金属基复合材料及其主要制备工艺简介
复合材料简介
本文介绍复合材料中的金属基复合材料的制备。
复合材料是指采用物理或化学的方法，使两种或两种以上的材料在相态（如连续相：基体；不连续体：增强相）以性能相互独立的形式下共存于一体之中，以达到提高材料的某些性能，或互补其缺点，或获得新的性能（或功能）的一种新型材料。
与常规材料相比较，金属材料有优良的延展性和可加工性，但其强度相对低，耐热、耐磨、耐蚀性差；陶瓷材料的强度高、耐热、耐磨、耐蚀性好，但很脆，加工性能差，复合后利用两者的优势互补，提高性能。
复合材料按用途分为结构材料和功能材料；按复合材料各成分在材料集散情况，分为三类：分散强化型复合材料、层状复合材料、梯度复合材料；按基体材料类型分：金属基复合材料，聚合物基复合材料，陶瓷基复合材料；按增强原理分为弥散增强型复合材料、晶须增强型复合材料、纤维增强型复合材料。
金属基复合材料简介
复合材料中的金属基复合材料是以金属为基体，以高强度的第二相为增强体而制得的复合材料。
其中，基体主要是由Al，Mg，Ti及其合金制成，增强体是有硼纤维，SiC纤维，高强度石墨纤
维，Al2O3 等制成。
具有高强度、高模量、低膨胀系数，能耐300-500℃或更高的温度等优点。
但造价高、密度大、制备工艺复杂，存在界面反应等缺点。
其分类可以按照基体或增强体的不同分类。
金属基复合材料的制备工艺
接下来介绍重点部分，就是金属基复合材料的制备及加工。
根据制备特点等，我们可以把金属基复合材料的制备方法分成以下四大类：（下面将一一介绍）
1）固态法：粉末冶金法、真空热压扩散结合、热等静压、模压成型、超塑性成型 / 扩散结合。
2）液态法：真空压铸、半固态铸造、无压渗透等。
3）喷射成型法：喷射共沉积、等离子喷涂成型。
4）原位生长法（原位复合法）。
第一类：固态法
下面介绍第一种方法，即真空热压扩散结合法，这种方法是在一定的温度和压力下，把表面新鲜清洁的相同或不相同的金属，通过表面原子的互相扩散而连接在一起因而，扩散结合也成为一种制造连续纤维增强金属基复合材料的传统工艺方法。
特点：
1)工艺相对复杂，工艺参数控制要求严格，纤维排布、叠合以
及封装手工操作多，成本高。
2）扩散结合是连续纤维增强并能按照铺层要求排布的惟一可行
的工艺。
3)在扩散结合工艺中，增强纤维与基体的湿润问题容易解决，
在热压时可通过控制工艺参数的办法来控制界面反应。
因此，在金属基复合材料的早期生产中大量采用扩散结合工艺。
第二种方法是粉末冶金法，与上一种方法不同的是，这种方法常用于制备非连续增强相金属基复合材料。
粉末冶金既可用于连续长纤维增强，又可用于短纤维、颗粒或晶须增强的金属基复合材料。
在粉末冶金法中，长纤维增强金属基复合材料分两步进行：
1首先是将预先设计好的一定体积百分比的长纤维和金属基体粉末混装于容器中，在真空或保护气氛下预烧结。
2然后将预烧结体进行热等静压加工。
一般情况下，采用粉末冶金工艺制备的长纤维增强金属基复合材料中，纤维的体积百分含量为40%～60%，最多可达75%。
但也是优缺点并存的，粉末冶金法制得的产品质量好可控制，但是成本高不稳定。
再介绍一下热等静压法，也叫HIP，这种方法是一种先进的材料成形技术，可用于制造形状复杂的金属基复合材料零件。
热等静压法（HIP）工作原理：在高压容器内旋转加热炉，将金属基体(粉末或箔)与增强物(纤维、晶须、颗粒)按一定比例，分散混合放入金属包套中，抽气密封后装入热等静压装置中加热、加压 (一般用氩气作为压力介质)，在高温高压(100～200MPa)下复合成金属基
复合材料零件。
第二类：液态法
这部分介绍液态法，相较于固态法，液态法亦称为熔铸法，是目前制备颗粒、晶须和短纤维增强金属基复合材料的主要工艺方法。
该法的主要特点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。
与固态法相比，液态法的工艺及设备相对简便易行，与传统金属材料的成型工艺，如铸造、压铸等方法非常相似，制备成本较低，因此液态法得到较快的发展。
首先介绍压铸法，指在压力作用下将液态或半液态金属基复合材料或金属以一定速度充填压铸模型腔或增强材料预制体的孔隙中，在压力下快速凝固成型而制备金属基复合材料的工艺方法。
具体工艺：首先将包含有增强材料的金属熔体倒入预热摸具中后，迅速加压，压力约为70～100MPa，使液态金属基复合材料在压力下凝固。
待复合材料完全固化后顶出，即制得所需形状及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸件。
此法生产过程中影响MMC性能的工艺因素主要有：①熔融金属的温度②模具预热温度③使用的最大压力④加压速度。
与其他金属基复合材料制备方法相比，压铸工艺设备简单，成本低，材料的质量高且稳定，易于工业化生产。
接下来介绍半固态复合铸造，这种方法是将颗粒加入半固态的金
属熔体中，通过搅拌使颗粒在基体中分布均匀，并取得良好的界面结合，然后浇注成型或将半固态复合材料注入模具中进行压铸成型。
其主要控制工艺参数：
①金属基体熔体的温度应使熔体达到30%～50%固态；
②搅拌速度应不产生湍流以防止空气裹入，并使熔体中枝晶破碎形成固态颗粒，降低熔体的粘度，从而有利于增强颗粒的加入。
最后介绍无压渗透法，其方法是将增强材料制成预制体，放置于烧结氧化铝制成的托盘之中。
再将基体金属坯料置于可渗透的增强材料预制体上部。
整个设备放置在一可通流动氮气的加热炉中。
通过加热，基体金属熔化，并且自发渗透入状增强材料预制体中。
无压渗透工艺能较明显降低金属基复合材料的制造成本，但复合材料的强度较低，而其刚度显著高于基体金属。
材料的CTE低，耐磨性好，可得到接近零件形状（预制体）的坯料，减少机加工。
第三类：喷射成型法
喷射成型法可分为喷射共沉积和等离子喷涂两种方法。
1.等离子喷涂法是利用等离子体高温加热金属基体粉末，将其喷涂到基板上，形成MMC。
可分为低压等离子和等离子涂覆两种。
2.喷射共沉积法利用喷射金属熔体，将金属雾化成液滴，并与增强材料（多数为颗粒增强材料）均匀结合，共同沉积成各种形状的MMC材料或MMC铸件。
喷射沉积法的优越性：
①该工艺流程短，工序简单，喷射沉积效率高，有利于实现工业化生产。
②高致密度，直接沉积的复合材料密度一般可达到理论的95%~98%；
③属快速凝固方法，冷速可达103～106 K/s，故金属晶粒及组织细化，消除了宏观偏析，合金成分均匀，同时增强材料与金属液滴接触时间短，很少或没有界面反应；
④具有通用性和产品多样性。
该工艺适于多种金属材料基体，如高、低合金钢、铝及铝合金、高温合金等。
第四类：原位生长法
原位生长法又称为原位自生成法，在复合材料制造过程中，增强材料在基体中生成和生长的方法称作原位自生成法。
在MMC的制备过程中往往存在这样两个问题：润湿性问题和界面反应问题。
如果增强材料可以直接从金属基体中反应直接生成（原位生成），则可以解决这些问题。
以原位自生成法制造的金属基复合材料中，基体与增强材料间的相容性好，界面干净，结合牢固。
特别当增强材料与基体之间有共格或半共格关系时，能非常有效地传递应力；而且，界面上不生成有害的反应产物，因此这种复合材料有较优异的力学性能。
原位自生成有三种方法：
1) 共晶合金定向凝固法；
2) 直接金属氧化法（DIMOX TM）；
3) 反应自生成法（XD TM）。
1）共晶合金定向凝固法：增强材料以共晶的形式从基体中凝固析出，通过控制冷凝方向，在基体中生长出排列整齐的类似纤维的条状或片层状共晶增强材料。
2）直接金属氧化法（DIMOX TM）：是一种可以制备金属基复合材料和陶瓷基复合材料的原位复合工艺。
根据是否有预成型体又可分为唯一基体法和预成型体法，两者原理相同。
◆唯一基体法的特点：制备金属基复合材料的原材料中没
有填充物（增强材料预成型体）和增强相，只是通过基体金属
的氧化或氮化来获取复合材料。
◆当DIMOX TM工艺采用增强材料预成型体时，由于增强材
料预成型体是透气的，金属基体可以通过渗透的氧或氮顺序氧
（氮）化形成基体。
3）反应自生成法（XD TM）：可生成颗粒、晶须或共同增强的金属和金属间化合物基复合材料。
根据所选择的原位生长的增强相的类别或形态，选择基体和增强相生成所需的原材料，如一定粒度的金属粉末、硼或碳粉等，按一定比例混合制成预制体，并加热到熔化或自蔓延燃烧（SHS）反应发生的温度时，预制体的组成元素进行放热反应，以生成在基体中弥散的微观增强颗粒、晶须和片晶等。
XD TM工艺特点
①各种金属或金属间化合物均可作为基体；
②增强相的类型、形态可以选择和设计；
③增强相是原位形成，具有热稳定性；
④复合材料可以采用传统金属加工方法进行二次加工。
总结
总体来说，本文介绍了MMC现有的主要制作工艺方法，通过总结可以学到很多新型制作工艺的特点，还可以更清晰的了解现有工艺的优缺点，以达到学习和改进的目的。
参考文献
于化顺，金属基复合材料及其制备技术，北京：化学工业出版社 2005
赵玉涛戴起勋陈刚，金属基复合材料，北京：机械工业出版社 2007
周曦亚，复合材料，北京：化学工业出版社 2005。
![[材料科学]金属基复合材料](https://img.taocdn.com/s1/m/bd12e168f121dd36a22d8208.png)
