金属复合材料的分类及制造技术研究进展

杨志国

摘 要： 由于我国社会经济和科学技术的飞速进步，对金属材料使用性能设定的标准也更加严格。当前的单一金属材料已经无法符合标准需求，金属复合材料应运而生。其具备单一金属材料缺少的高性能特点，得到了许多行业的亲睐。现简要分析金属复合材料的分类和制造技术，力求为今后的相关工作提供可靠的参照。

关键词：金属复合材料 分类 制造技术

中图分类号：TG1 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2016）05-0292

金属复合材料的制造技术是其广泛运用的前提，同样是实现结构设计的基础。金属复合材料的生产技术相对复杂，直接关系到材料结构稳定性、高质量性以及经济性。随着金属复合材料在各个领域中的大量运用，其生产工艺理论也获得了很大程度的进步，具备非常广阔的发展前景[1]。

一、金属复合材料的分类

1.颗粒增强金属基复合材料

此类材料主要借助颗粒本身的强度，基体能够将颗粒有效整合，颗粒均直径高于1微米，弥散强化的沉降容积比为90%左右。增强体颗粒通常为：碳化硅、三氧化二铝、碳化钛、二硼化钛、镍铝合金、碳化硅、陶瓷、石墨以及金属颗粒等。这种复合材料具备均质性，颗粒的成本较低，来源较多、生产技术多样话，且容易成形与生产的一类金属基复合材料。所有金属复合材料内，此类材料的应用范畴最广泛。不但在航空航天和军事方面大量应用，还在交通运输行业、微电子行业以及核领域大量应用。

2.连续纤维增强金属基复合材料

其主要借助无机纤维和金属细线使金属变成轻质量高强度的金属材料。当前各类增强金属材料中，连续纤维具备最显著的增强成效与更好的刚性。其具备显著的各向异性，可其复合与制造技术复杂且难以把握，所以，生产成本高。这种材料通常在航空航天中应用[2]。

3.短纤维增强金属基复合材料

短纤能够分成天然纤维与短切纤维两类。天然纤维通常指某些植物与菌类纤维，长通常35-150毫米之间。短切纤维通常借助长纤维切割获得，长在1-50毫米之间。和连续纤维增强金属基复合材料相比，其成本更低。和基体合金比较，其具备更高的比强度、比刚度以及耐磨性能，各向异性则很大程度低于连续纤维。短纤维复合材料的体积分数通常≤30%。在汽车和电力领域中广泛应用。

4.晶须增强金属基复合材料

这种复合材料和连续纤维金属基复合材料比较，各向异性非常低。和短纤维复合材料比较，其性能较好。但晶须在金属复合材料的体积分数通常≤30%。其通常在航空航天中的飞机结构和推杆方面广泛应用。

5.混杂增强金属基复合材料

将以上几类增强模式实行有机结合则产生了混杂增强金属基复合材料。其混杂整合能够分成以下几类：①颗粒-短纤维；②颗粒-连续纤维；③连续纤维-连续纤维。对短纤维金属基复合材料或者晶须金属复合材料进行预制的时候，容易发生粘结和团聚问题，颗粒的合理添加则能够消除此类现象。和一般金属基复合材料比较，该材料能够很大程度提升复合材料的强度和刚度，进而有效提升复合材料的力学性能[3]。

二、金属复合材料的制造技术研究

1.液相复合制造技术

1.1搅拌复合制造技术

搅拌复合制造技术也可以称为搅拌铸造方法，主要借助机械设备进行搅拌，使颗粒增强体和液金属充分混合，之后常规压力铸造生产出金属基复合材料部件。其能够分成漩涡制造技术与Duralcan制造技术。这种制造技术的优势主要是应用常规熔炼工具，其成本较低，并能够生产精密性部件。可其依然存在一些缺陷，比如，铸造过程中，生产阶段气体和杂物极易混进，颗粒不均衡的散布。此外，生产需更多的时间与更高的温度，金属和颗粒彼此非常容易出现界面反应，颗粒增多则会导致金属液体的黏性提升，导致颗粒混进变形区域，增强体的体积分数通常≤25%。

1.2浸渗复合制造技术

此类制造技术主要包含高压浸渗、低压浸渗以及无压浸渗几类，这种生产技术以及在生产丰田汽车发动机活塞中广泛应用。金属液体浸渗制造技术属于一类生产高体积分数金属基复合材料的主要技术，具备很好的效果。可其也有预制体形变、不均衡微观构造、晶粒规格较大以及界面反应等问题。以下对几种浸渗复合材料制造技术进行分析。①挤压制造技术。这种制造技术就是把增强体复合材料变成有形且具备相当强度的预制块，之后把液体金属浸渗到预制块内，保持压力进行凝固。这种生产技术的优势为：金属浸渗和块体凝固速度更快、生产成效更高、生产成本更低以及能够批量制造。可应用这种生产技术制造的部件结构与规格遭到设备与压力的影响较大，在距离冲头更远的地点极易产生块体结构疏松问题。在把握充型速率，集渣以及块体排气方面的缺陷；②气压浸渗生产技术。这种生产技能可以切实避免金属与增强体发生氧化现象，遏制了界面反应问题，优化界面，提升了浸润效果，降低了块体发生疏松问题的可能性。因生产阶段气压≤10MPa，因此，部件不会出现裂缝。可低压浸渗很难生产大型的零部件，制造的成效较差，且制造技术更复杂，生产时间也更长；③无压浸渗生产技术。这种生产技术在液体金属无外界压力与真空的环境中，自主浸渗到预制块的孔隙中，凝固后得到细密的金属基复合材料。这种生产技术的成本很低，能够生产相对复杂的部件，不需利用抗高温的生产模具。如果浸渗性较强的金属，能够添加阻尼图层，以避免严重增长，保证复杂的薄壁构造近无余量铸造。这种生产技术已经美国企业垄断，且美国政府不允许其进行转让[4]。

1.3噴射共沉积复合制造技术

这种生产技术避免了生产阶段含氧量较高、界面反应较大的问题。该技术的特征为：迅速冷却阶段粒子不容易发生不均匀散布，且可以切实遏制界面反应的出现。因冲击破碎作用，原子的进入能够生产亚微米颗粒，等到更有效的性能，特别是高温耐性。可生产技术所需的相关设备更加复杂，难以有效控制。增强相规格通常为细小的颗粒，较大的颗粒与非连续纤维极易阻塞住喷口。

1.4熔体原位复合制造技术

这种制造技术产生的增强体通常是陶瓷相，還能够生产金属间化合物，主要是颗粒和晶须之类。主要包含原位合成技术、接触式反应技术、直接氧化技术、气-液反应技术以及反应喷射沉积技术几类。应用此类生产技术能够使增强体外面和基体之间的界面整洁、没有杂质。界面为原位复合材料、其结合性较佳，增强体在基体内分布更加均衡，增强体规格同样更小。

2.固相复合制造技术

2.1粉末冶金制造技术

这种制造技术主要应用热压或者热静压方式促使材料复合，进而生产出复合块体。这种生产技术对基体与增强体的要求较低，其体积分数非常容易进行调整，正是铸造方式所不具备的。此外，通过对增强体进行反复加工使其均衡分布，晶粒细微，性能较好。

2.2扩散结合制造技术

这种制造技术是在小于基体熔点的温度中进行高压，借助对基体出现塑性形变、蠕性形变和扩散作用，使基体之间、基体和增强体之间密切整合，进而获得彻底压实的复合材料。这种生产技术可以切实遏制材料界面反应，消除润湿性缺陷。主要用来生产连续型纤维复合材料。可其只可以制造平板形状或者低曲率板不复杂的部件[5]。

3.固液两相区制造技术

3.1流变铸造制造技术

这种制造技术主要对固-液两相区的金属体进行搅拌，产生粘性较低的浆液，并添加陶瓷颗粒。借助半固态触变作用将增强相分散，避免颗粒发生沉浮现象，确保颗粒弥散性散布在熔体内。可其具有搅拌流程包含的全部缺陷，只在凝固区间相对更快的金属中适用，同样不可遏制界面反应与颗粒不均匀散布现象。

3.2固液两相区热压制造技术

这种制造技术具备流变性特征，能够实行流变生产。半固态浆具备触变特征，能够把流变锭再次加温到需要的软化性，传送到压铸机内进行加工。因压铸阶段浇口部位的剪切影响，能够恢复流变作用，进而充分进行铸型。颗粒增强体添加到搅拌的半固态浆液内，因半固态合金内的球形碎晶颗粒对加入粒子具有分离与捕捉的功能，不仅避免了加入颗粒的沉浮与聚集，还能够促进加入颗粒在半固态浆液内的均匀散布，提升了润湿性，推动界面整合。

总结：综上所述，金属复合材料在许多领域中应用广泛，对金属基复合材料生产技术进行研究是当前的主要工作。尽管已经进行了许多研究分析，可依然有许多不足，产业化程度还很低。所以，需加强科研力度，降低制造成本，以切实提升金属基复合材料的质量，并广泛的应用在更多的领域中。

参考文献

[1]顾轶卓；李敏；李艳霞，等.飞行器结构用复合材料制造技术与工艺理论进展[J].航空学报.2015（08）：2774-2797.

[2]胡捷；廖文俊；丁柳柳，等.金属材料在增材制造技术中的研究进展[J].材料导报.2014（S2）：459-462.

[3]程玉洁；果春焕；周培俊，等.金属间化合物基层状复合材料Ti/Al_3Ti制备技术及其研究进展[J].中国材料进展.2015（04）：317-325.

[4]张宇；王小美；葛禹锡，等.原位合成技术制备金属基复合材料的研究进展[J].热加工工艺.2014（24）：23-29.

[5]贺毅强.金属及金属基复合材料粉末成形技术的研究进展[J].热加工工艺.2013（04）：109-112.