探讨颗粒增强金属基复合材料制备工艺
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作者: 陈子凌
【摘要】本文主要分析了颗粒增强金属基复合材料制备工艺，阐述了在当前形势下，加强金属基复合材料制备工艺的重要性，针对目前制备金属基复合材料中存在的问题进行研究。笔者通过研究，总结和归纳自身多年工作经验，提出一些加强制备金属基复合材料的对策。希望通过本文的分析能帮助相关材料研究单位提高金属基复合材料制备工艺水平和质量，能更好地应对工作中存在的问题。
【关键词】金属基复合材料；制备工艺；问题
制备金属基复合材料是一项十分复杂且重要的工作，制备工艺包括很多方面，而颗粒增强金属基复合材料作为整个制备工艺中最重要的一种方法，其制备工艺水平和质量将直接影响着整个金属基复合材料制备工艺的质量，关系着后期复合材料的使用周期和使用寿命，甚至会影响机械性能。因此，探讨、分析颗粒增强金属基复合材料制备工艺具有重要的作用和意义，只有材料研究工作人员重视工作、研究工作中颗粒在金属基复合材料制备中的应用，最终，才能提高整个金属基复合材料制备工艺的水平和质量。
一、基体和颗粒增强相的选择
基体和增强相的选择是影响制备金属基复合材料重要因素之一，在制备时，需要两者有良好的湿润性，只有满足相应的要求，才能将其进行良好的结合，促进成品综合性能的提高。
（一）基体的影响
按照基体的不同，将颗粒增强金属基复合材料分为：铜基、钛基、锌基以及铝基等复合材料。通常金属基体必须具备一定的成型性和流动性，只有这样才能将其与增强颗粒进行有效的复合。但是，由于金属基体的熔点高，因此容易发生界面反应和氧化反应，而这些材料很容易对复合材料的制备造成不利影响。
（二）增强颗粒的影响
当前制备金属基复合材料中，我们需要解决的问题主要是如何能够在金属基体中将颗粒增强相均匀分布其中，同时还要保证两者能够良好的结合。本文主要分析的是陶瓷颗粒增强相，选择陶瓷颗粒增强相不仅要考虑颗粒增强相的制备工艺和应用条件，同时，还要考虑成本多少等因素。影响制备工艺的因素主要有两个：颗粒尺寸和颗粒形状。其中颗粒自身的尺寸越小其表面能就越大，因此，颗粒的粘黏性就越大。颗粒的形状为圆形时，颗粒周边的应变分布不仅较为均匀而且应变较小。
（三）润湿性
增强体颗粒和金属基体之间的润湿性，能够起到增强相颗粒进入金属基体、改善复合材料的综合性能以及细化晶粒的作用。如果增强体颗粒和金属基体之间的润湿性没有得到改善，那么上述介绍的作用也就不复存在了。改善两者之间的润湿性可以通过添加合金元素、对增强颗粒表面进行处理等方式。
二、颗粒增强金属基复合材料的制备工艺
颗粒增强金属复合材料发展到现在大约已经有30年，从发展到现在，材料研究人员一直对金属基复合材料的控制界面反应途径、界面反应规律以及高效的制备方法等方面进行了大量的研究，并且取得了很多重要的成果，从而在很大程度上促进了金属基复合材料的发展和应用。颗粒增强金属基复合材料制备方式有很多种，主要如下：
（一）搅拌铸造法
搅拌铸造法主要是在基体金属液中加入适量的增强体，然后通过将搅拌器进行高速旋转从而促使基体金属液相和固相充分混合均匀，待其搅拌均匀后浇入铸造模型中。如何将增强体均匀分布于基体中并且还要良好的与界面结合是该方法中最为关键的环节。搅拌铸造法主要分为两种：一种是真空搅拌铸造法，另一种是非真空搅拌铸造法。
我国部分研究人员在真空搅拌铸造法的基础上成功制备出，诸如20vo%l SiC颗粒增强A356基复合材料等。并且根据浇筑方式、搅拌时间以及真空度等方面通过相应的研究，探讨了通过降低搅拌铸造法制造铝基复合材料的孔隙率的措施。搅拌铸造法具有相当多的优点：设备简单、能够大规模生产以及成本较低等。但是同时也存在一定的缺陷，例如界面反应、均匀分布性、陶瓷颗粒的偏距等问题。除此之外，非真空搅拌铸造过程中，由于会吸入大量的气体，从而导致内部产生气孔。
（二）挤压铸造法
挤压铸造法在制备金属基复合材料中应用的非常广泛，该方法主要是将作为预制块的增强体放入模具中，然后进基体合金溶液浇入模具中，随后在模板上施加相应的压力从而制成成品。复合材料和基体相比，其抗拉强度和弹性模量都有显著的提升。挤压铸造法有以下几个方面的优点：增强相的体积分数范围可以根据需要进行调整、冷却速度快、易于大批量生产、生产周期短等。同时，挤压铸造法中还存在一定的问题：制造形状复杂的制件难度较大等。
（三）半固态搅熔复合法
半固态搅熔复合法主要是通过将处于半固态情况下的金属合金进行搅拌，将金属合金液以及强项颗粒充分的融入金属溶液中，从而达到颗粒增强的目的。我国部分研究人员通过利用该种方法成功制备出了Al2O3/A复合材料等。
（四）熔体浸渗法
熔体浸渗法主要是在直接金属氧化法制备工艺的基础上提出的。熔渗法主要是在相应的温度条件下，将金属或是合金熔体能够自发渗入预制块体中。压力浸渗以及无压浸渗是熔体浸渗的两种方式，压力浸渗主要是金属熔体通过机械装置或者惰性气体产生的压力，将其渗入到预制块中，该方法制备出的金属基复合材料的体积分数可达到50%。无压浸渗主要是指在制备过程中不需要任何的压力，通过大气并结合助渗剂，将合金液体能够渗入到增强粒子之间，从而实现形成复合材料的目的。无压渗透制备出的体积分数要高于压力渗透制备出的体积分数。熔体浸渗法和搅拌铸造法相比，可以制备出的体积分数较大的复合材料。但是，同样也存在一定的缺陷，例如界面反应、晶粒尺寸粗大、预制块的变形等问题。
（五）粉末冶金法
粉末冶金法主要分为以下几个步骤：1、将增强粉末和基体粉末充分混合。2、将其混合后，采取球磨压实。3、采用不同的制备工艺将其在干燥的状态下进行烧结。这三个步骤是影响最后制备的复合材料微观组织和使用性能主要的因素。相关研究表明，已经有研究人员通过对粉末冶金法的应用，成功地制备出了一种纳米SiC颗粒增强铝基复合材料。并通过相关研究实践证实，复合材料和纯铝相比，其布氏硬度整体提高了20%。该方法的主要优点就是所有种类的增强相都可以使用、可以将所有的合金作为基体材料并且还可以制备出大体积分数的复合材料且没有界面反应。但是，该方法同样也存在一定的问题，主要是形状容易受到限制、制备的时间较长、制备工艺相对复杂以及成本耗费量大等。
结束语
综上所述，本文主要分析了颗粒增强金属基复合材料制备工艺。颗粒增强金属基复合材料经过长时间的发展，取得了很多重大成果。该种材料不仅易于二次加工，而且耐磨性强，同时，价格也相对便宜且制备工艺较为简单。笔者希望更多的专业人士能投入到该课题研究中，针对文中存在的不足，提出指正建议，为提高我国颗粒增强金属基复合材料制备工艺的提高做出重要的贡献。
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