雙金屬?gòu)?fù)合材料的制備：國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

陳思羽

（中信渤海鋁業(yè)控股有限公司，河北 秦皇島 066000）

雙金屬?gòu)?fù)合材料是運(yùn)用復(fù)合成型的方法使兩種或兩種以上的具有不同物理、化學(xué)乃至力學(xué)性能的材料在界面產(chǎn)生冶金結(jié)合制備而成的復(fù)合材料。根據(jù)制備時(shí)候金屬的形態(tài)的不同可分為固態(tài)法和液態(tài)法，固態(tài)法主要制備方法為軋制，即用軋輥的軋制力將兩種金屬壓在一起，使接觸部分產(chǎn)生相對(duì)的剪切變形從而達(dá)到復(fù)合的方法。液態(tài)法主要制備方法為鑄造，根據(jù)鑄造工藝的不同可分為離心鑄造、攪拌鑄造、擠壓鑄造等。復(fù)合金屬具備兩種金屬的優(yōu)勢(shì)，使得其能更好的滿足各種工況，耐損耗，從而間接降低成本，產(chǎn)生好的經(jīng)濟(jì)效益。

固態(tài)法制作原理比較復(fù)雜，不光伴隨著物理反應(yīng)還伴隨這化學(xué)反應(yīng)，相較于固態(tài)法，液態(tài)法生產(chǎn)復(fù)合材料溫度高，熔融態(tài)的金屬流動(dòng)性好，便于一次形成復(fù)雜工件，所需設(shè)備也相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)金屬?gòu)?fù)合材料生產(chǎn)批量化、連續(xù)化、自動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)制造成本較低，使用范圍較大，因此，液態(tài)法用于制造復(fù)合材料得到了很大的發(fā)展，雙金屬鑄造工藝研究有著廣闊的前景[1-3]。但固態(tài)法也有一些液態(tài)法所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在固態(tài)法的主流方向?yàn)檐堉茝?fù)合、熱壓、粉末冶金法

1 金屬?gòu)?fù)合材料的制備方法

1.1 液態(tài)法

1.1.1 離心鑄造法

鑄造法目前的方向是在離心鑄造的傳統(tǒng)方法上加上電磁攪拌的方法制備復(fù)合材料，其原理是讓模具旋轉(zhuǎn)，然后進(jìn)行澆筑，由于離心力的作用，金屬會(huì)附著到鑄模表面澆筑不同金屬后，金屬和金屬之間通過(guò)組分?jǐn)U散或者重熔混合實(shí)現(xiàn)材料的復(fù)合，制作時(shí)通過(guò)增加電磁攪拌使金屬更加均勻，減少缺陷。根據(jù)其原理，王學(xué)東等人的研究方向是在離心鑄造的基礎(chǔ)上增加電磁力，起到電磁攪拌的作用，用此方法做出了鋁硅合金半固態(tài)組織試樣，并且發(fā)現(xiàn)速度越快晶粒越細(xì)小[4]。隨著離心鑄造技術(shù)的日新月異，垂直離心鑄造也得到了發(fā)展。呼和浩特職業(yè)學(xué)院劉紅采用垂直離心鑄造法制備了汽車用ZK20-0.3Y 新型鎂合金，并進(jìn)行了顯微組織、物相組成、微區(qū)成分和力學(xué)性能的測(cè)試與分析，指出該合金由基體α-Mg 相和少量的Mg3Y2Zn3 相組成，具有較細(xì)小的組織和較佳的力學(xué)性能[5]。

1.1.2 浸滲法

液態(tài)浸滲法是在一定條件下將液態(tài)金屬浸滲到增強(qiáng)材料多孔預(yù)制件的孔隙中，凝固獲得復(fù)合材料的制備方法[6]。金屬的流動(dòng)性較之其他材料差很多，所以在浸滲時(shí)加上壓力和真空環(huán)境具有明顯優(yōu)勢(shì)

真空壓力浸滲法是在真空和高壓惰性氣體共同作用下，使液態(tài)金屬與增強(qiáng)材料發(fā)生復(fù)合，制備金屬基復(fù)合材料制品的方法[7]。其在浸潤(rùn)時(shí)增加壓力彌補(bǔ)了金屬流動(dòng)性差的特點(diǎn)，將環(huán)境變成真空環(huán)境后減弱金屬之間的界面反應(yīng)。其特點(diǎn)有：制品組織性能均勻，內(nèi)部缺陷如孔狀的疏松、縮孔較無(wú)壓浸滲大幅減少。由于條件苛刻，真空壓力浸滲法效率低設(shè)備昂貴，具有研究新材料的價(jià)值，達(dá)不到大規(guī)模生產(chǎn)的效率要求和效益要求。上海交通大學(xué)裴和君采用真空壓力浸滲法制備了金剛石/鋁復(fù)合材料，研究了金剛石顆粒尺寸、品級(jí)等對(duì)復(fù)合材料熱性能的影響。指出，在金剛石體積分?jǐn)?shù)相同情況下，普通研磨級(jí)金剛石顆粒的尺寸越小，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)越低；用MBD4 等級(jí)金剛石顆粒制備的金剛石/鋁復(fù)合材料具有最小的熱膨脹系數(shù)，為6.8×10-6K-1，其熱導(dǎo)率最高；MBD4 等級(jí)的金剛石顆粒與鋁基體存在選擇性粘附現(xiàn)象，金剛石的（100）面更容易與鋁結(jié)合[8]。

1.1.3 噴射分散法

噴射分散法是使用惰性氣體用一種特殊噴嘴將增強(qiáng)金屬噴射到金屬流中，由于是在澆筑過(guò)程持續(xù)噴射，增強(qiáng)顆粒充分分散，打入增強(qiáng)顆粒的金屬液冷卻凝固后形成鑄件，這種方法在鋁合金、鎂合金中很常見，同時(shí)一些高熔點(diǎn)合金如鋼鐵等也可適用，長(zhǎng)古川正義采用噴射分散法成功制備了低合金鋼基體的復(fù)合材料。并且采用噴射法生產(chǎn)Al-SiC 顆粒復(fù)合材料，SiC 的含量可達(dá)到30%[9]。

1.1.4 中間合金法

中間合金法是針對(duì)金屬流動(dòng)性差提出的方法，它把增強(qiáng)物、金屬粉末壓制成小塊狀，在進(jìn)入金屬液中時(shí)可以有效沉積到內(nèi)部，融化后對(duì)其進(jìn)行攪拌，可達(dá)到均勻分布的目的，最后進(jìn)行澆筑，便成了復(fù)合材料鑄塊。昆明理工大學(xué)劉玉紅利用中間合金法制備Al2O3、SiC 顆粒彌散強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料。建立了球磨工藝參數(shù)（球料比、球磨轉(zhuǎn)速、磨球半徑）與磨球運(yùn)動(dòng)速度、平均自由程及碰撞頻率的理論關(guān)系。從分析實(shí)際球磨過(guò)程的碰撞出發(fā)，引入了碰撞角度因子，建立了粉末應(yīng)變及熱溫升等物理量與球磨工藝參數(shù)和碰撞角度因子之間的理論關(guān)系。指出MA 法制得的復(fù)合粉末顆粒細(xì)小、組織均勻、性能優(yōu)良，球磨過(guò)程中粉末的熱溫升不超過(guò)100K，不會(huì)產(chǎn)生能量累積[10]。

1.2 固態(tài)法

1.2.1 軋制復(fù)合法

軋制復(fù)合法是通過(guò)軋輥對(duì)金屬的正壓力作用，使兩種金屬接觸面發(fā)生冶金結(jié)合。不同于液態(tài)法，固態(tài)法中的軋制主要制作復(fù)合板帶材料，軋制過(guò)程中不同金屬的塑性硬度延伸率都不同，但是為了降低軋制力，不得不加熱軋制，這就使得軋制復(fù)合法難度增加，不過(guò)其可連續(xù)生產(chǎn)的特性使研究的意義重大，崔建忠使用復(fù)合軋制法制備不銹鋼復(fù)合板帶，采用固液相，比固固相性能高成本底，同時(shí)產(chǎn)量上升[11]，余偉等使用熱軋法成功制備了2.5mm 厚的67 層復(fù)合板，結(jié)果表明使用兩步組坯復(fù)合和工藝優(yōu)化，復(fù)合板成材率達(dá)90%以上，具有良好的結(jié)合界面，抗剪切強(qiáng)度可達(dá)241Mpa[12]。

1.2.2 粉末冶金法

粉末冶金法出現(xiàn)的比較早，但早期設(shè)備工藝復(fù)雜、成本高。近期隨著科研的發(fā)展，其成本已經(jīng)下降，制備金屬的密度、性能則大幅提高。大致的流程為金屬與增強(qiáng)體粉末按一定比例混合，混合后進(jìn)入模具預(yù)壓成型，預(yù)壓之后對(duì)材料進(jìn)行除氣處理，最后通過(guò)燒結(jié)、熱壓等加大致密度最終成型，馬國(guó)俊等人在研究硼酸鎂晶須鋁基復(fù)合材料時(shí)發(fā)現(xiàn)在選用適當(dāng)?shù)那蚰スに嚭蛿D壓比的前提下，材料力學(xué)性能得到顯著改善[13]，艾江等使用粉末冶金法制備SICp/Al 復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)SiCp 材料組織具有均勻致密無(wú)雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在SiC 質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定的情況下，隨著燒結(jié)溫度的升高，性能也隨著提高。楊冠男使用兩種方法制備了Al3Ti/Mg 復(fù)合材料，一種是原位合成法、一種是粉末外加法，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)原位法制作的Al3Ti 顆粒較小為1μm ～5μm，另一種則為5μm ～15μm。兩種方法制作的材料性能相當(dāng)[14]。

2 存在的問(wèn)題與展望

雙金屬?gòu)?fù)合材料的優(yōu)越性、誘人的發(fā)展前景及巨大的應(yīng)用潛力已展現(xiàn)在我們面前。對(duì)于研究者來(lái)說(shuō)探索和突破的目的在于制造出各方面性能優(yōu)異且均勻的材料，減少界面反應(yīng)，并且簡(jiǎn)化工藝降低制作難度提高成材率。雖然多年來(lái)對(duì)制備雙金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行了大量的研究，但仍然存在一定的問(wèn)題有待解決，如：①?gòu)?fù)合材料液態(tài)條件下的流動(dòng)性受加入的顆粒等增強(qiáng)相的影響較大。②一些原因易引起的有害界面反應(yīng)，如金屬基體與增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性較差。③所得材料中易如有氣孔和夾雜等存在，將導(dǎo)致局部偏析和材料不均勻現(xiàn)象的出現(xiàn)。④結(jié)合界面寬度不易控制，易發(fā)生混溶現(xiàn)象，從而影響到雙金屬?gòu)?fù)合材料的制備。

根據(jù)復(fù)合金屬的固態(tài)法液態(tài)法不難看出，固態(tài)法與液態(tài)法已經(jīng)互相滲透，使用半固態(tài)或者固態(tài)加液態(tài)是研究者喜歡的方法，同時(shí)加上物理化學(xué)手段的復(fù)合法是研究者熱衷的方向，其中半固態(tài)成型技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，消除了固態(tài)成型中流動(dòng)性不足，內(nèi)部缺陷明顯同時(shí)成型阻力大的缺點(diǎn)，也消除了液態(tài)成型中容易產(chǎn)生收縮，球狀顆粒組織粗大等缺點(diǎn)，同時(shí)兼具降能降污染的特點(diǎn)，制作工藝靈活的特點(diǎn)，是金屬?gòu)?fù)合材料生產(chǎn)市場(chǎng)應(yīng)用的趨勢(shì)，而在最近的研究發(fā)現(xiàn)把半固態(tài)技術(shù)應(yīng)用與制備之中，進(jìn)行半固態(tài)/液態(tài)復(fù)合能夠解決液/液復(fù)合形成的界面寬度調(diào)控性差、以及固/固復(fù)合、固/液復(fù)合、工藝形成的界面易夾雜或殘留氧化皮等問(wèn)題。隨著對(duì)半固態(tài)金屬制備方法的研究，會(huì)有更多優(yōu)秀的復(fù)合材料被制作和被發(fā)現(xiàn)出來(lái)。