复合材料成型技术

1、 金属复合材料成型技术 金属基复合材料发展的历史背景 二十世纪以来，随着科学技术的进步和新技术、新产业的出现， 特别是二战后高、精、尖技术的迅速崛起和发展，世界各国对工程材 料的需求越来越广泛，对材料性能也提出了越来越苛刻的要求。在这 种情况下，传统的、单一的金属材料，或受自然资源的局限，或因综 合性能不足，其应用领域受到了很大的限制，已越来越不能满足高新 技术的发展要求。20世纪80年代以后，金属基复合材料被广泛应用于 火箭制造、兵器工业、航空航天等科技尖端领域。近些年来，随着社 会经济的发展，人们对能源和资源的消耗量日益增多，许多矿产资源 日渐枯竭，广泛使用节能环保的绿色复合材料已经成为社

2、会生活的发 展潮流，世界各国也将研究和制备新型复合材料作为材料科学领域一 个重要的发展方向川。现在，金属基复合材料在石油、机械、化工、 造船、建筑、电力、电子及家用电器、日常生活用品等许多领域得到 更加广泛的应用。为节约能源和资源，减轻产品重量、提高产品的性 能，产品的生产者和消费者也急需科研工作者开发研制出种类更多、 成本更低、性能更优的新型材料来满足生产和使用的要求。所以开发 研制新型金属基复合材料具有十分紧迫的现实意义，也必将带来显著 的经济效益和社会效益。 金属基复合材料根据其特点可以分为三大 类: 层状复合材料 颗粒复合材料 纤维复合材料 金属层状复合材料的定义和性能要求 金属层状复

3、合材料的定义 层压型复合材料是金属基复合材料中的一种，根 据国际标准化组织的定义:层状复合材料是由两种 或两种以上物理和化学性质不同的物质层合而成 的一种多相固体材料。层状复合材料各组元层保 持各自的相对独立性，但其性能并不是组元材料 性能的简单叠加，而是有着重要的改进。合理选 择不同的组元层，可以使该材料具有多种优异性 能，以满足抗磨损、抗腐蚀、抗冲击及高导热性、 导电性等多种特殊的应用要求。 金属层状复合材料的性能要求 近些年来，随着科学技术的进步，特别是高精尖技术的发展，对复合 材料的品种和性能提出了更高的要求。要求复合材料性能好、寿命长、 安全可靠，具有更高的强度、韧性和更小的比重;有

4、时还需要复合材料 具有优良的的耐热性和耐腐蚀性，而且价格低，能够节约稀贵金属。 要在单一的金属材料上实现以上的性能要求有时十分困难，甚至不能 实现。通过几种物理性能相异材料的相互复合，实现以上功能并不困 难。层压型复合材料作为复合材料中的一种，可以满足以下要求: (1)性能互补:如将高硬度材料与高韧性材料层状复合后制成性能互补 的复合板。 (2)表面保护作用:用耐热、耐腐蚀、耐磨的材料作复合板的表层起到 保护作用。 (3)利用材料物理性能的差异:如利用热膨胀系数不同的材料制作热敏 元件。 (4)经济作用:稀贵金属与廉价金属复合以节约稀贵元素或贵金属。 金属层状复合材料的特性和应用 金属层状复合

5、材料的特性 金属层状复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、 化学性能不同的金属层牢固结合在一起而获得的一种新型 材料。通过科学的选择材料组元，合理的设计复层结构， 可以满足不同的应用需要。通过材料设计，金属层状复合 材料比较容易实现以下性能: (l)具有高比强度、比模量。 (2)具有优良的耐高温性能，能在高温、氧化性气氛中正常 工作。 (3)耐磨、导热性好、热膨胀小、尺寸稳定。 (4)成本低廉，适用于批量生产。 金属层状复合材料的应用 层状复合材料的特点在于能够充分发 挥和合理利用各种金属的特殊物理、力学 性能，大大节约稀贵金属以降低成本。通 过对层板组分的合理的选择以及适当的加 工工艺

6、，可以获得满足不同需要的层状金 属复合材料。目前，层压复合材料已广泛 应用于交通、建筑、化工、核能、电力、 海洋工程等多种行业。 金属层状复合材料的研究现状 1956年美国率先提出金属层压复合的三步工艺，即:表面 处理轧制复合退火强化处理，这项技术使双金属室温 固相复合得到了迅速的发展。 前苏联对层压复合材料的研究始于20世纪30年代，主要采 用轧制法、铸造法、爆炸法、扩散焊法等方法生产铝、钦、 钢等金属与合金的复合材料，尤其在冷轧复合方面的研究 比较深入。 英、法、德等发达国家对复合材料的研究也有相当的水平， 其中英国伯明翰大学在20世纪五、六十年代对固相复合进 行了较为系统的研究，取得了很

7、多成果。 日本在复合材料方面的研究起步较晚，但其发展十分迅速， 近年来已成为从事金属复合研究最多的国家之一。特别是 20世纪90年代以后，对不锈钢与铝的复合研究更是取得了 很多成果，而且申请了多项专利，尤其在阶梯式加热复合 及温轧复合方面取得了令人瞩目的研究成果。 我国对金属层状复合材料的研究起始于20世纪60年代初， 主要生产方式有爆炸复合法、爆炸+轧制(冷轧、热轧)复合 法、包浇(固一液结合)+轧制复合法等。其中“包浇十轧制 法”在重钢五厂实验并成功生产过，但后来由于技术经济 条件制约而停止生产。热轧复合法在上钢三厂生产过，但 产品质量水平与国外产品有一定的差距，主要表现在界面 结合较差，

8、结合面抗剪强度较低以及复层金属厚度不均等。 现阶段我国双金属复合板的生产中，爆炸+轧制复合法己 经比较成熟。但是爆炸复合法工艺繁杂，生产效率低，难 以实现大规模、连续化生产，而且工作环境恶劣，噪音大， 污染环境。现在用爆炸复合法生产的复合板产品价格较高， 而且在板形、结合质量方面与国外同类产品还有一定的差 距。 金属层状复合材料的制备方法 （1）轧制复合 轧制复合法是借助大的压下量轧制两层或多层金 属和合金，依靠原子间金属键的相互吸引力而使 组元层结合起来的一种复合技术。根据轧制复合 时是否加热可以分为热轧复合和冷轧复合。这种 方法一般包括三个步骤:表面处理、轧制复合和扩 散退火。轧制复合可以

9、进行成卷连续生产，各金 属组元层的厚度均匀，产品尺寸精确，性能稳定， 生产效率高、成本低，易于实现大规模工业化生 产。 爆炸复合 爆炸复合法投资少、成本低，不需要复杂的大型 设备，只要有爆炸场地即可生产。爆炸复合通过 强大的爆破力作用实现不同金属原子的紧密结合， 通过金属键形成牢固的焊接界面，实现基层和复 层牢固的冶金结合。 爆炸复合法主要适用于单张面积较大、板厚较厚 的双层或多层复合板的生产，如不锈钢/钢、不锈 钢/铝、钦/钢、钦/铜等。爆炸复合仅限于制造平 板，而且由于起爆位置、间距、装药形式以及爆 轰波传播方式的不同，易导致复合率的降低，难 以达到较高的复合质量。 爆炸十轧制复合 爆炸复

10、合法生产较薄和对表面要求较高的层状金 属复合板比较困难。轧制复合法可以生产不同厚 度和表面质量较高的层状复合板，但复合板的宽 度受到轧机能力的限制。在综合这两种生产方法 的优缺点后，可以采用爆炸+轧制的方法，先用爆 炸复合制备较厚的复合板坯，再采用热轧或冷轧 工艺轧制所需厚度的复合板。这种方法兼有爆炸 复合和轧制复合法生产的优点，增加了生产的灵 活性。其缺点是生产率及成材率都比较低，产品 质量较差，无法实现大规模、连续化生产。 反向凝固法 反向凝固法利用冷轧或热轧带作为母带以一定的 速度从凝固器内的金属液中穿过，金属液在母带 表面凝固形成新生相。母带穿出凝固器金属液时， 新相层和母带己牢固的结

11、合在一起，形成了一定 厚度的铸带。利用在凝固器上方的平整辊对铸带 进行平整初轧，从而得到表面平整、厚度均匀的 薄带，如图所示。该方法工艺简单，产品质量高， 利于环保，但是操作难度大。 浇铸复合法 浇铸复合法也被称为铸模法，该方法的生产工艺 为:将基板置于盛有金属液的铸模中，液态金属凝 固后形成复合板坯，然后对此板坯进行轧制获得 所需规格的复合板，如图所示。这种方法应用较 早，也属于固一液相复合技术。浇铸复合法工艺 简单，成本低，可以实现批量生产，但是由于复 层金属与基体金属的熔点不同，在两者的结合部 位容易产生熔损，因此难以得到质量优良的复合 板材。 电磁连铸法 电磁连铸法是借助水平电磁场生产

12、复合钢坯的连 铸工艺。水平磁场安装在结晶器下部，两种化学 成分不同的钢水同时分别通过长、短浸入式水口 注入水平磁场的上、下部位。水平磁场作用在钢 流上的制动力(洛仑兹力)抑制了两种钢液的混合。 而且水平磁场成为一个分界线，依靠磁流体力作 用把结晶器熔池分成上、下两部分。通过水冷铜 结晶器的冷却作用，上部熔池的钢液凝固成为复 合钢坯的外层。下部熔池的钢液在外壳的内部凝 固成为复合钢坯的内芯。 液一固相铸轧复合技术 液一固相铸轧复合技术是将液态金属连续 浇铸在基带上，使液态金属在半凝固状态 与固态基带同时进入轧机进行加工变形， 以实现基材与复材良好的冶金结合。利用 液一固相铸轧复合铝/不锈钢板如图

13、1.6所示。 喷射沉积复合技术 喷射沉积复合技术最早是由英国OPsery金属 有限公司开发，如图1.7所示。该技术可以 生产各种形状的连铸坯，在喷射成型时， 每个雾化液滴高速率凝固和随后高速固态 冷却以及液滴的撞击作用使其形成细的、 无宏观偏析、等轴的沉积显微组织。该方 法的优点在于其生产效率高，能实现大规 模、连续化生产。 层状复合材料的复合机理简介 双金属复合机理极为复杂，尽管长期以来 人们为此做了大量的研究探索工作，但迄 今为止，许多机理仍未被人们所揭示和了 解。许多学者提出了不同的结合机理，这 些理论促进了复合材料生产的发展。反过 来，复合材料生产工艺的不断改进又促使 复合理论日趋完善

14、。下面将对金属固相复 合的机理进行综合评述: 再结晶理论 1953年，Join.M.ParkS根据金属在变形量很大时， 再结晶温度会显著下降的事实提出了金属结合的 再结晶理论。他认为，同相复合时产生金属复合 的主要过程是接触区的再结晶过程。也就是说， 在两金属的共同变形过程中，由于变形热的作用， 接触区会出现局部高温而使两金属边界的晶格原 子重新排列，形成同属于两种金属的共同晶体， 使得相互接触的两种金属结合在一起。这种理论 非常适用于对在热处理过程中复合材料组织变化 进行解释，但是它并不适合于结合过程本身，并 且对有些低温复合现象无法解释。 金属键理论 M.s.Burtno通过对金属复合的研

15、究提出了金属键理论。他认为实现金 属结合的唯一要求是使两种金属的原子足够靠近以使原子间的引力发 挥作用。任何一个固相金属体内的单个原子之间都有这种引力的作用， 同种金属原子之间有这种作用，不同种金属原子之间也有这种作用。 当两种金属原子不断靠近时，它们之间的吸引力将增加，当两原子间 距达到大约正常原子间距的两倍时，引力达到最大值，继续靠近时， 吸引力将减小，并且当达到正常原子间距时，吸引力变为零。相邻原 子则以平衡间距稳定排列，同时两金属原子的外层自由电子成为共同 的自由电子而以金属键结合在一起，实现了金属间的结合。他认为， 所有的复合技术都是依靠这种复合作用完成的，这是实现金属间结合 的化学

16、基础。这一理论普遍被人们接受，但是它不适用于解释某些低 温复合领域中的问题。 谢苗诺夫提出了金属结合的能量观点。他认为两 种金属相互接触时，即使金属原子接近到了晶格 参数的数量级，如果原子还没有具备实现结合的 最低能量是不能结合的。该理论运用了原子激活 的观点，认为只有获得足够能量而被激活的原子 之间接触到一定距离后才可能形成实现金属间结 合的金属键。但是，该理论也有缺陷:导致金属原 子能量增加的加工硬化并没有促进金属之间的结 合，反而使金属间的结合能力变差。 扩散理论 卡扎柯夫提出了金属结合的扩散理论，他认为在实现金属 结合的变形过程中，由于变形热的作用使金属接触区温度 升高，而使得金属原子

17、受到激活，在界面附近形成一个很 薄的互扩散区而实现了金属之间的结合。扩散的作用是使 两金种属原子相互作用的机会增加，因而促进了两种金属 之间的结合。该理论从金属学角度对异种金属界面结合进 行了解释，这是其先进的方面，但是它没有考虑到金属接 触表面的激活过程和相互扩散对整个接触区形成结合过程 的限制，它不能解释事实存在的当扩散区厚度达到一定程 度时、随后扩散区厚度增加复合材料界面结合性能降低的 现象。 位错理论 该理论认为，当两种相互接触的金属产生协调一 致的塑性变形时，位错迁移到金属的接触表面使 表面的氧化膜破裂，形成了高度只有一个原子间 距的小台阶。这一方面可以看成是塑性变形阻力 的减小:另

18、一方面可以认为是增加了双金属接触表 面的不平度，使接触表面产生比内部金属大得多 的塑性变形。这等于说，双金属的结合过程就是 其接触区金属的塑性流动的结果。这一理论无法 解释在没产生塑性变形时双金属的复合过程，如 采用铸造法进行的双金属复合。 薄膜理论 该理论认为，一种金属之间的结合取决于它们结 合表面的状态，只有除掉金属表面的氧化膜，才 能在变形过程中使原子相互接近到原子吸引力能 够发生作用的范围内，进而形成结合。也就是说， 金属表面的氧化膜是金属结合的主要障碍，氧化 膜越薄、越硬，在变形时就越容易破裂，异种金 属越容易接触、结合，裂纹的大小和数量直接关 系到复合材料的界面结合强度。这种理论主

19、要适 合于异种金属固固相轧制复合. 三阶段理论 该理论认为，任何在高温加压条件下进行的双金 属复合过程都包含三个阶段:第一阶段是双金属间 物理接触的形成阶段，也就是双金属中的原子依 靠塑性变形，在整个接触面上相互接近到能够引 起物理作用的距离或足以产生弱化学作用的距离。 第二阶段是化学相互作用阶段，双金属接触表面 激活并形成化学键，实现双金属间的结合。第三 阶段是扩散阶段，双金属在完成物理接触实现初 步结合后，各组元金属中的原子通过结合面相互 扩散，以增进结合强度，此阶段要根据扩散区及 新相的性质控制扩散过程。 颗粒复合材料 颗粒复合材料中，基体金属仍起主导作用， 增强材料的加入主要是弥补基体

20、金属的某 些缺陷，如提高耐磨性、尺寸稳定性、高 温性能等。颗粒增强物粒径通常为几个微 米到几十个微米，它主要以粉状加入到金 属中以提高综合性能，主要有Al2O3、SiC、 TiC 铝基颗粒复合材料的性能特点 与普通铝合金相比，铝基颗粒复合材料具有高比强度和高 比模量、导热与导电性能好、热膨胀系数小、尺寸稳定性 好、良好的高温性能、良好的耐磨性、良好的断裂韧性和 抗疲劳性、不吸潮、不老化、气密性好等优点。颗粒 复合 材料的性能取决于基体材料和增强体的成分、性能、含量、 分布和界面结合等，通过优化组合，采取合理的制备工艺， 可以制备出具有优良综合性能的铝基复合材料。 铝基颗粒复合材料除了具备以上性

21、能特点外，又因铝合金 本身价格便宜、原料充足、熔点较低、密度小、制备工艺 以及设备简单等优点，成为金属基复合材料研究的重点。 铝基颗粒复合材料的研究现状与应用 铝基复合材料选用的增强颗粒主要为陶瓷颗粒， 陶瓷颗粒具有高的强度、硬度、模量及好的耐热 性，同时价格便宜，加入到基体后，能明显改善 合金的综合性能，常见的颗粒有Al2O3、SiC、TiC、 TiB2、B4C、Si3N4等。在层出不穷的复合材料中， 陶瓷增强金属基复合材料又不失为一种成本低廉， 制备简单，并具有良好的热加工性、耐高温性、 耐磨性及尺寸稳定性的实用型结构材料，其中尤 以碳化硅增强铝基复合材料为先导开发的排头兵， 世界上许多国

22、家均竞相研究，美、法、日等国家 已形成一定的生产能力 颗粒增强铝基复合材料的强度性能虽然低于短纤维增强铝基复合材料， 但是颗粒成本较低，制备工艺简单且容易实现自动化生产，由于这类 复合材料一般能够满足零件的性能要求。因而具有更大的实用价值， 得到了迅速的推广和发展。目前，美国和日本在用粉末冶金法制备颗 粒增强铝基复合材料方面居世界领先地位；我国中科院金属所、哈工 大、西北工大等单位在这方面也开展了不同程度的研究工作。在挤压 铸造法制备颗粒增强铝基复合材料方面，日本目前处于领先地位；我 国哈工大和东南大学等单位在这方面也进行了大量深入的研究工作。 英国和加拿大等国家在搅拌铸造法制备颗粒增强铝基复

23、合材料方面目 前处于世界领先地位；我国上海交通大学和北京航空材料研究院在用 搅拌铸造法制备颗粒增强铝基复合材料方面进行了大量工作，具备了 良好的工作基础。目前，用反应自生方法原位合成金属基复合材料也 是国内外研究的热点之一，欧洲英国、德国和法国已建立了联合科研 计划，全面展开了自生原位合成金属基复合材料的基础理论研究和应 用研究，美国、日本、印度和中国在这方面也展开了大量的研究工作， 并取得了一定的研究成果。 美国的Dural Aluminum公司早在上世纪80年代就发明了 SiC颗粒增强铝硅合金的新技术，实现了铸造铝基复合材 料规模化生产，并以铸锭的形式供给多家厂商以制备各种 零件。颗粒增强

24、铝基复合材料在航天领域得到了很好的应 用。作为第三代航空航天惯性器件材料，仪表级高体分碳 化硅颗粒增强铝基新型复合材料，替代铍材，已在美国用 于某型号惯性环形激光陀螺制导系统，并已形成美国的国 家军用标准（MIL-M-46196）。英国国防部投资，英国国 防评估局与马特拉BAE动力公司研究基复合材料在导弹零 部件中应用，取得了一些成效，并用于制造弹体、尾翼、 弹翼、导引头组件、光学组件、推进器组件、制动器组件、 发射管、三角架和排气管等导弹零部件。 外加颗粒增强铝基复合材料的制备 方法 粉末冶金法 粉末冶金法是制备高熔点难成形材料的传统工艺。 快速凝固金属粉末和增强陶瓷颗粒等经筛分、混 合、冷

25、压固结、除气、热压烧结以及压力加工制 得复合材料。粉末冶金法可以任意改变颗粒与铝 的体积配比，获得不同颗粒体积含有率的复合材 料，但受温度、压力及二次加工工艺(如挤压、轧 制、锻造等，以提高材料的致密度，并使增强体 的分布进一步均匀化)和设备(需在密封、真空或保 护气氛下进行)等限制，不宜制备过大或形状复杂 的零件。 铸造法 近年来，人们在传统的搅拌铸造工艺基础 上，发展了挤压铸造、熔体浸渗、半固态 搅拌、离心铸造、超声波法、喷射沉积法 等多种新工艺，大大丰富了铸造法的内涵， 使铸造法又可称为新工艺，成为研究热点。 a.搅拌铸造法 搅拌铸造法的基本原理是将增强体颗粒直接加入 到基体熔体中，通过

26、一定的机械方式搅拌使颗粒 均匀地分散在合金熔体中，复合成颗粒增强复合 材料。复合好的熔体可浇铸成铸坯、铸件等。该 工艺方法简单、生产效率高、制造成本低廉。所 制成的复合材料铸锭经重熔后，可通过精密铸造、 砂型铸造等方法成型各种复杂形状的零件，也可 通过挤压成型各种型材、管材、棒材以及轧制成 板材，锻造成零件。它是目前最成熟、最具竞争 力、也是工业化规模生产颗粒增强复合材料的最 主要方法。 b.熔体浸渗法 增强体预先用适当的粘结剂粘结并冷压成一定形 状和尺寸的预制件，把预制件加热至600800， 再将其放入预热金属压型内的适当位置，浇入精 炼后的熔融金属液，用加压或抽真空的方法，使 熔融金属渗入

27、预制件中，待其凝固后即得到所需 颗粒增强铝基复合材料构件。该方法制备工艺及 设备简单，成本低，制备的材料成分较均匀，性 能好，制备周期短。但制备具有一定孔隙的颗粒 预制件相当困难，同时存在颗粒与基体结合不好、 工艺参数不易控制、压力过高可能破坏预制件、 制造形状复杂的工件困难等问题。 c.半固态搅拌铸造法 把温度控制在金属的液相线和固相线之间且不断 搅拌，然后把颗粒状增强体按一定比例加入到含 有一定组分固相粒子的金属液中，并迅速升温至 液相线以上直接进行浇注，得到所需复合材料。 使用这种工艺，增强体颗粒分布均匀，颗粒不会 聚集和偏聚，能得到较为理想的结果，但金属液 处于半固态，粘度较大，其浆液

28、中的气体和夹杂 物不易排出，生产过程中要准确控制和保持金属 液处于半固态温度也很困难。 d.离心铸造法 借助离心力的作用把增强体分布于材料的 内表面或外表面，获得表层有一定厚度的 梯度复合材料。在制备过程中，连续地控 制微观结构要素，使成分、组织连续变化， 不存在明显的界面，从而大大缓和了热应 力。 e.挤压铸造法 挤压铸造技术是利用压机将液态金属强行压入增 强材料的预制件中以制造复合材料的一种方法， 其过程是先将增强材料制成一定形状的预制件， 经干燥预热后放入模具中，浇注入熔融金属，用 压头加压，液态金属在压力下浸渗入预制件中， 并在压力下凝固，制成接近最终形状和尺寸的零 件，或供用塑性成型

29、法二次加工的锭坯。预制件 的质量、模具的设计、预制件预热温度、熔体温 度、压力等参数的控制是得到高性能复合材料的 关键。 喷射沉积法 该法是20世纪70年代初Swansea大学Singer教授首先提出， 早期应用于一些金属半成品的生产和制备，后加利福尼亚 大学Lavernia E J等人开始利用这一技术制备颗粒增强金属 基复合材料。原理为：在基体合金雾化的同时，加入增强 体粉末，使二者共同沉积在收集器上，得到复合材料。该 方法增强体与基体熔液接触时间短，二者反应易于控制， 缺点是增强颗粒利用率低，材料制备成本高。因此，在外 加颗粒铝基复合材料制备方法中，以粉末冶金法和喷射沉 积法为代表的固相制

30、备方法，存在着制造工序多、工艺复 杂、对设备要求高、二次加工困难等缺点，并且零件的结 构、尺寸也受到限制，无法成形大型复杂构件。 原位自生颗粒增强铝基复合材料的 制备方法 原位合成技术制备复合材料的原理是：根据材料 设计要求，选择适当的反应剂(气相、液相或粉末 态固相)，在适当的温度下，借助于基体金属或合 金和它们的化学反应，原位生成尺寸十分细小、 分布均匀的增强体陶瓷颗粒。常见的原位自生颗 粒增强铝基复合材料的制备方法有：SHS(自蔓延 高温合成法)、XDTM(放热弥散法)、CR(接触反应 法)、VLS(气液反应法)、DIMOX(直接熔体氧化 法)、MA(机械化合金法)、SIT(自然浸渗法)

31、、混 合盐反应法等。 原位自生制备铝基复合材料是近十几年发展起来的一种新 的复合材料制备技术，由于增强体颗粒的液态原位自生形 成，增强体颗粒与基体材料具有良好的界面相容性，可获 得性能稳定的材料制备。与传统方法相比，原位自生方法 所合成的复合材料具有以下特点： (1)可通过合理选择反应元素类型、成分及反应过程，控制 原位自生增强体种类、大小、分布、数量和空间分布。 (2)增强体在金属基体中原位生成，属于热力学稳定相，其 表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，与基体结 合性好。 (3)增强体是通过反应直接生成，省去了增强相单独合成、 处理和加入等工艺，极大地降低了复合材料的制造成本。 (4)

32、从液态金属基体中原位生成增强体的工艺，可用铸造方 法制备形状复杂、尺寸较大的近终形构件。 自蔓延高温合成法(SHS) SHS法的基本原理是将增强相的组分原料与金属 粉末充分混合，压坯成型，在真空或惰性气氛中 引燃，使组份之间充分发生化学反应,放出的热量 蔓延引起未反应的邻近部分继续反应，直到全部 反应完成。SHS法与传统材料制备方法相比，具 有能耗低、工艺相对简单、合成物纯度高、生成 效率高、成本低等优点，是一种非常有前途的制 备方法。 放热弥散法(XDTM) XD法是美国Martin Maritta Laborotory在前苏联科学家 Marzhanov发明的SHS法的基础上改进而来。其基本

33、原理 是将增强相组份与金属粉末以一定比例均匀混合，冷压或 热压成型，制成坯块，以一定的加热速率预热试样。在一 定温度范围内(通常是高于基体的熔点而低于增强相的熔 点)，增强体各组份之间通过化学反应,生成增强体。目前， XDTM法的研究主要集中在设计显微组织，加入提高强度 的强硬相和提高韧性的弹性相。该法的不足之处在于：合 成过程需要在较高温度保温较长时间，能源浪费较为严重； 如保护不当容易引起基体合金的氧化，形成氧化夹杂导致 材料性能的大幅下降。 接触反应法(CR) CR是在SHS法，XDTM法的基础上发展而来的，其 基本原理是将含增强体组份的混合物直接加入到 铝溶体中生成增强体。常用的元素粉

34、末有Ti,C,B 等,化合物粉末有TiO2、Al2O3、B2O3等，基体通常 是Al、Cu、Mg等金属。其缺点是由于反应温度较 低(900)，不可避免地生成一些非热力学稳定 的中间产物(如TiAl3和Al4C3等)，影响复合材料的 性能。 气液反应合成法(VLS) 在VLS法中参与反应的有气相,基本原理是将含增 强相的混合物与某一惰性气体为载体通入液态基 体中，该气体在液态金属中分解出增强相的某一 组分元素与基体合金中另一元素进行化学反应形 成增强体。该工艺的局限性在于：反应中常会出 现TiAl3和Al4C3等有害脆性相；增强体种类、体积 分数受限制(一般小于15%)，且颗粒易发生偏聚； 过量

35、注入的气体或分解产生的不参与反应的气体 会形成大量气孔，所制备复合材料需二次加工方 能使用。 直接熔体氧化法(DIMOX) 在DIMOX(Direct Melt Oxidation)法中，增强体靠 熔体的直接氧化形成，即将熔体直接暴露于空气 中，空气中的氧与基体合金液直接接触表面被氧 化生成氧化物(如Al2O3)构成熔体的表面膜，Al2O3 氧化膜由于温度梯度的影响而产生裂纹，里层的 金属液通过毛细现象参加氧化反应随着氧化层厚 度增大，金属液的毛细扩散阻力增大，到某一时 刻氧化反应结束，生成的氧化物即为增强相。该 方法的主要优点在于可合成相对复杂完全致密的 复合材料，但增强颗粒的浓度、形态及分布均匀 性难以控制。 机械合金化法(MA) 机械合金化法是将一种或两种粉末与铝合金粉末 一起在保护气氛或真空状态下长时间研磨，利用 机械研磨过程中微小区域出现的高温，使参与研 磨的粉末之间进行反应，生成所需的增强体粉末 或颗粒，然后采用粉末冶金法压制成形，形