制備金屬基復合材料的新工藝
新聞來源：www.tjhbrc.com 發(fā)布時間：2022-03-25 15:49 瀏覽量：
制備金屬基復合材料，研發(fā)出了一些新的工藝，如接觸反應法CR（Contact Reaction Process）、混合鹽反應法LSM（London Scandinavian Metallurgical）、熔體直接反應法DMR（Direct Melt Reaction）等。
接觸反應法CR
CR法是在SHS法、XD法基礎上研發(fā)出的一種制備金屬基復合材料的新工藝，其原理是將基體元素或合金粉和強化元素或合金粉按一定比例混勻后，冷壓成有一定致密度的預制塊，然后，將其沉浸于一定溫度的合金熔體中，反應后在合金熔體中生成微細的（＜1μm）強化相，經攪勻靜置后即可澆鑄成各種鑄件，見圖1。
常用元素粉末為TiC、B等，化合物粉為Al2O3、TiO2、B2O3等。該法已用于制備Al基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基復合材料，強化相有B化物、C化物、N化物等。成功制備的Al-Si/TiC、Al-Cu/TiC和AI/TiB2復合材料，有優(yōu)異的力學性能。
CR法是一種很有市場前景的制備金屬基復合材料的工藝，具有生產成本較低、工藝簡單、增強體與基體結合牢靠、可制造各種尺寸和形狀復雜工件等優(yōu)點，但還有一些問題有待解決與完善。
混合鹽反應法LSM
LSM法是倫敦斯堪的納維亞冶金公司為生產鋁合金晶粒細化劑生產工藝提出的一種生產復合材料的專利技術，基木原理是：將含有Ti和B的鹽如KBF4和K2TiF6混合后，加入高溫金屬熔體中，鹽中的Ti和B在高溫作用下就會被金屬還原出來而在熔體中反應形成TiB2增強相，扒渣后即可澆鑄成形，獲得TiB2增強的金屬基復合材料（圖2）。
伍德（Wood）向Al-7Si-0.3Mg合金熔體中加入KBF4和K2TiF6，在鑄造的工件中含有分布均勻的原位TiB2增強粒子，尺寸為0.5μm～2μm，體積分數(shù)為4%~8%。制備的TiB2/Al復合材料與外加等量的SiC/Al復合材料相比，具有更高的力學性能和抗磨性能。戴維斯（Davis）等的研究稱：9%TiB2/2021及8%TiB2/A356復合材料的抗拉強度、屈服強度和彈性模量均高于基體鋁合金2021和A356的，但伸長率均低于基體合金的。陳子勇等人采用K2TiF6和KBF4混合鹽反應法制得了TiB2/（Al-4.5Cu）復合材料，且當混合鹽質量為基體的20%時，復合材料的綜合性能最好，抗拉強度352MPa、伸長率4.4%、布氏硬度146。趙芳欣等制備的LSM TiB2/AlSi7復合材料在TiB2為5%時，可在材料中生成穩(wěn)定且均勻分布的TiB2粒子，未發(fā)現(xiàn)Al3Ti等相，材料的彈性模量由72.3GPa上升至96.8GPa，TiB2質點對林料的熱處理組織和性能無明顯影響。
LSM法的基本優(yōu)點：工藝簡單，周期短，不用真空，不需要隋氣系統(tǒng)，也不需要球磨制粉與壓坯；可直接澆鑄成形，易于批量生產和推廣應用；原材料豐富且價格合理。當然，也有一些不足之處：生成的TiB2常被鹽膜包覆，削弱它的增強效果；制備過程中有大量氣體逸出，應有良好的通風系統(tǒng)；不可能制備高體積分數(shù)的增強相；形成的渣較多，不易清除，對坩堝和工具有較嚴重的腐蝕。
熔體直接反應法DMR
DMR法又稱熔體反應法，是CR法與LSM法的綜合體。它的基本原理：將含有增加相顆粒形成元素的固體粒子或粉體在特定溫度加于鋁合金熔體中，攪拌使反應充分進行，以制備內生質點增強的復合材料，與其他工藝相比，其特點：以現(xiàn)有的鋁合金的熔煉工藝為基礎，在熔體中直接形成增強相，可以直接鑄成所需的鑄件，因而工藝簡單、工期短、成本低、易推廣；易控制增強相粒子大小及其分布，并可在較大范圍內調控其數(shù)量，可同時獲得高強度與韌性的產品。
納卡塔（Nakata）等人采用該法制成了TiCp/Al復合材料，他們用的原料為含穩(wěn)定碳化物形成元素的Al-Ti合金錠和不穩(wěn)定碳化物SiC或Al4C3顆粒。首先在Ar氣保護下將MgO坩堝中的Al-Ti合金熔化，并升溫至1200℃，加入經過干操的SiC或Al4C3粒，攪拌使其充分反應，形成大量TiC粒子，鑄入金屬型，制得TiCp/Al復合材料。TiC顆粒細小，接近于1μm，體積分數(shù)約10%。
研究顯示，向原位形成的TiCp/Al熔體中添加Mg或Cu，可進一步提高材料的力學強度性能。陳子勇等研究了TiO2和溶劑以質重比1﹕1混合加入鋁熔體中的反應溫度對凝固組織的影響：在880℃凝固組織中未發(fā)現(xiàn)Al3Ti和Al2O3；920℃凝固組織中有很多細小的Al3Ti粒子，彌散分布于基體中；而在950℃凝固的組織中，Al3Ti轉變?yōu)槎贪魻睢？梢姡瑢l-TiO2熔劑系統(tǒng)，920℃是較為適宜的反應溫度，制備的Al3Ti/Al復合材料有最好的顯微組織。凌興珠等人用該法制備了Al/TiB2復合材料，在TiB2含量相同時，其抗拉強度比外加法制備的Al/TiB2復合材料的高得多。趙玉濤教授等人開發(fā)成功Al-Zr-O和Al-Zr-B-O原位反應新體系，研究了電磁場對原位反應生成鋁基復合材料組織與性能的關系，成功地制得了體積分數(shù)為15%（Al3Zr+Al2O3）/Al、15%（Al3Zr+Al2O3）/A356和15%（Al3Zr+ZrB2+Al2O3）/A356等系列低成本、高性能的復合材料。
由以上介紹可見，有多種原位反應合成復合材料的工藝，各有其優(yōu)缺點，熔體直接反應法最有應用前景，具有工藝簡單、工期短、成本低、易推廣等優(yōu)點。
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