原位铝基复合材料制备的研究进展*

0 引言 铝基复合材料与传统钢铁材料相比，比强度和比刚度更高，并且具有良好的耐磨性能和热稳定性，在航空航天、汽车和军工等领域广泛应用，其研究开发也一直是材料界与工程界关注的热点。众所周知，在复合材料中增强相的大小、形貌和与基体界面的结合情况是影响材料机械性能极其重要的因素。研究表明：增强相的尺寸越小，越均匀弥散，增强相与基体的界面越干净(无反应产物、无污染)，界面结合得就越牢固，材料的机械性能也就越好。传统的外加增强相与基体复合的方法获得的复合材料的增强相和基体之间的相容性差，结合得不够牢固。20世纪末期，随着科学技术的发展，原位反应合成技术应运而生。 原位反应合成技术的基本原理是通过化学反应在金属基体内生成的一种或几种高硬度、高弹性模量的金属间化合物，这些化合物是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，很适合作为金属基复合材料的增强体，从而达到强化金属基体的目的。合成的增强体包括氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等，如：Al2O3、TiC、SiC、TiN、Si3N4等颗粒[1]。 1 原位铝基复合材料的制备方法 原位反应合成技术中，增强相是通过化学反应内生成的金属间化合物，属于热力学稳定相，相容性好，而且大多在基体中均匀分布，所以增强相和基体的结合强度高。同时，原位反应属于放热反应，可以除去挥发性杂质，提高基体纯度，节约能耗，降低生产成本。因而，该技术已成了制备复合材料的重要技术之一。目前报道的原位铝基复合材料的合成技术主要有：气液反应合成法、接触反应法、反应喷射沉积法、放热弥散法、机械合金化法（MA）等。1.1 气液反应合成法 气液反应合成法（Vapour Liquid Synthesis，简称VLS）技术是由Koczak和 Kumar在1989年发明并申请的专利技术[2]，是目前比较成熟的原位反应合成技术之一。其原理是将含碳或含氮的惰性气体通入高温金属熔体中，利用气体分解生成的碳或氮与合金中的Ti或者Si发生快速化学反应，生成热力学稳定的微细小球状TiC或者SiC等陶瓷颗粒作为增强相。 国外Corrochano J.采用VLS法向Al-Mg-Si合金熔体中通入纯Ar气体获得了原位铝基复合材料，增强相是Al2O3晶须，经检测所获得的复合材料在室温下具有非常好的力学性能[3]；国内山东大学的陈洪美等通过向含Ti的Al-Si合金熔体中通入CO2气体的方法制备了Al2O3-TiC/Al铝基复合材料。研究表明：Al2O3和TiC颗粒增强相尺寸在0.2~1.0µm之间，均匀分布在基体中[4]。1.2 接触反应法 接触反应法(Contact Reaction Process，简称CR)是哈尔滨工业大学和北京航空研究所共同开发研制的一种制备金属基复合材料的新工艺[5]。它是在SHS、XD法的基础上发展而来的。其工艺原理是将增强相的组分元素或含有增强相组分元素的化合物按一定的比例进行充分混合制成压坯，再放入基体合金液中，反应后在合金液中生成尺寸细小的强化相，该合金液经搅拌、静置便可浇注成各种形状的复合材料铸件。 国内南昌大学的贺儒等采用熔体直接接触反应法制备了Al2O3颗粒增强ADC12（日本的铝合金牌号）复合材料。该复合材料半固态组织细小、圆整、分布均匀，有利于复合材料综合性能的提高[6]。Song M S采用Al-TiC反应系制成的压块，置入铝熔体中，压块发生反应生成增强体为TiC颗粒的铝基复合材料。研究表明：发现随着Al含量的增加，压块在熔体中的反应延后，且反应温度下降；扫描电镜显示增强体TiC颗粒近球形，且均匀分布[7]。1.3 反应喷射沉积法 反应喷射沉积法(Reaction Spray Deposition Forming Process，简称RSD)是使增强相陶瓷颗粒在金属雾或基体中自动生成的方法，它综合了快速凝固及粉末冶金的优点，并克服了喷射共沉积工艺中存在的增强相体积分数不能太高的缺点，成为目前金属基复合材料研究的重要方向之一。反应喷射沉积工艺过程为：金属液流被雾化成粒径很小的液滴，它们既具有很大的体表面积又具有一定的高温，这些都为化学反应提供了驱动力。借助于液滴飞行过程中与雾化气体之间的化学反应原位生成粒度细小、分散均匀的增强相陶瓷颗粒或金属间化合物颗粒。 彭晓东等在氧化气氛中将铝液分散成大量的细小熔滴，通过使铝熔体发生快速氧化生成Al2O3，其尺寸在10µm以内，其中部分尺寸较大的质点由多个小质点聚合而成，凝固后即获得具有弥散分布Al2O3增强相的铝基复合材料[8]。 为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均和利用率较低的问题，杨滨等成功地开发出了一种熔铸—原位反应喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备新技术并取得了国家发明专利[9]。胡敦芫等采用该技术制备了TiC/Al-Fe-V-Si复合材料。研究结果表明：原位反应生成的TiC颗粒尺寸均匀细小，并在热爆作用下均匀分布在合金基体中并细化了基体合金的晶粒,提高了合金的高温稳定性[10]。Yang等也采用该工艺制备了TiC/7075复合材料。研究结果表明：近球形的TiC颗粒在铝基体中分布均匀，克服了传统反应喷射成形技术制备复合材料时出现颗粒偏聚和颗粒损失的问题[11]。1.4 放热弥散法 放热弥散法(Exothermic Dispersion，简称XD)技术由Brupbacher等人于1983年发明并申请专利[12]，它是在前苏联科学家Merzhanov发明的自蔓延高温合成法（SHS）的基础上改进而来的，弥补了SHS技术要求的高放热反应导致生成增强相不足的问题。其基本原理是将增强体的组分原料和金属粉末按一定的比例均匀混合，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(20～75vol.%)的中间合金，冷压或热压压坯成型，在真空或惰性气氛中预热引燃，增强相各组分之间进行放热化 学反应，生成增强相。增强相尺寸细小，呈弥散分布[1]。 国内的朱和国等利用XD反应法合成铝基复合材料。首先采用纯Al和TiO2粉末为反应物，以一定的化学计量比进行配粉、球磨，再以不同的压力冷压压坯成型，将之置于真空反应炉中，抽真空、充氩，反复两次，再以一定的升温速率预热，在1000K左右时压坯发生化学反应，保温一段时间后冷至室温。研究表明：Al-TiO2反应系生成的Al3Ti是活性Ti原子通过扩散穿过反应层进入铝液，与铝原子结合生成的，该增强相呈棒状，分布相对均匀，且表面光滑平整[13-14]。Kou Shengzhong等用该法制备了Al2O3-TiCP/Al复合材料，采用高纯度的Al、TiO2粉末以及碳粉为反应物，合成的增强相为TiC和α-Al2O3。研究表明：随着球磨时间的增加，铝基复合材料中增强相分布越均匀[15]。1.5 机械合金法 机械合金化（reaction mechanical alloying，简称MA）是由各种粉末直接形成复合材料的一种工艺，属于固—固反应的粉末冶金法。它是1970年由Benjamin首先提出来的，是为了解决金属基复合材料中的浸润性问题[16]。 Arami H采用CuO粉与Al粉，在球磨罐中，高纯Ar气氛中球磨，进行机械合金化，在球磨机械合金化过程中，Cu原子固溶到Al的晶格中并形成纳米级的氧化铝增强体颗粒，增强体强化粒子分布在铝基体的晶界，平均晶粒尺寸约50nm，性能优异[17]；Enayati M.H.采用高纯度Al粉和Ti粉通过金属合金化方法合成纳米级金属间化合物NiAl，在球磨的过程中通入N2气氛，当球磨时间达到40h时，NiAl晶体平均晶粒尺寸约20nm，晶界间多层结构基本消失[18]。2 结论及展望 综上所述，以上对复合材料的五种主要原位合成技术的发展史、基本原理以及近几年来国内外的研究情况进行了简单的介绍。目前原位合成技术主要是跟踪国外，国内自主研究较少，我国对其研究的起步较晚，但现阶段在科技界受到极大的重视。国内在有些方面也取得了一定的突破，但是还存在着诸多问题，例如工艺不稳定、成本高、商品化进程慢等。在今后还需要面向工业化生产的方向发展，进行工业化生产的试验研究。参考文献：[1]陶杰等编著.金属基复合材料制备新技术导论[M].北京市:化学工业出版社,2007[2]KOCZAK M J,KUMAR K S.In situ process for producing a composite containing refractory material[P].US, pat:4808372,1989[3]Corrochano J.,Cerecedo C.,Valcárcel V.,et al. 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