料。在各种金属基复合材料中，颗粒增强金属基复合材料的使用范围最广，不仅包括航空、航天及尖端军事领域，还适用于交通运输工具、微电子、核工业等商业应用。

(5)混杂增强金属复合材料。

对上述四种单一的增强形式进行有机的组合就形成了混杂增强。增强体的混杂组合可分为三种：颗粒-短纤维(或晶须)、连续纤维-颗粒、连续纤维-连续纤维。在短纤维或晶须的预制件中，易出现增强的粘结、团聚现象，颗粒的混入可以解决这一问题。与单一的增强金属基复合材料相比，可以大幅度提高材料的横向强度，改善材料的力学性能。

2 制备工艺与分析

金属基复合材料的复合制备工艺复杂、技术难度较大，但制备技术研究是决定该类材料迅速发展和广泛应用的关键问题。所以，研究开发实用有效的制备方法一直是金属基复合材料的重要问题之一。目前，虽然已经研制出不少复合工艺，但都存在一些问题。按照制备过程中基体的温度，将其工艺分为液相工艺、固相工艺和液-固两相工艺[20-22]。

2.1 液相复合工艺

2.1.1 搅拌复合工艺

搅拌复合工艺又称搅拌铸造法，是通过机械搅拌装置使颗粒争强体与液态金属基体混合，然后通过常压铸造或真空常压铸造或压力铸造制成复合材料锭子或零件。可分为漩涡法和Duralcan法。其中，Surappa和Rohtgi最早采用搅拌法制备，通过机械搅拌在熔体中产生涡流引入颗粒。而搅拌工艺取得最重要的突破来自于Skibo和Schuster开发的Duralcan工艺[23-24]。

搅拌复合工艺最大的优点在于采用常规的熔炼设备，成本低廉，可以制备精密复杂零件，但仍存在一些问题有待解决，如：铸造缺陷(气体、夹杂物的混入)，颗粒分布不均匀，另外，复合需要较长时间和较高温度，基体金属与颗粒之间易发生截面反应，颗粒的增加会使金属熔体的粘度增大，使颗粒再混入变形区，增强体的体积分数一般不超过25%。

2.1.2 浸渗复合工艺

浸渗工艺包括高压、气压、无压浸渗三种，该制备技术已用于制造Toyoto发动机活塞。液态金属浸渗法是一种制备大体积分数复合材料的好方法，但是存在预制块的变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大和界面反应等缺点[25-26]。

(1)挤压铸造。

挤压铸造是将增强体材料制成一定形状并有一定强度的预制体，再将金属液浸渗到预制体中，保压凝固而成。此工艺的最大优点在于浸渗、凝固快、效率高、成本低、可大批量生产。但用此工艺制备的零件结构和尺寸很大程度上受到设备规模和压力容量的限制，且在距冲头较远的位置容易形成疏松和气孔等缺陷。有充型速度的控制，集渣和排气问题。

(2)气压浸渗。

气压浸渗能有效防止金属和增强体的氧化，限制了界面反应，改善界面，提高了浸润性，减少了出现气孔等缺陷的几率。由于其制造过程气压不超过10 MPa，所以零件不易开裂。但是，低气压浸渗难以制造大型件，生产效率低，工艺步骤多，周期长。

(3)无压浸渗。

无压浸渗是金属液体在没有外压力和真空的条件下，自发地渗入预制体间隙，冷却凝固获得致密的复合材料。该技术投资小，可制备复杂薄壁的零件，无需耐高温的模具；若浸渗强的金属，可加阻尼层，限制过度增长，以实现复杂薄壁结构的近无余量制备。该技术已被美国Lanxide公司掌控，并被美国国防部列为非转让技术。

2.1.3 喷射共沉积复合工艺

喷射共沉积复合技术克服了粉末冶金含氧量大、搅拌复合界面反应严重的缺点。其最大的工艺特点在于快速冷却过程粒子不易偏析，同时界面反应也得到有效地抑制；由于冲击破碎效应，微米原子的射入可制成亚微米级的增强颗粒，获得更好的综合性能，尤其是高温性能。但其工艺设备复杂，控制过程难度大，增强相的尺寸一般是细微颗粒，大颗粒和不连续纤维等容易堵塞喷口。

2.1.4 熔体原位复合工艺

原位复合工艺生成的增强体一般为陶瓷相，也可以是金属间化合物，形式多为颗粒、晶须等。其包括放热弥撒法、接触反应法、直接氧化或淡化法、气-液反应法及反应喷射沉积法。用该制备技术可使增强体表面与基体间的截面洁净、无杂质污染，界面是原位匹配、结合良好，且增强体在基体中易于实现均匀分布，增强体的尺寸也较小。

2.2 固相复合工艺

2.2.1 粉末冶金法

粉末冶金法采用热压或热静压的方法使材料扩散复合，从而制成复合材料锭块。该技术对基体合金和增强体的限制少，增强体体积分数易调节控制，这点也是铸造法难以比拟的，且经二次加工增强体分布均匀，基体晶粒细小，性能稳定[27-29]。

2.2.2 扩散结合工艺

扩散结合工艺是在低于基体合金熔点的适当温度下施加高压，通过与基体发生的塑性变形、蠕变以及扩散，将基体与基体、基体与增强体紧密结合，从而得到完全压实的金属基复合材料的方法。该方法能有效抑制复合材料的界面反应，解决润湿性问题，是连续纤维增强体金属基复合材料的主要制备方法。但仅能生产平板状或低曲率板等形状简单的构件。

2.3 固液两相区复合工艺

(1)流变铸造法。

流变铸造法是对处于固-液两相区的熔体施加强烈搅拌形成低粘度的半固态浆液，同时引入陶瓷颗粒，利用半固态浆液的触变特性分散增强相，阻止陶瓷颗粒的下沉或漂浮，保证陶瓷颗粒弥散分布于金属熔体中，但存在搅拌工艺所有的问题，仅适用于凝固区间较宽的金属，也存在界面反应、颗粒偏析等问题。

(2)固液两相区热压复合工艺。

固液两相区热压复合工艺具有流变性，可进行流变铸造；半固态浆液具有触变性，可将流变铸造锭重新加热到所要求的固相组分的软化度，送到压铸机中压铸，由于压铸时浇口处的剪切作用，可恢复其流变性而充满铸型，此称作触变铸造。颗粒或短纤维增强材料加入到强烈搅拌的半固态合金中。由于半固态浆液中球状碎晶粒子对添加粒子的分散和捕捉作用，既防止了添加粒子的上浮、下沉和凝聚，又使添加粒子在浆液中均匀分散，改善了润湿性，促进界面结合。

3 金属复合材料研制的重点与难点

通过多年研究积累，我国已在金属基复合材料制备过程方面取得突破性的进步，为推动复合材料的发展作出了巨大贡献。但我国金属基复合材料制备技术水平与发达国家相比仍存在较大差距，主要是金属基复合材料增强体与基体的润湿机理、增强体与基体的微观作用机理等领域研究薄弱，这是严重制约我国新型金属基复合材料研发的主要因素。故在未来研究中，应基于金属基体与增强体间发生的界面反应机理、金属基复合材料的强化机制，开展增强体与基体的润湿机理，阐明界面反应物脆性相对增强体的损伤程度；并结合金属基复合材料的强化机制，探讨金属基复合材料的凝固过程，研究增强相与基体的微观作用机理，实现低密度、高强度和比刚度、高温性能和抗大气腐蚀性、低热膨胀系数的金属基复合材料的突破性发展。

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Classification and manufacturing technologies of metal matrix composites

CHEN Su-ling
，SUN Xue-jie
(Department of Material Science and Engineering，Sichuan Engineering Technical College，Deyang 618000，China)

Studying on metal matrix composite is one of the important tasks in the modern field of new materials technology.In this paper，according to the weaknesses of incompletely manufacturing method，difficult forming and low-production，the research production was generalized and analyzed，which based on the higher specific strength and specific modulus，the best resistance to effect of heat and lower thermal expansion coefficient.Combined with the study condition，the metal matrix composite was studied on the classifications，properties，manufacturing methods and application of metal matrix composite.And the manufacturing technologies and defects were mainly commented,meanwhile,the future researching scope of the metal matrix composites was discussed.

metal matrix composites；classification；manufacturing method

TG421

C

1001-2303(2011)07-0090-05

2011-02-22

陈素玲(1981—)，女，河南洛阳人，硕士，主要从事焊接工艺制订等工作。