【高新金属材料】制备金属基复合材料的新工艺

2022年01月24日 10:5 6734次浏览 来源:   分类: 新材料前沿   作者:

导读:  制备金属基复合材料,研发出了一些新的工艺,如接触反应法CR(Contact Reaction Process)、混合盐反应法LSM(London Scandinavian Metallurgical)、熔体直接反应法DMR(Direct Melt Reaction)等。

制备金属基复合材料,研发出了一些新的工艺,如接触反应法CR(Contact Reaction Process)、混合盐反应法LSM(London Scandinavian Metallurgical)、熔体直接反应法DMR(Direct Melt Reaction)等。

接触反应法CR

CR法是在SHS法、XD法基础上研发出的一种制备金属基复合材料的新工艺,其原理是将基体元素或合金粉和强化元素或合金粉按一定比例混匀后,冷压成有一定致密度的预制块,然后,将其沉浸于一定温度的合金熔体中,反应后在合金熔体中生成微细的(<1μm)强化相,经搅匀静置后即可浇铸成各种铸件,见图1。

常用元素粉末为TiC、B等,化合物粉为Al2O3、TiO2、B2O3等。该法已用于制备Al基、Mg基、Cu基、Ti基、Fe基、Ni基复合材料,强化相有B化物、C化物、N化物等。成功制备的Al-Si/TiC、Al-Cu/TiC和AI/TiB2复合材料,有优异的力学性能。

CR法是一种很有市场前景的制备金属基复合材料的工艺,具有生产成本较低、工艺简单、增强体与基体结合牢靠、可制造各种尺寸和形状复杂工件等优点,但还有一些问题有待解决与完善。

混合盐反应法LSM

LSM法是伦敦斯堪的纳维亚冶金公司为生产铝合金晶粒细化剂生产工艺提出的一种生产复合材料的专利技术,基木原理是:将含有Ti和B的盐如KBF4和K2TiF6混合后,加入高温金属熔体中,盐中的Ti和B在高温作用下就会被金属还原出来而在熔体中反应形成TiB2增强相,扒渣后即可浇铸成形,获得TiB2增强的金属基复合材料(图2)。

伍德(Wood)向Al-7Si-0.3Mg合金熔体中加入KBF4和K2TiF6,在铸造的工件中含有分布均匀的原位TiB2增强粒子,尺寸为0.5μm~2μm,体积分数为4%~8%。制备的TiB2/Al复合材料与外加等量的SiC/Al复合材料相比,具有更高的力学性能和抗磨性能。戴维斯(Davis)等的研究称:9%TiB2/2021及8%TiB2/A356复合材料的抗拉强度、屈服强度和弹性模量均高于基体铝合金2021和A356的,但伸长率均低于基体合金的。陈子勇等人采用K2TiF6和KBF4混合盐反应法制得了TiB2/(Al-4.5Cu)复合材料,且当混合盐质量为基体的20%时,复合材料的综合性能最好,抗拉强度352MPa、伸长率4.4%、布氏硬度146。赵芳欣等制备的LSM TiB2/AlSi7复合材料在TiB2为5%时,可在材料中生成稳定且均匀分布的TiB2粒子,未发现Al3Ti等相,材料的弹性模量由72.3GPa上升至96.8GPa,TiB2质点对林料的热处理组织和性能无明显影响。

LSM法的基本优点:工艺简单,周期短,不用真空,不需要隋气系统,也不需要球磨制粉与压坯;可直接浇铸成形,易于批量生产和推广应用;原材料丰富且价格合理。当然,也有一些不足之处:生成的TiB2常被盐膜包覆,削弱它的增强效果;制备过程中有大量气体逸出,应有良好的通风系统;不可能制备高体积分数的增强相;形成的渣较多,不易清除,对坩埚和工具有较严重的腐蚀。

熔体直接反应法DMR

DMR法又称熔体反应法,是CR法与LSM法的综合体。它的基本原理:将含有增加相颗粒形成元素的固体粒子或粉体在特定温度加于铝合金熔体中,搅拌使反应充分进行,以制备内生质点增强的复合材料,与其他工艺相比,其特点:以现有的铝合金的熔炼工艺为基础,在熔体中直接形成增强相,可以直接铸成所需的铸件,因而工艺简单、工期短、成本低、易推广;易控制增强相粒子大小及其分布,并可在较大范围内调控其数量,可同时获得高强度与韧性的产品。

纳卡塔(Nakata)等人采用该法制成了TiCp/Al复合材料,他们用的原料为含稳定碳化物形成元素的Al-Ti合金锭和不稳定碳化物SiC或Al4C3颗粒。首先在Ar气保护下将MgO坩埚中的Al-Ti合金熔化,并升温至1200℃,加入经过干操的SiC或Al4C3粒,搅拌使其充分反应,形成大量TiC粒子,铸入金属型,制得TiCp/Al复合材料。TiC颗粒细小,接近于1μm,体积分数约10%。

研究显示,向原位形成的TiCp/Al熔体中添加Mg或Cu,可进一步提高材料的力学强度性能。陈子勇等研究了TiO2和溶剂以质重比1﹕1混合加入铝熔体中的反应温度对凝固组织的影响:在880℃凝固组织中未发现Al3Ti和Al2O3;920℃凝固组织中有很多细小的Al3Ti粒子,弥散分布于基体中;而在950℃凝固的组织中,Al3Ti转变为短棒状。可见,对Al-TiO2熔剂系统,920℃是较为适宜的反应温度,制备的Al3Ti/Al复合材料有最好的显微组织。凌兴珠等人用该法制备了Al/TiB2复合材料,在TiB2含量相同时,其抗拉强度比外加法制备的Al/TiB2复合材料的高得多。赵玉涛教授等人开发成功Al-Zr-O和Al-Zr-B-O原位反应新体系,研究了电磁场对原位反应生成铝基复合材料组织与性能的关系,成功地制得了体积分数为15%(Al3Zr+Al2O3)/Al、15%(Al3Zr+Al2O3)/A356和15%(Al3Zr+ZrB2+Al2O3)/A356等系列低成本、高性能的复合材料。

由以上介绍可见,有多种原位反应合成复合材料的工艺,各有其优缺点,熔体直接反应法最有应用前景,具有工艺简单、工期短、成本低、易推广等优点。

责任编辑:杨一鸣

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