趙鵬鵬，譚建波

(1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018)

金屬基復(fù)合材料的制備方法及發(fā)展現(xiàn)狀

趙鵬鵬1,2，譚建波1,2

(1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018)

金屬基復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，廣泛用于軍事、航天等領(lǐng)域，其研究和發(fā)展受到了各行各業(yè)，尤其是重工業(yè)產(chǎn)業(yè)的密切關(guān)注。介紹了金屬基復(fù)合材料的研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)基體類型和增強(qiáng)相形態(tài)對(duì)其進(jìn)行了分類。常見的金屬基復(fù)合材料制備方法包括粉末冶金法、鑄造凝固成型法(攪拌鑄造法和擠壓鑄造法)、噴射成型法和原位復(fù)合法，重點(diǎn)介紹了粉末冶金法和鑄造凝固成型法。指出了現(xiàn)階段金屬基復(fù)合材料發(fā)展需解決成本偏高、工藝復(fù)雜、分布不均勻、高溫下易發(fā)生界面反應(yīng)及偏聚等問題。

金屬基復(fù)合材料；基體類型；增強(qiáng)相；粉末冶金法；擠壓鑄造

近些年來，由于一些高新技術(shù)的興起，一些傳統(tǒng)材料已無法滿足多種產(chǎn)業(yè)對(duì)其比強(qiáng)度、比剛度等性能的要求。關(guān)于高性能材料的研發(fā)是現(xiàn)今新科技發(fā)展的重要方向，而復(fù)合材料的出現(xiàn)在較大程度上解決了材料所面臨的問題，促進(jìn)了材料的發(fā)展[1]。

復(fù)合材料是由2種或2種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀(微觀)上組成的具有新性能的材料[2]。由于具備較高的比強(qiáng)度和比剛度，金屬基復(fù)合材料的研究和發(fā)展受到了眾多行業(yè)尤其是重工業(yè)的密切關(guān)注，然而加工困難是限制其工業(yè)應(yīng)用的瓶頸問題[3]，成本控制問題也并沒有得到完全解決，所以更多應(yīng)用于航空航天、軍事科技等尖端科技領(lǐng)域。本文主要通過結(jié)合國內(nèi)外金屬基復(fù)合材料相關(guān)的研究狀況，介紹金屬基復(fù)合材料的分類、制備方法以及發(fā)展趨勢(shì)。

1 金屬基復(fù)合材料的研究歷史及發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀(jì)60年代，由于傳統(tǒng)金屬材料無法滿足一些國家對(duì)于高性能武器裝備以及航空技術(shù)發(fā)展的需求，因此人們開始了對(duì)新材料的研究和開發(fā)，促成了金屬基復(fù)合材料的開發(fā)與發(fā)展。20世紀(jì)70年代末，粉末冶金法制造復(fù)合材料的技術(shù)逐漸成熟，利用粉末冶金法制造出的以碳化硅顆粒為增強(qiáng)相的鋁合金的投入使用，標(biāo)志著鋁合金復(fù)合材料的制造成功和商業(yè)化，為以后復(fù)合材料進(jìn)入市場(chǎng)打下了基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代，金屬基復(fù)合材料發(fā)展迅猛，其中，非連續(xù)增強(qiáng)相復(fù)合材料逐步進(jìn)入人們的視野，并成為發(fā)展研究的重點(diǎn)。1983年，隨著日本Honda汽車公司推出新產(chǎn)品——陶瓷纖維增強(qiáng)相的鋁基復(fù)合材料局部鋁活塞[4]，極大地推動(dòng)了金屬基復(fù)合材料由軍用到民用的進(jìn)程。進(jìn)入到20世紀(jì)90年代，金屬基復(fù)合材料的產(chǎn)量已達(dá)到300萬t，并逐漸在各種軍事、航天、民用工業(yè)領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。

如今，金屬基復(fù)合材料已與無機(jī)非金屬復(fù)合材料、高分子復(fù)合材料一同成為3種重要的復(fù)合材料。其中鋁合金因較小的密度和優(yōu)異的性能，得到了廣泛應(yīng)用。

2 金屬基復(fù)合材料的分類

金屬基復(fù)合材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和某些特殊性能而備受關(guān)注，應(yīng)用范圍廣泛[5]。金屬基復(fù)合材料的分類方法通常有兩種，它既可以按照復(fù)合材料的基體合金類型進(jìn)行分類，也可按照復(fù)合材料的增強(qiáng)相類別進(jìn)行分類。

2.1 按照基體類型分類

常用的金屬基復(fù)合材料可分為黑色金屬基(如鋼、鐵)復(fù)合材料和有色金屬基(如鋁、鎂、鈦、鎳等)復(fù)合材料兩大類。

2.1.1 黑色金屬基復(fù)合材料

常見的黑色金屬基復(fù)合材料是鋼鐵基復(fù)合材料。作為最常用的功能材料，鋼鐵因其熔點(diǎn)高，比例大，比強(qiáng)度小，制造工藝?yán)щy等導(dǎo)致基于鋼鐵材料的復(fù)合材料研究并不廣泛。然而現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展迫切需要在惡劣條件下可正常工作的結(jié)構(gòu)件，因此，改進(jìn)和提高鋼鐵基體的性能具有重要價(jià)值。復(fù)合材料采用高比剛度、比強(qiáng)度的增強(qiáng)顆粒與鐵基體相結(jié)合的方法，可以降低基體材料的密度，并提高其硬度、耐磨度、彈性模量等物理性能。鋼鐵基復(fù)合材料現(xiàn)主要用于切削工具和耐磨部件等工業(yè)領(lǐng)域。

根據(jù)復(fù)合情況不同，鋼鐵基復(fù)合材料可分為表面復(fù)合材料和整體復(fù)合材料。對(duì)于整體復(fù)合材料，常見的制備方法有粉末冶金法、原位反應(yīng)復(fù)合法、外加增強(qiáng)體顆粒法；表面復(fù)合技術(shù)常見的制備方法為鑄滲法、鑄造燒結(jié)法等[6]。鋼鐵基復(fù)合材料多采用顆粒增強(qiáng)形式，其中碳化鈦、碳化鎢、碳化硅、碳化釩顆粒是最為常見的增強(qiáng)相。

2.1.2 有色金屬基復(fù)合材料

常見的有色金屬基復(fù)合材料包括鋁基、鎂基、鈦基、鎳基復(fù)合材料。

由于有色金屬具有熔點(diǎn)低、硬度小的特點(diǎn)，故有色金屬基復(fù)合材料比起黑色金屬基復(fù)合材料應(yīng)用更為廣泛。目前，在航天、航空和汽車工業(yè)等領(lǐng)域中，各種高比模量、高比強(qiáng)度的有色金屬基復(fù)合材料輕型結(jié)構(gòu)件正在被廣泛應(yīng)用。

鋁基復(fù)合材料在具有鋁合金密度小、導(dǎo)熱好等特性的同時(shí)還具有更高的強(qiáng)度和剛度，而較多的制備方法和易于進(jìn)行塑形加工的特點(diǎn)也在一定程度上降低了鋁基復(fù)合材料的制造成本。相對(duì)于鋁基復(fù)合材料，鎂基復(fù)合材料質(zhì)量更輕，故可用于航天、空間等對(duì)構(gòu)件質(zhì)量性能有嚴(yán)格要求的高技術(shù)領(lǐng)域[7-8]。而且相對(duì)于鋁基復(fù)合材料350 ℃的極限工作溫度，鈦基復(fù)合材料擁有更為優(yōu)異的耐熱性能，但由于其生產(chǎn)制備成本較高，目前還只應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。鈦基復(fù)合材料也是下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的候選材料之一。鎳基復(fù)合材料是另一種常見的有色金屬基復(fù)合材料，其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗熱疲勞、抗氧化和抗熱腐蝕性能使其在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展，成為制造艦船、航空以及工業(yè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中重要受熱部件的重要材料。有色金屬基復(fù)合材料中，常見的增強(qiáng)相有碳化硅、氧化鈰、氧化鋁等。

2.2 按照增強(qiáng)相形態(tài)分類

目前，金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)相類型已有許多種。其中，常見的增強(qiáng)相有氧化鋁纖維、硼纖維、石墨(碳)纖維、碳化硅纖維、碳化硅晶須；顆粒型的有碳化硅顆粒、碳化硼顆粒、圖化鈦顆粒等；絲狀的有鎢、鈹、硼、鋼等[9]。對(duì)以上增強(qiáng)相按照其在復(fù)合材料中的形態(tài)進(jìn)行分類，可分為連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、非連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料3種。

2.2.1 連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料就是利用金屬細(xì)線和無機(jī)纖維等增強(qiáng)金屬合成的質(zhì)量輕且強(qiáng)度高的材料，纖維直徑3～150 μm(晶須直徑小于1 μm)，縱橫比(長度/直徑)在102以上[4]。連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料相對(duì)于其他增強(qiáng)類型的復(fù)合材料，具有更為明顯的增強(qiáng)效果和各向異性。

連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于制造工藝復(fù)雜，制造成本較高，主要應(yīng)用于尖端科技領(lǐng)域。目前，已成功應(yīng)用于金屬基合金復(fù)合材料的連續(xù)長纖維有碳(石墨)纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維和不銹鋼絲等[10]。

2.2.2 非連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

由于連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的成本較高，其并不適用于較多考慮成本的普通工業(yè)生產(chǎn)。因此，生產(chǎn)成本更低，以顆粒、晶須、短纖維等為增強(qiáng)相的非連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料成為了研究的重點(diǎn)，近些年來發(fā)展較為迅速。

非連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料不僅有較高的比剛度、比強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度、高耐磨性、高蠕變抗力、低熱膨脹率等特點(diǎn)，而且還具有各向同性。因此，可通過選擇改變強(qiáng)化相的種類形態(tài)或采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行冷、熱加工來調(diào)整材料的性能，滿足設(shè)計(jì)要求。非連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的良好特性使其在許多的結(jié)構(gòu)領(lǐng)域成為傳統(tǒng)金屬材料的有力競爭對(duì)手，其在航空航天、汽車工業(yè)及民用工業(yè)中的開發(fā)應(yīng)用中受到了廣泛關(guān)注。其中，應(yīng)用最為廣泛的為顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，常見的顆粒增強(qiáng)相包括碳化硅、碳化鈦、氧化鋁、碳化鎢、氮化硼、碳顆粒等[11]。

2.2.3 混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

對(duì)單一增強(qiáng)形式來進(jìn)行組合形成的復(fù)合材料稱為混雜增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。根據(jù)參與組合的不同增強(qiáng)體進(jìn)行分類，通?？煞譃轭w粒-短纖維(或晶須)、連續(xù)纖維-顆粒、連續(xù)纖維-連續(xù)纖維3種。相對(duì)于其他單一增強(qiáng)的復(fù)合材料，混雜增強(qiáng)相可以在一定程度上提高材料的強(qiáng)度，改善材料的力學(xué)性能。例如：在短纖維或者晶須預(yù)制件中混入顆?？梢越鉀Q其增強(qiáng)相的黏結(jié)、團(tuán)聚現(xiàn)象，提高材料性能。

除以上幾種常見的增強(qiáng)體外，越來越多的材料作為增強(qiáng)相來制備金屬基復(fù)合材料，包括石墨烯、碳納米管這些納米級(jí)別的高新材料，其中石墨烯金屬基復(fù)合材料取得突破性進(jìn)展，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 金屬基復(fù)合材料的制備方法

近年來，研究者們通過研究金屬基體與增強(qiáng)體之間界面反應(yīng)的規(guī)律、控制界面反應(yīng)的方法等開發(fā)出了多種有效制備金屬基復(fù)合材料的方法，大大推動(dòng)金屬基復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用[12]。目前，金屬基復(fù)合材料的制備方法根據(jù)增強(qiáng)相產(chǎn)生的方式不同可分為第二相外加法、原位復(fù)合法兩類。

3.1 第二相外加法

第二相外加法就是將增強(qiáng)相加入到基體內(nèi)來制備復(fù)合材料的方法，應(yīng)用廣泛。常見的第二相外加法包括粉末冶金法、鑄造凝固成型法和噴射成型法。

3.1.1 粉末冶金法

粉末冶金法制備復(fù)合材料是指將金屬基體與增強(qiáng)體粉末混合均勻后壓制成型，在低于金屬液相線溫度下進(jìn)行燒結(jié)，利用原子擴(kuò)散使金屬基體與增強(qiáng)體粉末結(jié)合在一起的制備復(fù)合材料的方法[13]。

粉末冶金法制備復(fù)合材料一般包括篩選粉末，基體粉末與增強(qiáng)顆?；旌?、粉末預(yù)壓、熱壓、二次加工4個(gè)步驟[14]。粉末冶金法常見的二次加工方法有擠壓，軋制等，二次加工可實(shí)現(xiàn)對(duì)制件的致密化處理并達(dá)到最終成型的目的。

作為最早開發(fā)用于制備金屬基復(fù)合材料的方法，粉末冶金法的優(yōu)點(diǎn)在于：可以自由選擇基體金屬成分和強(qiáng)化顆粒的種類、尺寸；復(fù)合溫度低，基體金屬不易與強(qiáng)化顆粒進(jìn)行反應(yīng)，充分發(fā)揮各原料特性；顆粒強(qiáng)化均勻，強(qiáng)化顆粒添加范圍大，還可實(shí)現(xiàn)多種顆粒共同強(qiáng)化[15]。但由于金屬基體與增強(qiáng)顆粒在形狀、尺寸、性能方面存在較大差異，因此，利用粉末冶金法制備的復(fù)合材料在基體與顆粒的結(jié)合強(qiáng)度方面并不如鑄造復(fù)合材料。此外，如何降低工藝難度與成本，解決微細(xì)強(qiáng)化顆粒均勻化困難等問題也是粉末冶金法今后發(fā)展研究的重點(diǎn)。

隨著粉末冶金的發(fā)展，利用此方法制備金屬基復(fù)合材料逐漸成為一種成熟技術(shù)，其原料選擇范圍廣，增強(qiáng)顆粒添加量范圍大的特點(diǎn)更有利于制備出不同金屬基體或不同增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的金屬基復(fù)合材料，因而受到廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前在所有生產(chǎn)金屬基復(fù)合材料的公司中，29%采用了粉末冶金工藝；而應(yīng)用于航空航天及國防建設(shè)領(lǐng)域的金屬基復(fù)合材料，57%都是采用粉末冶金法制備的；汽車制造及微電子領(lǐng)域采用粉末冶金法制造的復(fù)合材料分別占總數(shù)的31%及43%[16]。目前，國內(nèi)外學(xué)者研究較多的主要集中在鐵基、銅基、鋁基和鎂基等復(fù)合材料。其中，鋁基復(fù)合材料由于其良好的力學(xué)性能，較低的密度以及優(yōu)良的導(dǎo)熱性和可塑性，而得到更廣泛的使用及研究，制造技術(shù)相較于其他金屬基復(fù)合材料也更加成熟。美國的DWA Aluminum Composite公司、Alyn公司和英國的Aerospace Metal Composites公司是3家最早利用粉末冶金法制造顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的廠家，目前都已具備了大規(guī)模的生產(chǎn)能力及豐富的產(chǎn)品線。其中DWA Aluminum Composite公司主要生產(chǎn)碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料，其旗下產(chǎn)品2009/SiC/15p-T42復(fù)合材料成功取代鈦合金，應(yīng)用于Eurocopter生產(chǎn)的直升機(jī)旋翼系統(tǒng)關(guān)鍵部件上[17]，彈性模量相對(duì)于傳統(tǒng)配件提高了40%。

3.1.2 鑄造凝固成型法

鑄造凝固成型法是將基體金屬加熱到熔融狀態(tài)，再使其與增強(qiáng)相進(jìn)行復(fù)合從而得到金屬基復(fù)合材料的方法。利用鑄造凝固成型法制備金屬基復(fù)合材料，所需成本低，工藝過程簡單易于控制，得到的制件質(zhì)量好，應(yīng)用較為廣泛。常用的方法有攪拌鑄造法和擠壓鑄造法。

攪拌鑄造法是一種常見的制備金屬基復(fù)合材料方法，它通過機(jī)械攪拌的方法使處于熔融狀態(tài)的金屬基體與增強(qiáng)相混合，來制取復(fù)合材料。根據(jù)攪拌溫度進(jìn)行分類，攪拌鑄造又分為全液態(tài)攪拌鑄造和半固態(tài)攪拌鑄造兩種[18]。

全液態(tài)攪拌鑄造將金屬基體加熱至液相線溫度以上進(jìn)行機(jī)械攪拌，使金屬液的表面產(chǎn)生漩渦，增強(qiáng)相受到漩渦抽吸作用而進(jìn)入金屬液中，所以又被稱為漩渦法。1971年，BADIA等采用全液態(tài)攪拌法制備了石墨顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)過程：對(duì)液態(tài)鋁合金進(jìn)行機(jī)械攪拌使其表面產(chǎn)生漩渦，將定量的石墨顆粒快速加入到漩渦中，繼續(xù)攪拌1 min，使石墨顆粒盡可能均勻分散后降低攪拌速度，將金屬液倒入預(yù)制模具中，制得復(fù)合材料[19]。這是全液態(tài)攪拌鑄造首次被成功用于制造金屬基復(fù)合材料，此后，許多研究者對(duì)這項(xiàng)工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，制備出多種復(fù)合材料。

半固態(tài)攪拌鑄造是將金屬加熱至固液相溫度之間加入增強(qiáng)相進(jìn)行攪拌，制取復(fù)合材料的方法。它利用了一些金屬或合金半固態(tài)熔體的觸變性(半固態(tài)熔體在高剪應(yīng)力作用下黏度降低)，方便進(jìn)行攪拌；同時(shí)半固態(tài)熔體中的固相部分可阻礙增強(qiáng)相的上浮、下沉，相對(duì)于全液態(tài)攪拌法，增強(qiáng)相分布更為均勻。半固態(tài)熔體觸變性于20世紀(jì)70年代初被麻省理工學(xué)院的研究FLEMINGS等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)合金固相分?jǐn)?shù)超過0.5的熔體進(jìn)行機(jī)械攪拌時(shí)，表現(xiàn)出如金屬液一般的低黏度特性[20]。利用這一理論，1974年MEHRABIAN等[21]制備了以Al-2Si-2Fe合金為基體，SiC顆粒為增強(qiáng)相的復(fù)合材料，這也是首次成功地利用半固態(tài)攪拌鑄造制備金屬及復(fù)合材料。2001年，中國學(xué)者張鵬等[22]利用半固態(tài)電磁攪拌，成功制備出石墨顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。

攪拌鑄造法由于較低的成本和簡單的工藝流程而受到了廣泛關(guān)注，其設(shè)備投入少，制件進(jìn)行二次加工來作為超塑性變形[23]的預(yù)處理工藝，可進(jìn)一步提高其性能。攪拌鑄造法可用于生產(chǎn)大體積制件，便于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，不論是在高端科技的航空航天領(lǐng)域，還是在汽車、機(jī)械工業(yè)等民用領(lǐng)域，都有大量的應(yīng)用實(shí)例。但攪拌鑄造法的缺點(diǎn)在于，增強(qiáng)顆粒和部分金屬基體制件存在潤濕困難或者不潤濕的現(xiàn)象，顆粒加入和分散困難；氣體伴隨顆粒卷入金屬液或熔體中，機(jī)械攪拌作用產(chǎn)生的負(fù)壓加劇了這一現(xiàn)象，而由于顆粒的加入使金屬液黏度增大，造成氣體溢出困難，制件表面產(chǎn)生氣孔。譚彥顯等[24]研究了不同工藝條件下的鎂基復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)，并對(duì)其氣孔率進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鑄件氣孔率與攪拌溫度和增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)成正比，且一般增強(qiáng)相的加入量不得超過總體積的20%。另外，對(duì)攪拌鑄造得到的鑄件進(jìn)行擠壓也可減小氣孔率，使其組織更加均勻。

擠壓鑄造是一種利用高壓作用，使液態(tài)金屬或半固態(tài)金屬充型凝固的精確鑄造方法[25]。蘇聯(lián)科學(xué)家在1937年發(fā)明擠壓鑄造，當(dāng)時(shí)稱為“液態(tài)金屬模壓”，故又名液態(tài)模鍛技術(shù)。利用液態(tài)模鍛來制備金屬基復(fù)合材料，就是將增強(qiáng)相預(yù)成型、加熱后澆入金屬液或熔體，將模具壓下后加壓，冷卻得到金屬基復(fù)合材料制件。相對(duì)于攪拌鑄造，擠壓鑄造法的優(yōu)勢(shì)在于：對(duì)金屬基體和增強(qiáng)相的相互潤濕性要求低且相互之間不易反應(yīng)；高壓凝固減少了氣孔的產(chǎn)生，鑄件缺陷少；鑄件成型精確，有些甚至可以一次成型，直接用來做零部件。但擠壓鑄造法制備復(fù)合材料對(duì)增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)要求較高，研究表明：當(dāng)復(fù)合材料中增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)在20%左右時(shí)，制件性能最佳，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)超過30%時(shí)，制件塑形大幅下降。此外，由于工藝本身的限制，擠壓鑄造制備復(fù)合材料并不適用于制造大型鑄件。因此，開發(fā)低體積含量的細(xì)小顆粒(低于5 μm)增強(qiáng)小型金屬基復(fù)合材料鑄件對(duì)于此工藝具有重要意義。

3.1.3 噴射成型法

噴射成型法是一種新型的金屬成型工藝，利用金屬快速凝固技術(shù)，將熔融金屬霧化噴射，沉積后直接得到金屬坯件，又稱為噴射沉積。噴射成型法在20世紀(jì)80年代被引入制備復(fù)合材料，由于其普遍的適應(yīng)性而得到快速發(fā)展[26]。利用噴射成型技術(shù)制備金屬基復(fù)合材料，是利用稀有氣體將熔融金屬霧化進(jìn)行噴射，與另一端由稀有氣體輸送的增強(qiáng)相混合，在水冷襯底平臺(tái)沉積，形成復(fù)合材料制件。根據(jù)增強(qiáng)相的產(chǎn)生方式進(jìn)行分類，噴射沉積法可分為添加噴射沉積法和反應(yīng)噴射沉積法兩種[27]。添加法一般利用陶瓷顆粒作為增強(qiáng)體來制取復(fù)合材料，而反應(yīng)法中的增強(qiáng)顆粒是利用一定的化學(xué)反應(yīng)使其在金屬或合金基體內(nèi)原位生成，LAWLY等采用含氧量為10%，含氮量為90%左右的混合氣體，將Fe-Al[ω(Al)=2%]熔霧合金霧化，使其生成Al獲得非常細(xì)小的Al2O3彌散強(qiáng)化鐵基復(fù)合材料的預(yù)成型體。

噴射成型制備復(fù)合材料的凝固過程受金屬熔體霧化情況和沉積凝固條件影響較大，凝固過程時(shí)間短會(huì)造成復(fù)合困難甚至不能復(fù)合的現(xiàn)象，凝固時(shí)間長則易導(dǎo)致增強(qiáng)體的分布不均，因此，此工藝具有不易控制凝固過程的缺點(diǎn)。此外，霧化的金屬熔體和細(xì)小增強(qiáng)顆粒容易在稀有氣體氣流的作用下沉積在效應(yīng)器壁上而造成損失，還有較高的氣孔率和容易出現(xiàn)縮松現(xiàn)象也是噴射沉積法制備復(fù)合材料工藝上的缺點(diǎn)。而這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于快速的復(fù)合工藝以及可抑制晶粒粗大和金屬大范圍偏析現(xiàn)象，在凝固條件控制得當(dāng)?shù)那闆r下還可保證增強(qiáng)相分布的均勻性[28]。

作為一種新型高效的快速凝固成型工藝，噴射成型法已被成功應(yīng)用于鐵基、銅基、鈦基和鋁基等顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，應(yīng)用的增強(qiáng)顆粒主要是氧化鋁、碳化硅等[29]。

3.2 原位復(fù)合法

原位復(fù)合法也稱反應(yīng)合成技術(shù)，是一種制備金屬基復(fù)合材料的新型方法[30]。不同于一些傳統(tǒng)制備復(fù)合材料工藝，原位復(fù)合法并不需要外加增強(qiáng)相，而是利用一些特殊反應(yīng)使增強(qiáng)相在金屬基體中自己生成，從而避免了增強(qiáng)相在復(fù)合材料中的偏聚現(xiàn)象。在原位復(fù)合法制備復(fù)合材料的過程中，增強(qiáng)相可以共晶形式凝固析出，得到的復(fù)合材料稱為定向凝固共晶復(fù)合材料；也可通過金屬基體、合金熔體中相應(yīng)元素和加入的元素進(jìn)行反應(yīng)得到，稱為反應(yīng)自生成復(fù)合材料。由于增強(qiáng)相的形核和長大都是在基體內(nèi)完成的，因此增強(qiáng)相與基體之間不存在物理、化學(xué)性質(zhì)不相容的現(xiàn)象，相互之間潤濕效果好，結(jié)合強(qiáng)度高，不需要對(duì)增強(qiáng)相進(jìn)行預(yù)處理，保證了它的純凈度。

原位復(fù)合法制備復(fù)合材料在1989年由KOCZAK提出，最早出現(xiàn)在前蘇聯(lián)科學(xué)家MERZHANOV利用SHS法合成TiB2/Cu功能梯度材料的實(shí)驗(yàn)中，其利用的工藝是自蔓高溫合成法[31]。原位復(fù)合法還被用于制備微米級(jí)的復(fù)合釬料中。其主要通過在釬料中加入增強(qiáng)體和合金中的一些元素，或者利用母材在焊接時(shí)溶解進(jìn)入釬料中的某些元素發(fā)生反應(yīng)，形成微米級(jí)顆粒增強(qiáng)的復(fù)合釬料[32]。

盡管對(duì)于原位復(fù)合法的研究歷史較短，但由于其生產(chǎn)工藝簡單、成本低、生產(chǎn)的制件質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛關(guān)注。隨著不斷深入研究的工藝和設(shè)備，相信在不久的將來，原位復(fù)合法必然會(huì)得到更大的發(fā)展，在復(fù)合材料制備工藝的改進(jìn)方面發(fā)揮極其重要的作用。

目前，越來越多的金屬基復(fù)合材料的制備方法正在被研發(fā)出來。除了文中提到的幾種常見的方法外，還包括含浸凝固法、熱浸鍍與反向凝固法、疊層復(fù)合法等多種復(fù)合方法，但由于其技術(shù)以及成本的限制，還并沒有被廣泛應(yīng)用。隨著進(jìn)一步的研究，相信更多的復(fù)合材料制備方法將問世，必將促進(jìn)金屬基復(fù)合材料的普及和發(fā)展。

4 金屬基復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)

從20世紀(jì)60年代至今，金屬基復(fù)合材料已經(jīng)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，不管是在制備還是應(yīng)用方面都有了較成熟的技術(shù)，尤其是在航空航天、武器裝備等尖端產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)下，其制備成型工藝有了很大進(jìn)步。但對(duì)于普通民用工業(yè)，金屬基復(fù)合材料的研究發(fā)展還相對(duì)緩慢，應(yīng)用也不是很廣泛，所以若要真正推廣金屬基復(fù)合材料，需要解決以下幾個(gè)問題。

1)相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬或合金材料，金屬基復(fù)合材料的制造成本偏高且工藝比較復(fù)雜。對(duì)于民用工業(yè)企業(yè)來說，高昂的生產(chǎn)研發(fā)成本是制約金屬基復(fù)合材料進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用生產(chǎn)的最大問題。因此，若要使其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?，就需要進(jìn)一步研究制備方法，開發(fā)新型的制備工藝，以此降低成本，增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在材料市場(chǎng)上的競爭力。

2)增強(qiáng)相與金屬或合金基體的結(jié)合情況及增強(qiáng)相的分布狀況是決定金屬基復(fù)合材料性能的重要條件。由于多數(shù)的基體和增強(qiáng)相之間的相互潤濕性存在問題，甚至出現(xiàn)不潤濕的現(xiàn)象，因此造成增強(qiáng)相與基體的結(jié)合強(qiáng)度差和在基體內(nèi)的分布不均勻的現(xiàn)象，給復(fù)合材料的制備造成了困難。通過研究發(fā)現(xiàn)，提高制備復(fù)合材料時(shí)金屬或合金熔體的溫度和向基體內(nèi)添加特定的合金元素都可以得到更好的潤濕效果，但這些方法會(huì)進(jìn)一步增加制備復(fù)合材料的工藝步驟，有些甚至?xí)奚萍旧淼男阅埽貌粌斒?。因此，如何在低成本的基礎(chǔ)上解決增強(qiáng)相和金屬基體之間的潤濕問題是金屬基復(fù)合材料發(fā)展的關(guān)鍵。

3)高溫下制備金屬基復(fù)合材料會(huì)使得金屬基體和增強(qiáng)相之間發(fā)生不同程度的界面反應(yīng)。一般來說，輕微的界面反應(yīng)對(duì)于整個(gè)工藝是有利的，雖然產(chǎn)生界面的脆性相會(huì)損傷增強(qiáng)體，改變基體成分，但不會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p傷。一旦界面反應(yīng)顯著生成脆性層，就會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷增強(qiáng)相和基體，造成制件性能嚴(yán)重下降，甚至低于金屬或合金基體本身的性能。因此，控制整個(gè)工藝過程溫度在合理的范圍內(nèi)，減少基體與增強(qiáng)相之間的界面反應(yīng)對(duì)于制備復(fù)合材料具有極其重要的意義。

4)在制備金屬基復(fù)合材料過程中，增強(qiáng)體在基體中偏聚是研究者遇到的難題之一。如何使其分布均勻也同樣決定著復(fù)合材料的性能。在研究中試圖通過離心鑄造、加強(qiáng)攪拌、配制中間合金、原位復(fù)合等手段解決該問題。因此，如何使增強(qiáng)體分布均勻始終是眾多學(xué)者研究的對(duì)象。

此外，金屬基復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展離不開新材料的應(yīng)用。近幾年，石墨烯，碳納米管金屬基復(fù)合材料的快速發(fā)展，說明了相對(duì)于顆粒增強(qiáng)相更小的粒子增強(qiáng)相的發(fā)展擁有著巨大的潛力，若通過一些途徑進(jìn)行改性處理來提高其與金屬基體的結(jié)合性能，這類復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用前景將非常廣闊。

5 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的單一金屬、陶瓷、高分子等工程材料相比，金屬基復(fù)合材料除了具有優(yōu)異的力學(xué)性能外，更具有某些特殊性能和良好的綜合性能，并且應(yīng)用范圍也越來越廣泛。經(jīng)過50多年的發(fā)展，隨著越來越多金屬基復(fù)合材料的制備工藝和增強(qiáng)相的開發(fā)，金屬基復(fù)合材料基本擺脫了初期因價(jià)格昂貴而只能應(yīng)用于高端產(chǎn)業(yè)的困境，越來越多地應(yīng)用于機(jī)械、汽車、建材等民用工業(yè)，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景和極強(qiáng)的競爭力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，作為高性能材料中的一支新生力量，金屬基復(fù)合材料的理論基礎(chǔ)和制備技術(shù)將會(huì)有更大的突破，在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。

/References:

[1] 胥鍇，劉政，劉萍．金屬基復(fù)合材料的發(fā)展及其應(yīng)用[J]．南方金屬，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] 陳日，劉江文，郭鐘寧．磨粒輔助電火花加工金屬基復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)研究[J]．河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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] 蔡艷芝，殷小瑋，尹洪峰，等．碳纖維增強(qiáng)復(fù)合剎車材料的基體改性[J]．兵器材料科學(xué)與工程，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] 付艷艷，嚴(yán)秀平．金屬-有機(jī)骨架復(fù)合材料[J]．化學(xué)進(jìn)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] 陳素玲，孫學(xué)杰．金屬基復(fù)合材料的分類及制造技術(shù)研究進(jìn)展[J]．電焊機(jī)，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] 馮可芹，楊屹，王一三，等．鐵基復(fù)合材料的制備技術(shù)與展望[J]．機(jī)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，F(xiàn)ERRARIS 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] 幸華超，樊文欣．金屬橡膠材料的研究綜述[J]．汽車零部件，2013(11)：79-80． XING Huachao，F(xiàn)AN Wenxin．Summarize study on metal rubber material[J]．Automobile Parts，2013(11)：79-80．

[10]王濤，趙宇新，付書紅，等．連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研制進(jìn)展及關(guān)鍵問題[J]．航空材料學(xué)報(bào)，2013，33(2)：87-96． WANG Tao，ZHAO Yuxin，F(xiàn)U 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]張曉玲，胡奈賽, 何家文, 等．非連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料研究進(jìn)展[J]．鑄造，1997(10)：37-40．

[12]劉建華，沈勝利．顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備工藝的綜述[J]．熱加工工藝，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]張發(fā)云，閆洪，周天瑞，等．金屬基復(fù)合材料制備工藝的研究進(jìn)展[J]．鍛壓技術(shù)，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]劉彥強(qiáng)，樊建中，桑吉梅，等．粉末冶金法制備金屬基復(fù)合材料的研究及應(yīng)用[J]．材料導(dǎo)報(bào)，2010，24(12)：18-23． LIU Yanqiang，F(xiàn)AN Jianzhong，SANG Jimei,et al．Development of metal matrix composites by powder-metallurgy processing[J]．Materials Review，2010，24(12)：18-23．

[15]吳玉城．金屬基復(fù)合材料典型制備方法分析[J]．中國科技博覽，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]謝國宏．?dāng)嚢梃T造法制造顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究與發(fā)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]劉振剛，田振明，姚廣春，等．鑄造法制備石墨顆粒增強(qiáng)鋁基自潤滑復(fù)合材料的發(fā)展[J]．鑄造，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]陳秋玲，孫艷．顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究[J]．中國資源綜合利用，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]張鵬，杜云慧，曾大本，等．鋁-7石墨復(fù)合材料的半固態(tài)加工[J].特種鑄造及有色合金，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]譚彥顯，周勁暉，蔡葉．SiCp/Mg(AZ81)鎂基復(fù)合材料制備工藝的優(yōu)化[J]．熱加工工藝，1998(4)：22-24．

[25]邵龍．?dāng)D壓鑄造凝固過程的數(shù)值模擬技術(shù)研究[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2012． SHAO Long．Numerical Simulation Technology of Squeeze Casting Solidification Process [D]．Wuhan：Wuhan University of Technology，2012.

[26]司朝潤，張賢杰，王俊彪．噴射成形顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料研究進(jìn)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．淺談金屬多孔材料的制備方法與應(yīng)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]吳瑞瑞，王榮峰，趙紅樂．復(fù)合材料原位合成技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J]．鑄造，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]趙一璇，于靜泊，杜正勇，等．復(fù)合釬料的研究進(jìn)展[J]．河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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；責(zé)任編輯：陳書欣

河北省自然科學(xué)基金(E2014208087)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(ZD2015003)；河北省引進(jìn)留學(xué)人員資助項(xiàng)目(C201400515)

趙鵬鵬 (1992—)，男，河北正定人，碩士研究生，主要從事精確成型及凝固過程控制方面的研究。

譚建波教授。E-mail：tanjian1998@163.com

TG146.4

A

10.7535/hbgykj.2017yx03011

趙鵬鵬，譚建波.金屬基復(fù)合材料的制備方法及發(fā)展現(xiàn)狀[J].河北工業(yè)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.