颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望.pdf

第20卷第1期硬质合金2003年3月

Vol.20No.1CEMENTEDCARBIDEMar.2003

综合评述

颗粒增强金属基复合材料的研究现状及展望

王基才X尤显卿郑玉春程娟文

(合肥工业大学材料学院,合肥,230009)

摘要从材料的选择、制备技术和性能等方面对颗粒增强金属基复合材料的研究现
状进行综合评述。分析了颗粒增强金属基复合材料发展过程中存在的一些问题及改进
措施,指出了颗粒增强金属基复合材料的几个重要发展方向:制备技术的改进、应用范
围向特色应用领域的拓宽和再生回收的重视。
关键词复合材料碳化物粒子制备技术性能生产应用

1引言2PRMMC材料的选择

自1965年AKelly,GJdavies和DCratchley基体材料是MMCs的主要组成部分,起着固结
等[1]首先总结和提出了金属基复合材料(Metal增强相、传递和承受各种载荷(力、热、电)的作用。最
MatrixComposites,简称MMCs)的资料以来,初关于MMCs的研究主要集中在航空航天领域,因
MMCs就以其高的比强度、比刚度及良好的热稳定而人们的注意力一开始就放在铝合金、钛合金和镁
性、耐磨性、尺寸稳定性及成分可设等优点[2-4]吸引合金等比强度、比刚度及延展性等综合性能较
了各国学者和科研人员的关注,成为材料研究和开好[11、12]的轻合金上。但由于这类合金自身的成本较
发的热点。高,因而其应用范围受到了很大的制约。
按增强体的形式MMCs可分为连续纤维增强、随着研究的不断深入,人们不再把眼光局限于
短纤维或晶须增强、颗粒增强等。由于连续纤维增强铝、镁等轻合金,而是根据不同的设计和使用性能要
的MMCs必须先制成复合丝,工艺成本高而复杂,求,相继研究开发了铜基、镍基、铝基、银基、锡基、铅
因此其应用范围有很大的局限性,只应用于少数有基、锌基、铁基和钢为基体的多种MMCs[12]。
特殊性能要求的零件。颗粒增强金属基复合材料铁基和钢基长期以来一直没有引起人们的重
(ParticulateReinforcedMetalMatrixComposites,视,主要是因为钢铁材料熔点高、比重大、制造工艺
简称PRMMC)是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进困难。然而现代工业的发展又迫切需要能够在高温、
入金属基体中得到兼有金属优点(韧性和塑性)和增高速和高磨损条件下工作的结构件(如高速线材轧
强颗粒优点(高硬度和高模量)的复合材料。机的辊环和导向轮等),这使铁基和钢基复合材料的
PRMMC具有增强体成本低,微观结构均匀,材料研究显得十分必要。
各向同性,可采用热压、热轧等传统金属加工工艺进增强体的加入主要是为了弥补基体材料某些方
行加工等优点[5-8],因而与纤维增强、晶须增强金属面性能的不足,如提高刚度、耐磨性、高温性能和热
基复合材料相比倍受关注[9-10]。物理性能等。目前,在PRMMC的研究中,采用较多

X作者简介:王基才,男,(1976—),合肥工业大学材料学院研究生。
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的增强颗粒有陶瓷颗粒,如Al2O3、ZrO2、TiO2、SiC、术也存在着一些弊端,如制件的大小和形状受到一

Cr7C3、TiC、WC、Si3N4等;金属硬质颗粒,如Mo、定限制;工艺程序多,制备周期长,成本高,降低成本
Cr、W等;非金属颗粒C、轻石等。增强颗粒中以的可能性小,尤其是昂贵的制备成本(制备

Al2O3和SiC发展较快、较成熟。近年来,WC增强PRMMC的成本约为基体合金的4～10倍)制约了
粒子也因为其在高温铁水中良好的润湿性[13]而被粉末冶金技术的应用和发展。
广泛应用于工程结构用PRMMC的研究中。由于我3.2共喷射沉积技术
国盛产钨,所以以WC粒子作为增强颗粒的复合材共喷射沉积技术是一种80年代逐渐成熟起来
料的研究越来越引起人们的注意。的新型粉末冶金技术。其具体工艺过程为:采用流化
增强体的选择标准包括增强体材料的弹性模床获得增强颗粒与惰性气体的混合二相流体,然后
量、抗拉强度、密度、熔点、热稳定性、热膨胀系数、尺通过一定的导管引入雾化室,并以一定的速度和喷
寸、形状及其与合金基体的相容性。选择PRMMC射角度喷入雾化基体合金液滴的流束中,与合金液
的基体与增强颗粒时需综合考虑复合材料的使用性同时沉积获得铸锭[19]。该方法工艺周期短,成型速
能、工艺特性和生产成本等因素。度快(每分钟沉积6～10kg,并可生产数百千克的复
合材料)。但也存在着设备昂贵、孔隙率高、原材料损
3PRMMC的制备技术失大等缺陷。
3.3搅拌混合技术
制备技术不仅很大程度上影响着PRMMC的搅拌混合工艺是对金属熔体进行强烈搅拌,投
性能,同时也是其进一步应用发展的重要影响因素。入增强颗粒,使其均匀分布于金属熔体中,然后直