颗粒增强铝基复合材料的研究现状

杨 佳，曹风江，谭建波

（1.河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄 0500l8；2.沧州职业技术学院，河北沧州 06l000）

·综 述·

颗粒增强铝基复合材料的研究现状

杨 佳l，曹风江2，谭建波l

（1.河北科技大学材料科学与工程学院，河北石家庄 0500l8；2.沧州职业技术学院，河北沧州 06l000）

复合材料是一种重要的工程材料，具有优异的力学性能。颗粒增强铝基复合材料是众所周知的复合材料之一，具有优异的性能，如高强度、硬度、刚度、耐磨性和耐疲劳性，因此成为了20世纪最具有发展前途的材料之一。本文综述了颗粒增强铝基复合材料的研究现状，从基体、增强颗粒的选择，复合材料的制备方法、影响复合材料制备的因素及解决方法等方面进行了详细阐述，并且针对目前面对的问题，提出了以后的发展方向。

铝基复合材料；基体；增强颗粒；制备方法；润湿性

复合材料是将两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法在宏观或微观上复合而成的具有优良性能的新材料，新材料具有组成材料的互补性能[l]。根据复合材料的基体不同，复合材料可以分为：陶瓷基复合材料、金属基复合材料和树脂基复合材料[l]。根据复合材料的增强相不同可分为：颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料[l]。其中颗粒增强铝基复合材料是2l世纪最具有发展前途的先进材料之一。该种复合材料具有高比强度、高比刚度、高比模量、低密度以及良好的高温性能，并且颗粒增强铝基复合材料耐磨、耐疲劳、热膨胀系数低、导热性能良好[2～4]。与纤维增强铝基复合材料相比，颗粒增强铝基复合材料价格低，并且各向同性、克服了纤维损伤、微观组织不均匀和纤维与纤维接触反应带大等问题[5]。目前常用的颗粒增强铝基复合材料的基体有纯铝和铝合金[l]，常用的增强颗粒有 SiC、Al2O3、TiC、Si3N4、B4C、石墨等[6，7]。

对于粒度的选择，理论上粒度越细，颗粒弥散程度越好，复合材料的性能越好，但是颗粒越细，由于液态铝的阻碍作用，增强颗粒不易混合均匀，并且会出现严重的界面反应。如果增强颗粒太粗，颗粒由于自重会产生明显的下沉或上浮现象，出现明显的铸造偏析。因此增强颗粒的最佳粒度为5 μm～25μm[2]、对于增强颗粒的含量，增强颗粒含量少，起不到良好强化作用；增强颗粒含量高，会出现颗粒聚集现象，颗粒与颗粒粘结不牢固，制备的复合材料致密度低，材料力学性能差。因此外加颗粒的体积分数一般控制在0～25%之间[2]。常用的制备铝基复合材料的方法有搅拌熔铸法、粉末冶金法、挤压铸造法、喷射沉积法和原位复合法。

l 铝基复合材料的选择

1.1 铝基复合材料基体的选择

铝基复合材料的基体有纯铝和铝合金，最常见的铝基材料为铸造铝合金，而非变形铝合金。虽然变形铝合金的变形性比铸造合金好，但是铸造铝合金具有良好的铸造性能，流动性好，不易产生缩孔和裂纹。并且通过二次加工可以制备出结构复杂的零件，节约成本，降低工时。根据复合材料的制备方法不同，也需要考虑不同的基体材料，如果制备方法需要二次加工，则选用铸造铝合金会更加合适。铝合金根据铝之外的其他材料分类，可分为：Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn 和 Al-RE 等[2，8]。

1.2 铝基复合材料增强颗粒的选择

选择增强体主要考虑的因素为：铝基复合材料所需性能、增强颗粒与基体的界面结合状态、界面反应和润湿性。并且增强体具有基体不具备的性能，如：高强度、高硬度、高弹性模量、低密度和良好的化学稳定性。纤维增强虽然性能优良，但是由于纤维制备困难，所以成本高，且高温易发生蠕变。而颗粒增强铝基复合材料具有成本低、制备工艺简单，并且制备的复合材料各向同性、易于二次加工。目前常用的增强颗粒有 SiC、Al2O3、TiC、Si3N4、B4C 和石墨。表l是常见增强颗粒的性能[9，l0]。由于SiC具有良好的耐磨性、化学稳定性、高温强度，并且抗化学腐蚀，因此SiC的研究和应用最广泛。

表l 常见增强颗粒的性能

2 铝基复合材料的制备方法

2.1 搅拌熔铸法

搅拌熔铸法就是通过机械搅拌使增强颗粒与液态或半固态金属混合均匀，然后浇注成型[2]。搅拌熔铸法制备铝基复合材料，具有许多优点，如搅拌可以获得足够大的剪切力，有利于克服增强颗粒与增强颗粒、增强颗粒与金属液之间的粘滞阻力。工艺简单，适合工业生产，颗粒尺寸要求不高，并且成本低、效率高，可以制造形状的复杂零件。但是搅拌熔铸法制备铝基复合材料仍需克服增强颗粒润湿性差、颗粒不易混合均匀导致组织不够致密，易产生气孔和夹杂等问题。并且当发生界面反应时，易产生硬脆相，使整个晶相的完整性发生了破坏。在浇注过程可能会有气体或杂质卷入而不易排出。对于浇注过程产生气孔夹杂等问题目前常用的解决方法是通保护气体或者抽真空。加入Mg、Ce以改善润湿性也是目前常用的方法。针对如何使增强颗粒分布均匀问题，国内外学者主要针对搅拌速度、颗粒尺寸、搅拌叶片旋向、颗粒预处理工艺等因素进行研究[ll～l4]。Metan[l5]等研究了通过电磁搅拌和加入细化颗粒AlTi5Bl对铝硅复合材料的颗粒的控制，足够高的磁场搅拌可以细化晶粒，但是会产生偏析。张宏伟[l6]研究了通过将强化颗粒进行预烧结并且加入合金Mg元素改善增强颗粒的润湿性，并且确定在生产工艺参数为加热温度6l2℃、搅拌速度500rpm、搅拌时间30 min时，制备的复合材料组织最均匀，力学性能最优。

2.2 粉末冶金法

最早用来制备铝基复合材料的工艺方法就是粉末冶金法，该方法可以用来制备高熔点、难成型的合金材料。粉末冶金就是选取合适粒度的金属粉末和增强体颗粒混合均匀，然后冷压固结、除气。在一定温度、一定压力下烧结成型，然后热处理制备所需材料[l7]。该制备方法比搅拌熔铸法制备复合材料的温度低，因此大大减小了界面反应的发生。其次金属粉与增强颗粒的含量可以控制。但是粉末冶金在冷压固结中容易产生气孔，如果金属粉末与增强颗粒混合不均匀还会影响热压烧结导致材料的致密度降低。烧结温度选择不当会产生偏析影响复合材料的微观组织和力学性能；制件需要二次加工，所制得的零件形状受限，并且该工艺复杂，生产周期长，成本高。

2.3 挤压铸造法

挤压铸造的原理：将增强颗粒通过一定的方式粘结制成所需要的增强体预制件，将增强体预制件放在压膜中，然后将液态的铝合金制件浇入压膜当中，再施加一定的压力，使溶液渗入到预制件的间隙之中，然后自然冷却便可得到所需形状的复合材料。挤压铸造需要注意，压膜和预制件都要进行预热，防止铝溶液浇注过程还没完成，铝溶液便已凝固，使得溶液无法挤压进去，如果压力过大可能会破坏压膜形状，最终影响复合材料的质量。挤压铸造制备的零件形状基本接近预制件的形状，甚至可以直接得到所需零件形状。其次，铝溶液与预制件接触时冷却速度快，界面高温接触时间短，不易造成过强的界面反应，一般不容易产生常规的铸造缺陷。并且增强颗粒的体积含量可以增加到最大含量。挤压铸造也存在一定的：

l）预制件不易制备，尤其是形状复杂的预制件。

2）挤压铸造的压力不易控制，压力过小，液态铝不易挤压进去，压力太大又容易破坏预制件的形状，破坏复合材料的质量。张瓂伟[l8]通过挤压铸造法制备了Ti2AlC颗粒增强铝基复合材料，并且研究了该复合材料的组织及性能，通过对比Ti2AlC体积分数分别为20%和40%的复合材料的组织及性能，得出40%比20%的致密度高，且组织中含20%的由Al、Ti2AlC 和少量 TiC 相组成，40% 的由 Al、Ti2AlC以及少量的TiC和TiAl3相组成。Ti2AlC的加入都阻碍了塑性变形和裂纹的产生，提高了强度和拉伸性能，40%的复合材料导电性能更加优良。曲寿江[l8]等通过对增强颗粒体积为25%的SiCp/Al复合材料进行热挤压变形，研究提出新制备的25%SiCp/Al复合材料的工艺，并且成功地对25∶l复合材料进行了热挤压变形，并且发现热挤压变形使复合材料的强度、刚度和塑性得到明显提高。

2.4 喷射沉积技术

喷射沉积技术是一种新型的快速凝固技术，是在液态金属铝雾化过程中加入增强颗粒，使铝合金粉末与增强颗粒同时沉积在收集器上。该方法制备铝基复合材料过程金属液与增强颗粒接触时间短，因此界面反应小，不容易出现宏观的铸造缺陷。制备的复合材料的组织为等轴晶组织，具有良好的力学性能。并且生产周期短，成型速度快。但是该方法制备的复合材料也具有缺点，如增强颗粒不能均匀分布，生产设备昂贵，导致成产成本高，并且增强颗粒利用率低[20]。Perez[2l，22]等采用 N2-O2混合气体雾化喷射沉积成形Cu-Al合金。当混合气体中氧体积分数为8%时，将会形成大约体积分数为l%的Al2O3和2%～4%的CuO/Cu2O.苏斌[23]发明了自动控制增强颗粒输送装置，实现了复合材料中增强体颗粒的梯度分布，并且确定了最佳的生产工艺参数，制备了SiCp/Al-20Si-3Cu复合材料，并且观察组织、致密度和耐磨性等。冯朝辉[24]等利用喷射沉积、热挤压、轧制等方法制备了SiCp/2024铝基复合材料轧制板材，并且研究了其组织与力学性能，研究表明SiCp/2024铝基复合材料在热挤压和轧制后可以得到组织细小的晶粒，并且增强颗粒分布均匀，力学性能显著提高，强化相为Al2CuMg相。

2.5 原位复合法

原位复合法是指液体铝合金与加入的其他物质发生反应生成增强相。该种方法制备的增强颗粒与基体相铝合金润湿性比较好、无污染，颗粒与基体相兼容性比较好。并且增强颗粒细小，增强效果好。目前原位复合法的方式主要有自蔓延合成工艺[25]、XD工艺[26]和气液反应工艺[27]。Fale等[28-29]将不同质量分数的NHCl4和CaO粉末混合加入到700℃铝熔体中，制备出AlN/Al复合材料，AlN颗粒弥散分布在铝熔体中，且硬度和耐磨性都得到了提高。张呈呈[30]研究了优化盐水法制备原位（ZrB2+Al3Zr）p/2024Al复合材料，探索了其机理，并研究了轧制工艺。

3 影响颗粒增强铝基复合材料制备的因素及解决方法

3.1 增强颗粒与基体的润湿性

液固两相之间的润湿性好坏取决于液固界面之间的夹角，当夹角为0°时，液固两相完全润湿；当夹角小于90°时，液固两相润湿性比较好；当夹角大于90°时，液固两相不润湿。而对于增强颗粒与液态金属铝之间基本不润湿，再加上高温状态下形成的氧化铝薄膜进一步阻碍了基体与增强颗粒之间的润湿性。基体相与颗粒之间的润湿性好坏直接导致复合材料综合性能的好坏。润湿性差将会导致增强颗粒分布不均匀，即使分布均匀也会由于润湿性差导致严重的偏析现象，致使复合材料力学性能下降。目前常用的改善润湿性的方法有：①增强颗粒上电镀一层金属薄膜[8，3l]，将增强颗粒上电镀一层铝薄膜或者镍薄膜，改善材料润湿性。②改变合金组分，如加入Mg、Li、Ca等，可以有效提高增强颗粒与基体的润湿性。③增强颗粒进行预处理，如用酸碱、超声波等除去增强颗粒表面的杂质和氧化物薄膜，或者改变增强颗粒的形状，提高润湿性。④对增强颗粒进行预热处理。

3.2 界面反应

在较高温度时，增强颗粒会与基体相发生反应。有些反应可能会改善增强颗粒与基体的润湿性，改善界面的结合状态，提高材料的综合性能。但是有些反应会破坏增强颗粒的完整性，甚至会生成硬脆性，导致复合材料的力学性能下降。因此，在选择增强颗粒时必须结合其与基体之间的性能，控制好两者之间的反应程度，使之达到最佳的结合状态。

3.3 增强颗粒的均匀性问题

增强颗粒在基体中分布是否均匀直接影响复合材料的综合性能，因此改善增强颗粒在基体中的均匀度是十分必要的。影响增强颗粒在基体中分布的因素有许多，如：增强颗粒的形状、粒度、百分含量、搅拌时间和方式、浇注温度等。可以通过控制以上几种方式改善增强颗粒的均匀性问题。如：①选择合适的粒度、体积、形状，增强颗粒粒度太小容易发生团聚，粒度太大又起不到弥散强化的效果，可控制粒度在 5 μm～25μm[2]之间，体积分数 0～25%之间[2]，形状最好为球形。②选择合适的搅拌时间和搅拌方式。随着搅拌时间的增加，剪切应力也增大，颗粒分布更加均匀。③选择合适的搅拌温度，减少金属液粘度对增强颗粒均匀性的影响，降低偏析。

4 结束语

颗粒增强铝基复合材料作为一种新型的材料，具有优异的性能，因此广泛应用于汽车、航空航天、航海和军事等高端行业。但是材料在制备过程仍具有一定的缺陷需要去克服，如增强颗粒分布不均匀、表面润湿性差、颗粒与基体之间的界面反应等问题都是目前面对的棘手的问题需要解决。因此仍需加强对颗粒增强铝基复合材料的制备机理、制备工艺、制备设备等领域的研究，使其在国民经济和国防科技方面发挥重要的作用。

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Research Status of Particle Reinforced Aluminum Matrix Composite

YANG Jial，CAO Feng-jiang2，TAN Jian-bol
（1.School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 0500l8，China；2.Cangzhou Technical College，Cangzhou Hebei 06l000，China）

Composite material is a kind of important engineering material due to its outstanding mechanical properties.Particle reinforced aluminum matrix composite is one of the widely known composite because of its superior properties such as high strength，hardness，stiffness，wear and fatigue resistance.So the particle reinforced aluminum composite material has become one of the most promising materials of the 20th century.The research progress of particle reinforced aluminium matrix composite was summarized in this paper.The research status of the composite was reviewed in detail from the choice of the reinforcement and the matrix，the preparation technique of aluminum matrix composite，the factors affecting the performance of the composite.The research direction and development prospects of the composite were pointed out.

aluminum matrix composites，matrix，enhanced particle，preparation，wettability

TB333 文图标识码:A

l674-6694（20l7）05-0069-04

20l7-06-28

杨佳（l992-），女，河北省行唐人，硕士研究生，主要从事精确成型及凝固控制技术方面的研究。

谭建波（l964-），男，河北定州人，教授，博士，E-mail：tanjianl998@l63.com

河北省自然科学基金项目（E20l4208087），河北省高等学校科学技术研究项目（ZD20l5003），河北省引进留学人员资助项目（C20l4005l5）.

l0.l6666/j.cnki.issnl004-6l78.20l7.05.0l8