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金屬基復合材料（Metal Matrix Composite， MMC）作為復合材料研究的一個重要代表，是從20世紀60年代初發展起來的。國外在研制硼纖維的基礎上首先發展了硼/鋁復合材料，并取得了成功。另外，由于價格較低的碳纖維迅速發展，至20世紀70年代中期研究工作主要集中于碳纖維增強鋁。近年來，由于金屬基復合材料及其增強體的研究不斷深入及擴大，出現了碳化硅單絲粗纖維、束絲纖維、晶須、顆粒和氧化鋁長纖維、短纖維等增強多種金屬基復合材料。

金屬基復合材料除力學性能優異外，還具有某些特殊性能和良好的綜合性能，應用范圍廣泛。依據基體合金的種類可分為：輕金屬基復合材料、高熔點金屬基復合材料、金屬間化合物基復合材料。按增強相形態的不同可劃分為：連續纖維增強金屬基復合材料、短纖維增強金屬基復合材料、晶須增強金屬基復合材料、顆粒增強金屬基復合材料、混雜增強金屬復合材料[1]。

作為金屬基復合材料的基體有鋁基、鎂基、銅基、鐵基、鈦基、鎳基、高溫合金基、金屬間化合物及難熔金屬基等, 目前, 國內外學者研究的金屬基復合材料基體主要集中在鋁和鎂兩個合金系上。用其制成的各種高比強度、高比模量的輕型結構件廣泛地應用于航天、航空和汽車工業等領域。鋁基復合材料具有輕質、高強、高韌性、導熱性較好的性能特點 ， 且鋁基復合材料適用的制備方法多，易于塑性加工，制造成本低。與鋁基復合材料相比 ， 鎂基復合材料最大的優點是質量更輕，多用于航天、空間等對構件質量有嚴格要求的高技術領域。

增強體的選擇要求與復合材料基體結合時的潤濕性較好, 并且增強體的物理、化學相容性好, 載荷承受能力強, 盡量避免增強體與基體合金之間產生界面反應等。金屬基復合材料的增強體是一些不同幾何形狀的金屬或非金屬材料。目前，其增強相已有很多，重要的有氧化鋁纖維、硼纖維、石墨(碳)纖維、SiC 纖維、SiC 晶須；顆粒型的有SiC、碳化硼、釷化鈦等 ， 絲狀的有鎢、鈹、硼、鋼等。

連續纖維增強金屬基復合材料

纖維增強金屬基復合材料是利用無機纖維(或晶須)及金屬細線等增強金屬得到質量輕且強度高的材料，纖維直徑從3～150μm(晶須直徑小于1μm)，縱橫比(長度／直徑)在102以上 。 在現有的各種類型增強體中，高性能連續纖維具有最明顯的增強效果和更高的強度及剛度 。但連續纖維增強復合材料的復合和加工工藝獨特、復雜、不易掌握和控制，因此該類復合材料的制造成本很高。連續纖維增強金屬基復合材料主要用于較少考慮成本的航天、航空等尖端技術領域。

短纖維增強金屬基復合材料

作為金屬基復合材料增強體的短纖可分為天然纖維制品和短切纖維。天然纖維主要是一些植物纖維和菌類纖維素等，長度一般為35～150mm；短切纖維一般是由連續纖維(長纖維 )切割而成，長度1～50mm，用于金屬基復合材料短纖維增強體的材料主要有Saffil-Al2O3、Al2O3-SiO2、SiC 等。與基體合金相比，短纖維增強金屬基復合材料具有較高的比強度、比剛度和高耐磨性，其各向異性要遠遠小于連續纖維增強復合材料。主要用于汽車行業、電力行業等。

晶須增強金屬基復合材料

晶須是指在特定條件下以單晶的形式生長而成的一種高純度纖維。作為金屬基復合材料的增強體使用的晶須使用最多、性能較好的是SiC、SiN4晶須，成本最低的是Al2O3·B2O3晶須。與連續纖維增強金屬基復合材料相比，其各向異性極小；與短纖維增強復合材料相比，晶須增強復合材料的性能更高。主要用于航空航天等高新技術領域，如飛機架構、推桿加強筋等。

顆粒增強金屬基復合材料

顆粒增強金屬基復合材料是利用顆粒自身的強度，其基體起著把顆粒組合在一起的作用 ， 顆粒平均直徑在1μm以上，強化相的容積比可達90％。常用作金屬基復合材料增強體的顆粒主要有：SiC、Al2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4等陶瓷顆粒，以及石墨顆粒、甚至金屬顆粒。顆粒增強金屬基復合材料是各向同性、顆粒價格最低、來源最廣、復合制備工藝多樣、最易成形和加工的復合材料。顆粒增強金屬基復合材料的使用范圍最廣，不僅包括航空、航天及尖端軍事領域，還適用于交通運輸工具、微電子、核工業等商業應用。

金屬基復合材料的復合制備工藝復雜、技術難度較大，但制備技術研究是決定該類材料迅速發展和廣泛應用的關鍵問題。所以，研究開發實用有效的制備方法一直是金屬基復合材料的重要問題之一。目前，雖然已經研制出不少復合工藝，但都存在一些問題。按照制備過程中基體的溫度，將其工藝分為液相工藝、固相工藝和其他工藝。如下圖為金屬基復合材料的制備工藝[2]。

鎂基和鋁基復合材料是目前研究最多的金屬基復合材料，鎂基和鋁基的熔點相近，因此這兩種材料的制備方法和工藝相似。顆粒、晶須、纖維增強鎂基和鋁基復合材料的制備方法主要有粉末冶金法、攪拌鑄造法、擠壓鑄造法和原位合成法。

粉末冶金法是最早用來制備金屬基復合材料的一種固態制備法，可以制備復合材料坯錠以供擠壓、軋制、鍛壓和旋壓而最終成形，又可以直接近終成形形狀復雜的復合材料零件 。 粉末冶金是將基體合金的粉末和增強材料均勻混合，經壓制后在燒結即可。制備的步驟可以分為：粉末篩分；粉末與增強材料混合；將增強材料與基體合金粉末的混合體壓制；除氣；最終擠壓、鍛造、軋制或者其他加熱加工工藝使之團結。其中，混粉、壓實、燒結三步驟對復合材料的微觀組織和性能有很大的影響。粉末冶金法適用于制備各種顆粒或晶須增強的金屬基復合材料[3]。

一、混粉

一般混粉的方式有普通干混、球磨及濕混。在這三種混粉方式中，普通干混及濕混容易出現增強體分布不均勻及大量的團聚、分層等現象，通常較為常用且有效的是球磨。

二、粉末預壓

在混粉結束后，即進行粉末預壓處理。粉末預壓成形方法主要有冷壓和冷等靜壓。相比之下，冷壓是最為經濟、常用的粉末預壓成坯法。由于粉末生坯在加熱過程中將釋放大量的水蒸氣、氫氣、二氧化碳和一氧化碳氣體，所以生坯在熱加工前應經過除氣處理，避免制品中出現氣泡和裂紋；除氣溫度一般應等于或者稍高于隨后的熱壓、熱加工變形和熱處理溫度，以避免壓塊中殘存的水和氣體造成材料中產生氣泡和分層。

三、固化

在粉末除氣后，對其進行致密化處理，即燒結、熱壓、熱等靜壓及熱擠壓松散的粉末或預壓的粉末。熱擠壓工藝在確保低成本和高生產率的情況下，通過單軸冷擠壓成坯，經過除氣后，以一定速率升至一定的溫度，并按照一定的擠壓比進行熱擠壓，再進行后期的熱處理，得到最終的材料。這種將粉末冶金與后續致密化處理（如擠壓、軋制等）結合起來的粉末成形工藝，使粉末能夠在短時高溫、高壓作用下發生塑性變形，進而實現粉末顆粒間的結合。相比高成本的熱等靜壓工藝，粉末熱擠壓工藝綜合優勢更為明顯，可直接得到物理和力學性能優異的材料。

粉末冶金工藝的主要設備

1. 球磨機：球磨機是物料被破碎之后，再進行粉碎的關鍵設備。球磨機是工業生產中廣泛使用的高細磨機械之一，其種類有很多，如管式球磨機，棒式球磨機，水泥球磨機，超細層壓磨機。球磨機適用于粉磨各種礦石及其它物料，被廣泛用于選礦，建材及化工等行業，可分為干式和濕式兩種磨礦方式。

2. 冷等靜壓機：冷等靜壓機是將裝入密封、彈性模具中的物料，置于盛裝液體或氣體的容器中，用液體或氣體對其施 加以一定的壓力，將物料壓制成實體，得到原始形狀坯體 。壓力釋放后，將模具從容器內取出，脫模后，根據需要將坯體作進一步的整形處理。

3. 冷擠壓機：冷擠壓壓力機主要用于在室溫條件下對鋼或有色金屬材料進行擠壓、壓印箐體積變形的沖壓工藝。

4. 熱等靜壓：熱等靜壓機是利用熱等靜壓技術在高溫高壓密封容器中，以高壓氬氣為介質，對其中的粉末或待壓實的燒結坯料(或零件)施加各向均等靜壓力，形成高致密度坯料(或零件)的方法的儀器設備。

粉末冶金工藝的優點是：

1. 制備溫度較低，減少了基體與增強相之間的界面反應，減少了界面上硬質化合物的生成，具有良好的機械性能；

2. 增強體的體積分數可以任意改變，且可以制的高體積分數的復合材料；

3. 增強體在基體中的分布相對較為均勻，有利于機械性能的提高。

粉末冶金工藝的缺點是：

1. 工藝設備復雜，成本較高；

2. 僅限于制作鍛壓件，不易制造形狀復雜的零件，所以許多粉末冶金零件仍需要加工成型；

3. 生產過程中存在粉末燃燒、爆炸等危險；

4. 一般都存在內部組織不均勻性。

也正是由于其缺點，粉末冶金法沒有實現大規模的產業化生產。

攪拌鑄造工藝是在1968年由S.Ray開發出來一種制備金屬基復合材料的方法，是通過機械攪拌裝置使顆粒增強體與液態金屬基體混合，然后通過常壓鑄造或者真空常壓鑄造或壓力鑄造制成復合材料錠子或零件。其工藝原理是：利用高速旋轉的攪拌器槳葉攪動金屬熔體 ，使其因劇烈流動而形成以攪拌旋轉軸為中心的漩渦，將增強材料投放到漩渦中，依靠漩渦的負壓抽吸作用讓增強材料進入金屬熔體，經過一段時間的攪拌，是增強材料的均勻分布于熔體中。下圖為流程圖[4]。

根據鑄造時基體金屬形態的不同分為液態攪拌鑄造（即在液態金屬中加入增強相，攪拌一定時間后進行澆注）、半固態攪拌鑄造（在半固態金屬熔體中加入增強相，攪拌一定時間后進行澆注）和攪熔鑄造（在半固態金屬中加入增強相，攪拌一定時間后升溫至基體合金液相線溫度以上，在攪拌一定時間后進行澆注）三種。

在液態下，熔體的表觀粘度在一定溫度下保持不變，屬于牛頓流體;而當在處于半固態時，熔體的表觀粘度在一定溫度時隨著攪拌速度和時間變化而變化，屬于非牛頓流體。在不同攪拌溫度下，流體類型和剪切力的變化規律不同，因此攪拌溫度不同對顆粒的攪拌效果不同，進而影響到顆粒的潤濕和分布狀況。在半固態攪拌時，由于有部分固相的小顆粒存在，這些固相顆粒在攪拌過程中將對增強體產生碰撞和摩擦，對增強體的表面起到了清洗的作用，有利于增強體和基體之間的潤濕和結合，而在液態區間攪拌沒有這種效果。

攪拌器的選擇

攪拌是攪拌鑄造最主要的影響參數。因此攪拌器的選擇尤為重要。攪拌器的類型和位置攪拌器的類型和位置能夠直接影響到攪拌的效果。在相同的攪拌速度下，不同的類型攪拌器將產生不同的渦流強度和剪切速率以及不同形狀的流型，進而影響到顆粒在熔體中的分散效率和吸入氣體夾雜的程度。攪拌器還能夠影響在軸向方向的次流速度，這對顆粒分布也有重要影響。另外，攪拌器的攪拌葉片數和采用攪拌器的數量對攪拌效果有重要影響。攪拌器的葉片數量不同，將導致不同的剪切速率。攪拌器數量會影響到攪拌過程中流體的流型，進而影響顆粒的分布。而且還要根據坩堝直徑與合金液體的高度比例來確定采用多攪拌器還是單攪拌器。

攪拌復合工藝最大的優點在于采用常規的熔煉設備，成本低廉，可以制備精密復雜零件 ， 是最適宜商業化生產的制備方法之一。但仍存在一些問題有待解決，如：鑄造缺陷(氣體 、 夾雜物的混入)，顆粒分布不均勻，另外，復合需要較長時間和較高溫度，基體金屬與顆粒之間易發生截面反應，顆粒的增加會使金屬熔體的粘度增大，使顆粒再混入變形區，增強體的體積分數一般不超過25％。

擠壓鑄造法是通過壓機將液態金屬強行壓入增強材料的預制件中以制備復合材料的一種方法。其過程是先將增強材料制成一定形狀的預制件，經干燥預熱后放入模具中，澆注入熔融金屬，用壓頭加壓，液態金屬在壓力下浸滲入預制件中，并在壓力下凝固，制成接近最終形狀和尺寸的零件，或供用塑性成形法二次加工的錠坯。擠壓鑄造工藝制備金屬基復合材料主要分為兩個階段，預制體制備階段和基體合金浸滲階段。要制備出高性能的金屬基復合材料，首先必須制備出高品質的預制體，其次采用適當的浸滲條件。

增強材料預制體的制備方法有兩種：干法和濕法，較為常用的是濕法。濕法的工藝過程有增強材料浸泡和分散、添加粘接劑、增強材料過濾、模壓成型、烘干處理、高溫燒結等階段。高質量的預制體是擠壓鑄造工藝制備金屬基復合材料的先決條件。預制體中出現任何缺陷，如裂紋、纖維纏結、纖維折斷以及纖維分布不均勻，都會影響基體合金的浸滲，而且在后續的二次加工中也難以消除。此外，為使預制體在壓鑄過程中能夠承受較大的壓力而不發生變形和開裂，預制體制備時必須加入粘結劑，以增加其強度[5]。

粘結劑的種類和含量都對預制件的性能有很大的影響。因此選擇合適的粘合劑種類及含量對提高復合材料性能具有重要的現實意義。粘合劑通常為含量在3%~5%范圍內含二氧化硅的硅膠粘結劑或硅膠粘結劑+有機膠混合粘結劑。對大多數復合材料體系都十分實用，但是對于鎂基復合材料而言，由于Mg可能會和硅熔粘結劑中的有效成分二氧化硅發生反應，所以鎂基復合材料一般使用偏磷酸鋁粘結劑。

擠壓鑄造法特點:可以制備出增強相非常高體積分數(40%～50%)的金屬基復合材料, 由于在高壓下凝固, 既改善了金屬熔體的浸潤性, 又消除了氣孔等缺陷,因此, 擠壓鑄造法是制造金屬基復合材料質量較好,可以一次成型。擠壓加工有助于提高SiC顆粒分布的均勻性, 擠壓棒料中的SiC顆粒在擠壓方向上定向、有序排列;擠壓加工可以消除SiC/Al復合材料中的疏松、氣孔等缺陷, 大幅度提高復合材料的強度和塑性。然而, 在制備金屬基復合材料時, 應該適當地控制擠壓力地大小, 擠壓力過大會引起金屬熔體產生湍流, 產生內部氣泡和基體氧化。也會破壞復合材料地增強相, 降低其力學性能。擠壓鑄造法的不足之處主要受到大體積產品的形狀和尺寸的影響, 因而,針對大體積的零件擠壓鑄造法適應性不高。

擠壓鑄造設備：擠壓壓鑄機

由于傳統壓鑄機有全液壓式和曲肘式兩種不同的機型，在進行傳統普通壓鑄時沒有分別 ， 但如果用作擠壓壓鑄時就不同了。擠壓壓鑄與普通壓鑄的分別在于，鑄件在充型之后，擠壓壓鑄增加了一個主缸動力向前推進進行補縮的工步，而普通壓鑄則只是自然冷卻，沒有補縮的工步。擠壓壓鑄的擠壓補縮比壓約為普通壓鑄壓射比壓的5-10倍。以擠壓壓鑄的擠壓比壓衡量，現時除了用四柱油壓機改造的立式開模澆注擠壓鑄造機符合擠壓鑄造主體技術指標外，其余裝置實現的，還只是屬于傳統壓鑄所屬工藝范圍，還不是真正意義上的擠壓鑄造。而擠壓壓鑄的主體技術特征，是體現“普通壓鑄充型，擠壓鑄造補縮”原理，它是利用現有壓鑄機完善的壓射系統進行充型，同時又盡限度避開金屬液相充型時帕斯卡定律對充型條件的制約。

原位生成法指增強材料在復合材料制造過程中, 在基體中自己生成和生長的方法。增強材料以共晶的形式從基體中凝固析出, 也可與加入的相應元素發生反應、或者合金熔體中的某種組分與加入的元素或化合物之間的反應生成。前者得到定向凝固共晶復合材料, 后者得到反應自生成復合材料。常見原位合成技術主要方法有: 自蔓延高溫合成法 、放熱彌散法、直接反應合成法 、反應自發浸滲法 、重熔稀釋法等[6]。

原位生成復合材料的特點:增強體是從金屬基體中原位形核、長大的熱力學穩定相, 因此, 增強體表面無污染, 界面結合強度高。而且, 原位反應產生的增強相顆粒尺寸細小、分布均勻, 基體與增強材料間相容性好, 界面潤濕性好, 不生成有害的反應物, 不須對增強體進行合成 、預處理和加入等工序,因此, 采用該技術制備的復合材料的綜合性能比較高, 生產工藝簡單, 成本較低。從液態金屬基體中原位形成增強體的工藝, 可用鑄造方法制備形狀復雜、尺寸較大的凈近成形零件。

除了上述方法外，金屬基復合材料的制備方法還有很多如噴射成型法、機械合金化法等。當前雖然金屬基復合材料的制備工藝及理論研究發展很快, 但仍處在研究階段, 還未進入批量生產,少量產品雖有制品, 但距離實際應用還有一段距離。金屬基復合材料在提高強度、硬度、彈性模量的同時, 卻大大地降低了其塑性, 不利于對復合材料二次塑性加工。但隨著半固態成形技術和理論不斷成熟與發展。為金屬基復合材料的半固態成形開拓了新的發展方向。

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