張效溥，于延龍，李春海，王紹昌，趙華社，譚建波

（1.河北科技大學材料科學與工程學院，河北 石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術重點實驗室，河北 石家莊 050018；3.石家莊工業(yè)泵廠有限公司，河北 石家莊 050100；4.邯鄲群山鑄造有限公司，河北 邯鄲 057350）

顆粒增強金屬基復合材料兼具了硬質(zhì)陶瓷增強相和金屬基體相的優(yōu)點，并且鐵基復合材料的制造成本較低，在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)了重要地位[1]。

相比于單一相增強金屬基復合材料，多相協(xié)同增強金屬基復合材料具有更加卓越的性能，應用前景廣闊。許多科研工作人員都成功制備出了多相協(xié)同增強復合材料，并對其組織性能進行了研究。多相纖維協(xié)同增強作用有利于提高復合材料的各種性能，CNTs-GNPs/Cu 復合材料、CNTs-Gd2O3/Cu 復合材料、GNPs-Gd2O3/Cu 復合材料以及CNTs-GNPs-Gd2O3/Cu 等復合材料均實現(xiàn)了混雜強化效應，四種復合材料的強度均高于相同條件下單一相增強的復合材料[2]。Ti 金屬-SiC 陶瓷顆粒混雜增強7075Al 復合材料，由于各種增強材料間性質(zhì)的相互補充以及產(chǎn)生的協(xié)同增強效應，且一定尺寸和含量的Ti 金屬顆粒的混合加入提高了復合材料抗拉強度，使Ti-SiC/7075Al 復合材料的強度和塑形進一步提升[3]。

1 影響增強顆粒與基體潤濕性的因素

潤濕性是一種衡量液體與另一種液體或固體之間界面吸引力的能力。它是液體材料與固體材料表面保持接觸的趨勢，受黏著力和分子間內(nèi)聚力之間的平衡控制。到目前為止，人們已經(jīng)開發(fā)和應用了各種不同潤濕條件的增強顆粒來增強金屬基復合材料。然而，這些材料的潤濕性一直是所有復合材料制造方法中具有挑戰(zhàn)性的問題。在金屬基復合材料中，增強顆粒與金屬基體之間的潤濕主要取決于以下幾個方面：

1）化學反應：化學反應會使增強顆粒和基體的結合強度下降，嚴重影響復合材料的整體性能。在幾乎所有的金屬基復合材料中，最為理想的情況為結合界面較小，元素擴散較少，增強顆粒不發(fā)生降解。

2）污染物：在一般情況下，出現(xiàn)在增強顆粒表面的氧化物通常會降低其與基體的潤濕性，因為強化顆粒很難被熔融金屬吞沒，特別是當強化顆粒從熔體的頂部加入時。因此，應在增強顆粒加入熔融金屬之前對增強顆粒進行一定的預處理，以消除增強顆粒表面氧化膜對固液界面結合區(qū)域的削弱作用。

3）表面粗糙度：表面粗糙度對潤濕性有很大影響，表面粗糙度是指加工表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。研究人員認為表面粗糙度增加了過渡金屬碳化物的潤濕角[4，5]。如果給定的增強顆粒被熔化金屬完全潤濕，其中的表面粗糙度提高潤濕性，這通常被稱為溫澤爾狀態(tài)。溫澤爾方程和卡西-巴克斯特方程預測的潤濕角與實際表面測量的潤濕角吻合良好。

4）粒子的大?。寒旑w粒尺寸減小到微尺度甚至納米尺度時，潤濕可能會變得非常困難，這是因為一方面小顆粒具有極高的表面積，因此由于顆粒間的作用力（如范德華引力）產(chǎn)生了很大的團聚傾向；另一方面金屬熔體需要更多的能量來包裹粒子。迄今為止，人們采取了不同的方法來改善基體-增強界面區(qū)域的潤濕性，主要是試圖增加粒子能量，降低表面張力和固液界面能[6-10]。

5）加熱或保溫處理：熱處理在復合材料制造中起著至關重要的作用。熱處理主要分為三大類，第一類是增強顆粒加入熔融金屬之前對其進行加熱處理，第二類是指增強顆粒加入熔融金屬后對金屬體進行保溫處理。最后是基于鑄造復合材料凝固過程的熱處理。通過保溫影響鑄造復合材料的凝固過程。

6）機械處理：在大多數(shù)陶瓷/金屬復合材料系統(tǒng)中，機械攪拌、電磁攪拌和超聲波等會用于改善增強顆粒與金屬基體的潤濕性。其中機械攪拌是一種經(jīng)濟有效、簡單有效的方法，可以獲得較好的潤濕效果。機械攪拌經(jīng)常用于改善潤濕性、脫聚增強顆粒、改善均勻分布、加速界面反應、減少孔隙和固液界面區(qū)域的氣體等[11-13]。

7）合金元素：加入Ti，Mg，Cr，Ca，Sr，Mn，Ce 等合金元素，可顯著改善鑄造金屬基復合材料的潤濕性。熔融金屬、合金元素和增強劑之間的界面反應非常復雜，例如，在SiC 增強鋁/鎂復合體系中加入Cr 可形成Cr23C6、Cr3C2、Cr7C3、CrSi、Cr5Si3C、Cr3Si 多總化合物[14]。

8）涂覆：陶瓷顆粒的涂覆可以提高固相的多種化全物總表面能。涂層分為多層涂層和單層涂層，可以作為擴散屏障以避免增強劑和基體之間的反應，也可以作為潤濕劑以促進金屬基體和增強顆粒的親和。金屬涂層通常會改變兩者結合界面的化學成分，被認為是獲得更好潤濕性的有效方法，特別是當非金屬增強體，如氧化物或其他陶瓷，加入熔融金屬基體中。有時，復合材料為達到目標性能也會采用多層涂層[15]。金屬涂層，如Cu，Ni，Ag，Co，Sn，Sb 或Cr，可以改善潤濕性，因為液體金屬通常會潤濕其他金屬。化學或物理氣相沉積、熱噴涂、膠結、化學和電解質(zhì)方法以及溶膠-凝膠技術是提高潤濕性的常用涂層技術。

9）氣體層：研究表明如果氣層覆蓋陶瓷顆粒，從而阻止熔融金屬與增強相接觸，可能是造成增強相潤濕性差以及增強相與基體親和性降低的最重要原因之一[16]。

10）溫度：溫度的變化可以顯著地改變潤濕角。在Al2O3顆粒增強鋁基復合材料中，溫度的升高可能導致陶瓷顆粒與鋁基體間潤濕角的降低，從而獲得更好的潤濕性。此外，當溫度超過900 ℃時，陶瓷顆粒的氧化膜被破壞，潤濕性急劇增加。

2 不同顆粒協(xié)同增強金屬基復合材料制備方式

不同的制備工藝對不同顆粒協(xié)同增強復合材料的影響各不相同，目前主要的制備工藝有熱壓燒結法（Hot Pressed Sintering）、原位合成法（In-situ synthesis）、鑄造法（Casting）.

2.1 熱壓燒結

熱壓燒結是在燒結過程中對粉末施加單向或多向的壓力的一種燒結方法。熱壓燒結時由于粉末處在一定的溫度和壓力下，粉末顆粒間更容易接觸、分散和流動，熱壓法容易獲得相對理論密度高、尺寸精確、氣孔率低、力學性能良好的燒結體[17]。

種祥遠[18]運用熱壓燒結工藝制備了不同粒子（SiC，TiB2，TiC，TiN）混合增強鐵基復合材料，不同類型粒子混合增強比單一類型粒子增強鐵基復合材料的抗拉強度要高；能夠顯著提高材料抗拉強度的陶瓷顆粒，其粒徑、體積混合比對復合材料抗拉強度影響顯著，粒徑分別為10 μm 和5 μm 的SiC與TiC（TiB2）混合，陶瓷SiC 顆粒最佳體積混合加入比為2：1，隨著小粒度的TiC（TiB2）占體積比的增加，材料的抗拉強度下降。莊偉彬[19]采用電流直加熱動態(tài)熱壓燒結工藝，制備了13 μm 與23 μm 混合尺寸粒子增強SiCp/Fe 復合材料，其優(yōu)良的增強作用是由于合適的混合增強顆粒尺寸，小尺寸增強顆粒填補了大尺寸顆粒之間的縫隙，提高了復合材料的相對密度，減少了復合材料的內(nèi)部缺陷，有利于載荷的傳遞，從而提高復合材料的抗拉強度。曹新建[20]研究了高體積分數(shù)（主要為30%）下，四種混合類型顆粒增強鐵基復合材料的摩擦磨損性能，結果發(fā)現(xiàn)混合顆粒協(xié)同增強的鐵基復合材料性能均優(yōu)于相對應的單一顆粒作為強化相的鐵基復合材料，符合材料混合定律。

2.2 原位合成

原位合成法是通過設計一定配比的金屬和反應劑，在合適的合成溫度下使金屬基體內(nèi)部生成彌散分布的細小陶瓷相顆粒[21]。通過原位合成制備的陶瓷顆粒直接在基體內(nèi)部原位生成，增強相和基體組織之間的結合界面潔凈，排除了外加顆粒造成的污染，良好地解決了增強相和基體之間的相容性問題，且原位合成的陶瓷顆粒具有穩(wěn)定的熱力學性能，制備得到的復合材料整體具備較好的強度和耐磨性能。但原位合成法無法精確控制陶瓷顆粒的含量，且對工藝參數(shù)的要求較高等，這嚴重制約了原位合成工藝產(chǎn)業(yè)化的進程[22]。

張登科[23]采用原位反應使W 元素置換TiC 中部分Ti 原子生成（Ti，W）C 顆粒，測試結果表明當體積分數(shù)分布相同時，（Ti，W）C/45#復合材料的硬度及耐磨性能優(yōu)于原位TiC/45#復合材料，進一步向復合材料添加Cu 元素，發(fā)現(xiàn)其主要磨損機制轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp。鮮勇[24]的研究發(fā)現(xiàn)，當VC/Fe 復合材料中Ni 含量為9%時，硬度從39HRC 增到43.7HRC；抗彎強度從1 028 MPa 增至1 926 MPa.付永紅[25]采用鑄滲-原位反應法制備顆粒/纖維混雜增強鐵基復合材料，完全反應的W 纖維原位生成較多的WC顆粒，WC 顆粒附近存在較多的細小珠光體，降低了石墨割裂的影響；不完全反應的W 纖維在基體中依靠本身的承載能力，為復合材料提供了足夠的強度。

2.3 鑄造

鑄造是將金屬熔煉成液體并澆進鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清理后得到有預定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。鑄造工藝相對簡單，生產(chǎn)中對設備的要求并不高，而且相比其他工藝方式，鑄造工藝制備復合材料的成本較低，可以用于批量生產(chǎn)復合材料。對雙相顆粒協(xié)同增強鐵基復合材料的研究主要集中在真空消失模鑄造和擠壓鑄造技術。

郭長慶[26]采用V-EPC 真空消失模鑄造制備出Ni-WC 表面合金化45 鋼基復合材料，觀察組織發(fā)現(xiàn)，在高溫鋼液的作用下，Ni-WC 分解并發(fā)生擴散，表層合金熔體增強元素較多，而基體中則富含更多的鐵。余晶[27]采用擠壓鑄造工藝制備（氧化鋁/氧化鈦）顆粒增強1065 鋼基復合材料，相較Al2O3/45 鋼復合材料其硬度提升了10.0%，三點彎曲強度提升了26.4%；斷口掃描表明，添加TiO2后復合材料界面結合良好無裂紋，說明TiO2的加入改善了復合材料的界面結合情況，提升了復合材料的力學性能。李祖來[28]采用真空實型鑄滲（V-EPC）工藝制備了（Cr，WC）協(xié)同增強鐵基表層復合材料，結果表明Cr元素的加入使復合材料的三體磨損性能明顯提高。程鳳軍[29]采用鑄造法制備了一定體積分數(shù)的原位（Nb，V）C 固溶體增強鐵基復合材料，當復合材料中（Nb，V）C 增強相體積分數(shù)為8%時獲得最佳性能，抗拉強度達到660 MPa，硬度達到30.5HRC.

2.4 其他

除上述方法外，還有粉末等離子熔敷、等離子體燒結、真空熔燒等工藝也被運用到不同顆粒協(xié)同增強鐵基復合材料的制備中。

楊愿愿[30]通過粉末等離子熔敷制備了TiC-NbC增強高鉻鎳鑄鐵基復合材料熔敷層和高鉻鎳鋼基復合材料熔敷層。TiC 分為外加和原生兩種，當TiC體積分數(shù)約為4%時，復合材料熔覆層的硬度及耐磨性能最好。TiC 體積分數(shù)高于6%時，部分TiC 顆粒出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，成形較差且出現(xiàn)了裂紋。龐雅丹[31]采用等離子體燒結制備TiC/Nb 陶瓷顆粒增強鐵基復合材料，當陶瓷顆粒添加量為16.67%時，（TiC/Nb）顆粒顯著提高了復合材料的力學性能，維氏硬度達到300 HV，彎曲強度達到400 MPa，降低了復合材料的孔隙數(shù)量，提升了致密度。斷裂方式以脆性斷裂為主。侯書增[32]以真空熔燒工藝制備了一種以NiCrBSi 為粘接劑，以表面滲碳改性的CTCP為增強顆粒局域化增強鋼基復合材料，在一定溫度范圍內(nèi)，復合材料的磨損率均小于耐熱鋼的磨損率。

3 不同顆粒協(xié)同增強金屬基復合材料組織及性能研究現(xiàn)狀

3.1 力學性能

材料的力學性能是指材料在不同環(huán)境下，受各種外加載荷時所表現(xiàn)出的力學特征。針對鐵基復合材料現(xiàn)階段在工業(yè)生產(chǎn)中的應用情況，現(xiàn)有研究中不同顆粒增強顆粒協(xié)同增強鐵基復合材料的研究內(nèi)容主要包含復合材料的硬度、塑形、彈性、抗彎強度等。

方聰[33]等采用粉末冶金方法制備了稀土Y 分散附著的WCp/鋼基復合材料，通過Y 的摻雜實現(xiàn)了WC 顆粒與鋼基體的結合，可觀察到一個很明顯的界面反應區(qū)，稀土Y 的摻雜使界面反應區(qū)的硬度從1 356 HV 下降到912 HV，但基體的硬度從127 HV提高到246 HV.同時摻雜稀土Y 使界面反應區(qū)的塑形變形量從0.42 μm上升到0.82 μm，彈性變形量從0.16 μm下降到0.11 μm.劉勝明以原位還原技術制備了Al2O3-TiC 增強鐵基復合材料[34]，增強相為Al2O3和TiC，還有少量的MgAl2O4和Fe 相，制備的Al2O3-TiC/Fe 基復合材料抗彎強度937 MPa，維氏硬度532 HV.陳敏[35]通過熱壓燒結制得了不同質(zhì)量分數(shù)TiCN 顆粒增強的鐵基復合材料，發(fā)現(xiàn)添加TiCN質(zhì)量分數(shù)為40%左右，復合材料擁有最好的性能，添加Mo 元素后，復合材料性能得到進一步提升，硬度從684 HV 提高到814 HV，抗彎強度從954 MPa提升到1 065 MPa.

3.2 摩擦磨損性能

腐蝕、磨損、斷裂是機械設備及零件的三大失效方式。每年我國因磨損造成的零件設備損耗可達數(shù)百萬噸，同時造成了巨大的經(jīng)濟損失。磨損使設備及零件失效，導致了能源和材料的浪費。因而，提升材料的摩擦磨損性能對于延長材料壽命、提高經(jīng)濟效益至關重要。

賈華[36]通過明弧堆焊技術對Q235 基體進行表面合金化，得到了由TiB2、TiN、TiC、M23（C，B）6、M3（C，B）和M2B 為增強相的鐵基復合材料。當鈦添加量為4%時，鐵基復合材料耐磨性達到最佳值，此時硬度為66HRC，磨損量為0.042 g.李小朋[37]測試了滑動速度與載荷對鈦顆粒增強Al2O3/45 鋼復合材料的摩擦因數(shù)和磨損率的影響，并與Al2O3/45 鋼、WC/45 鋼復合材料對比，在相同的滑動速度和載荷下，雙相顆?；旌蠌娀瘡秃喜牧系哪p率和摩擦因數(shù)均小于用于對比的兩種復合材料，說明兩種顆?；旌峡稍鰪姀秃喜牧系哪Σ翆W性能。

3.3 微觀組織

復合材料的微觀組織由增強體、結合界面和基體組成。復合材料界面是指復合材料的基體與增強材料之間化學成分有顯著變化的、構成彼此結合的、能傳遞載荷的微小區(qū)域，界面是復合材料極其重要的組成部分，復合材料的性能與界面性質(zhì)密切相關[38]。鐵基復合材料中主要的增強相為碳化物、氮化物、氧化物。碳化物與鐵基體的潤濕角較好，能形成結合良好的界面，氧化物與鐵基體的潤濕角較差，往往通過預處理的方式來改善其與基體的潤濕角。增強相與基體的相容性也制約著鐵基復合材料的性能，如WC 顆粒作為增強相加入到鐵基體中會發(fā)生溶解、元素擴散以及化學反應等，都會對鐵基體的成分、顯微組織及性能產(chǎn)生影響[39]。

楊森[40]運用熱爆炸合成反應（TE）和準熱等靜壓（PHIP）技術，燃燒合成TiC-Al2O3復相顆粒增強Fe基復合材料。研究表明，試樣主要組元為粗大的Al2O3顆粒和細小的TiC 顆粒，F(xiàn)e 相則相對均勻的分布在TiC 之間。張冬蘭[41]采用粉末冶金技術制備WCp/鐵基復合材料，并選擇合適的稀土元素進行摻雜，通過對界面組織和元素分布分析可知，Y 元素主要分布在碳化鎢顆粒中，界面結合效果最差，Nd、La 和Ce 元素在復合材料中分布較均勻，界面結合效果好。

4 結束語

增強顆粒與金屬基體的潤濕性是制備優(yōu)良性能金屬基復合材料的必要條件，其影響因素眾多，如何從眾多因素中挑選出有利于增加潤濕性，抑制甚至消除削弱潤濕性的影響因素，依舊是未來研究的重點方向之一。

鋼鐵基復合材料在工業(yè)生產(chǎn)制造方面有著巨大的性能優(yōu)勢，尤其是在耐磨材料領域占有不可或缺的地位。目前，不同顆粒協(xié)同增強鋼鐵基復合材料已取得一定進展，然而，現(xiàn)有的制備方式多局限于實驗室研究范疇，成本較高，并不適用于批量生產(chǎn)，未來要盡快發(fā)展適用于工業(yè)生產(chǎn)的制備方式。

另外，不同顆粒協(xié)同增強鋼鐵基復合材料的研究還處于起始階段，不同顆粒協(xié)同增強鋼鐵基復合材料接下來的研究方向應該包括但不限于：混合顆粒種類、混合顆粒比例、混合顆粒尺寸、結合面性能、組織均勻性、多種顆粒協(xié)同增強機理等。