楊志國

摘 要： 由于我國社會經(jīng)濟和科學技術(shù)的飛速進步，對金屬材料使用性能設定的標準也更加嚴格。當前的單一金屬材料已經(jīng)無法符合標準需求，金屬復合材料應運而生。其具備單一金屬材料缺少的高性能特點，得到了許多行業(yè)的親睞。現(xiàn)簡要分析金屬復合材料的分類和制造技術(shù)，力求為今后的相關(guān)工作提供可靠的參照。

關(guān)鍵詞：金屬復合材料 分類 制造技術(shù)

中圖分類號：TG1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）05-0292

金屬復合材料的制造技術(shù)是其廣泛運用的前提，同樣是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計的基礎。金屬復合材料的生產(chǎn)技術(shù)相對復雜，直接關(guān)系到材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、高質(zhì)量性以及經(jīng)濟性。隨著金屬復合材料在各個領域中的大量運用，其生產(chǎn)工藝理論也獲得了很大程度的進步，具備非常廣闊的發(fā)展前景[1]。

一、金屬復合材料的分類

1.顆粒增強金屬基復合材料

此類材料主要借助顆粒本身的強度，基體能夠?qū)㈩w粒有效整合，顆粒均直徑高于1微米，彌散強化的沉降容積比為90%左右。增強體顆粒通常為：碳化硅、三氧化二鋁、碳化鈦、二硼化鈦、鎳鋁合金、碳化硅、陶瓷、石墨以及金屬顆粒等。這種復合材料具備均質(zhì)性，顆粒的成本較低，來源較多、生產(chǎn)技術(shù)多樣話，且容易成形與生產(chǎn)的一類金屬基復合材料。所有金屬復合材料內(nèi)，此類材料的應用范疇最廣泛。不但在航空航天和軍事方面大量應用，還在交通運輸行業(yè)、微電子行業(yè)以及核領域大量應用。

2.連續(xù)纖維增強金屬基復合材料

其主要借助無機纖維和金屬細線使金屬變成輕質(zhì)量高強度的金屬材料。當前各類增強金屬材料中，連續(xù)纖維具備最顯著的增強成效與更好的剛性。其具備顯著的各向異性，可其復合與制造技術(shù)復雜且難以把握，所以，生產(chǎn)成本高。這種材料通常在航空航天中應用[2]。

3.短纖維增強金屬基復合材料

短纖能夠分成天然纖維與短切纖維兩類。天然纖維通常指某些植物與菌類纖維，長通常35-150毫米之間。短切纖維通常借助長纖維切割獲得，長在1-50毫米之間。和連續(xù)纖維增強金屬基復合材料相比，其成本更低。和基體合金比較，其具備更高的比強度、比剛度以及耐磨性能，各向異性則很大程度低于連續(xù)纖維。短纖維復合材料的體積分數(shù)通?！?0%。在汽車和電力領域中廣泛應用。

4.晶須增強金屬基復合材料

這種復合材料和連續(xù)纖維金屬基復合材料比較，各向異性非常低。和短纖維復合材料比較，其性能較好。但晶須在金屬復合材料的體積分數(shù)通?！?0%。其通常在航空航天中的飛機結(jié)構(gòu)和推桿方面廣泛應用。

5.混雜增強金屬基復合材料

將以上幾類增強模式實行有機結(jié)合則產(chǎn)生了混雜增強金屬基復合材料。其混雜整合能夠分成以下幾類：①顆粒-短纖維；②顆粒-連續(xù)纖維；③連續(xù)纖維-連續(xù)纖維。對短纖維金屬基復合材料或者晶須金屬復合材料進行預制的時候，容易發(fā)生粘結(jié)和團聚問題，顆粒的合理添加則能夠消除此類現(xiàn)象。和一般金屬基復合材料比較，該材料能夠很大程度提升復合材料的強度和剛度，進而有效提升復合材料的力學性能[3]。

二、金屬復合材料的制造技術(shù)研究

1.液相復合制造技術(shù)

1.1攪拌復合制造技術(shù)

攪拌復合制造技術(shù)也可以稱為攪拌鑄造方法，主要借助機械設備進行攪拌，使顆粒增強體和液金屬充分混合，之后常規(guī)壓力鑄造生產(chǎn)出金屬基復合材料部件。其能夠分成漩渦制造技術(shù)與Duralcan制造技術(shù)。這種制造技術(shù)的優(yōu)勢主要是應用常規(guī)熔煉工具，其成本較低，并能夠生產(chǎn)精密性部件。可其依然存在一些缺陷，比如，鑄造過程中，生產(chǎn)階段氣體和雜物極易混進，顆粒不均衡的散布。此外，生產(chǎn)需更多的時間與更高的溫度，金屬和顆粒彼此非常容易出現(xiàn)界面反應，顆粒增多則會導致金屬液體的黏性提升，導致顆粒混進變形區(qū)域，增強體的體積分數(shù)通?！?5%。

1.2浸滲復合制造技術(shù)

此類制造技術(shù)主要包含高壓浸滲、低壓浸滲以及無壓浸滲幾類，這種生產(chǎn)技術(shù)以及在生產(chǎn)豐田汽車發(fā)動機活塞中廣泛應用。金屬液體浸滲制造技術(shù)屬于一類生產(chǎn)高體積分數(shù)金屬基復合材料的主要技術(shù)，具備很好的效果?？善湟灿蓄A制體形變、不均衡微觀構(gòu)造、晶粒規(guī)格較大以及界面反應等問題。以下對幾種浸滲復合材料制造技術(shù)進行分析。①擠壓制造技術(shù)。這種制造技術(shù)就是把增強體復合材料變成有形且具備相當強度的預制塊，之后把液體金屬浸滲到預制塊內(nèi)，保持壓力進行凝固。這種生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)勢為：金屬浸滲和塊體凝固速度更快、生產(chǎn)成效更高、生產(chǎn)成本更低以及能夠批量制造?？蓱眠@種生產(chǎn)技術(shù)制造的部件結(jié)構(gòu)與規(guī)格遭到設備與壓力的影響較大，在距離沖頭更遠的地點極易產(chǎn)生塊體結(jié)構(gòu)疏松問題。在把握充型速率，集渣以及塊體排氣方面的缺陷；②氣壓浸滲生產(chǎn)技術(shù)。這種生產(chǎn)技能可以切實避免金屬與增強體發(fā)生氧化現(xiàn)象，遏制了界面反應問題，優(yōu)化界面，提升了浸潤效果，降低了塊體發(fā)生疏松問題的可能性。因生產(chǎn)階段氣壓≤10MPa，因此，部件不會出現(xiàn)裂縫。可低壓浸滲很難生產(chǎn)大型的零部件，制造的成效較差，且制造技術(shù)更復雜，生產(chǎn)時間也更長；③無壓浸滲生產(chǎn)技術(shù)。這種生產(chǎn)技術(shù)在液體金屬無外界壓力與真空的環(huán)境中，自主浸滲到預制塊的孔隙中，凝固后得到細密的金屬基復合材料。這種生產(chǎn)技術(shù)的成本很低，能夠生產(chǎn)相對復雜的部件，不需利用抗高溫的生產(chǎn)模具。如果浸滲性較強的金屬，能夠添加阻尼圖層，以避免嚴重增長，保證復雜的薄壁構(gòu)造近無余量鑄造。這種生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)美國企業(yè)壟斷，且美國政府不允許其進行轉(zhuǎn)讓[4]。

1.3噴射共沉積復合制造技術(shù)

這種生產(chǎn)技術(shù)避免了生產(chǎn)階段含氧量較高、界面反應較大的問題。該技術(shù)的特征為：迅速冷卻階段粒子不容易發(fā)生不均勻散布，且可以切實遏制界面反應的出現(xiàn)。因沖擊破碎作用，原子的進入能夠生產(chǎn)亞微米顆粒，等到更有效的性能，特別是高溫耐性。可生產(chǎn)技術(shù)所需的相關(guān)設備更加復雜，難以有效控制。增強相規(guī)格通常為細小的顆粒，較大的顆粒與非連續(xù)纖維極易阻塞住噴口。

1.4熔體原位復合制造技術(shù)

這種制造技術(shù)產(chǎn)生的增強體通常是陶瓷相，還能夠生產(chǎn)金屬間化合物，主要是顆粒和晶須之類。主要包含原位合成技術(shù)、接觸式反應技術(shù)、直接氧化技術(shù)、氣-液反應技術(shù)以及反應噴射沉積技術(shù)幾類。應用此類生產(chǎn)技術(shù)能夠使增強體外面和基體之間的界面整潔、沒有雜質(zhì)。界面為原位復合材料、其結(jié)合性較佳，增強體在基體內(nèi)分布更加均衡，增強體規(guī)格同樣更小。

2.固相復合制造技術(shù)

2.1粉末冶金制造技術(shù)

這種制造技術(shù)主要應用熱壓或者熱靜壓方式促使材料復合，進而生產(chǎn)出復合塊體。這種生產(chǎn)技術(shù)對基體與增強體的要求較低，其體積分數(shù)非常容易進行調(diào)整，正是鑄造方式所不具備的。此外，通過對增強體進行反復加工使其均衡分布，晶粒細微，性能較好。

2.2擴散結(jié)合制造技術(shù)

這種制造技術(shù)是在小于基體熔點的溫度中進行高壓，借助對基體出現(xiàn)塑性形變、蠕性形變和擴散作用，使基體之間、基體和增強體之間密切整合，進而獲得徹底壓實的復合材料。這種生產(chǎn)技術(shù)可以切實遏制材料界面反應，消除潤濕性缺陷。主要用來生產(chǎn)連續(xù)型纖維復合材料?？善渲豢梢灾圃炱桨逍螤罨蛘叩颓拾宀粡碗s的部件[5]。

3.固液兩相區(qū)制造技術(shù)

3.1流變鑄造制造技術(shù)

這種制造技術(shù)主要對固-液兩相區(qū)的金屬體進行攪拌，產(chǎn)生粘性較低的漿液，并添加陶瓷顆粒。借助半固態(tài)觸變作用將增強相分散，避免顆粒發(fā)生沉浮現(xiàn)象，確保顆粒彌散性散布在熔體內(nèi)。可其具有攪拌流程包含的全部缺陷，只在凝固區(qū)間相對更快的金屬中適用，同樣不可遏制界面反應與顆粒不均勻散布現(xiàn)象。

3.2固液兩相區(qū)熱壓制造技術(shù)

這種制造技術(shù)具備流變性特征，能夠?qū)嵭辛髯兩a(chǎn)。半固態(tài)漿具備觸變特征，能夠把流變錠再次加溫到需要的軟化性，傳送到壓鑄機內(nèi)進行加工。因壓鑄階段澆口部位的剪切影響，能夠恢復流變作用，進而充分進行鑄型。顆粒增強體添加到攪拌的半固態(tài)漿液內(nèi)，因半固態(tài)合金內(nèi)的球形碎晶顆粒對加入粒子具有分離與捕捉的功能，不僅避免了加入顆粒的沉浮與聚集，還能夠促進加入顆粒在半固態(tài)漿液內(nèi)的均勻散布，提升了潤濕性，推動界面整合。

總結(jié)：綜上所述，金屬復合材料在許多領域中應用廣泛，對金屬基復合材料生產(chǎn)技術(shù)進行研究是當前的主要工作。盡管已經(jīng)進行了許多研究分析，可依然有許多不足，產(chǎn)業(yè)化程度還很低。所以，需加強科研力度，降低制造成本，以切實提升金屬基復合材料的質(zhì)量，并廣泛的應用在更多的領域中。

參考文獻

[1]顧軼卓；李敏；李艷霞，等.飛行器結(jié)構(gòu)用復合材料制造技術(shù)與工藝理論進展[J].航空學報.2015（08）：2774-2797.

[2]胡捷；廖文俊；丁柳柳，等.金屬材料在增材制造技術(shù)中的研究進展[J].材料導報.2014（S2）：459-462.

[3]程玉潔；果春煥；周培俊，等.金屬間化合物基層狀復合材料Ti/Al_3Ti制備技術(shù)及其研究進展[J].中國材料進展.2015（04）：317-325.

[4]張宇；王小美；葛禹錫，等.原位合成技術(shù)制備金屬基復合材料的研究進展[J].熱加工工藝.2014（24）：23-29.

[5]賀毅強.金屬及金屬基復合材料粉末成形技術(shù)的研究進展[J].熱加工工藝.2013（04）：109-112.