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1、Hot Working Technology2011, Vol.40,No.10 材料热处理技术Material preparation method; in-situ synthesis 收稿日期:2010-11-18 作者简介:刘建华(1965- ),女,河南郑州人,讲师,主要研究方向为物理 教育;电话:15038310673;E-mail: 106 热加工工艺2011年第40卷第10期 下半月出版材料热处理技术Material & Heat Treatment 均匀且应变较小，随着颗粒的尖锐化，尖角部分的应 力会集中，而且会越来越严重。 与此同时，颗粒周边 的应变分布会逐渐变得不均匀，
2、在颗粒的尖角部分 会出现应变集中，随着颗粒的尖角角度越小，应变集 中越严重；颗粒尺寸越小，颗粒的表面积越大，表面 能就越大，颗粒团聚的情况也就越严重。要使增强相 颗粒进入到金属基体中，细化晶粒，改善复合材料的 综合性能， 增强颗粒和金属基体之间的润湿性必须 改善，通常可对增强颗粒进行表面处理、添加合金元 素等途经改善二者的润湿性6。 3制备工艺 3.1粉末冶金法 粉末冶金法是将颗粒与金属粉充分混合后冷压 成型，真空加热到固液两相区内热压，将热压后坯料 进行热挤压或冷轧制成零部件。 粉末冶金法有三个 步骤：粉末混合、压实和烧结。 肖永亮等7用粉末冶 金法制备了纳米SiC颗粒增强铝基复合材料， 经
3、实 验发现， 材料的组织均匀而且细小。 粉末冶金法的 优点是不存在界面反应， 可以制备出大体积分数的 复合材料，任何合金都可以作为基体材料，允许使用 几乎所有种类的增强相；增强颗粒分布均匀，质量稳 定。 董树荣等8用粉末冶金法制备了纳米碳管增强 铜基复合材料， 纳米碳管体积分数显著影响复合材 料的综合性能，纳米碳管含量在12vol%左右时复 合材料的致密度和硬度达到较好的综合值。 但是粉 末冶金法也存在一些问题,如成本高，一般需要二次 成型；工艺程序复杂，植被周期长；粉末在球磨过程 中形状受到限制等问题。 3.2搅拌铸造法 该方法是将增强体加入到基体金属液中， 通过 高速旋转的搅拌器使液相和固
4、相混合均匀， 然后浇 入到铸型中。 这种方法的关键是将增强体均匀分布 于基体中， 并且是基体和增强相之间有良好的界面 结合， 搅拌铸造法可分为液相搅拌法和液固两相搅 拌法9。 搅拌铸造法有很多优点，如：成本低，便于一 次形成复杂工件，所需设备相对简单，能够适应批量 生产。但是仍存在一些问题，如在搅拌过程中陶瓷颗 粒的偏聚问题， 陶瓷颗粒在液体中分布的均匀性问 题、界面反应问题等。另外，非真空搅拌铸造时，在搅 拌的过程中容易引入气体，致使产品内部产生气孔。 同时利用这种方法制取金属基复合材料时， 颗粒增 强相的体积分数会受到限制10。 3.3挤压铸造法 挤压铸造法(有些文献称为预制件浸渗法9)首
5、 先是将增强体做成预制块，放入模具，再浇入基体合 金熔液，随后加压，使基体熔液渗入预制块成锭。 崔 岩等11用挤压铸造法制备出45vol%-50vol%的性能 优异的SiCP/A1复台材料。 热物理性能数据与理论 预测的一致说明材料是均匀的， 无明显缺陷存在。 SiC-Al界面有良好的结合，界面能够起到有效传载 的作用，很好地约束Al基体的嘭胀，且界面热阻较 小，结合十分紧密。 挤压铸造法可制备出形状和最终制品相同或相 似的产品；液态金属浸渗的时间短，冷却速度快，可 降低乃至消除颗粒界面反应； 增强相的体积分数在 较大范围内可调。 但是挤压铸造不易制备形状复杂 的制件，当浸渗压力很大时，对模具
6、和所制件的完整 性有很大的影响。 3.4高能超声复合法 采用高能超声制备金属基复合材料， 能在极短 的时间内使增强相在基体中达到较好的分散， 并兼 具除气，除渣的作用。超声能引起固液界面能的变化 导致润湿性的改善， 声空化泡崩溃时产生的强烈冲 击波使团聚物分散开， 同时在具有较高速度和加速 度的声流效应的协同作用下， 高能超声可使增强体 在基体金属中均匀弥散分布。在超声波的作用下，熔 体粘度的下降，使气泡上浮除气，进而降低复合材料 制品中的气孔率，改善材料的力学性能。潘蕾等12利 用高能超声复合法制备了SiCP ZA27复合材料(其 中SiC颗粒的最小粒径可达0.5m)。对其进行力学 测试结果
7、表明随颗粒尺寸和含量的增加，复合材 料的抗拉强度和弹性模量有所提高,但颗粒含量对 力学性能的影响远比粒径显著。 3.5喷射沉积法 喷射沉积法是使金属熔体和陶瓷增强相颗粒在 雾化器内混合， 然后被雾化喷射到水冷的基体上成 型。通过喷射沉积技术制取金属基复合材料，金属熔 滴和陶瓷增强相颗粒接触的时间极短， 有效地控制 了界面化学反应。 控制工艺气氛也可最大限度的控 制氧化反应的发生。喷射沉积法应用范围广，几乎可 以适用任何基体和陶瓷颗粒增强相。 陈振华等13采 用多层喷射共沉积工艺制备了6066铝合金/15% SiC颗粒复合材料，得到了增强颗粒分布均匀、增强 107 Hot Working Tec
8、hnology2011, Vol.40,No.10 材料热处理技术Material & Heat Treatment2011年5月 颗粒与基体界面洁净、基体冷凝速度高的沉积坯，沉 积坯经挤压后进行了T6处理， 其力学性能为b= 640MPa，0.2=510MPa，E=133GPa，=9.4%。 3.6原位复合法 在金属基复合材料的制备过程中， 增强体与金 属基体之间的相容性， 即增强体与金属基体的润湿 性是需要解决的问题。同时，增强体与金属基体之间 都存在界面反应， 它也影响到金属基复合材料在高 温制备时和高温应用时的性能和稳定性。 如果增强 体(颗粒、纳米颗粒、晶须等)能从金属基体中直接 (
9、即原位)生成，则上述相容性问题就可得到明显改 善。 原位生成的增强体与金属基体界面能有良好的 结合，生产相的热力学稳定性好，增强体与金属基体 之间的润湿和界面反应也得到很好解决， 这种制备 方法就是原位复合法。 原位复合法工艺也有缺点， 工艺过程较难掌握， 增强相的成分和体积分数不易 控制。 目前报道的原位合成技术主要有： 原位热压技 术 、XD技 术(exothermic dispersion)、CVD技 术 、 DIMOX技术和熔体浸渍技术和反应结合技术及 SHS技术等。 3.6.1原位热压技术 将反应物混和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。通过 调整
10、工艺参数，也可采取常压烧结工艺。原位热压技 术是常用的原位复合技术， 国内不少研究机构或个 人都利用该法制备复合材料。 李超等14利用原位热 压技术制备Ti3AlC2/TiB2复合材料，以Ti粉、Al粉、 石墨和B4C粉为原料采用原位热压法成功合成了 Ti3AlC2/TiB2复合材料。利用DSC和XRD对其反应 路径进行研究，并利用扫描电镜(SEM)和透射电子 显微镜(TEM)对复合材料的微观结构进行了表征， 最后测试了复合材料的硬度和强度。 结果表明，用 B4C-Ti-Al-C体系，可在较低温度下合成致密无杂质 Ti3AlC2/TiB2复合材料； 引入的TiB2明显提高了 Ti3AlC2的硬
11、度和强度。 3.6.2放热弥散法(XD技术) XD原理是将含增强相形成元素的混合粉末和 基体粉末混匀，压坯、除气后，加热至基体熔点温度 以上，增强相形成元素在基体熔液中扩散，原位反应 析出增强相颗粒。XD复合技术是在燃烧合成的基础 上，发展起来的一种制备金属基复合材料的新工艺。 3.6.3DIMOX技术 DIMOX技术是Lanxide公司的Newkirt等于 1986年发明的技术，该技术基本原理是熔融金属合 金在高温下与广义的气、 液或固态氧化剂发生氧化 反应 ，原位生成以反应固体产物(氧化物、氮化物或 硼化物)骨架为基体并含有5%30%三维连通金属 相的复合材料。 该技术用于制备金属基复合材
12、料和 低孔隙率的陶瓷基复合材料， 其技术要求是熔融的 金属或合金向增强相中渗透， 同时与气氛中的氧反 应，形成三维互联或部分三维互联的网状基体，增强 相粒子散布其中。林营等15利用金属直接氧化法制备了 SiC颗粒增强Al2O3-Al复合材料， 借助于XRD、OM 和SEM对该复合材料的微观结构进行观测， 分析 了SiO2氧化层的形成在复合材料制备过程中的作 用。 结果表明，SiO2层可防止材料的粉化现象。 4展望 金属基复合材料发展至今， 一直存在着两个重 要问题，就是有害的界面反应和颗粒的偏聚问题，这 两个问题给复合材料的制备带来很多不利， 人们一 直在努力寻求解决这两类问题的办法。 选择合
13、适的 制备工艺可在一定程度上控制有害的界面反应和偏 聚问题。 目前金属基复合材料还处于研究阶段， 由于成 本原因暂时只应用在航天军工方面， 大批量工业生 产还做不到。其优异的力学性能、热性能会吸引人们 不断的探索研究具有优异性能且廉价的金属基复合 材料及制备工艺。 参考文献： 1吕一中，崔岩，曲敬信金属基复合材料在航空航天领域的应 用J北京工业职业技术学院学报，2007，(3)：1-4 2ParkJ，LenshekDX，PovirkGLReinforcement redistribution in Al-SiC composites under cyclic deformations JAct
14、a. Materialia，1997，(4)：1351-1364 3梁立超，白彧，杨玉山，等SiC颗粒增强AZ91镁基复合材料 的研究J沈阳工业大学学报，2007，29(2)：139-143 4罗锴，梁振峰颗粒增强钛基复合材料的研究进展J金属学 报，2002，38(增刊)：500-504 5张修庆，徐祖豪，邓鉴棋，等铜基复合材料的制备方法与工艺 J热加工工艺，2006，36(6)：73-77 6郝斌，王洪斌，蔡元华，等颗粒增强金属基复合材料制备工艺 评述J热加工工艺，2005，(4)：62-66 (下转第112页) 108 Hot Working Technology2011, Vol.40,
15、No.10 材料热处理技术Material & Heat Treatment2011年5月 3结论 (1)随着粘结剂添用量的增多，磁粉芯的品质 因数增大；随着成型压力的增加，磁粉芯品质因数 增大。 (2)退火处理有助于降低磁粉芯的内应力，提高 品质因数，但退火温度过高，磁粉芯的品质因数降低。 (3)随着磁粉粒度的减小， 磁粉芯的品质因数 增大。 参考文献: 1赵修科开关电源中磁性元器件M沈阳：辽宁科技出版社， 200252 2R波尔软磁材料M北京：冶金工业出版社，198767 3张卫东金属磁粉芯材料的应用J粉末冶金工业，2007，(3)： 34-78 4祁峰，祁关泉迅速崛起中的铁硅铝磁粉芯产业
16、J新材料产 业，2007，(6)：75-78 5姚丽姜降低FeSiAL磁粉芯损耗方法研究J上海钢研， 2005，(3)：55-58 6姚中铁硅铝磁芯在功率因素校正电路上的应用J上海钢 研，2004，(2)：40-43 7李庆达，连法增，尤俊华，等软磁Fe-SiAl磁粉性能研究J 功能材料，2009，(3)：369-371 品质因数 图5磁粉芯的品质因数随磁粉粒度的变化 Fig.5 Change of quality factor of samples with granularity of magnetic powder 100200300400200300 14 12 10 8 6 4 2 0 (上接第108页) 7肖永亮，李亚利，纳米SiC颗粒增强铝基复合材料研究J金 属学报，1996，32
