金属基复合材料的制备方法及发展现状

2017-03-05 09:44赵鹏鹏谭建波
河北工业科技 2017年3期
关键词:粉末冶金基体复合材料

赵鹏鹏,谭建波

(1.河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018;2.河北省材料近净成形技术重点实验室,河北石家庄 050018)

金属基复合材料的制备方法及发展现状

赵鹏鹏1,2,谭建波1,2

(1.河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018;2.河北省材料近净成形技术重点实验室,河北石家庄 050018)

金属基复合材料具有较高的比强度和比刚度,广泛用于军事、航天等领域,其研究和发展受到了各行各业,尤其是重工业产业的密切关注。介绍了金属基复合材料的研究历史和发展现状,根据基体类型和增强相形态对其进行了分类。常见的金属基复合材料制备方法包括粉末冶金法、铸造凝固成型法(搅拌铸造法和挤压铸造法)、喷射成型法和原位复合法,重点介绍了粉末冶金法和铸造凝固成型法。指出了现阶段金属基复合材料发展需解决成本偏高、工艺复杂、分布不均匀、高温下易发生界面反应及偏聚等问题。

金属基复合材料;基体类型;增强相;粉末冶金法;挤压铸造

近些年来,由于一些高新技术的兴起,一些传统材料已无法满足多种产业对其比强度、比刚度等性能的要求。关于高性能材料的研发是现今新科技发展的重要方向,而复合材料的出现在较大程度上解决了材料所面临的问题,促进了材料的发展[1]。

复合材料是由2种或2种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观(微观)上组成的具有新性能的材料[2]。由于具备较高的比强度和比刚度,金属基复合材料的研究和发展受到了众多行业尤其是重工业的密切关注,然而加工困难是限制其工业应用的瓶颈问题[3],成本控制问题也并没有得到完全解决,所以更多应用于航空航天、军事科技等尖端科技领域。本文主要通过结合国内外金属基复合材料相关的研究状况,介绍金属基复合材料的分类、制备方法以及发展趋势。

1 金属基复合材料的研究历史及发展现状

在20世纪60年代,由于传统金属材料无法满足一些国家对于高性能武器装备以及航空技术发展的需求,因此人们开始了对新材料的研究和开发,促成了金属基复合材料的开发与发展。20世纪70年代末,粉末冶金法制造复合材料的技术逐渐成熟,利用粉末冶金法制造出的以碳化硅颗粒为增强相的铝合金的投入使用,标志着铝合金复合材料的制造成功和商业化,为以后复合材料进入市场打下了基础。20世纪80年代,金属基复合材料发展迅猛,其中,非连续增强相复合材料逐步进入人们的视野,并成为发展研究的重点。1983年,随着日本Honda汽车公司推出新产品——陶瓷纤维增强相的铝基复合材料局部铝活塞[4],极大地推动了金属基复合材料由军用到民用的进程。进入到20世纪90年代,金属基复合材料的产量已达到300万t,并逐渐在各种军事、航天、民用工业领域中占据重要地位。

如今,金属基复合材料已与无机非金属复合材料、高分子复合材料一同成为3种重要的复合材料。其中铝合金因较小的密度和优异的性能,得到了广泛应用。

2 金属基复合材料的分类

金属基复合材料由于其优异的力学性能和某些特殊性能而备受关注,应用范围广泛[5]。金属基复合材料的分类方法通常有两种,它既可以按照复合材料的基体合金类型进行分类,也可按照复合材料的增强相类别进行分类。

2.1 按照基体类型分类

常用的金属基复合材料可分为黑色金属基(如钢、铁)复合材料和有色金属基(如铝、镁、钛、镍等)复合材料两大类。

2.1.1 黑色金属基复合材料

常见的黑色金属基复合材料是钢铁基复合材料。作为最常用的功能材料,钢铁因其熔点高,比例大,比强度小,制造工艺困难等导致基于钢铁材料的复合材料研究并不广泛。然而现代工业的高速发展迫切需要在恶劣条件下可正常工作的结构件,因此,改进和提高钢铁基体的性能具有重要价值。复合材料采用高比刚度、比强度的增强颗粒与铁基体相结合的方法,可以降低基体材料的密度,并提高其硬度、耐磨度、弹性模量等物理性能。钢铁基复合材料现主要用于切削工具和耐磨部件等工业领域。

根据复合情况不同,钢铁基复合材料可分为表面复合材料和整体复合材料。对于整体复合材料,常见的制备方法有粉末冶金法、原位反应复合法、外加增强体颗粒法;表面复合技术常见的制备方法为铸渗法、铸造烧结法等[6]。钢铁基复合材料多采用颗粒增强形式,其中碳化钛、碳化钨、碳化硅、碳化钒颗粒是最为常见的增强相。

2.1.2 有色金属基复合材料

常见的有色金属基复合材料包括铝基、镁基、钛基、镍基复合材料。

由于有色金属具有熔点低、硬度小的特点,故有色金属基复合材料比起黑色金属基复合材料应用更为广泛。目前,在航天、航空和汽车工业等领域中,各种高比模量、高比强度的有色金属基复合材料轻型结构件正在被广泛应用。

铝基复合材料在具有铝合金密度小、导热好等特性的同时还具有更高的强度和刚度,而较多的制备方法和易于进行塑形加工的特点也在一定程度上降低了铝基复合材料的制造成本。相对于铝基复合材料,镁基复合材料质量更轻,故可用于航天、空间等对构件质量性能有严格要求的高技术领域[7-8]。而且相对于铝基复合材料350 ℃的极限工作温度,钛基复合材料拥有更为优异的耐热性能,但由于其生产制备成本较高,目前还只应用于航空航天领域。钛基复合材料也是下一代航空发动机的候选材料之一。镍基复合材料是另一种常见的有色金属基复合材料,其优异的高温强度、抗热疲劳、抗氧化和抗热腐蚀性能使其在国内外得到迅速发展,成为制造舰船、航空以及工业燃气涡轮发动机中重要受热部件的重要材料。有色金属基复合材料中,常见的增强相有碳化硅、氧化铈、氧化铝等。

2.2 按照增强相形态分类

目前,金属基复合材料的增强相类型已有许多种。其中,常见的增强相有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、碳化硅纤维、碳化硅晶须;颗粒型的有碳化硅颗粒、碳化硼颗粒、图化钛颗粒等;丝状的有钨、铍、硼、钢等[9]。对以上增强相按照其在复合材料中的形态进行分类,可分为连续纤维增强金属基复合材料、非连续纤维增强金属基复合材料、混杂增强金属基复合材料3种。

2.2.1 连续纤维增强金属基复合材料

连续纤维增强金属基复合材料就是利用金属细线和无机纤维等增强金属合成的质量轻且强度高的材料,纤维直径3~150 μm(晶须直径小于1 μm),纵横比(长度/直径)在102以上[4]。连续纤维增强金属基复合材料相对于其他增强类型的复合材料,具有更为明显的增强效果和各向异性。

连续纤维增强金属基复合材料由于制造工艺复杂,制造成本较高,主要应用于尖端科技领域。目前,已成功应用于金属基合金复合材料的连续长纤维有碳(石墨)纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和不锈钢丝等[10]。

2.2.2 非连续纤维增强金属基复合材料

由于连续纤维增强金属基复合材料的成本较高,其并不适用于较多考虑成本的普通工业生产。因此,生产成本更低,以颗粒、晶须、短纤维等为增强相的非连续纤维增强金属基复合材料成为了研究的重点,近些年来发展较为迅速。

非连续纤维增强金属基复合材料不仅有较高的比刚度、比强度、高疲劳强度、高耐磨性、高蠕变抗力、低热膨胀率等特点,而且还具有各向同性。因此,可通过选择改变强化相的种类形态或采用传统工艺进行冷、热加工来调整材料的性能,满足设计要求。非连续纤维增强金属基复合材料的良好特性使其在许多的结构领域成为传统金属材料的有力竞争对手,其在航空航天、汽车工业及民用工业中的开发应用中受到了广泛关注。其中,应用最为广泛的为颗粒增强金属基复合材料,常见的颗粒增强相包括碳化硅、碳化钛、氧化铝、碳化钨、氮化硼、碳颗粒等[11]。

2.2.3 混杂增强金属基复合材料

对单一增强形式来进行组合形成的复合材料称为混杂增强金属基复合材料。根据参与组合的不同增强体进行分类,通常可分为颗粒-短纤维(或晶须)、连续纤维-颗粒、连续纤维-连续纤维3种。相对于其他单一增强的复合材料,混杂增强相可以在一定程度上提高材料的强度,改善材料的力学性能。例如:在短纤维或者晶须预制件中混入颗粒可以解决其增强相的黏结、团聚现象,提高材料性能。

除以上几种常见的增强体外,越来越多的材料作为增强相来制备金属基复合材料,包括石墨烯、碳纳米管这些纳米级别的高新材料,其中石墨烯金属基复合材料取得突破性进展,展现出巨大的发展潜力。

3 金属基复合材料的制备方法

近年来,研究者们通过研究金属基体与增强体之间界面反应的规律、控制界面反应的方法等开发出了多种有效制备金属基复合材料的方法,大大推动金属基复合材料的发展和应用[12]。目前,金属基复合材料的制备方法根据增强相产生的方式不同可分为第二相外加法、原位复合法两类。

3.1 第二相外加法

第二相外加法就是将增强相加入到基体内来制备复合材料的方法,应用广泛。常见的第二相外加法包括粉末冶金法、铸造凝固成型法和喷射成型法。

3.1.1 粉末冶金法

粉末冶金法制备复合材料是指将金属基体与增强体粉末混合均匀后压制成型,在低于金属液相线温度下进行烧结,利用原子扩散使金属基体与增强体粉末结合在一起的制备复合材料的方法[13]。

粉末冶金法制备复合材料一般包括筛选粉末,基体粉末与增强颗粒混合、粉末预压、热压、二次加工4个步骤[14]。粉末冶金法常见的二次加工方法有挤压,轧制等,二次加工可实现对制件的致密化处理并达到最终成型的目的。

作为最早开发用于制备金属基复合材料的方法,粉末冶金法的优点在于:可以自由选择基体金属成分和强化颗粒的种类、尺寸;复合温度低,基体金属不易与强化颗粒进行反应,充分发挥各原料特性;颗粒强化均匀,强化颗粒添加范围大,还可实现多种颗粒共同强化[15]。但由于金属基体与增强颗粒在形状、尺寸、性能方面存在较大差异,因此,利用粉末冶金法制备的复合材料在基体与颗粒的结合强度方面并不如铸造复合材料。此外,如何降低工艺难度与成本,解决微细强化颗粒均匀化困难等问题也是粉末冶金法今后发展研究的重点。

随着粉末冶金的发展,利用此方法制备金属基复合材料逐渐成为一种成熟技术,其原料选择范围广,增强颗粒添加量范围大的特点更有利于制备出不同金属基体或不同增强相体积分数的金属基复合材料,因而受到广泛关注。据统计,目前在所有生产金属基复合材料的公司中,29%采用了粉末冶金工艺;而应用于航空航天及国防建设领域的金属基复合材料,57%都是采用粉末冶金法制备的;汽车制造及微电子领域采用粉末冶金法制造的复合材料分别占总数的31%及43%[16]。目前,国内外学者研究较多的主要集中在铁基、铜基、铝基和镁基等复合材料。其中,铝基复合材料由于其良好的力学性能,较低的密度以及优良的导热性和可塑性,而得到更广泛的使用及研究,制造技术相较于其他金属基复合材料也更加成熟。美国的DWA Aluminum Composite公司、Alyn公司和英国的Aerospace Metal Composites公司是3家最早利用粉末冶金法制造颗粒增强铝基复合材料的厂家,目前都已具备了大规模的生产能力及丰富的产品线。其中DWA Aluminum Composite公司主要生产碳化硅颗粒增强的铝基复合材料,其旗下产品2009/SiC/15p-T42复合材料成功取代钛合金,应用于Eurocopter生产的直升机旋翼系统关键部件上[17],弹性模量相对于传统配件提高了40%。

3.1.2 铸造凝固成型法

铸造凝固成型法是将基体金属加热到熔融状态,再使其与增强相进行复合从而得到金属基复合材料的方法。利用铸造凝固成型法制备金属基复合材料,所需成本低,工艺过程简单易于控制,得到的制件质量好,应用较为广泛。常用的方法有搅拌铸造法和挤压铸造法。

搅拌铸造法是一种常见的制备金属基复合材料方法,它通过机械搅拌的方法使处于熔融状态的金属基体与增强相混合,来制取复合材料。根据搅拌温度进行分类,搅拌铸造又分为全液态搅拌铸造和半固态搅拌铸造两种[18]。

全液态搅拌铸造将金属基体加热至液相线温度以上进行机械搅拌,使金属液的表面产生漩涡,增强相受到漩涡抽吸作用而进入金属液中,所以又被称为漩涡法。1971年,BADIA等采用全液态搅拌法制备了石墨颗粒增强铝基复合材料。实验过程:对液态铝合金进行机械搅拌使其表面产生漩涡,将定量的石墨颗粒快速加入到漩涡中,继续搅拌1 min,使石墨颗粒尽可能均匀分散后降低搅拌速度,将金属液倒入预制模具中,制得复合材料[19]。这是全液态搅拌铸造首次被成功用于制造金属基复合材料,此后,许多研究者对这项工艺进行了实验,制备出多种复合材料。

半固态搅拌铸造是将金属加热至固液相温度之间加入增强相进行搅拌,制取复合材料的方法。它利用了一些金属或合金半固态熔体的触变性(半固态熔体在高剪应力作用下黏度降低),方便进行搅拌;同时半固态熔体中的固相部分可阻碍增强相的上浮、下沉,相对于全液态搅拌法,增强相分布更为均匀。半固态熔体触变性于20世纪70年代初被麻省理工学院的研究FLEMINGS等发现,当对合金固相分数超过0.5的熔体进行机械搅拌时,表现出如金属液一般的低黏度特性[20]。利用这一理论,1974年MEHRABIAN等[21]制备了以Al-2Si-2Fe合金为基体,SiC颗粒为增强相的复合材料,这也是首次成功地利用半固态搅拌铸造制备金属及复合材料。2001年,中国学者张鹏等[22]利用半固态电磁搅拌,成功制备出石墨颗粒增强铝基复合材料。

搅拌铸造法由于较低的成本和简单的工艺流程而受到了广泛关注,其设备投入少,制件进行二次加工来作为超塑性变形[23]的预处理工艺,可进一步提高其性能。搅拌铸造法可用于生产大体积制件,便于进行大规模生产,不论是在高端科技的航空航天领域,还是在汽车、机械工业等民用领域,都有大量的应用实例。但搅拌铸造法的缺点在于,增强颗粒和部分金属基体制件存在润湿困难或者不润湿的现象,颗粒加入和分散困难;气体伴随颗粒卷入金属液或熔体中,机械搅拌作用产生的负压加剧了这一现象,而由于颗粒的加入使金属液黏度增大,造成气体溢出困难,制件表面产生气孔。谭彦显等[24]研究了不同工艺条件下的镁基复合材料的组织结构,并对其气孔率进行测定。结果发现,铸件气孔率与搅拌温度和增强相体积分数成正比,且一般增强相的加入量不得超过总体积的20%。另外,对搅拌铸造得到的铸件进行挤压也可减小气孔率,使其组织更加均匀。

挤压铸造是一种利用高压作用,使液态金属或半固态金属充型凝固的精确铸造方法[25]。苏联科学家在1937年发明挤压铸造,当时称为“液态金属模压”,故又名液态模锻技术。利用液态模锻来制备金属基复合材料,就是将增强相预成型、加热后浇入金属液或熔体,将模具压下后加压,冷却得到金属基复合材料制件。相对于搅拌铸造,挤压铸造法的优势在于:对金属基体和增强相的相互润湿性要求低且相互之间不易反应;高压凝固减少了气孔的产生,铸件缺陷少;铸件成型精确,有些甚至可以一次成型,直接用来做零部件。但挤压铸造法制备复合材料对增强颗粒的体积分数要求较高,研究表明:当复合材料中增强相的体积分数在20%左右时,制件性能最佳,当体积分数超过30%时,制件塑形大幅下降。此外,由于工艺本身的限制,挤压铸造制备复合材料并不适用于制造大型铸件。因此,开发低体积含量的细小颗粒(低于5 μm)增强小型金属基复合材料铸件对于此工艺具有重要意义。

3.1.3 喷射成型法

喷射成型法是一种新型的金属成型工艺,利用金属快速凝固技术,将熔融金属雾化喷射,沉积后直接得到金属坯件,又称为喷射沉积。喷射成型法在20世纪80年代被引入制备复合材料,由于其普遍的适应性而得到快速发展[26]。利用喷射成型技术制备金属基复合材料,是利用稀有气体将熔融金属雾化进行喷射,与另一端由稀有气体输送的增强相混合,在水冷衬底平台沉积,形成复合材料制件。根据增强相的产生方式进行分类,喷射沉积法可分为添加喷射沉积法和反应喷射沉积法两种[27]。添加法一般利用陶瓷颗粒作为增强体来制取复合材料,而反应法中的增强颗粒是利用一定的化学反应使其在金属或合金基体内原位生成,LAWLY等采用含氧量为10%,含氮量为90%左右的混合气体,将Fe-Al[ω(Al)=2%]熔雾合金雾化,使其生成Al获得非常细小的Al2O3弥散强化铁基复合材料的预成型体。

喷射成型制备复合材料的凝固过程受金属熔体雾化情况和沉积凝固条件影响较大,凝固过程时间短会造成复合困难甚至不能复合的现象,凝固时间长则易导致增强体的分布不均,因此,此工艺具有不易控制凝固过程的缺点。此外,雾化的金属熔体和细小增强颗粒容易在稀有气体气流的作用下沉积在效应器壁上而造成损失,还有较高的气孔率和容易出现缩松现象也是喷射沉积法制备复合材料工艺上的缺点。而这种方法的优点在于快速的复合工艺以及可抑制晶粒粗大和金属大范围偏析现象,在凝固条件控制得当的情况下还可保证增强相分布的均匀性[28]。

作为一种新型高效的快速凝固成型工艺,喷射成型法已被成功应用于铁基、铜基、钛基和铝基等颗粒增强复合材料的制备领域,应用的增强颗粒主要是氧化铝、碳化硅等[29]。

3.2 原位复合法

原位复合法也称反应合成技术,是一种制备金属基复合材料的新型方法[30]。不同于一些传统制备复合材料工艺,原位复合法并不需要外加增强相,而是利用一些特殊反应使增强相在金属基体中自己生成,从而避免了增强相在复合材料中的偏聚现象。在原位复合法制备复合材料的过程中,增强相可以共晶形式凝固析出,得到的复合材料称为定向凝固共晶复合材料;也可通过金属基体、合金熔体中相应元素和加入的元素进行反应得到,称为反应自生成复合材料。由于增强相的形核和长大都是在基体内完成的,因此增强相与基体之间不存在物理、化学性质不相容的现象,相互之间润湿效果好,结合强度高,不需要对增强相进行预处理,保证了它的纯净度。

原位复合法制备复合材料在1989年由KOCZAK提出,最早出现在前苏联科学家MERZHANOV利用SHS法合成TiB2/Cu功能梯度材料的实验中,其利用的工艺是自蔓高温合成法[31]。原位复合法还被用于制备微米级的复合钎料中。其主要通过在钎料中加入增强体和合金中的一些元素,或者利用母材在焊接时溶解进入钎料中的某些元素发生反应,形成微米级颗粒增强的复合钎料[32]。

尽管对于原位复合法的研究历史较短,但由于其生产工艺简单、成本低、生产的制件质量好的优点,已得到广泛关注。随着不断深入研究的工艺和设备,相信在不久的将来,原位复合法必然会得到更大的发展,在复合材料制备工艺的改进方面发挥极其重要的作用。

目前,越来越多的金属基复合材料的制备方法正在被研发出来。除了文中提到的几种常见的方法外,还包括含浸凝固法、热浸镀与反向凝固法、叠层复合法等多种复合方法,但由于其技术以及成本的限制,还并没有被广泛应用。随着进一步的研究,相信更多的复合材料制备方法将问世,必将促进金属基复合材料的普及和发展。

4 金属基复合材料发展趋势

从20世纪60年代至今,金属基复合材料已经经历了50多年的发展,不管是在制备还是应用方面都有了较成熟的技术,尤其是在航空航天、武器装备等尖端产业的推动下,其制备成型工艺有了很大进步。但对于普通民用工业,金属基复合材料的研究发展还相对缓慢,应用也不是很广泛,所以若要真正推广金属基复合材料,需要解决以下几个问题。

1)相对于传统的金属或合金材料,金属基复合材料的制造成本偏高且工艺比较复杂。对于民用工业企业来说,高昂的生产研发成本是制约金属基复合材料进行规模化应用生产的最大问题。因此,若要使其实现产业化、规模化,就需要进一步研究制备方法,开发新型的制备工艺,以此降低成本,增强金属基复合材料在材料市场上的竞争力。

2)增强相与金属或合金基体的结合情况及增强相的分布状况是决定金属基复合材料性能的重要条件。由于多数的基体和增强相之间的相互润湿性存在问题,甚至出现不润湿的现象,因此造成增强相与基体的结合强度差和在基体内的分布不均匀的现象,给复合材料的制备造成了困难。通过研究发现,提高制备复合材料时金属或合金熔体的温度和向基体内添加特定的合金元素都可以得到更好的润湿效果,但这些方法会进一步增加制备复合材料的工艺步骤,有些甚至会牺牲制件本身的性能,得不偿失。因此,如何在低成本的基础上解决增强相和金属基体之间的润湿问题是金属基复合材料发展的关键。

3)高温下制备金属基复合材料会使得金属基体和增强相之间发生不同程度的界面反应。一般来说,轻微的界面反应对于整个工艺是有利的,虽然产生界面的脆性相会损伤增强体,改变基体成分,但不会造成严重损伤。一旦界面反应显著生成脆性层,就会严重损伤增强相和基体,造成制件性能严重下降,甚至低于金属或合金基体本身的性能。因此,控制整个工艺过程温度在合理的范围内,减少基体与增强相之间的界面反应对于制备复合材料具有极其重要的意义。

4)在制备金属基复合材料过程中,增强体在基体中偏聚是研究者遇到的难题之一。如何使其分布均匀也同样决定着复合材料的性能。在研究中试图通过离心铸造、加强搅拌、配制中间合金、原位复合等手段解决该问题。因此,如何使增强体分布均匀始终是众多学者研究的对象。

此外,金属基复合材料的进一步发展离不开新材料的应用。近几年,石墨烯,碳纳米管金属基复合材料的快速发展,说明了相对于颗粒增强相更小的粒子增强相的发展拥有着巨大的潜力,若通过一些途径进行改性处理来提高其与金属基体的结合性能,这类复合材料的发展和应用前景将非常广阔。

5 结 语

与传统的单一金属、陶瓷、高分子等工程材料相比,金属基复合材料除了具有优异的力学性能外,更具有某些特殊性能和良好的综合性能,并且应用范围也越来越广泛。经过50多年的发展,随着越来越多金属基复合材料的制备工艺和增强相的开发,金属基复合材料基本摆脱了初期因价格昂贵而只能应用于高端产业的困境,越来越多地应用于机械、汽车、建材等民用工业,显示出了广阔的应用前景和极强的竞争力。随着科学技术的发展,作为高性能材料中的一支新生力量,金属基复合材料的理论基础和制备技术将会有更大的突破,在国民经济的各个领域中发挥重要的作用。

/References:

[1] 胥锴,刘政,刘萍.金属基复合材料的发展及其应用[J].南方金属,2005(6):1-6. XU Kai,LIU Zheng,LIU Ping.Development and application of metal-matrix composites[J].Southern Metals,2005(6):1-6.

[2] 陈日,刘江文,郭钟宁.磨粒辅助电火花加工金属基复合材料实验研究[J].河北科技大学学报,2013,34(5):386-391. CHEN Ri,LIU Jiangwen,GUO Zhongning.Experimental investigation on metal matrix composite of abrasive particles aided electrical discharge machining[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2013,34(5):386-391.

[3] 蔡艳芝,殷小玮,尹洪峰,等.碳纤维增强复合刹车材料的基体改性[J].兵器材料科学与工程,2012,35(5):13-18. CAI Yanzhi,YIN Xiaowei,YIN Hongfeng,et al.Matrix modification of carbon fiber reinforced braking composites[J].Ordnance Material Science And Engineering,2012,35(5):13-18.

[4] 付艳艳,严秀平.金属-有机骨架复合材料[J].化学进展,2013,25(2/3):221-232. FU Yanyan,YAN Xiuping.Metal-organic framework composites[J].Progress in Chemistry,2013,25(2/3):221-232.

[5] 陈素玲,孙学杰.金属基复合材料的分类及制造技术研究进展[J].电焊机,2011,41(7):90-94. CHEN Suling,SUN Xuejie.Classification and manufacturing technologies of metal matrix composites[J].Electric Welding Machine,2011,41(7):90-94.

[6] 冯可芹,杨屹,王一三,等.铁基复合材料的制备技术与展望[J].机械工程材料,2002,26(12):9-11. FENG Keqin,YANG Yi,WANG Yisan,et al.Prospect of production techniques for ferro-matrix composites[J].Materials for Mechanical Engineering,2002,26(12):9-11.

[7] BADINI C,FERRARIS M,MARCHETTI F.Interfacial reaction in AZ61/AZ91/P100 Mg/graphite composite: An auger spectroscopy investigation[J].Materials Letters,1994,21(1):55-61.

[8] MORTENSEN A.Fabrication of particulates reinforced metal composites[J].American Society of Metals(ASM),1990(6):217-229.

[9] 幸华超,樊文欣.金属橡胶材料的研究综述[J].汽车零部件,2013(11):79-80. XING Huachao,FAN Wenxin.Summarize study on metal rubber material[J].Automobile Parts,2013(11):79-80.

[10]王涛,赵宇新,付书红,等.连续纤维增强金属基复合材料的研制进展及关键问题[J].航空材料学报,2013,33(2):87-96. WANG Tao,ZHAO Yuxin,FU Shuhong,et al.Progress and key problems in research and fabrication of fiber reinforced metal matrix composite[J].Journal of Aeronautical Materials,2013,33(2):87-96.

[11]张晓玲,胡奈赛, 何家文, 等.非连续纤维增强金属基复合材料研究进展[J].铸造,1997(10):37-40.

[12]刘建华,沈胜利.颗粒增强金属基复合材料制备工艺的综述[J].热加工工艺,2011,40(10):106-108. LIU Jianhua,SHEN Shengli.Preparation methods for particulate reinforced metal matrix composite[J].Hot Working Technology,2011,40(10):106-108.

[13]张发云,闫洪,周天瑞,等.金属基复合材料制备工艺的研究进展[J].锻压技术,2006,31(6):100-105. ZHANG Fayun,YAN Hong,ZHOU Tianrui,et al.Research and development on the fabrication process of metal matrix composites[J].Forging & Stamping Technology,2006,31(6):100-105.

[14]刘彦强,樊建中,桑吉梅,等.粉末冶金法制备金属基复合材料的研究及应用[J].材料导报,2010,24(12):18-23. LIU Yanqiang,FAN Jianzhong,SANG Jimei,et al.Development of metal matrix composites by powder-metallurgy processing[J].Materials Review,2010,24(12):18-23.

[15]吴玉城.金属基复合材料典型制备方法分析[J].中国科技博览,2011(34):545.

[16]ALEXANDER E,CHRISTOPHER S M,ANDREAS M.Metal Matrix Composites in Industry: An Introduction and a Survey[M].Dordrecht:Kluwer Academic Publishers,2003.

[17]MIRACLE D B,DONALDSON S L. ASM Handbook(21):Composites[M].[S.l.]:American Society for Microblology,2001.

[18]谢国宏.搅拌铸造法制造颗粒增强铝基复合材料的研究与发展[J].材料工程,1994(12):5-7. XIE Guohong.Research and development of fabrication particulates reinforced aluminium composites by stir-casting process[J].Journal of Materials Engineering,1994(12):5-7.

[19]刘振刚,田振明,姚广春,等.铸造法制备石墨颗粒增强铝基自润滑复合材料的发展[J].铸造,2008,57(11):1128-1131. LIU Zhengang,TIAN Zhenming,YAO Guangchun,et al.Development of graphite particles reinforced aluminum matrix self-lubricating composites prepared by casting[J].Foundry,2008,57(11):1128-1131.

[20]陈秋玲,孙艳.颗粒增强铝基复合材料的研究[J].中国资源综合利用,2003(6):31-33. CHEN Qiuling,SUN Yan. Research on particle-reinforced aluminum matrix composites[J]. China Resources Comprehensive Utilization,2003(6):31-33.

[21]MEHRABIAN R, KEANE M, FLEMINGS M C.Metall[J].Translate,1974,5:1899.

[22]张鹏,杜云慧,曾大本,等.铝-7石墨复合材料的半固态加工[J].特种铸造及有色合金,2001(sup1):251-253. ZHANG Peng, DU Yunhui, ZENG Daben,et al.Semi-solid processing of Al-7 graphite composite[J]. Special Casting and Nonferrous Alloys,2001(sup1):251-253.

[23]HASSANI A,ZABIHI M.High strain rate superplasticity in a nano-structured Al-Mg/SiCp composite severely deformed by equal channel angular extrusion[J].Materials and Design,2012,39:140-150.

[24]谭彦显,周劲晖,蔡叶.SiCp/Mg(AZ81)镁基复合材料制备工艺的优化[J].热加工工艺,1998(4):22-24.

[25]邵龙.挤压铸造凝固过程的数值模拟技术研究[D].武汉:武汉理工大学,2012. SHAO Long.Numerical Simulation Technology of Squeeze Casting Solidification Process [D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2012.

[26]司朝润,张贤杰,王俊彪.喷射成形颗粒增强金属基复合材料研究进展[J].功能材料,2015,46(1):1001-1006. SI Chaorun,ZHANG Xianjie,WANG Junbiao.Particulate reinforced metal matrix composites prepared by spray forming:An overview[J].Journal of Functional Materials,2015,46(1):1001-1006.

[27]于永亮.浅谈金属多孔材料的制备方法与应用[J].硅谷,2011(2):144.

[28]MAZZER E M,AFONSO C R M,GALANO M,et al.Microstructure evolution and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu alloy reprocessed by spray-forming and heat treated at speak aged condition[J].Journal of Alloy and Compound,2013,579:169-173.

[29]SHARMA M M,ZIEMIAN C W,EDEN T J.Fatigue behavior of SiC particulate reinforced spray-formed 7XXX series Alalloys[J].Materials & Design,2011,32(8/9):4304-4309.

[30]吴瑞瑞,王荣峰,赵红乐.复合材料原位合成技术的研究现状及展望[J].铸造,2013,62(8):740-743. WU Ruirui,WANG Rongfeng,ZHAO Hongle.Research status and prospects of in-situ synthesis technology in composite materials[J].Foundry,2013,62(8):740-743.

[31]FERKEL H,MORDIKE B L.Magnesium strengthened by SiC nanoparticles[J].Materials Science Engineering,2001,A298:193-199.

[32]赵一璇,于静泊,杜正勇,等.复合钎料的研究进展[J].河北科技大学学报,2015,36(4):368-375. ZHAO Yixuan,YU Jingbo,DU Zhengyong,et al.Research progress of composite fillers[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2015,36(4):368-375.

Preparation method and research status of metal matrix composites

ZHAO Pengpeng1,2, TAN Jianbo1,2

(1.School of Material Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 2.Hebei Key Laboratory of Material Near-net Forming Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

Due to their high specific strength and high specific stiffness, metal matrix composites are widely used in military, spaceflight, etc., and the research and development of which has been widely concentrated, especially in heavy industry. The research history and development status of metal matrix composites are introduced, and the classification of metal matrix composites is given according to the types of the matrix and the morphology of the reinforcing phase. The common methods for the preparation of metal matrix composites include powder metallurgy, casting solidification molding (stir casting and squeeze casting), spray forming and in situ compounding. The powder metallurgy method and casting solidification forming method are mainly introduced. The problems that need be solved for the development of metal matrix composites including high cost, complicate craft, uneven distribution, and incident surface reaction and segregation under high temperature are pointed out.

metal matrix composites;matrix type;reinforcing phase;powder metallurgic method;squeeze casting

1008-1534(2017)03-0215-07

2017-03-01;

2017-03-29;责任编辑:陈书欣

河北省自然科学基金(E2014208087);河北省高等学校科学技术研究项目(ZD2015003);河北省引进留学人员资助项目(C201400515)

赵鹏鹏 (1992—),男,河北正定人,硕士研究生,主要从事精确成型及凝固过程控制方面的研究。

谭建波教授。E-mail:tanjian1998@163.com

TG146.4

A

10.7535/hbgykj.2017yx03011

赵鹏鹏,谭建波.金属基复合材料的制备方法及发展现状[J].河北工业科技,2017,34(3):215-221. ZHAO Pengpeng, TAN Jianbo.Preparation method and research status of metal matrix composites[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(3):215-221.

猜你喜欢
粉末冶金基体复合材料
粉末冶金航空刹车片:三万里回国路,二十年砺剑心
金刚石圆锯片基体高温快速回火技术的探索
浅谈现代建筑中新型复合材料的应用
沟口雄三的中国社会主义历史基体论述评
金属复合材料在机械制造中的应用研究
铌-锆基体中痕量钐、铕、钆、镝的连续离心分离技术
国产复合材料预浸料过程控制的认识与实践
粉末冶金专辑
民机复合材料的适航鉴定
粉末冶金正时齿轮