東北大學
課程**
**題目: 顆粒增強鋁基複合材料的
製備方法及其存在的問題
課程名稱:冶金新方法與新材料製備
任課教師: 吳林麗
學院: 材料與冶金學院
班級：冶金0903班
學號: 20091370
姓名: 趙志強
顆粒增強鋁基複合材料的製備方法及其存在的問題
趙志強（東北大學材料與冶金學院）
摘要：綜述了顆粒增強鋁基複合材料的研究現狀 ，鋁基複合材料的製備方法 ，及其存在的問題。
關鍵詞：顆粒；鋁基複合材料；製備方法；問題
particles reinforced aluminum composite materials, the preparation methods and existing problems
zhao zhiqiang
（northeastern university college of material and metallurgy）
abstract: the review of particles reinforced aluminum matrix composites, the research development of aluminum composite material preparation methods, and its existing problems.
key words: particle；aluminum composite materials ；preparation methods；the problem of existence
顆粒增強鋁基複合材料(pramcs)是 21 世紀最有發展前途的先進材料之一，以其高比強度、高比剛度 、高比模量 、低密度及良好的高溫效能 、更耐疲勞和更耐磨 ，阻尼效能好 ，熱膨脹係數低 、導電性能良好等優良的綜合力學效能和使用效能。 其中瀰散增強的鋁基複合材料 ，不僅各向同性特徵突出 ，而且可加工性強、**低廉以及無高分子複合材料常見的老化 、高溫蠕變現象和在高真空條件下不釋放小分子的特點 ， 這克服了樹脂基複合材料在航空領域中使用時存在的缺陷 ，更是受到複合材料工作者的廣泛關注 。在航空航天 、先進**系統 、汽車 、電子封裝及體育器材等領域都顯示出廣闊的應用前景 ，因此，顆粒增強鋁基複合材料已成為鋁基複合材料研究領域中最重要、最常用的材料之一 。
增強機理
pramcs 是以純鋁或鋁合金為基體， 復合新增一定的顆粒增強相而成的 。pramcs 的強化機理沿用的是瀰散強化型合金的理論 ，並且多從位錯運動的角度進行分析。在外加剪應力的作用下，當基體金屬中的位錯受力達到臨界應力時發生運動 ，即基體金屬發生塑性變形。
如果位錯運動受到質點(增強顆粒)的阻礙，就會產生位錯塞積，從而使質點受到乙個較大的應力。塞積位錯越多，該力就越大。根據文獻可知顆粒的直徑間距以及體積分數之間必須滿足下式關係否則顆粒將無強化作用。
式中: 為顆粒之間的間距; 為顆粒的直徑; 為顆粒體積分數
製備及成形工藝
1 攪拌製備法
攪拌法又稱為漩渦法 ，其基本原理是將顆粒增強物直接加入到熔融的鋁合金熔體中 ，通過一定方式的攪拌 ，使顆粒分散在鋁合金熔體中 ，最後復合成pramcs 熔體 。按照增強顆粒與鋁液混合攪拌方式 ，其可分為機械攪拌法 、高能超聲復合法和電磁攪拌法等 。其中機械攪拌法對裝置要求低 、工藝簡單，對顆粒種類和尺寸適應範圍廣 ，並且幾乎可以採用所有的鑄造方法成形，吳召玲等[1]採用該法製備的 sicp/a356 複合材料通過差壓鑄造技術，製備了鐵道車輛用制動盤 。
但是，由於機械攪拌過程中易捲入氣體產生鑄造缺陷，朱瑞傑等[2]在真空條件下，利用電磁攪拌技術與機械攪拌技術復合法製備了含量為10%的 -al2o3 鋁基複合材料，結果表明該復合攪拌方法解決了採用單一械攪拌法製備複合材料易出現增強體分布不均和卷氣現象的問題。韓飛等[3]採用機械攪拌法經過後續液態模鍛成形工藝，製備 5%sicp /zl102 複合材料sicp分布均勻、組織緻密、無鑄造缺陷。
2 粉末冶金法(pm)
pm 法是製備高熔點難成型材料的傳統工藝。其工藝過程是將固體增強顆粒和鋁基粉末用機械手段均勻混合， 經過冷壓、除氣處理，然後加熱到固液兩相區進行真空熱壓製成複合材料錠，再經過擠壓、軋制 、鑄造等加工製成所需的型材和零件。 用 pm 法制得的產品具有介面反應少，增強相的含量可以根據需要進行調節且增強相分布均勻，效能穩定可進行傳統機械加工等優點 。
但該方法工藝複雜，成本較高 ，製品形狀和尺寸受到限制 ，不利於大規模推廣應用 。美國 arco 公司 、英國 bp 公司用此法在碳化矽顆粒增強鋁基複合材料方面取得了顯著的成果[5]
在 pm 法基礎上開發的機械合金化法實質上也是一種 pm 工藝 ，只是它在條件控制 、工藝等方面比 pm 法要求更高 。桑吉梅等人[4]用機械合金化法成功製備了 b4c/al 複合材料其屈服強度和抗拉強度比常規 pm 法製備的 b4c/al 複合材料分別提高 69%和 70%。該工藝成功地解決了顆粒分布均勻性和介面結合問題，可製備高效能、 高質量的複合材料。
3 擠壓鑄造法
擠壓鑄造由於複合材料在高壓下結晶凝固，既改善了金屬熔體和增強顆粒的浸潤性，又消除了疏鬆、氣孔等缺陷 ，大幅度提高了複合材料的強度和塑性，因此，擠壓鑄造法製備的鋁基複合材料質量較好。李桂榮等用 al2zrocl2 組元通過熔體直接反應法原位合成了 al3zr 和 al2o3 增強鋁基複合材料 ，在720 時進行常規澆注和擠壓成形實驗。結果表明擠壓試晶粒細小 ，沒有明顯的縮孔疏鬆等缺陷， 有利於提高複合材料的綜合力學效能和耐磨性。
冷金鳳等選用sic顆粒和鱗片狀石墨作為增強體， 採用擠壓鑄造法製備sicp gr/2024al 複合材料， 在保證材料力學效能的前提下改善了材料的加工效能結果表明 ，複合材料組織緻密 ，石墨和sic顆粒在基體中均勻分布；鑄態組織中sic和石墨顆粒與基體al 合金都未發現介面反應物。
4 壓力鑄造法
pramcs 加工性較差，因此成型問題(特別是近凈成型)成為其能否廣泛應用的關鍵 。壓力鑄造是一種比較先進且應用廣泛的近終成形工藝，壓鑄件的形狀可以非常複雜，如能用壓鑄工藝生產 pramcs的零部件。則可有效的擴大鋁基複合材料的應用範圍。
同時推動鋁基複合材料成形技術的發展。但是，由於 pramcs重熔後,一般產生顆粒的下沉現象，所以全液態下壓鑄 pramcs 比較困難。方妍妍等先用機械攪拌的方法將sic與鋁合金熔體混合，複合材料熔體通過中間包進入結晶器後，旋轉磁體產生的強大的電磁場對材料施加了強烈的攪拌，冷卻凝固後得到複合材料的非樹枝晶坯料。
通過上述方法製備出不同百分含量 sic 的複合材料非樹枝晶坯料，然後用中頻感應加熱裝置對坯料進行二次加熱後進行半固態壓鑄得到複合材料的壓鑄件，效果較好。
5 噴射沉積法
現行的噴射成形 pramcs 製備技術 ，它的製備過程溫度低 、介面反應少、晶粒細、偏析程度低 。大多是在噴射沉積成形過程中將一定量的增強相顆粒噴人霧化錐中，與金屬熔滴強制混合後在沉積器上共沉積以獲得複合材料坯件。這類方法的最大缺點是增強顆粒利用率低，材料製備成本高 。
孫友平等採用多層噴射沉積法製備的 sicp /7090al 複合材料粉末及其錠坯 ，研究了熱擠壓工藝對 sic 增強顆粒分布均勻性的影響 。實驗結果表明 ：多層噴射沉積技術可以實現增強顆粒與合金霧化液滴在空中捕獲粘結 ，實現基體與增強顆粒之間良好的冶金結合；再採用熱擠壓工藝使複合材料緻密化， 通過基體發生強烈塑性變形帶動增強顆粒發生再分布，從而改善增強顆粒在材料中的微觀均勻性，改善或消除微區域內增強體顆粒的偏聚。
該技術有效地解決了顆粒在基體中分布不勻和利用率較低的難題，應用該技術已成功地製備出了tic/al-20si-5fe 複合材料。
6 熔體直接反應法
熔體直接反應法是將含有增強顆粒形成元素的固體顆粒或粉末在某一溫度加到熔融鋁合金表面，然後攪拌使反應充分進行，從而製備內生增強的複合材料。陳子勇等用該工藝使用 tio2粉劑與純鋁熔體反應，生成 al3ti 顆粒，然後採用攪拌鑄造法制得了 al/al3ti 複合材料 。生成的al3ti 顆粒尺寸細小， 為 2 3 m 而且分布均勻，與基體結合好。
該工藝具有增強體大小和分布易於控制，可同時獲得高強度 、高韌性的材料，工藝簡單 、工期短、複合材料成本低 、易於推廣等特點。
國內顆粒增強鋁基複合材料的發展現狀
國內從上世紀80年代中期開始研究顆粒增強鋁基複合材料，在國家「863」計畫的支援下，經過多年來各有關單位的共同努力，使我國顆粒增強鋁基複合材料的研究水平有了很大的提高。在材料的組織效能，複合材料介面等方面的研究已經接近國外的先進水平。在材料製備技術方面已基本掌握了粉末冶金、攪拌鑄造、壓力鑄造等等多種主要的製備方法。
結語pramcs 的研究在許多方面都取得了一定的突破， 使得其在很多重要領域都得到了應用。但與此同時也存在著諸多問題 ，例如工藝不穩定、成本高 、商品化程序慢等。為了使 pramcs 能更好地滿足需求，其研究發展應注重的幾個方面：
①為加強對增強顆粒與基體介面的研究，改善介面的浸潤性、 控制介面反應以獲得較高的介面結合強度，提高 pramcs 效能的穩定性 ，增強其可靠性；② 開展 pramcs 的機械加工及連線技術的研究， 以滿足不同的實際需要 ；③加強有關功能型pramcs 的研究， 使其全面發展而不僅僅侷限在結構型材料領域 ；④21 世紀要建設資源節約型和環境友好型社會， 因此在研發 pramcs 的同時要發展再生迴圈利用技術 ，從而在節約資源的同時防止其對環境造成汙染；⑤ 在保證材料效能的前提下 ，最大限度地降低成本擴大應用範圍。
參考文獻
[1] 吳召玲, 韓建民, 李衛京等．sicp/a356 複合材料的製備質量檢驗及控制[j]．北京交通大學學報 2006 30(1) 100-103．
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究[j]．山東理工大學學報(自然科學版) 2008 22(2) 62-65．
[3] 韓飛, 解念鎖 ,王永善．sicp/zl102 複合材料液態模鍛的研究
[j]．鍛壓技術 2001 (6) 36-37．
[4]付永紅, 何源,張冉陽. 顆粒增強鋁基複合材料製備及成形技術研究[j]．熱加工工藝, hot working technology, 編輯部郵箱 2023年 14期
[5] 鄭晶 ,賈志華馬光. 碳化矽顆粒增強鋁基複合材料的研究進展[j] 鈦工業進展 2006 23(6) 13-16.
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