金属基复合材料的铸造成形

HEATS

    金属基复合材料（MMC）被誉为21世纪的材料。由于其很好地结合了金属的塑性、韧性和陶瓷的高强度、高弹性模量，从而具有一些引人注目的物理性能和力学性能，如高的比弹性模量、比强度、耐热、耐磨以及尺寸稳定性等。从经济适用的观点出发，陶瓷颗粒增强的MMC材料更受到人们关注，研究、应用的热点集中在镁基和铝基合金，增强颗粒主要有Al2O3、SiC等。其成形工艺主要有粉末冶金和铸造两种。前者由于工艺复杂、成本高、难于制造大尺寸件及复杂件，所以很难在生产中获得广泛应用。采用铸造法成形颗粒增强型金属基复合材料具有工艺简单、成本低，对尺寸和形状没有限制，可大批量连续生产等优点，因而具有广阔的发展及应用前景。    
    颗粒增强型金属基复合材料的铸造成形方法主要有如下六种：    
    1.液态金属／陶瓷颗粒搅拌铸造法    
    通过机械搅拌在液态金属中产生涡流从而引人陶瓷颗粒并使其分布均匀。采用这种方法制造铝基复合材料，陶瓷颗粒尺寸可小到10μrn，增强相的体积分数可达25％。    
    2.熔体浸渗铸造法    
    熔体浸渗工艺包括压力浸渗和无压浸渗。前者是利用机械装置或惰性气体作为压力媒体将金属熔体浸渍渗透进多孔的陶瓷预制块中，可制备体积分数高达50％的复合材料，此方法已被广泛应用。后者是在氮气气氛下不需施加任何压力合金解体就能良好地浸透陶瓷粉末预制块中，可制备体积分数高达55％的复合材料。    
    3.挤压铸造法    
    此方法先用机械搅拌法制备复合浆料，然后将液态复合浆料倒入挤压模（需预热）内，起动液压机，使液态浆料在一定的比压下凝固成形。    
    4.高能超声法    
    该方法是在金属熔化后，一边利用超声发生装置（多用磁致伸缩换能器）施加超声振动，一边加入陶瓷颗粒，实现均匀混合以后浇注成形。也可将陶瓷颗粒制成预制件，浇入液体金属后，施加超声进行熔体浸渗。该方法可在极短的时间里（数十秒）实现颗粒的均匀分布。    
    5.流变铸造法此法是对处于固液两相区的熔体施加强烈的搅动形成低粘度的半固态浆液，同时引入陶瓷颗粒，利用半固态浆液的触交特性分散增强相，在一定压力下充型凝固成形。此工艺是一种两相工艺，局限于大结晶范围的合金。    
    6.原位反应铸造法    
    这是最近发展的一种崭新方法。它与上述五种方法的根本区别在于：增强陶瓷颗粒不是外加的，而是在制备过程中通过化学反应在原位生成的。其基本原理是：在一定的液态合金中，利用合金液的高温，使合金液中的合金元素之间或合金元素与化合物之间发生化学反应，生成一种或几种陶瓷增强颗粒，然后通过铸造成形获得由原位颗粒增强的金属基复合材料。    
    金属基复合材料的制备工艺目前尚处于研究开发中，在上述各种方法中，最具产业化前景的是机械搅拌铸造法。因为其工艺简单、成本低，对熔体及增强颗粒的种类几乎没有限制，具有广泛的适应性。但要真正实现大规模工业生产还需解决以下几个问题：颗粒微观分布的均匀性；金属基体与增强颗粒之间的界面反应与控制；组织与性能的稳定性等。