雙金屬復合材料的制備：國內外研究現狀

陳思羽

（中信渤海鋁業控股有限公司，河北 秦皇島 066000）

雙金屬復合材料是運用復合成型的方法使兩種或兩種以上的具有不同物理、化學乃至力學性能的材料在界面產生冶金結合制備而成的復合材料。根據制備時候金屬的形態的不同可分為固態法和液態法，固態法主要制備方法為軋制，即用軋輥的軋制力將兩種金屬壓在一起，使接觸部分產生相對的剪切變形從而達到復合的方法。液態法主要制備方法為鑄造，根據鑄造工藝的不同可分為離心鑄造、攪拌鑄造、擠壓鑄造等。復合金屬具備兩種金屬的優勢，使得其能更好的滿足各種工況，耐損耗，從而間接降低成本，產生好的經濟效益。

固態法制作原理比較復雜，不光伴隨著物理反應還伴隨這化學反應，相較于固態法，液態法生產復合材料溫度高，熔融態的金屬流動性好，便于一次形成復雜工件，所需設備也相對簡單，通過金屬復合材料生產批量化、連續化、自動化，從而實現制造成本較低，使用范圍較大，因此，液態法用于制造復合材料得到了很大的發展，雙金屬鑄造工藝研究有著廣闊的前景[1-3]。但固態法也有一些液態法所沒有的優勢，現在固態法的主流方向為軋制復合、熱壓、粉末冶金法

1 金屬復合材料的制備方法

1.1 液態法

1.1.1 離心鑄造法

鑄造法目前的方向是在離心鑄造的傳統方法上加上電磁攪拌的方法制備復合材料，其原理是讓模具旋轉，然后進行澆筑，由于離心力的作用，金屬會附著到鑄模表面澆筑不同金屬后，金屬和金屬之間通過組分擴散或者重熔混合實現材料的復合，制作時通過增加電磁攪拌使金屬更加均勻，減少缺陷。根據其原理，王學東等人的研究方向是在離心鑄造的基礎上增加電磁力，起到電磁攪拌的作用，用此方法做出了鋁硅合金半固態組織試樣，并且發現速度越快晶粒越細小[4]。隨著離心鑄造技術的日新月異，垂直離心鑄造也得到了發展。呼和浩特職業學院劉紅采用垂直離心鑄造法制備了汽車用ZK20-0.3Y 新型鎂合金，并進行了顯微組織、物相組成、微區成分和力學性能的測試與分析，指出該合金由基體α-Mg 相和少量的Mg3Y2Zn3 相組成，具有較細小的組織和較佳的力學性能[5]。

1.1.2 浸滲法

液態浸滲法是在一定條件下將液態金屬浸滲到增強材料多孔預制件的孔隙中，凝固獲得復合材料的制備方法[6]。金屬的流動性較之其他材料差很多，所以在浸滲時加上壓力和真空環境具有明顯優勢

真空壓力浸滲法是在真空和高壓惰性氣體共同作用下，使液態金屬與增強材料發生復合，制備金屬基復合材料制品的方法[7]。其在浸潤時增加壓力彌補了金屬流動性差的特點，將環境變成真空環境后減弱金屬之間的界面反應。其特點有：制品組織性能均勻，內部缺陷如孔狀的疏松、縮孔較無壓浸滲大幅減少。由于條件苛刻，真空壓力浸滲法效率低設備昂貴，具有研究新材料的價值，達不到大規模生產的效率要求和效益要求。上海交通大學裴和君采用真空壓力浸滲法制備了金剛石/鋁復合材料，研究了金剛石顆粒尺寸、品級等對復合材料熱性能的影響。指出，在金剛石體積分數相同情況下，普通研磨級金剛石顆粒的尺寸越小，復合材料的熱膨脹系數越低；用MBD4 等級金剛石顆粒制備的金剛石/鋁復合材料具有最小的熱膨脹系數，為6.8×10-6K-1，其熱導率最高；MBD4 等級的金剛石顆粒與鋁基體存在選擇性粘附現象，金剛石的（100）面更容易與鋁結合[8]。

1.1.3 噴射分散法

噴射分散法是使用惰性氣體用一種特殊噴嘴將增強金屬噴射到金屬流中，由于是在澆筑過程持續噴射，增強顆粒充分分散，打入增強顆粒的金屬液冷卻凝固后形成鑄件，這種方法在鋁合金、鎂合金中很常見，同時一些高熔點合金如鋼鐵等也可適用，長古川正義采用噴射分散法成功制備了低合金鋼基體的復合材料。并且采用噴射法生產Al-SiC 顆粒復合材料，SiC 的含量可達到30%[9]。

1.1.4 中間合金法

中間合金法是針對金屬流動性差提出的方法，它把增強物、金屬粉末壓制成小塊狀，在進入金屬液中時可以有效沉積到內部，融化后對其進行攪拌，可達到均勻分布的目的，最后進行澆筑，便成了復合材料鑄塊。昆明理工大學劉玉紅利用中間合金法制備Al2O3、SiC 顆粒彌散強化鋁基復合材料。建立了球磨工藝參數（球料比、球磨轉速、磨球半徑）與磨球運動速度、平均自由程及碰撞頻率的理論關系。從分析實際球磨過程的碰撞出發，引入了碰撞角度因子，建立了粉末應變及熱溫升等物理量與球磨工藝參數和碰撞角度因子之間的理論關系。指出MA 法制得的復合粉末顆粒細小、組織均勻、性能優良，球磨過程中粉末的熱溫升不超過100K，不會產生能量累積[10]。

1.2 固態法

1.2.1 軋制復合法

軋制復合法是通過軋輥對金屬的正壓力作用，使兩種金屬接觸面發生冶金結合。不同于液態法，固態法中的軋制主要制作復合板帶材料，軋制過程中不同金屬的塑性硬度延伸率都不同，但是為了降低軋制力，不得不加熱軋制，這就使得軋制復合法難度增加，不過其可連續生產的特性使研究的意義重大，崔建忠使用復合軋制法制備不銹鋼復合板帶，采用固液相，比固固相性能高成本底，同時產量上升[11]，余偉等使用熱軋法成功制備了2.5mm 厚的67 層復合板，結果表明使用兩步組坯復合和工藝優化，復合板成材率達90%以上，具有良好的結合界面，抗剪切強度可達241Mpa[12]。

1.2.2 粉末冶金法

粉末冶金法出現的比較早，但早期設備工藝復雜、成本高。近期隨著科研的發展，其成本已經下降，制備金屬的密度、性能則大幅提高。大致的流程為金屬與增強體粉末按一定比例混合，混合后進入模具預壓成型，預壓之后對材料進行除氣處理，最后通過燒結、熱壓等加大致密度最終成型，馬國俊等人在研究硼酸鎂晶須鋁基復合材料時發現在選用適當的球磨工藝和擠壓比的前提下，材料力學性能得到顯著改善[13]，艾江等使用粉末冶金法制備SICp/Al 復合材料，研究發現SiCp 材料組織具有均勻致密無雜質等優點，在SiC 質量分數一定的情況下，隨著燒結溫度的升高，性能也隨著提高。楊冠男使用兩種方法制備了Al3Ti/Mg 復合材料，一種是原位合成法、一種是粉末外加法，通過對比發現原位法制作的Al3Ti 顆粒較小為1μm ～5μm，另一種則為5μm ～15μm。兩種方法制作的材料性能相當[14]。

2 存在的問題與展望

雙金屬復合材料的優越性、誘人的發展前景及巨大的應用潛力已展現在我們面前。對于研究者來說探索和突破的目的在于制造出各方面性能優異且均勻的材料，減少界面反應，并且簡化工藝降低制作難度提高成材率。雖然多年來對制備雙金屬復合材料進行了大量的研究，但仍然存在一定的問題有待解決，如：①復合材料液態條件下的流動性受加入的顆粒等增強相的影響較大。②一些原因易引起的有害界面反應，如金屬基體與增強體的潤濕性較差。③所得材料中易如有氣孔和夾雜等存在，將導致局部偏析和材料不均勻現象的出現。④結合界面寬度不易控制，易發生混溶現象，從而影響到雙金屬復合材料的制備。

根據復合金屬的固態法液態法不難看出，固態法與液態法已經互相滲透，使用半固態或者固態加液態是研究者喜歡的方法，同時加上物理化學手段的復合法是研究者熱衷的方向，其中半固態成型技術優勢明顯，消除了固態成型中流動性不足，內部缺陷明顯同時成型阻力大的缺點，也消除了液態成型中容易產生收縮，球狀顆粒組織粗大等缺點，同時兼具降能降污染的特點，制作工藝靈活的特點，是金屬復合材料生產市場應用的趨勢，而在最近的研究發現把半固態技術應用與制備之中，進行半固態/液態復合能夠解決液/液復合形成的界面寬度調控性差、以及固/固復合、固/液復合、工藝形成的界面易夾雜或殘留氧化皮等問題。隨著對半固態金屬制備方法的研究，會有更多優秀的復合材料被制作和被發現出來。