顆粒增強金屬基復合材料制備加工中幾個概念的探討

王承志 ，劉鳳國 ，李玉海 ，黃 勇 ，袁曉光

（1.沈陽理工大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽工業大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

與金屬材料、無機材料和有機高分子材料等相比較，復合材料由于其組元性質、尺度和空間分布的可設計性以及制備加工工藝的多樣性，從而在宏觀上表現出優于單一材料的獨特性能，因而成為研究的熱點之一。尤其是金屬基復合材料，由于具有高比強度、高比模量、小的熱膨脹系數、高的尺寸穩定性、良好的高溫強度、耐磨性、疲勞性能[1]、便于利用已有成熟工藝，因而備受關注，每年都有大量的研究成果問世。但是也同時出現了一些需要重新審視的問題，因此本文針對成本低、最具工業化應用價值的顆粒增強金屬基復合材料，就其中幾個問題進行初步的探討。

1 復合的概念

復合材料區別于單一材料的本質特征就在于“復合”。按照現代漢語的解釋，“復合”是指：合在一起;結合起來。這一解釋既反映了“過程和手段”（合在一起），又描述了合在一起后的“結果”（結合起來）。比如復合材料制備中，通過某種方法使增強體進入基體（合在一起），但不止于此，增強體與基體必須“結合起來”（因而產生增強體與基體的界面，這有別于不同成分的粉末材料均質化的“混合”及其結果——“混合物”）。因此，“復合材料”這一術語中的“復合”既可以理解為是一種“結果”，同時也是獲得復合材料的工藝“過程”之一。關于復合材料，目前尚無統一的標準的定義。如上所述，至少在顆粒增強金屬基復合材料的范疇內，以下兩種描述似乎更為貼切：（1）由兩種或兩種以上的材料經一定的復合工藝制造出來的一種新型材料；（2）或者說復合材料就是由兩種或兩種以上性質不同的材料通過復合工藝組合而成的復相材料。但后一種“通過復合工藝組合而成”中的“復合”與“組合”從中文的角度看是一種重復。而“復合”與國際標準化組織（International Organization for Standardization）對復合材料的定義（由兩種或兩種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固體材料）中的“組合”相比較，對顆粒增強金屬基復合材料而言，似乎前者的工程意義更明顯。

2 固態復合

一些復合材料的文獻中，根據增強顆粒進入金屬或合金基體時，基體金屬或合金處于液態或者半固態，而將“復合”分為“液態復合”和“半固態復合”。當然從物理本質上講，其實這兩者都是“固-氣界面”被“液-固界面”所替代的過程（浸濕：immersional weitting）（圖1a）。作為這種分類的一種自然延伸，可以有“固態復合”的概念。從界面的角度分析，所謂“固態復合”就是“固-氣界面”被“固-固界面”所替代的過程（圖1b）。順便指出，本文所說“固態復合”一詞，其范疇僅限于顆粒增強金屬基復合材料，不包括軋制復合、擠壓復合、爆炸復合等層狀復合材料。

圖1 液態復合與固態復合

作為“固態復合”的例子，比如：

1）球磨

采用高能球磨工藝制備復合材料時，增強顆粒與金屬或合金粉末組成一個脆性/延性體系。混料時，在硬質磨球的撞擊作用下，軟金屬產生塑性變形由球狀逐漸變形為薄片狀，同時增強顆粒會嵌入軟金屬當中，如果表面嵌有增強顆粒的薄片發生彎曲并最終合攏產生折疊包覆（圖2a），或者兩個表面已經嵌入增強顆粒的金屬顆粒相碰撞產生壓合或焊合時（圖2b），增強顆粒便會被固態金屬所包覆，完成固態復合過程。當然，增強顆粒在外力作用下，直接嵌入金屬顆粒也是一種固態復合的方式（圖2a）。高能球磨的產物為復合粉體，復合粉體經冷壓或熱壓便得到塊體復合材料；也可以將球磨后的復合顆粒直接加入到液態金屬（或液態合金）中制備復合材料。此時的固態復合（球磨）可以理解為是一種“預復合”，而把復合顆粒加入到液態金屬中的操作，則屬于“液態復合”。圖3為球磨工藝中幾個固態復合的例子。a）球磨后，細小的SiC硬顆粒嵌入到較大尺寸的Al顆粒表面[2];b）鋁粉顆粒在沖擊下的延展和卷曲折疊不斷將SiC顆粒均勻地彌散在鋁粉顆粒的內部[2];c）球磨過程中，扁平的A1顆粒相互碾壓、冷焊，同時，顆粒不斷嵌入其中，形成多層的復合材料層片結構[3];d）具有冷焊條紋的B4Cp/Al復合粉末[4]。

圖2 球磨工藝中的固態復合（▲代表增強顆粒）

圖3 球磨工藝中固態復合的例子

2）熱壓、熱擠壓

很多基于粉末的復合材料制備工藝流程中，包括了對粉體的壓制操作。比如粉末熱壓或熱等靜壓（熱壓過程包括了壓制和燒結兩個過程）以及粉末熱擠壓（粉末或壓坯的熱擠壓、半固態擠壓）等工序中均涉及到固態復合。根據基體粉末成分的不同，固態復合的具體方式可以有：

（1）增強顆粒與基體合金粉末的固態復合；

（2）增強顆粒與基體合金金屬元素粉末的固態復合；

（3）增強顆粒與基體合金主元素金屬粉末的固態復合。

上述第二種方式可稱為“多元素固態復合”，而第三種方式可稱為“單元素固態復合”。因而第三種方式，也可以看作第二種方式的特例。雖然后兩種方式屬于“包含”關系，這里之所以被單獨提出，主要是由于第三種方式具有“預復合”的特殊應用。所謂“預復合”，以SiC顆粒增強鋁基復合材料為例，進行具體說明。對均勻混合的增強顆粒與基體合金主元素金屬粉末進行冷壓制得冷壓坯，然后再對冷壓坯進行熱壓，基體合金主元素金屬粉末受熱后塑性大大增強，甚至局部出現少量液態，在壓制力作用下，金屬被擠入增強顆粒表面的凹槽、微裂縫或微孔中（圖4），從而使增強顆粒與金屬在縫紉效應（或錨合效應）作用下，緊緊包裹住增強顆粒而實現固態復合。其后，可以將熱壓后的“預復合塊”加入到液態鋁合金中，并施以攪拌，這時原先增強顆粒四周的金屬雖然會因熔化而脫落，但在毛細力和范德瓦耳斯力以及液態合金靜壓力等的共同作用下，增強顆粒表面仍會保留一薄金屬層，即處于“包覆顆粒”狀態，由于包覆顆粒與液態鋁合金屬于“金屬/金屬界面”，因此極大改善了SiC顆粒對液態鋁合金的潤濕性，從而可順利實現SiC顆粒與鋁合金的復合[6]。文獻[7]介紹，將熱壓后的“粉末預制塊”（即預復合塊）加入到液態純鋁中制備SiC/Al復合材料，并將該工藝稱為“粉末預制塊重熔稀釋法”，其道理也完全相同。從這種意義上講，此處的預復合（固態復合）的作用是使單一顆粒變成包覆顆粒，因此也可以視為一種對SiC顆粒的表面預處理（類似于SiC顆粒高溫氧化處理后其表面形成SiO2層）。

圖4 酸洗后SiC顆粒表面形貌SEM照片[5]

圖5 熱壓工藝中的固態復合

圖6 熱擠壓工藝中的固態復合

通過熱壓完成的復合可稱為熱壓復合（圖5）。通過擠壓完成的復合可稱為熱擠壓復合（圖6，圖中黑色方塊代表增強粒子，白色方塊代表金屬或合金粉末）。擠壓前，增強顆粒被基體金屬顆粒所包圍，擠壓過程中兩者均發生流動，其中塑性基體顆粒產生大變形，并出現新鮮表面，同時在擠壓力的作用下兩相鄰表面被焊合，夾于其間的增強顆粒被緊密包裹而實現復合。和尺寸。當然，也存在“復合-成形”一體化（即復合與成形基本同時完成）的情況，而復合材料性能的獲得則貫穿于復合、成形的全過程。

表1為復合材料常用“復合”與“成形”工藝。由表1可見，由于復合工藝和成形工藝種類均很多，所以兩者的結合使得金屬基復合材料的“復合-成形”工藝組合更具多樣化特征。需要說明的是，根據粉末冶金原理，“成形”是先于“燒結”的基本工藝過程之一。其中“成形”過程主要是“冷壓制”過程，粉末經冷壓后，使金屬粉末密實成具有一定形狀、尺寸、孔隙度和強度的坯塊，該坯塊屬于顆粒聚集體（顆粒界），尚不具備所要求的性能，只有經“燒結”，才能成為同時具有規定形狀、尺寸和所需性能的復合材料零件。所以，本文將“燒結”過程同時列入了“復合”和“成形”工藝（復合成形一體化），而將粉末冶金中的“成形”（冷壓），作為復合過程中的一個輔助性工藝（如冷壓→冷壓坯→熱壓（固態復合）→復合材料零件）。

表1 復合工藝與成形工藝

需要說明的是：（1）表1左側一列為“復合”工藝，而右側一列為“成形”工藝，如前所述，可以將復合材料制備加工工藝命名規則定義為“復合-成形”的形式，如“攪拌鑄造法”，其中“攪拌”為“復合”工藝，“鑄造”為“成形”工藝；（2）表1中列出的復合成形工藝并非全部，而且劃分不一定都科學合理，故僅供參考；（3）在表中“復合”、“成形”兩列中以同名列出的工藝，一般可以理解為“復合-成形”一體化工藝，即在成形過程中完成復合。如，“燒結”過程既是復合過程，又是消除孔隙、材料致密化獲得最終尺寸、形狀和性能的過程。再如，“浸滲”和“真空吸鑄”，既是復合過程又是液態金屬充填過程（充填過程屬于成形過程的一部分）。

4 結束語

本文針對顆粒增強金屬基復合材料的制備與加工中幾個問題進行了初步的分析探討，主要是提出了固態復合的概念，并給出了幾種固態復合的例子，歸納了復合與成形的關系。希望對復合材料的研究有所助益，并歡迎同行們提出批評意見。

［1］趙玉濤，戴起勛，陳剛.金屬基復合材料［M］.北京：機械工業出版社，2007：5-7.

［2］金蘭，蓋國勝，李建國，等.球磨法和攪拌鑄造法制備SiCp/Al復合材料［J］.稀有金屬材料與工程，2009（1）：557-562.

［3］宋吉智，郗雨林，柴東朗.高能球磨制備A1-5%CuO復合粉體［J］.稀有金屬材料與工程，2006（2）：280-283.

［4］類建中，桑吉梅，張永忠，等.鋁基復合材料增強體顆粒分布均勻性的研究［J］.金屬學報，1998（11）：1199-1204.

［5］袁學良.固態復合法制備鋁基復合材料及成型研究［D］.沈陽理工大學，2011.3：23.

［6］王承志，袁學良，劉鳳國，等.SiCp/7090Al復合材料的兩步復合及半固態壓鑄成型［J］.鑄造設備與工藝，2011（6）：6-8.

［7］傅敏士，肖亞航，趙迎祥.粉末預制塊重熔稀釋制備SiC/Al復合材料的研究［J］.新技術新工藝，2000（11）：31-32.