【文章內(nèi)容簡介】 在金屬基體中 均勻分布，并取得良好的界面結合，然后 澆注成型 或?qū)牍虘B(tài)復合材料 注入模具中 進行 壓鑄成型 。 95 通常采用 攪拌法制備金屬基復合材料 時，常常會由于 強烈攪拌 將 氣體或表面金屬氧化物卷入金屬熔體中 ； 同時 當顆粒與金屬基體 濕潤性差 時，顆粒難以與金屬基體復合，而且顆粒 在金屬基體中 由于比重關系而難以得到均勻分布，影響復合材料性能。 96 半固態(tài)復合鑄造的原理 ① 是將 金屬熔體的溫度 控制在 液相線與固相線 之間，通過攪拌使部分 樹枝狀結晶體 破碎成 固相顆粒 ，熔體中的固相顆粒是一種 非枝晶結鉤 ，可以防止 半固態(tài)熔體粘度的增加 。 97 ② 當加入 預熱后的 增強顆粒 時，因熔體中含有一定量的 固相金屬顆粒 ，在攪拌中 增強顆粒受阻 而滯留在半 固態(tài)金屬熔體 中，增強顆粒不會 結集和偏聚 而得到一定的分散。 ③ 同時強烈的 機械攪拌 也使 增強顆粒與金屬熔體 直接接觸， 促進潤濕 。 98 主要控制工藝參數(shù) ① 金屬基體 熔體的溫度 應使熔體達到30%~50%固態(tài)； ② 攪拌速度 應 不產(chǎn)生湍流 以防止空氣裹入，并使熔體中 枝晶破碎 形成固態(tài)顆粒，降低熔體的粘度，從而有利于增強顆粒的加入。 99 由于澆注時 金屬基復合材料 是 處于半固態(tài) ， 直接澆注成型 或 壓鑄成型 所得的鑄件幾乎 沒有縮孔或孔洞 ， 組織細化和致密 。 100 半固態(tài)復合鑄造 主要應用于 顆粒增強金屬基復合材料 ，因短纖維、晶須在加入時容易 結團或纏結 在一起，雖經(jīng)攪拌也不易分散均勻，因而不易采用此法來制備 短纖維或晶須增強 金屬基復合材料。 101 3) 無壓滲透 工藝過程 如下： ① 是將 增強材料 制成 預制體 ，置于氧化鋁容器內(nèi)。 ② 再將 基體金屬坯料 置于可滲透的 增強材料預制體 上部。 102 ③ 氧化鋁容器 、 預制體 和 基體金屬坯料 均裝入 可通入流動氮氣 的 加熱爐 中。 ④ 通過加熱， 基體金屬熔化 ，并自發(fā)滲透進入網(wǎng)絡狀 增強材料預制體 中。 103 無壓滲透工藝 能較明顯 降低 金屬基復合材料的制造 成本 ，但復合材料的 強度較低 ，而其 剛度 顯著高于基體金屬。 104 例如以 55~60%Al2O3或 SiC預制成 零件的形狀 ，放入同樣形狀的 剛玉陶瓷槽內(nèi) ，將含有 3%~10%Mg的 鋁合金 （基體） 坯料放置在 增強材料預制體 上，在流動的氮氣氣氛下，加熱至 800~1000℃ ， 鋁合金熔化并自發(fā)滲入預制體內(nèi) 。 105 由于 氮氣與鋁合金 發(fā)生反應，在金屬基復合材料的顯微組織中還有 AlN。 控制 氮氣流量 、 溫度 以及 滲透速度 ，可以控制 AIN的生成量 。 106 AIN在 鋁基復合材料 中起到提高復合材料 剛度 ，降低 熱膨脹系數(shù) 的作用。 采用這種方法制備的 Al2O3/Al的剛度是 鋁合金基體 的兩倍，而 SiC/Al的剛度也達到鋼的水平，但強度水平較低。 107 3．噴射沉積 首先，將 基體金屬 在坩堝中熔化后， 在壓力作用下 通過噴咀送入 霧化器 ，在 高速惰性氣體射流 的作用下， 液態(tài)金屬被分散為細小的液滴 ，形成所謂“ 霧化錐 ” ； 108 然后，通過一個或多個 噴咀 向“霧化錐”噴射 入 增強顆粒 ，使之與 金屬霧化液滴 一齊 在基板（收集器）上沉積 ，并快速凝固形成 顆粒增強金屬基復合材料 ，如下圖所示。 109 霧化金屬液滴與顆粒共沉積示意圖 110 噴射沉積法的優(yōu)越性 ① 該 工藝流程短 ， 工序簡單 ，噴射 沉積效率高 ，有利于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 ② 高致密度 ，直接沉積的復合材料密度一般可達到理論的 95%~98%； 111 ③ 屬 快速凝固方法 ，冷速可達 103 ~106 K/s，故金屬 晶粒及組織細化 ，消除了 宏觀偏析 ， 合金成分均勻 ，同時增強材料與金屬液滴接觸時間短， 很少或沒有界面反應 ； 112 ④ 具有 通用性 和 產(chǎn)品多樣性 。該工藝適于 多種金屬材料基體 ，如高、低合金鋼、鋁及鋁合金、高溫合金等。同時可 設計霧化器和收集器的形狀 和一定的機械運動，以直接形成 盤 、 棒 、 管 和 板帶 等接近 零件實際形狀 的復合材料的坯料； 113 4．原位自生成法 在復合材料制造過程中， 增強材料在基體中 生成和生長的方法 稱作原位自生成法。 114 在 金屬基復合材料 制備過程中，往往會遇到兩個問題： 一是增強材料與金屬基體之間的 相容性 （即潤濕性）問題， 二是無論固態(tài)法還是液態(tài)法，增強材料與金屬基體之間的界面都存在 界面反應 。 115 其中， 增強材料與金屬基體 之間的 相容性 往往影響金屬基復合材料 在高溫制備和高溫應用中的 性能 和 性能穩(wěn)定性 。 如果 增強材料 （纖維、顆粒或晶須）能 從金屬基體中 直接 （即原位） 生成 ，則上述兩個問題就可以得到較好的解決。 116 以 原位自生成法 制造的金屬基復合材料中，基體與增強材料間的 相容性好 ， 界面干凈 ， 結合牢固 。 特別當 增強材料與基體之間 有 共格 或 半共格 關系時，能非常 有效地傳遞應力 ；而且， 界面上不生成有害的反應產(chǎn)物 ，因此這種復合材料有較優(yōu)異的力學性能。 117 原位自生成 有三種方法 1) 共晶合金 定向凝固法 2) 直接 金屬氧化法 （ DIMOXTM） 3) 反應 自生成法 （ XDTM） 118 1) 共晶合金定向凝固法 增強材料 以共晶的形式 從基體中 凝固析出，通過控制 冷凝方向 ，在基體中生長出 排列整齊的 類似纖維的 條狀或片層狀 共晶增強材料 。 以這種方式生產(chǎn)的 鎳基 、 鈷基 定向凝固共晶復合材料 已得到應用。 119 定向凝固共晶 復合材料的 原位生長 必須滿足三個條件： ① 有 溫度梯度 （ GL）的加熱方式； ② 滿足 平面凝固條件 ； ③ 兩相的 成核和生長 要 協(xié)調(diào)進行 。 120 LELLDCCmRG )( 0?? 二元共晶材料的 平面凝固條件 是： 其中， C0為合金成份； GL為液相溫度梯度； R為凝固速度； mL為液相線斜率； CE為共晶成份； DL為溶質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)。 121 定向凝固共晶 復合材料的組織 是 層片狀 還是 棒狀 （纖維狀）取決于共晶中 含量較少的組元的體積分數(shù) Xf。 在二元共晶中，當 Xf 32 %時呈纖維狀，當 Xf 32 %時為層片狀。 122 定向凝固 共晶復合材料 主要應用于 航空透平機葉片 ，有 三元共晶合金 AlNiNb，它所形成的 α和 β相為 Ni3Al和 Ni3Nb； 單變度共晶合金 CCoCr，所形成的 α和β相分別為 (Co,Cr)和 (Cr,Co)7C3。 123 2) 直接金屬氧化法（ DIMOXTM） DIMOXTM是一種可以制備 金屬基復合材料 和 陶瓷基復合材料 的 原位復合工藝 。 DIMOXTM法根據(jù)是否有 預成型體 又可分為 惟一基體法 和 預成型體法 ，兩者原理相同。 124 惟一基體法 的特點 制備 金屬基復合材料的 原材料中 沒有填充物（增強材料預成型體）和增強相 ，只是通過 基體金屬的氧化或氮化 來獲取復合材料。 125 在 惟一基體法 中，例如需制備 Al2O3/Al，則可通過 鋁液的氧化 來獲取 Al2O3增強相。 通常 鋁合金 表面迅速氧化，形成一種內(nèi)聚、結合緊密的 氧化鋁膜 ，這層氧化鋁膜使得氧無法進一步滲透，從而阻止了膜下的鋁進一步氧化。 126 但是在 DIMOXTM工藝中， 熔化溫度 上升到 900~1300℃ ，遠超過鋁的熔點 660℃ 。 通過進一步加入 促進氧化反應的合金元素 Si和 Mg，使熔化金屬 通過顯微通道 滲透到氧化層外邊 ，并順序氧化，即鋁被氧化，但 鋁液的滲透通道 未被堵塞。 127 利用 惟一基體法 工藝，可以 根據(jù)氧化程度 來控制 Al2O3的量。 如果這一工藝過程在 所有金屬被氧化之前 停止的話，則所制備的復合材料就是致密互連的 Al2O3陶瓷基復合材料，其中含有 5% ~ 30%的 Al。 128 除了可以 直接氧化 外，還可以 直接氮化 。 通過 DIMOXTM工藝還可以獲得 AlN/Al，ZrN/Al和 TiN/Ti等 金屬基或陶瓷基 復合材料。 129 當 DIMOXTM工藝采用 增強材料預成型體時，由于 增強材料預成型體 是透氣的，金屬基體可以通過 滲透的氧或氮 順序氧（氮）化形成基體。 130 3) 反應自生成法（ XDTM） 這種方法是在近 20年中發(fā)展起來的技術，主要用于制造 金屬間化合物 復合材料。 131 在反應自生成法中， 增強材料 是由 加入基體中的 相應元素之間的反應， 或者 合金熔體中的 某種組分 與 加入的元素或化合物之間反應 生成的。 132 在 XDTM工藝中，可以根據(jù) 所選擇的原位生成的 增強相的類別或形態(tài) ，選擇 基體和增強相生成所需的 原材料 ，如一定粒度的金屬粉末，硼或碳粉，按一定比例（反應要求）混合。 133 XDTM工藝原理示意圖 134 當這種混合物制成 預制體 ，加熱到 金屬熔點以上 或者 自蔓延的反應發(fā)生的溫度時， 混合物的組成元素進行放熱反應 ，用以生成 在基體中彌漫的 微觀增強顆粒 、 晶須 和 片晶 等增強相。 135 XDTM工藝的 關鍵技術 是可以生成一種 韌相 ，它屬于專利技術。 例如，一定粒度的鋁粉、鈦粉和硼粉以一定比例 混合成型 ，加熱后反應生成TiB2，進而形成 TiB2增強的鋁基復合材料。 Al + Ti + B → TiB 2 + Al 136 XDTM法不僅可以用 粉末反應 生成復合材料，也可以 在熔融的合金中 導入 參加反應的粉末或氣體 而生成復合材料。 如在熔融的 AlTi合金中導入 載碳氣體 ，反應生成 TiC，進而形成 TiC增強鋁基復合材料。 Al + Ti + C → TiC + Al 137 XDTM工藝特點 ① 增強相是 原位形成 ，具有 熱穩(wěn)定性 ； ② 增強相的 類型、形態(tài) 可以 選擇和設計 ； ③ 各種 金屬或金屬間化合物 均可作為基體； ④ 復合材料可以采用 傳統(tǒng)金屬加工方法進行二次加工 。 138 XDTM材料包括 Al、 Ti、 Fe、 Cu、