《铸造技术路线图》摘录 铸造金属基复合材料

1 概述

金属基复合材料（Metal Matrix Composites，简称MMCs）是以金属及其合金为基体，加入一定体积分数的纤维、晶须或颗粒等增强相经人工复合而成的材料，不仅具有现代科技对材料要求的强韧性、导电性、导热性、耐高温性、耐磨性和不吸潮等优良性能，而且在比强度、比刚度、比模量及高温性能等方面超过其基体金属或合金，同时具有可设计性和一定的二次加工性，是一种在工程技术领域和日常生活中都具有广阔应用前景的高性能材料，到目前为止，已经在汽车、电子、先进武器、机器人、核反应堆、航空、航天等领域得到应用。

金属基复合材料的研制起源于20 世纪60 年代，起初主要集中于利用连续纤维增强体，但由于工艺复杂且成本高，所以自80 年代以来，为了降低制造成本，满足民用需要，研究的重点逐渐转向以颗粒为代表的颗粒、晶须、短纤维增强的非连续增强金属基复合材料。

金属基复合材料的制备方法可分为固态法和液态铸造法两种。固态法生产工艺复杂，产品形状受限制，生产成本高，难以获得广泛的应用。液态铸造法是金属基体处于熔融状态下与固体增强物复合而制备金属基复合材料的工艺过程，成形时温度较高，熔融状态的金属流动性好，在一定的条件下利用传统的铸造工艺可容易地制得性能优良、形状各异的复合材料制件，相对于固态成形具有能量消耗小、易于操作、可以实现大规模工业生产和零件形状不受限制等优点，因而受到人们的青睐[1-2]。文献[1]对近十年来金属基复合材料的制备方法进行了总结，铸造方法占据了半壁江山（图1）.

金属基复合材料的制备必须解决两个基本问题，即外加增强体均匀地分布在合金基体中，同时增强体与基体金属具有良好可靠的界面结合。上述基本问题都与复合材料的制备工艺技术紧密相关，已经成为现阶段金属基复合材料发展的制约瓶颈，材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于材料的制备方法，因此，设备相对简单，成本较低，能适应规模生产的铸造金属基复合材料近年来研究较多，得到较快的发展。

图1 近十年来金属基复合材料采用的制备方法

金属基复合材料的研究与发展历程、应用规模与相应基体材料相同，目前主要集中于铝、镁、钛和铜及其合金。

为满足人们对铝合金铸件性能越来越高的要求。从20 世纪50 年代开始了高比强度、比刚度、高导热导电性能、高耐磨耐蚀耐热性能的铝基复合材料的研究、开发，是目前金属基复合材料中被研究最多和最主要的复合材料。多年来，各国在研发上都投入了大量的人力物力，尤其近20 年来，无论从理论上还是技术上都取得了较大进步。目前，正在向规模化生产和大范围应用迅速迈进[3-6]。今后的研究的主要目标为继续提高其综合性能的同时，能保持基体材料较好的塑韧性、可加工性，并实现材料的可设计性和稳定制造。

镁基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、良好的尺寸稳定性和优良的铸造性能。此外，这种材料还具有优良的阻尼减振、电磁屏蔽等性能，其综合性能优于铝基复合材料，是继铸造铝基复合材料之后又一具有竞争力的轻金属基复合材料，正成为汽车、军工、电子和航空航天领域中亟待开发和应用的新型复合材料[4，7-9]。由于镁具有熔点低、化学活性高、易燃、易氧化等特点，在一定程度上增加了制备的难度，镁基复合材料在制备、铸造成形加工技术等方面仍不成熟，应用仍然有限，因此需对铸造镁基复合材料的先进制备和成形加工技术进行系统深入的研究，并大力推进研究成果的产业化应用。

同其他材料一样，现有的钛合金已不能满足要求，钛基复合材料也得到研究、发展，它把钛的延展性、韧性与陶瓷的高强度、高模量结合起来，从而获得了更高的剪切强度和压缩强度以及更好的高温力学性能，在某些领域逐渐取代了传统的钛合金材料[4，13-16]。目前己处于应用的前沿，优化制备技术及降低成本将成为该材料市场应用稳定化的重要因素。

铜的硬度和屈服强度较低，抗蠕变性能也较差，使其应用受到了很大限制。铜中引入增强体的目的是提高铜材料的室温力学性能和高温力学性能，同时尽可能保留铜材料本身优异的导电性和导热性[4，10-12]。目前，虽然制备这类材料的方法不少，但是制造工艺还比较复杂、性能还达不到要求、生产成本偏高，开发新型的工艺简单、成本低廉的铜基复合材料制造技术，进一步提高材料的性能和生产率，降低生产成本，实现工业化生产，将成为今后的主要研发方向。

尽管金属基复合材料具有可加工性强、价格低廉以及无聚合物复合材料常见的老化、高温蠕变现象和在高真空条件下释放小分子的特点，但长期以来存在着制备工艺复杂，对环境和设备要求严格，成本高等缺点，因此其应用还不普遍。面对技术发展的强大需求和新型高性能非金属材料及其复合材料的竞争态势，要立足当前，围绕重点产品开展中试和生产工作，加快现有成熟金属基复合材料技术的产业化转移；着眼长远，整体推进，进一步提高工艺的稳定性和复合的材料性能，进入金属基复合材料制造强国行列；开拓创新，重点突破，自主发展，研发新的具有自主知识产权的铸造复合材料制备技术和生产工艺。

2 关键技术

2.1 铸造铝基复合材料

2.1.1 现状

在铝基复合材料的制备过程中，希望增强体在基体中均匀分散，以避免增强体聚集造成的材料缺陷、应力集中等现象。然而，随着增强体颗粒尺寸的减小，更容易产生颗粒的团聚，尤其是纳米增强颗粒。采用不同的增强体混合加入，有助于简化处理工艺，提高增强体的分散性，最终提高材料的性能。

铝基复合材料的断裂多从脆弱的界面处开始萌生，通过增强体与基体间发生一定化学反应并形成一定厚度的界面反应层，实现界面化合方式，是铝基复合材料最常见的界面结合方式，像Cf/Al、SiC/Al、B4C/Al 复合材料都属于这种情况。但是，过度的界面反应会造成增强体的破坏，从而影响增强效果，尤其当界面处有脆性相，如Cf/Al、SiC/Al 复合材料中产生粗大的Al4C3相时尤为严重。到目前为止，对于铝基复合材料界面结构的研究与控制一直是学者们研究的重点问题，且并没有得到很好的解决。

原位铝基复合材料的增强相是反应合成的，内生于基体之中，因而具有许多外加增强相所不具有的独特优点。增强体在铝基体上原位形核、长大，界面纯净、无污染，界面结合强度较高；增强相热力学稳定，尺寸细小，不易聚集，弥散分布在铝基体上；省去了增强物的预处理，简化了工艺流程，成本也相对降低。

要实现复合材料的优良综合性能，增强体与基体间的多层次、多尺度结构优化设计尤为重要。目前在新型铝基复合材料的组分、结构的设计中，呈现出增强体构型化的趋势，已有研究采用层状、网状等多种复杂构型的增强体制备复合材料，希望通过结构效应对材料性能进行调控，进一步提高复合材料的性能。

2.1.2 挑战

铝基复合材料要实现广泛的工程化应用和进一步提高性能，必须降低生产成本高，提高制造效率，提高复合材料制件的可靠性和稳定性，所面临的挑战和需要解决的问题如下。

1）增强颗粒的均匀分布和与基体的相互作用。均匀分布的增强相颗粒，良好的界面结合强度可有效传递从基体到增强体的载荷，从而提高其强度与刚度。理论上，颗粒越小，复合材料的弥散强化作用越好，复合材料的性能越佳。但增强相颗粒尺寸越小，越不易分散均匀。虽然已有不少均质化方法和大量的过程控制参数，但尚缺少有说服力的解决方案。

混杂复合材料的增强体由两种或两种以上的材料组成，可在一定程度上促进增强相的均匀分布。但不同增强体的颗粒大小、相对比例、交互作用等还不清楚，目前还处于初步探索阶段。此外，目前对原位铝基复合材料中的反应产物的生长机制缺少有说服力的解释，不能很好地控制增强相的大小、形态和分布，难以获得性能的重大突破。而且，反应过程中伴生的化合物也是目前原位铝基复合材料制备和研究中无法避免的一个难题。

因此，深入探索控制增强体分布和与基体界面行为的有效手段，优化增强体的分布和与基体的界面结构，提高“界面”对材料性能的贡献，仍是颗粒增强铝基复合材料面临的挑战和研究的重点。

2）多尺度、多构型设计与结构性能优化。通常情况下，颗粒增强复合材料在提高强度性能的同时，材料的塑、韧性会有一定程度的降低。目前在新型铝基复合材料的组分、结构的设计中，呈现出增强体构型化的趋势，采用预制的连续纤维增强材料，如预制的层状、网状等多种复杂构型的增强体制备复合材料，通过结构效应对材料性能进行调控，进一步提高复合材料的综合性能。对增强的复杂构型的研究，还处于起步阶段。

3）复合材料标准的制订。对于颗粒增强铝基复合材料界面强度还没有统一和行之有效的检测方法，用于指导材料的设计、生产和选择。

2.1.3 目标

1）预计到2020 年，要达到的目标：

颗粒增强铝基复合材料制造的典型零件得到批量应用。高强韧铸造铝基复合材料（以A356 合金为基体）应达到以下主要指标：室温拉伸强度≥330 MPa，屈服强度≥275 MPa，伸长率≥12%；铸件合格率≥98%.

耐热耐磨铸造铝基复合材料应达到以下主要指标：室温拉伸强度≥290 MPa，高温（350 ℃）拉伸强度≥110 MPa；产品成品率不低于90%.

2）预计到2025 年，要达到的目标：

初步形成铝基复合材料的基本技术标准，解决回收利用中存在的问题。

3）预计到2030 年，要达到的目标：

形成铝基复合材料的系列标准，工程设计中可根据材料性能标准进行选择；生产、回收利用形成良性循环，特殊构型连续增强体增强的复合材料进入产品开发。

2.2 铸造镁基复合材料

2.2.1 现状

增强体在镁合金液中的分散是存在的主要问题。铸造镁基复合材料在高于镁熔点条件下制备，镁基体与增强体之间通常浸润性差，甚至不浸润，通常对增强体进行适当的表面处理以改善与基体的浸润性，提高其在熔体中的分散能力，得到高质量的复合材料合金熔液。

船舶、飞机及军工技术的发展，对装备的使用性能和可靠性都提出更高的要求。以前由两个甚至多个部分加工完再组合在一起的零件，现在在最初阶段就按照一个整体进行设计，这些零件结构复杂，尺寸精度要求高，对铸件成分、力学性能、耐压性等性能要求高，镁基复合材料的成形难度很大。

挤压铸造和压铸都是近净成形工艺，能够有效避免铸件气孔、缩孔、疏松等缺陷的产生，提高基体与增强相的界面结合。采用专用设备和工艺，控制镁的氧化，得到完好的铸件，是目前镁基复合材料制备的关键之一。

2.2.2 挑战

1）高质量镁基复合材料熔体制备技术。为提高增强相在镁基体中的均匀分布，目前已开展许多研究工作。采用电镀、化学镀、表面涂层、气相沉积等方法对非金属增强相进行表面金属化处理，采用超声波处理、添加表面活性剂、酸碱处理、原位合成及综合处理等方法来提高增强相在镁基体中的分散性。目前，各种方法的使用均取得了一定的效果，但存在方法单一、理论研究不成熟、工艺技术经济性不合理等问题。尤其是针对界面反应的机制、可控性调节及界面反应对材料性能的影响规律等方面的基础理论和工艺研究，仍将是当前及今后一段时间需要解决的重点问题。

2）镁基复合材料复杂结构件的成形技术。船舶、飞机及军工铸件产品的集成度高，工艺复杂，向大型、复杂、薄壁、多内置油路的方向发展，有些铸件结构特别复杂，在保证产品成形的同时，也要保证其形状、尺寸、强度和化学成分符合工艺要求。另外，由于部分铸件产品以前从来没有研制过，需要创新的地方也很多，这就对铸造成形提出了更高的要求。

3）镁基复合材料铸造成形专用设备。新的技术势必要有新型的设备来与其匹配，以生产出更高质量的铸件。对现有设备进行改进非常重要，旨在降低其生产成本、减少生产周期，最终扩大镁合金的应用范围。我国压力铸造设备，尤其是大型压力铸造设备在设计方法、制造工艺、工作效率、能耗、可靠性等方面与发达国家相比还存在较大差距。随着人工智能的发展，铸造行业应紧密跟随国际发展潮流，在压力铸造设备自动化、远程监控技术、实时控制技术等方面开展创新和研发，发展我国的专用设备。

2.2.3 目标

1）预计到2020 年，要达到的目标：

颗粒增强镁基复合材料在某些零件生产中得到推广、应用。高性能铸造镁基复合材料（以ZM5 合金为基体）的室温拉伸强度≥300 MPa，伸长率≥3%.

2）预计到2030 年，要达到的目标：

颗粒增强镁基复合材料铸造成形专用设备投入使用，制造的典型零件得到批量应用，形成基本的材料性能体系，为进一步建立材料标准建立基础。

2.3 铸造钛基复合材料

2.3.1 现状

非连续增强钛基复合材料既能保持钛合金的优良特性，又具有比钛合金更高的比强度和比模量，可望成为航空航天领域重要的结构金属材料，因此，近年来备受材料领域研究者的关注。

非连续增强钛基复合材料按增强体生成方式可分为外加法和原位合成工艺方法。传统的外加法制备技术中，陶瓷增强相以颗粒、粉末的状态加入基体钛中，增强相的尺度被最初的粉末粒度所限制，一般是微米级甚至毫米级。此外，传统外加法的合成技术还需要解决增强体浸润、制备过程中增强相与基体的界面反应以及昂贵的成本等问题。

原位自生法制备的非连续增强钛基复合材料，具有制备工艺简单、生产成本低廉、增强体分布均匀，增强体与基体的相容性好，避免了外加增强颗粒的污染问题以及增强颗粒与基体的界面之间的化学反应问题，增强体和基体界面结合良好，而且增强颗粒和基体在热力学上稳定。

连续纤维增强钛基复合材料是利用高强度、高模量、低密度的纤维作为增强体，与钛金属基体复合而成，由于具有比强度高、耐高温、抗疲劳和蠕变性能好等优点，受到各国航空发动机研究机构的广泛重视。连续纤维增强钛基复合材料的发展己有30多年的历史，美国、法国、英国、德国、日本等发达国家均投入大量的人力和物力对该复合材料进行了系统和深入的研究，己在飞机发动机的压气机盘件中得到试用，大大地降低了发动机的重量，提高了发动机推重比。

2.3.2 挑战

1）非连续增强钛基复合材料。不论是外加法还是原位合成法，目前都存在制备工艺不稳定、增强相均匀分布性差、难以获得理想的强度与塑性指标等问题，而且与实际应用还存在距离，仍然停留在实验室研究阶段。

2）连续纤维增强钛基复合材料。目前，连续纤维增强钛基复合材料的制备方法主要有箔材-纤维-箔材法、等离子喷射涂层法和物理气相沉积法，即先对纤维进行涂层处理，或把纤维网铺设在基体之间，再用固化压实的工艺得到复合材料。存在加工工艺复杂、材料各向异性、界面反应不可控等不足，而且所制备的材料价格昂贵，即使这样，公开的资料极少。国内研究与国际先进水平差距较大，仅有个别研究对钛基复合材料制备整体叶环转子的制备和强度进行了模拟研究摸索。此外，目前还未见采用铸造工艺制备这类复合材料的公开报道。

2.3.3 目标

1）预计到2020 年，要达到的目标：

非连续增强钛基复合材料开始开发在民用产品中的应用，复合材料的主要性能指标达到：弹性模量115 GPa～125 GPa，屈服强度700 MPa～1 000 MPa，抗拉强度900 MPa～1 200 MPa，伸长率3%～5%.

2）预计到2030 年，要达到的目标：

非连续增强钛基复合材制造料成本明显下降，在民用产品中得到应用。连续纤维增强钛基复合材料生产技术取得显著进展，针对典型铸件开展试生产，使用温度≥700 ℃.

2.4 铸造铜基复合材料

2.4.1 现状

工业上的许多元器件需要使用一些热导率高的材料，以降低工作温度；先进的电力电子设备需要新型的热性能材料制造吸热元件和导热片，电子封装材料要求具备高热导率、高强度、低热膨胀系数、易加工和低成本等特点。铜基复合材料以其高热导率、低热膨胀系数、易加工等优点，可满足即时快速大量散热的要求。

电性能为主的铜基复合材料，不仅强度高，而且导电性、耐磨性也很好，在工业用电接触元件中具有广泛的应用，包括触头支承体材料和触头材料。近年来，随着高速铁路的发展，用于受电弓的高导电高耐磨铜基复合材料也得到快速发展。碳纤维增强铜基复合材料综合了铜的良好导电、导热性以及碳纤维的高比强度、高比模量、低热膨胀系数，在其中加入石墨、MoS2等具有极好的自润滑特性的颗粒，可在保证良好导电性的同时，降低摩擦，提高零件的可靠性，延长使用寿命。

2.4.2 挑战

自20 世纪90 年代以来，具有高导热性、低热膨胀性的颗粒增强铜基复合材料得到大量研究，但增强相与基体两相界面润湿性差，界面结合较弱，在复合材料的两相界面处易产生孔洞和裂缝的不足一直没有得到很好的解决。

这类材料目前应用粉末冶金工艺较多，孔隙是粉末冶金材料的固有特性，显著影响材料的力学、电学和工艺性能。研究表明，随着复合材料密度的增大，其硬度、抗拉强度、导电率都呈几何级数增加。改善铜/增强相界面的结合性能，仍是这类材料发展的重点。采用增强相预处理、在压力作用下凝固等工艺，将有效促进基体和增强相的界面结合。开发新型的铸造成形技术，减少材料中的孔隙，提高材料的致密度，进一步提高其性能是今后的发展目标。

2.4.3 目标

1）预计到2020 年，要达到的目标：

采用铸造工艺生产铜基复合材料取得关键进展，制备的复合材料应达到的主要性能指标有：拉伸强度≥600 MPa，导电性≥80%纯铜，铜基自润滑复合材料可用于制造高速列车受电弓滑板。

2）预计到2030 年，要达到的目标：

铸造工艺在铜基复合材料生产中的地位进一步提升，并在典型零件中得到推广。

3 技术路线图

铸造金属基复合材料技术路线图如图2 所示。

图2 铸造金属基复合材料技术路线图