双金属复合材料的制备：国内外研究现状

陈思羽

（中信渤海铝业控股有限公司，河北 秦皇岛 066000）

双金属复合材料是运用复合成型的方法使两种或两种以上的具有不同物理、化学乃至力学性能的材料在界面产生冶金结合制备而成的复合材料。根据制备时候金属的形态的不同可分为固态法和液态法，固态法主要制备方法为轧制，即用轧辊的轧制力将两种金属压在一起，使接触部分产生相对的剪切变形从而达到复合的方法。液态法主要制备方法为铸造，根据铸造工艺的不同可分为离心铸造、搅拌铸造、挤压铸造等。复合金属具备两种金属的优势，使得其能更好的满足各种工况，耐损耗，从而间接降低成本，产生好的经济效益。

固态法制作原理比较复杂，不光伴随着物理反应还伴随这化学反应，相较于固态法，液态法生产复合材料温度高，熔融态的金属流动性好，便于一次形成复杂工件，所需设备也相对简单，通过金属复合材料生产批量化、连续化、自动化，从而实现制造成本较低，使用范围较大，因此，液态法用于制造复合材料得到了很大的发展，双金属铸造工艺研究有着广阔的前景[1-3]。但固态法也有一些液态法所没有的优势，现在固态法的主流方向为轧制复合、热压、粉末冶金法

1 金属复合材料的制备方法

1.1 液态法

1.1.1 离心铸造法

铸造法目前的方向是在离心铸造的传统方法上加上电磁搅拌的方法制备复合材料，其原理是让模具旋转，然后进行浇筑，由于离心力的作用，金属会附着到铸模表面浇筑不同金属后，金属和金属之间通过组分扩散或者重熔混合实现材料的复合，制作时通过增加电磁搅拌使金属更加均匀，减少缺陷。根据其原理，王学东等人的研究方向是在离心铸造的基础上增加电磁力，起到电磁搅拌的作用，用此方法做出了铝硅合金半固态组织试样，并且发现速度越快晶粒越细小[4]。随着离心铸造技术的日新月异，垂直离心铸造也得到了发展。呼和浩特职业学院刘红采用垂直离心铸造法制备了汽车用ZK20-0.3Y 新型镁合金，并进行了显微组织、物相组成、微区成分和力学性能的测试与分析，指出该合金由基体α-Mg 相和少量的Mg3Y2Zn3 相组成，具有较细小的组织和较佳的力学性能[5]。

1.1.2 浸渗法

液态浸渗法是在一定条件下将液态金属浸渗到增强材料多孔预制件的孔隙中，凝固获得复合材料的制备方法[6]。金属的流动性较之其他材料差很多，所以在浸渗时加上压力和真空环境具有明显优势

真空压力浸渗法是在真空和高压惰性气体共同作用下，使液态金属与增强材料发生复合，制备金属基复合材料制品的方法[7]。其在浸润时增加压力弥补了金属流动性差的特点，将环境变成真空环境后减弱金属之间的界面反应。其特点有：制品组织性能均匀，内部缺陷如孔状的疏松、缩孔较无压浸渗大幅减少。由于条件苛刻，真空压力浸渗法效率低设备昂贵，具有研究新材料的价值，达不到大规模生产的效率要求和效益要求。上海交通大学裴和君采用真空压力浸渗法制备了金刚石/铝复合材料，研究了金刚石颗粒尺寸、品级等对复合材料热性能的影响。指出，在金刚石体积分数相同情况下，普通研磨级金刚石颗粒的尺寸越小，复合材料的热膨胀系数越低；用MBD4 等级金刚石颗粒制备的金刚石/铝复合材料具有最小的热膨胀系数，为6.8×10-6K-1，其热导率最高；MBD4 等级的金刚石颗粒与铝基体存在选择性粘附现象，金刚石的（100）面更容易与铝结合[8]。

1.1.3 喷射分散法

喷射分散法是使用惰性气体用一种特殊喷嘴将增强金属喷射到金属流中，由于是在浇筑过程持续喷射，增强颗粒充分分散，打入增强颗粒的金属液冷却凝固后形成铸件，这种方法在铝合金、镁合金中很常见，同时一些高熔点合金如钢铁等也可适用，长古川正义采用喷射分散法成功制备了低合金钢基体的复合材料。并且采用喷射法生产Al-SiC 颗粒复合材料，SiC 的含量可达到30%[9]。

1.1.4 中间合金法

中间合金法是针对金属流动性差提出的方法，它把增强物、金属粉末压制成小块状，在进入金属液中时可以有效沉积到内部，融化后对其进行搅拌，可达到均匀分布的目的，最后进行浇筑，便成了复合材料铸块。昆明理工大学刘玉红利用中间合金法制备Al2O3、SiC 颗粒弥散强化铝基复合材料。建立了球磨工艺参数（球料比、球磨转速、磨球半径）与磨球运动速度、平均自由程及碰撞频率的理论关系。从分析实际球磨过程的碰撞出发，引入了碰撞角度因子，建立了粉末应变及热温升等物理量与球磨工艺参数和碰撞角度因子之间的理论关系。指出MA 法制得的复合粉末颗粒细小、组织均匀、性能优良，球磨过程中粉末的热温升不超过100K，不会产生能量累积[10]。

1.2 固态法

1.2.1 轧制复合法

轧制复合法是通过轧辊对金属的正压力作用，使两种金属接触面发生冶金结合。不同于液态法，固态法中的轧制主要制作复合板带材料，轧制过程中不同金属的塑性硬度延伸率都不同，但是为了降低轧制力，不得不加热轧制，这就使得轧制复合法难度增加，不过其可连续生产的特性使研究的意义重大，崔建忠使用复合轧制法制备不锈钢复合板带，采用固液相，比固固相性能高成本底，同时产量上升[11]，余伟等使用热轧法成功制备了2.5mm 厚的67 层复合板，结果表明使用两步组坯复合和工艺优化，复合板成材率达90%以上，具有良好的结合界面，抗剪切强度可达241Mpa[12]。

1.2.2 粉末冶金法

粉末冶金法出现的比较早，但早期设备工艺复杂、成本高。近期随着科研的发展，其成本已经下降，制备金属的密度、性能则大幅提高。大致的流程为金属与增强体粉末按一定比例混合，混合后进入模具预压成型，预压之后对材料进行除气处理，最后通过烧结、热压等加大致密度最终成型，马国俊等人在研究硼酸镁晶须铝基复合材料时发现在选用适当的球磨工艺和挤压比的前提下，材料力学性能得到显著改善[13]，艾江等使用粉末冶金法制备SICp/Al 复合材料，研究发现SiCp 材料组织具有均匀致密无杂质等优点，在SiC 质量分数一定的情况下，随着烧结温度的升高，性能也随着提高。杨冠男使用两种方法制备了Al3Ti/Mg 复合材料，一种是原位合成法、一种是粉末外加法，通过对比发现原位法制作的Al3Ti 颗粒较小为1µm ～5µm，另一种则为5µm ～15µm。两种方法制作的材料性能相当[14]。

2 存在的问题与展望

双金属复合材料的优越性、诱人的发展前景及巨大的应用潜力已展现在我们面前。对于研究者来说探索和突破的目的在于制造出各方面性能优异且均匀的材料，减少界面反应，并且简化工艺降低制作难度提高成材率。虽然多年来对制备双金属复合材料进行了大量的研究，但仍然存在一定的问题有待解决，如：①复合材料液态条件下的流动性受加入的颗粒等增强相的影响较大。②一些原因易引起的有害界面反应，如金属基体与增强体的润湿性较差。③所得材料中易如有气孔和夹杂等存在，将导致局部偏析和材料不均匀现象的出现。④结合界面宽度不易控制，易发生混溶现象，从而影响到双金属复合材料的制备。

根据复合金属的固态法液态法不难看出，固态法与液态法已经互相渗透，使用半固态或者固态加液态是研究者喜欢的方法，同时加上物理化学手段的复合法是研究者热衷的方向，其中半固态成型技术优势明显，消除了固态成型中流动性不足，内部缺陷明显同时成型阻力大的缺点，也消除了液态成型中容易产生收缩，球状颗粒组织粗大等缺点，同时兼具降能降污染的特点，制作工艺灵活的特点，是金属复合材料生产市场应用的趋势，而在最近的研究发现把半固态技术应用与制备之中，进行半固态/液态复合能够解决液/液复合形成的界面宽度调控性差、以及固/固复合、固/液复合、工艺形成的界面易夹杂或残留氧化皮等问题。随着对半固态金属制备方法的研究，会有更多优秀的复合材料被制作和被发现出来。