【文章內(nèi)容簡介】 的輕金屬基復合材料，是宇航、兵器、汽車和電子等高新技術(shù)行業(yè)的理想材料。構(gòu)成鎂基復合材料的基體合金主要分為鑄造和變形系列。側(cè)重鑄造性能一般選擇Mg—Al、Mg—Zn、Mg—Al—Zn等體系；側(cè)重擠壓變形性能則采用Mg—Mn、Mg—Al—Zn、Mg—Zn—Zr、Mg—RE等。增強體主要有C纖維、Ti纖維、B纖維、Al2O3顆粒、SiC晶須和顆粒、B4C顆粒等。鎂基復合材料選擇增強體的要求與其他復合材料大致相同，都要求物理、化學相容性好，潤濕性良好，載荷承受能力強，盡量避免增強體與基體合金之間的界面反應(yīng)等。由于鎂具有熔點比較低、化學活性高、易氧化等特點，常規(guī)的許多金屬基復合材料的制備工藝都無法直接應(yīng)用于鎂基復合材料。采取適當?shù)墓に嚧胧┦诡w粒在基體內(nèi)分布均勻, 減少顆粒間的團聚, 以改善材料受載時內(nèi)部的應(yīng)力分布, 是保證鎂基復合材料具有良好性能的關(guān)鍵因素。目前鎂基復合材料的制備方法可分為外加法和原位自生法兩種。外加顆粒法制備鎂基復合材料的優(yōu)點是工藝簡單，但易造成顆粒表面的污染，基體和顆粒表面潤濕困難，導致界面強度的降低。原位合成有著增強相細小、分布均勻、界面無污染、結(jié)合良好的優(yōu)點，材料性能優(yōu)越[5]。 鈦基復合材料鈦與鈦合金是一種物理性能優(yōu)良、化學性能穩(wěn)定的材料，具有強度高、相對密度小、耐海水和海洋氣氛腐蝕等許多優(yōu)異的特性。但其彈性模量和耐磨性低，在600℃以上其強度和蠕變抗力急劇下降。而且通過傳統(tǒng)的合金化方法已無法滿足對高溫和蠕變性能的要求。與基材相比，鈦基復合材料的強度及硬度大幅度提高, 且具有良好的高溫強度、優(yōu)異的蠕變性能、高周疲勞性能、抗蠕變性能以及優(yōu)異耐腐蝕性能。在航空航天、軍工、醫(yī)療和汽車等領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用前景，并被譽為超高音速宇航飛行器和下一代先進航空發(fā)動機的黃金材料。鈦基復合材料的增強體主要有TiC、TiB SiC、B4C、TiB等，此類復合材料具有各相同性、制備簡單、易加工成型、成本較低等特點，近年來發(fā)展迅速。鈦基復合材料比鋁基復合材料有更高的耐熱、耐蝕等特性，但其成本也明顯提高，因此應(yīng)用主要集中于航空航天、高端汽車、醫(yī)療材料等附加值高的領(lǐng)域，如：荷蘭皇家空軍將纖維增強鈦基復合材料用于F16主起落架下部的后撐桿；Toyota公司已在旗下汽車使用鈦合金復合材料制造的閥門；美國Dynamet公司制造的人體骨替代材料和飛機發(fā)動機部件已商業(yè)化。此外，鎳基、銅基、鐵基、高溫合金基等復合材料也是目前材料學界的研究熱點，并已在各自領(lǐng)域內(nèi)得到了相應(yīng)的應(yīng)用驗證。3 金屬基復合材料的制造依據(jù)增強體的加入方式，金屬基復合材料的制備方法可分為外加法和原位反應(yīng)法。外加法是以粉體混合、熔融金屬中添加陶瓷顆粒等物理方式達到基體和增強相相容，再通過燒結(jié)、鑄造、壓力加工等后續(xù)工藝制備成品，常用的外加法主要有粉末冶金法、噴射沉積法、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法等。原位反應(yīng)法同外加法的區(qū)別在于增強體不是額外加入，而是通過添加原料與基體、添加原料之間發(fā)生反應(yīng)生成，并原位析出。目前報道的原位合成法主要有：放熱彌散法、氣液反應(yīng)合成法、自蔓延燃燒反應(yīng)法和反應(yīng)噴射沉積等。各類制備技術(shù)在工藝和材料性能方面各有優(yōu)缺點，增強體和基材的復合技術(shù)目前仍是制約金屬基復合材料應(yīng)用的重要因素，也是各國材料學者的研究熱點。 原位反應(yīng)自生法原位反應(yīng)自生法分為固態(tài)自生法和液態(tài)自生法。其基本原理是：把預(yù)期反應(yīng)生成增強相的兩種或多種組分粉末與基體金屬混合均勻，或者在熔融基體中加入能反應(yīng)生成預(yù)期增強相的元素或者化合物，在一定溫度下，元素之間發(fā)生放熱反應(yīng)，在基體的熔液中生成并析出細小、彌散的增強相。增強相的含量可以通過反應(yīng)元素的加入量來控制。反應(yīng)生成的增強相種類繁復，Al2OTiC、SiC、TiN等常用陶瓷顆粒均可通過反應(yīng)制備。原位法制備金屬基復合材料其增強顆粒與基體的相容性好，避免了外加增強顆粒的污染以及顆粒與基體的界面之間的化學反應(yīng)問題，增強顆粒熱力學穩(wěn)定，高溫工作時性能不易退化，此外原位反應(yīng)生成的增強相細小彌散，均勻性好，性能優(yōu)異。但原位法生成的相比較復雜、不易控制。 粉末冶金法粉末冶金法是最早開發(fā)用于制備金屬基復合材料的工藝。同常規(guī)粉末冶金相同，其工藝包括增強體和基體的粉體制備、前處理（包括烘干、清洗）、均勻混合、壓坯、熱成型等步驟。制備工藝中每一步都決定了復合材料界面結(jié)合狀況，從而對最終材料的性能產(chǎn)生重要影響。在粉末冶金工藝中粉體混合的均勻性至關(guān)重要。由于粉體顆粒細小，表面帶有電荷，混合時產(chǎn)生的增強體顆粒團聚在后續(xù)擠壓過程中難以有效進行分散。為實現(xiàn)增強體的均勻分布，一些高能高速的工藝手段，如機械合金化工藝被引入其中，通過高能球磨實現(xiàn)部分或全部的固態(tài)合金化轉(zhuǎn)變，同時使得增強相均勻分布在基體合金之中。粉末冶金制備復合材料的優(yōu)點很突出：（1）基體和增強體基本不受限制，可選擇不同的增強體種類、尺寸、數(shù)量，甚至多種增強體共同強化；（2）基體金屬與強化顆粒之間不易發(fā)生反應(yīng)；（3）工藝簡單易操作。但其缺點也很明顯：尺寸受限，復雜型腔難以制備，成本高，界面難以融合，成品致密性差等。 噴射沉積法噴射沉積法是將基體金屬熔化后通過導液管流入噴槍，再用惰性氣體將其霧化，在噴射途中與另一路由惰性氣體送出的增強微細顆粒會合，共同沉積在有水冷襯底的平臺上，凝固成復合材料。根據(jù)沉積坯形狀和冷卻速度的要求，霧化器和襯底的移動受計算機控制，保持基體的下降速率與沉積坯長大速率一致，經(jīng)過霧化液流的多次往返掃描沉積，最終成形為坯件。噴射沉積法制備金屬基復合材料工藝簡單快速，可以避免成分偏析和界面反應(yīng)，增強體的加入依靠計算機實時控制，分布均勻。但是這種方法制備的坯料中氣孔和疏松多，凝固的霧化顆粒、沉積層之間不能完全冶金結(jié)合，因此后續(xù)必須進行熱擠壓、熱軋、熱壓實等二次加工，對其進行有效的熱致密化加工。 攪拌鑄造法攪拌鑄造法也叫摻和鑄造，是利用機械猛烈攪拌使液態(tài)的合金形成渦流，同時將增強體顆粒加入，并使顆粒均勻分布在基體中，然后使其快速凝固即可制得顆粒增強復合材料。根據(jù)鑄造時加熱溫度可以分為全液態(tài)攪拌鑄造、半固態(tài)攪拌鑄造和攪熔鑄造。攪拌鑄造法工藝簡單、成本低，對產(chǎn)品的尺寸、形狀限制較低，可以生產(chǎn)大體積的復合材料，但加入的增強相體積分數(shù)一般不超過20%，且易造成增強顆粒分布的不均勻。 擠壓鑄造法擠壓鑄造法是目前制備非連續(xù)增強金屬基復合材料最成功的工藝。它是通過鑄造機將液態(tài)金屬強行壓入增強材料預(yù)制件中以制造復合材料的一種方法。擠壓鑄造法是將增強體制成預(yù)成型體，干燥預(yù)熱后，再澆入金屬熔體并將模具壓下并加壓，液態(tài)金屬在壓力下浸滲入預(yù)制件中，并在壓力下凝固，制成接近最終形狀和尺寸的零件。擠壓鑄造法具有成本低、工藝簡單、增強體體積分數(shù)可調(diào)范圍大、可以制備近凈成型產(chǎn)品的優(yōu)點。另外，由于基體合金在高壓下浸滲和凝固，可以大大改善增強體和基體合金的結(jié)合狀況，減少鑄造缺陷，提高材料的致密度，從而改善復合材料的機械性能。但擠壓鑄造法受產(chǎn)品形狀和尺寸的影響，對大體積零件的適應(yīng)性不高，而且對模具和設(shè)備要求較高，預(yù)制件的制備技術(shù)直接影響到增強體顆粒在基體合金內(nèi)的分布情況，繼而對復合材料力學性能產(chǎn)生影響，同時擠壓壓力會損害預(yù)制件的完整性，使得其應(yīng)用受到一定的限制。另外，金屬基復合材料的制備工藝還有自蔓延高溫合成法、快速凝固法、混合鹽反應(yīng)法、燃燒輔助鑄造、直接還原技術(shù)、懸浮澆注法等[6]。4 金屬基復合材料研究現(xiàn)狀 金屬基復合材料的基本研究情況金屬基復合材料研究、開發(fā)的基礎(chǔ)是金屬材料。輕金屬鋁