顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料鑄造法制備技術(shù)

 金屬基復(fù)合材料是在金屬或合金基體中分散有特殊第二相的多相材料。具有特殊的物理、力學(xué)等性能的第二相極大地增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨、耐熱等性能，由此，這種第二相又被稱(chēng)為增強(qiáng)相。增強(qiáng)相通常分為顆粒增強(qiáng)相和纖維（晶須）增強(qiáng)相兩種。由于增強(qiáng)體價(jià)格和復(fù)合技術(shù)等方面的原因，鑄造法制備的大多是顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料。
　　近年來(lái)，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法在物理外加增強(qiáng)體法不斷進(jìn)步的同時(shí)，研發(fā)了原位反應(yīng)合成增強(qiáng)體法。
　　無(wú)論采用何種鑄造復(fù)合方法，要成功制備性能優(yōu)良、質(zhì)量穩(wěn)定的復(fù)合材料制品，都必須在技術(shù)上解決好下面幾個(gè)問(wèn)題：①基于材料的不同使用要求選擇合適的基體及增強(qiáng)體，②提高基體熔液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性，③控制增強(qiáng)體在基體中合理分布，④解決增強(qiáng)顆粒對(duì)基體熔液粘度影響帶來(lái)的鑄造成形工藝方面的問(wèn)題。
　　本文就上述這些問(wèn)題對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料鑄造法制備技術(shù)進(jìn)行綜述，以期推動(dòng)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的鑄造生產(chǎn)。
　　1 增強(qiáng)體的選擇
　　基體、增強(qiáng)體的性能及增強(qiáng)體與基體的良好結(jié)合決定著復(fù)合材料性能，故應(yīng)根據(jù)基材的種類(lèi)及復(fù)合材料性能要求合理選擇增強(qiáng)體。選擇增強(qiáng)體時(shí)要考慮增強(qiáng)體的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、硬度、熱穩(wěn)定性、密度、熔點(diǎn)、價(jià)格等因素，同時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足增強(qiáng)體與基體間的線(xiàn)膨脹系數(shù)和化學(xué)反應(yīng)性相匹配要求。
　　以鋁為主要組元的基體，常用的增強(qiáng)體有石墨、Al2O3、SiC、TiC、Al3Ti、TiB、Al3Zr等等，以鋼鐵為基體的復(fù)合材料研究不如鋁基復(fù)合材料成熟，常用的增強(qiáng)體較少，主要有WC、VC、TiC、TiN、Al2O3、SiC等。
　　在增強(qiáng)體種類(lèi)選定之后，還應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定增強(qiáng)體尺寸大小及其在基體中的體積分?jǐn)?shù)。
　　2 提高增強(qiáng)體/基體潤(rùn)濕性的方法
　　提高基體熔液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性，有助于減輕增強(qiáng)體的團(tuán)聚，有助于基體/增強(qiáng)體界面結(jié)合強(qiáng)度的提高，對(duì)整體復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，還有助于增強(qiáng)體在基體中的分布均勻。通常采用下面一些措施來(lái)提高基體熔液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性。
　　2．1 增強(qiáng)體的表面被覆處理
　　用化學(xué)鍍或氣相沉積等方法在增強(qiáng)體表面被覆某種金屬或化合物可以有效地改善基體熔液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性。
　　研究表明，在石墨表面被覆銅衣、在Al2O3顆粒表面氣相沉積TiN都有效地改善了基體對(duì)增強(qiáng)體顆粒的潤(rùn)濕性。
　　何志亮等人還以Al2O3顆粒為對(duì)象研究了陶瓷顆粒表面化學(xué)鍍鎳的問(wèn)題。
　　2．2 附加表面活性劑
　　據(jù)介紹，在向鋁熔體加入石墨或二氧化硅粉的同時(shí)加入鎂塊可以改善鋁液對(duì)增強(qiáng)體的濕潤(rùn)性。近年研究還表明，除Mg外，Ca、RE、堿金屬元素以及Ⅵ族和Ⅵa族元素都有改善鋁液對(duì)Al2O3、SiC等增強(qiáng)體潤(rùn)濕性的作用。
　　2．3 加熱處理增強(qiáng)體
　　通過(guò)加熱處理除去增強(qiáng)體顆粒表面的油污、水分等，可以提高增強(qiáng)體表面能，增進(jìn)熔液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性。
　　有人用加熱處理過(guò)的無(wú)銅衣石墨粉制備了石墨/鋁復(fù)合材料。其加熱處理方法是：將石墨粉加熱到600℃左右保溫8小時(shí)以使其表面活化，而后冷卻，在加入鋁液前重新加熱到200℃以去除水分。還有人也采用了加熱處理增強(qiáng)體的方法改善增強(qiáng)體與基體的潤(rùn)濕性生產(chǎn)了復(fù)合材料。
　　2．4 高能超聲處理熔體
　　潘蕾等人用高能超聲處理熔體制備了SiC/ZA27復(fù)合材料。該研究認(rèn)為，高能超聲在熔體中傳播時(shí)產(chǎn)生的空化效應(yīng)清潔了增強(qiáng)顆粒表面，使顆粒表面張力增加，同時(shí)還降低了熔液的表面張力，顯著改善了SiC顆粒與ZA27熔體間的潤(rùn)濕性。
　　2．5 原位反應(yīng)合成增強(qiáng)體
　　應(yīng)用原位反應(yīng)合成技術(shù)制備含有增強(qiáng)顆粒的中間合金，然后向基體熔液中加入這種中間合金制備復(fù)合材料技術(shù)近年成了復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)。
　　原位反應(yīng)合成法通常是在中間合金中加入某些純金屬、合金、化合物或鹽類(lèi)物質(zhì)，通過(guò)加入物之間或加入物與中間合金組元之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而獲得增強(qiáng)體。由于增強(qiáng)體是原位反應(yīng)生成，表面清潔無(wú)污染，熱穩(wěn)定性好，很好地解決了基體熔液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性問(wèn)題，增強(qiáng)體與基體結(jié)合非常牢固，增強(qiáng)效果較好。
　　龍春光等將Al、Ti、C粉末按一定比例混合球磨后壓成小塊，將這種小塊在高溫?cái)U(kuò)散爐中真空燒結(jié)得到了TiC/Al中間合金，并用該中間合金制備了TiC/2618復(fù)合材料。
　　還有人也應(yīng)用原位反應(yīng)合成法成功制備了增強(qiáng)顆粒均勻分布、性能優(yōu)良的復(fù)合材料。
　　3 增強(qiáng)體分布控制技術(shù)
　　控制基體中增強(qiáng)體的分布，充分發(fā)揮增強(qiáng)體對(duì)基體的有效強(qiáng)化作用，是制備符合一定性能要求復(fù)合材料制品的根本保證。
　　3．1 增強(qiáng)體非均勻分布的控制方法
　　對(duì)于耐磨/減磨材料，要求其工作面有高的抗磨損性能，而其余部分有較好的綜合機(jī)械性能以保證工作面得到有效的支撐。因此，這類(lèi)需局部強(qiáng)化的制品，要求增強(qiáng)體分布在制品工作面附近的一定范圍內(nèi)。常用的方法有下面幾種：
　　3．1．1 預(yù)置增強(qiáng)體法
　　預(yù)置增強(qiáng)體法是外加法制備表面強(qiáng)化復(fù)合材料的主要方法之一，是鑄滲法表面改性技術(shù)在復(fù)合材料制備中的一個(gè)應(yīng)用，這種方法主要適用于制備耐磨復(fù)合材料制品。其具體方法是：將增強(qiáng)體以涂料或粘貼膏塊形式預(yù)先放置在制品需要強(qiáng)化的部位，然后澆入基體合金液，基體合金液借助毛細(xì)管虹吸作用及合金液的壓力滲入增強(qiáng)體間隙中，凝固后即形成增強(qiáng)體與基體緊密結(jié)合的表面強(qiáng)化復(fù)合材料制品。
　　袁緒華等人對(duì)這一技術(shù)做過(guò)深入研究，楊貴榮等對(duì)此也做過(guò)論述，認(rèn)為預(yù)置增強(qiáng)體表面復(fù)合技術(shù)的關(guān)鍵在于：①適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)體粒度及基體熔液對(duì)增強(qiáng)體的良好潤(rùn)濕性，②粘結(jié)劑的選擇及涂料、涂膏的配制和涂刷工藝，③澆注溫度控制及澆注工藝。
　　預(yù)置增強(qiáng)體法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、效果優(yōu)良的特點(diǎn)，是目前應(yīng)用較成功的一種表面復(fù)合技術(shù)，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。
　　3．1．2 離心控制法
　　基于增強(qiáng)體與基體熔液比重不同，借助離心力的作用，使增強(qiáng)體沿徑向呈梯度偏聚分布的方法稱(chēng)為離心控制法，這種方法現(xiàn)已成為制備梯度復(fù)合材料的一個(gè)重要發(fā)展方向。
　　有人采用離心控制法制備了石墨呈梯度分布的石墨/鋁復(fù)合材料。
　　上海交通大學(xué)王渠東等人離心鑄造Al-Fe合金，獲得了初生Fe相沿徑向呈梯度分布的自生梯度復(fù)合材料鑄管。覆砂金屬型離心鑄造Al-Fe合金自生梯度復(fù)合材料中指出：①隨著增強(qiáng)體數(shù)量的增加，增強(qiáng)體沿徑向的分布梯度逐漸減小，在徑向的分布范圍逐漸擴(kuò)大；②轉(zhuǎn)速在0～2000r/min范圍內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速的增大，增強(qiáng)體沿徑向的分布梯度逐漸增大，而在徑向的分布范圍逐漸縮小。
　　3．1．3 電磁攪拌控制法
　　李英民對(duì)凝固過(guò)程中的（Mg2Si）20Al80合金熔體施加強(qiáng)烈的交流電磁攪拌，制備了外表面富集Mg2Si的梯度復(fù)合材料。據(jù)分析，當(dāng)進(jìn)行電磁攪拌時(shí)，金屬熔體在交變磁場(chǎng)中會(huì)受到指向軸心的電磁力作用。由于增強(qiáng)體（初生Mg2Si）導(dǎo)電性較低，基本不受指向軸心的電磁力作用，而施加在熔體上的電磁力卻較大，造成在增強(qiáng)體周?chē)牧?chǎng)不均衡，增強(qiáng)體受到金屬熔體施加的離開(kāi)軸心的擠壓力作用而沿徑向向外部遷移，從而獲得了外表面富集增強(qiáng)體的梯度復(fù)合材料。
　　研究指出，電磁攪拌器所加的三相交流電的電壓越大，液/固界面與熔體之間的剪切力越大，初生Mg2Si顆粒越容易被推到試件的外表面，偏聚層越厚。
　　3．2增強(qiáng)體均勻分布的控制方法
　　對(duì)于整體強(qiáng)化復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，增強(qiáng)體在基體中均勻分布至關(guān)重要，加強(qiáng)對(duì)熔體的攪拌是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體均勻化目標(biāo)的根本手段。下面是幾種有效的攪拌方法：
　　3．2．1 機(jī)械攪拌
　　機(jī)械攪拌是對(duì)熔體實(shí)施攪拌最傳統(tǒng)的方法。由于受攪拌器葉片材料的限制，機(jī)械攪拌法用于鋼鐵合金的實(shí)例較少。
　　對(duì)熔體實(shí)施機(jī)械攪拌應(yīng)注意：①合理選擇攪拌器葉片材質(zhì)及形式：攪拌器葉片直接與熔體接觸，極易對(duì)合金造成污染。對(duì)非鐵基合金，宜選用非鐵質(zhì)葉片或?qū)︿撊~片進(jìn)行外涂涂層處理（如外涂一層白陶土）。且應(yīng)根據(jù)增強(qiáng)體顆粒密度大小選擇葉片旋向 .②良好的攪拌：攪拌器葉片的浸入深度應(yīng)控制適當(dāng)，以便產(chǎn)生平穩(wěn)的漩渦。攪拌棒的晃動(dòng)或攪拌器葉片不合適都會(huì)增加增強(qiáng)體受熔體排斥的幾率，從而使增強(qiáng)體在基體中的分布情況變壞。③攪拌時(shí)間：加入增強(qiáng)體后，攪拌時(shí)間要盡量長(zhǎng)，停攪后的等待澆注時(shí)間應(yīng)盡可能短。
　　有一項(xiàng)“把固體顆?；烊胍后w的裝置”的美國(guó)專(zhuān)利，稱(chēng)用此裝置生產(chǎn)的復(fù)合材料“克服了顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料常出現(xiàn)的缺陷，且攪拌時(shí)間短、生產(chǎn)率高、成本低?！?br /> 　　3.2.2 氣體攪拌
　　通過(guò)外加氣流或熔體反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體攪動(dòng)熔體也可達(dá)到增強(qiáng)體均勻分布于熔體的目的。
　　趙玉濤、李忠華等人利用原位反應(yīng)生成的大量氣體對(duì)熔體進(jìn)行攪動(dòng)，分別制備了增強(qiáng)體均勻分布的Al3Zr（p）.Al2O3（p）/A356和 （TiB2+TiAl3）/AlSi6Cu4復(fù)合材料。
　　3.2.3 高能超聲處理
　　潘蕾等人將SiC顆粒加在600℃的ZA27合金熔體表面，用高能超聲處理熔體60～90s，得到熔體-顆粒懸浮液，制得了（鑄態(tài)）顆粒分布總體較為均勻的SiCp/ZA27復(fù)合材料。該研究認(rèn)為，高能超聲在熔體中的有限振幅衰減使熔體內(nèi)形成一定的聲壓梯度，從而形成一個(gè)流體的噴射，此噴射流直接離開(kāi)超聲變幅桿的端面，在整個(gè)熔體中形成環(huán)流（即聲流效應(yīng)），聲流的流速可達(dá)熔體對(duì)流速度的10～103倍。在聲流將雜質(zhì)排離增強(qiáng)顆粒表面的同時(shí)，也將顆粒送入熔體深處，并使之分散均勻。
　　4 復(fù)合熔體性能特點(diǎn)及成形工藝要點(diǎn)
　　復(fù)合熔體與普通熔體最大的不同就在于引入了增強(qiáng)體固相粒子。由于固相粒子的引入，復(fù)合熔體粘度將突然顯著增加微量TiC、TiB2引起鋁熔體粘度的突變現(xiàn)象。李慶春教授指出鑄件形成理論，液態(tài)金屬的粘滯性對(duì)于金屬在鑄型中的流動(dòng)特性，對(duì)于鑄型的充填，對(duì)于液態(tài)金屬中的氣體上浮，以至于對(duì)金屬的補(bǔ)縮，均有明顯的影響。
　　為了獲得健全的制品，粘度突然增加的復(fù)合熔體的成形工藝必須處理好以下兩個(gè)問(wèn)題：
　?、俑纳迫垠w的流動(dòng)性，提高其充型能力；②防止熔體吸氣并加強(qiáng)熔體中氣體的排除。
　　桂滿(mǎn)昌等人開(kāi)發(fā)了由過(guò)濾網(wǎng)和直澆道組成的真空壓差澆注工藝。復(fù)合熔體經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)后直接充填鑄型。由于金屬液充型后，直澆道始終存在壓力作用，而且是最后凝固，因此能對(duì)鑄件起補(bǔ)縮作用。這種鑄造過(guò)程特點(diǎn)具體表現(xiàn)在：
　　①?gòu)谋举|(zhì)上消除了氣體的來(lái)源，基本上消除了澆注過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔缺陷；②簡(jiǎn)化了澆注系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)重量和鑄件重量比從非真空自由澆注的（5～10）：1降到（0.5～1.5）：1；③克服了復(fù)合熔體流動(dòng)性差的缺點(diǎn)，可澆注復(fù)雜薄壁的復(fù)合材料鑄件。
　　5 展望
　　鑄造法是最有發(fā)展前途的復(fù)合材料制備方法之一，將來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)放在下面幾個(gè)方面：
　?、?針對(duì)黑色金屬基體，根據(jù)復(fù)合材料的使用性能要求優(yōu)選增強(qiáng)體；② 開(kāi)發(fā)出更易實(shí)現(xiàn)更易運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)的制備方法；③ 大幅降低復(fù)合材料制品的材料和制造成本；④ 研究復(fù)合材料廢料的回收再利用技術(shù)。
　　所以，可以相信，鑄造法在耐磨、耐熱復(fù)合材料制品生產(chǎn)方面將大有作為?！　〗饘倩鶑?fù)合材料是在金屬或合金基體中分散有特殊第二相的多相材料。具有特殊的物理、力學(xué)等性能的第二相極大地增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨、耐熱等性能，由此，這種第二相又被稱(chēng)為增強(qiáng)相。增強(qiáng)相通常分為顆粒增強(qiáng)相和纖維（晶須）增強(qiáng)相兩種。由于增強(qiáng)體價(jià)格和復(fù)合技術(shù)等方面的原因，鑄造法制備的大多是顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料。
　　近年來(lái)，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的制備方法在物理外加增強(qiáng)體法不斷進(jìn)步的同時(shí)，研發(fā)了原位反應(yīng)合成增強(qiáng)體法。
　　無(wú)論采用何種鑄造復(fù)合方法，要成功制備性能優(yōu)良、質(zhì)量穩(wěn)定的復(fù)合材料制品，都必須在技術(shù)上解決好下面幾個(gè)問(wèn)題：①基于材料的不同使用要求選擇合適的基體及增強(qiáng)體，②提高基體熔液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性，③控制增強(qiáng)體在基體中合理分布，④解決增強(qiáng)顆粒對(duì)基體熔液粘度影響帶來(lái)的鑄造成形工藝方面的問(wèn)題。
　　本文就上述這些問(wèn)題對(duì)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料鑄造法制備技術(shù)進(jìn)行綜述，以期推動(dòng)顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的鑄造生產(chǎn)。
　　1 增強(qiáng)體的選擇
　　基體、增強(qiáng)體的性能及增強(qiáng)體與基體的良好結(jié)合決定著復(fù)合材料性能，故應(yīng)根據(jù)基材的種類(lèi)及復(fù)合材料性能要求合理選擇增強(qiáng)體。選擇增強(qiáng)體時(shí)要考慮增強(qiáng)體的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、硬度、熱穩(wěn)定性、密度、熔點(diǎn)、價(jià)格等因素，同時(shí)還應(yīng)滿(mǎn)足增強(qiáng)體與基體間的線(xiàn)膨脹系數(shù)和化學(xué)反應(yīng)性相匹配要求。
　　以鋁為主要組元的基體，常用的增強(qiáng)體有石墨、Al2O3、SiC、TiC、Al3Ti、TiB、Al3Zr等等，以鋼鐵為基體的復(fù)合材料研究不如鋁基復(fù)合材料成熟，常用的增強(qiáng)體較少，主要有WC、VC、TiC、TiN、Al2O3、SiC等。
　　在增強(qiáng)體種類(lèi)選定之后，還應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定增強(qiáng)體尺寸大小及其在基體中的體積分?jǐn)?shù)。
　　2 提高增強(qiáng)體/基體潤(rùn)濕性的方法
　　提高基體熔液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性，有助于減輕增強(qiáng)體的團(tuán)聚，有助于基體/增強(qiáng)體界面結(jié)合強(qiáng)度的提高，對(duì)整體復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，還有助于增強(qiáng)體在基體中的分布均勻。通常采用下面一些措施來(lái)提高基體熔液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性。
　　2．1 增強(qiáng)體的表面被覆處理
　　用化學(xué)鍍或氣相沉積等方法在增強(qiáng)體表面被覆某種金屬或化合物可以有效地改善基體熔液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性。
　　研究表明，在石墨表面被覆銅衣、在Al2O3顆粒表面氣相沉積TiN都有效地改善了基體對(duì)增強(qiáng)體顆粒的潤(rùn)濕性。
　　何志亮等人還以Al2O3顆粒為對(duì)象研究了陶瓷顆粒表面化學(xué)鍍鎳的問(wèn)題。
　　2．2 附加表面活性劑
　　據(jù)介紹，在向鋁熔體加入石墨或二氧化硅粉的同時(shí)加入鎂塊可以改善鋁液對(duì)增強(qiáng)體的濕潤(rùn)性。近年研究還表明，除Mg外，Ca、RE、堿金屬元素以及Ⅵ族和Ⅵa族元素都有改善鋁液對(duì)Al2O3、SiC等增強(qiáng)體潤(rùn)濕性的作用。
　　2．3 加熱處理增強(qiáng)體
　　通過(guò)加熱處理除去增強(qiáng)體顆粒表面的油污、水分等，可以提高增強(qiáng)體表面能，增進(jìn)熔液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性。
　　有人用加熱處理過(guò)的無(wú)銅衣石墨粉制備了石墨/鋁復(fù)合材料。其加熱處理方法是：將石墨粉加熱到600℃左右保溫8小時(shí)以使其表面活化，而后冷卻，在加入鋁液前重新加熱到200℃以去除水分。還有人也采用了加熱處理增強(qiáng)體的方法改善增強(qiáng)體與基體的潤(rùn)濕性生產(chǎn)了復(fù)合材料。
　　2．4 高能超聲處理熔體
　　潘蕾等人用高能超聲處理熔體制備了SiC/ZA27復(fù)合材料。該研究認(rèn)為，高能超聲在熔體中傳播時(shí)產(chǎn)生的空化效應(yīng)清潔了增強(qiáng)顆粒表面，使顆粒表面張力增加，同時(shí)還降低了熔液的表面張力，顯著改善了SiC顆粒與ZA27熔體間的潤(rùn)濕性。
　　2．5 原位反應(yīng)合成增強(qiáng)體
　　應(yīng)用原位反應(yīng)合成技術(shù)制備含有增強(qiáng)顆粒的中間合金，然后向基體熔液中加入這種中間合金制備復(fù)合材料技術(shù)近年成了復(fù)合材料研究的熱點(diǎn)。
　　原位反應(yīng)合成法通常是在中間合金中加入某些純金屬、合金、化合物或鹽類(lèi)物質(zhì)，通過(guò)加入物之間或加入物與中間合金組元之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而獲得增強(qiáng)體。由于增強(qiáng)體是原位反應(yīng)生成，表面清潔無(wú)污染，熱穩(wěn)定性好，很好地解決了基體熔液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性問(wèn)題，增強(qiáng)體與基體結(jié)合非常牢固，增強(qiáng)效果較好。
　　龍春光等將Al、Ti、C粉末按一定比例混合球磨后壓成小塊，將這種小塊在高溫?cái)U(kuò)散爐中真空燒結(jié)得到了TiC/Al中間合金，并用該中間合金制備了TiC/2618復(fù)合材料。
　　還有人也應(yīng)用原位反應(yīng)合成法成功制備了增強(qiáng)顆粒均勻分布、性能優(yōu)良的復(fù)合材料。
　　3 增強(qiáng)體分布控制技術(shù)
　　控制基體中增強(qiáng)體的分布，充分發(fā)揮增強(qiáng)體對(duì)基體的有效強(qiáng)化作用，是制備符合一定性能要求復(fù)合材料制品的根本保證。
　　3．1 增強(qiáng)體非均勻分布的控制方法
　　對(duì)于耐磨/減磨材料，要求其工作面有高的抗磨損性能，而其余部分有較好的綜合機(jī)械性能以保證工作面得到有效的支撐。因此，這類(lèi)需局部強(qiáng)化的制品，要求增強(qiáng)體分布在制品工作面附近的一定范圍內(nèi)。常用的方法有下面幾種：
　　3．1．1 預(yù)置增強(qiáng)體法
　　預(yù)置增強(qiáng)體法是外加法制備表面強(qiáng)化復(fù)合材料的主要方法之一，是鑄滲法表面改性技術(shù)在復(fù)合材料制備中的一個(gè)應(yīng)用，這種方法主要適用于制備耐磨復(fù)合材料制品。其具體方法是：將增強(qiáng)體以涂料或粘貼膏塊形式預(yù)先放置在制品需要強(qiáng)化的部位，然后澆入基體合金液，基體合金液借助毛細(xì)管虹吸作用及合金液的壓力滲入增強(qiáng)體間隙中，凝固后即形成增強(qiáng)體與基體緊密結(jié)合的表面強(qiáng)化復(fù)合材料制品。
　　袁緒華等人對(duì)這一技術(shù)做過(guò)深入研究，楊貴榮等對(duì)此也做過(guò)論述，認(rèn)為預(yù)置增強(qiáng)體表面復(fù)合技術(shù)的關(guān)鍵在于：①適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)體粒度及基體熔液對(duì)增強(qiáng)體的良好潤(rùn)濕性，②粘結(jié)劑的選擇及涂料、涂膏的配制和涂刷工藝，③澆注溫度控制及澆注工藝。
　　預(yù)置增強(qiáng)體法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、效果優(yōu)良的特點(diǎn)，是目前應(yīng)用較成功的一種表面復(fù)合技術(shù)，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。
　　3．1．2 離心控制法
　　基于增強(qiáng)體與基體熔液比重不同，借助離心力的作用，使增強(qiáng)體沿徑向呈梯度偏聚分布的方法稱(chēng)為離心控制法，這種方法現(xiàn)已成為制備梯度復(fù)合材料的一個(gè)重要發(fā)展方向。
　　有人采用離心控制法制備了石墨呈梯度分布的石墨/鋁復(fù)合材料。
　　上海交通大學(xué)王渠東等人離心鑄造Al-Fe合金，獲得了初生Fe相沿徑向呈梯度分布的自生梯度復(fù)合材料鑄管。覆砂金屬型離心鑄造Al-Fe合金自生梯度復(fù)合材料中指出：①隨著增強(qiáng)體數(shù)量的增加，增強(qiáng)體沿徑向的分布梯度逐漸減小，在徑向的分布范圍逐漸擴(kuò)大；②轉(zhuǎn)速在0～2000r/min范圍內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速的增大，增強(qiáng)體沿徑向的分布梯度逐漸增大，而在徑向的分布范圍逐漸縮小。
　　3．1．3 電磁攪拌控制法
　　李英民對(duì)凝固過(guò)程中的（Mg2Si）20Al80合金熔體施加強(qiáng)烈的交流電磁攪拌，制備了外表面富集Mg2Si的梯度復(fù)合材料。據(jù)分析，當(dāng)進(jìn)行電磁攪拌時(shí)，金屬熔體在交變磁場(chǎng)中會(huì)受到指向軸心的電磁力作用。由于增強(qiáng)體（初生Mg2Si）導(dǎo)電性較低，基本不受指向軸心的電磁力作用，而施加在熔體上的電磁力卻較大，造成在增強(qiáng)體周?chē)牧?chǎng)不均衡，增強(qiáng)體受到金屬熔體施加的離開(kāi)軸心的擠壓力作用而沿徑向向外部遷移，從而獲得了外表面富集增強(qiáng)體的梯度復(fù)合材料。
　　研究指出，電磁攪拌器所加的三相交流電的電壓越大，液/固界面與熔體之間的剪切力越大，初生Mg2Si顆粒越容易被推到試件的外表面，偏聚層越厚。
　　3．2增強(qiáng)體均勻分布的控制方法
　　對(duì)于整體強(qiáng)化復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，增強(qiáng)體在基體中均勻分布至關(guān)重要，加強(qiáng)對(duì)熔體的攪拌是實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體均勻化目標(biāo)的根本手段。下面是幾種有效的攪拌方法：
　　3．2．1 機(jī)械攪拌
　　機(jī)械攪拌是對(duì)熔體實(shí)施攪拌最傳統(tǒng)的方法。由于受攪拌器葉片材料的限制，機(jī)械攪拌法用于鋼鐵合金的實(shí)例較少。
　　對(duì)熔體實(shí)施機(jī)械攪拌應(yīng)注意：①合理選擇攪拌器葉片材質(zhì)及形式：攪拌器葉片直接與熔體接觸，極易對(duì)合金造成污染。對(duì)非鐵基合金，宜選用非鐵質(zhì)葉片或?qū)︿撊~片進(jìn)行外涂涂層處理（如外涂一層白陶土）。且應(yīng)根據(jù)增強(qiáng)體顆粒密度大小選擇葉片旋向 .②良好的攪拌：攪拌器葉片的浸入深度應(yīng)控制適當(dāng)，以便產(chǎn)生平穩(wěn)的漩渦。攪拌棒的晃動(dòng)或攪拌器葉片不合適都會(huì)增加增強(qiáng)體受熔體排斥的幾率，從而使增強(qiáng)體在基體中的分布情況變壞。③攪拌時(shí)間：加入增強(qiáng)體后，攪拌時(shí)間要盡量長(zhǎng)，停攪后的等待澆注時(shí)間應(yīng)盡可能短。
　　有一項(xiàng)“把固體顆?；烊胍后w的裝置”的美國(guó)專(zhuān)利，稱(chēng)用此裝置生產(chǎn)的復(fù)合材料“克服了顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料常出現(xiàn)的缺陷，且攪拌時(shí)間短、生產(chǎn)率高、成本低。”
　　3.2.2 氣體攪拌
　　通過(guò)外加氣流或熔體反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體攪動(dòng)熔體也可達(dá)到增強(qiáng)體均勻分布于熔體的目的。
　　趙玉濤、李忠華等人利用原位反應(yīng)生成的大量氣體對(duì)熔體進(jìn)行攪動(dòng)，分別制備了增強(qiáng)體均勻分布的Al3Zr（p）.Al2O3（p）/A356和 （TiB2+TiAl3）/AlSi6Cu4復(fù)合材料。
　　3.2.3 高能超聲處理
　　潘蕾等人將SiC顆粒加在600℃的ZA27合金熔體表面，用高能超聲處理熔體60～90s，得到熔體-顆粒懸浮液，制得了（鑄態(tài)）顆粒分布總體較為均勻的SiCp/ZA27復(fù)合材料。該研究認(rèn)為，高能超聲在熔體中的有限振幅衰減使熔體內(nèi)形成一定的聲壓梯度，從而形成一個(gè)流體的噴射，此噴射流直接離開(kāi)超聲變幅桿的端面，在整個(gè)熔體中形成環(huán)流（即聲流效應(yīng)），聲流的流速可達(dá)熔體對(duì)流速度的10～103倍。在聲流將雜質(zhì)排離增強(qiáng)顆粒表面的同時(shí)，也將顆粒送入熔體深處，并使之分散均勻。
　　4 復(fù)合熔體性能特點(diǎn)及成形工藝要點(diǎn)
　　復(fù)合熔體與普通熔體最大的不同就在于引入了增強(qiáng)體固相粒子。由于固相粒子的引入，復(fù)合熔體粘度將突然顯著增加微量TiC、TiB2引起鋁熔體粘度的突變現(xiàn)象。李慶春教授指出鑄件形成理論，液態(tài)金屬的粘滯性對(duì)于金屬在鑄型中的流動(dòng)特性，對(duì)于鑄型的充填，對(duì)于液態(tài)金屬中的氣體上浮，以至于對(duì)金屬的補(bǔ)縮，均有明顯的影響。
　　為了獲得健全的制品，粘度突然增加的復(fù)合熔體的成形工藝必須處理好以下兩個(gè)問(wèn)題：
　　①改善熔體的流動(dòng)性，提高其充型能力；②防止熔體吸氣并加強(qiáng)熔體中氣體的排除。
　　桂滿(mǎn)昌等人開(kāi)發(fā)了由過(guò)濾網(wǎng)和直澆道組成的真空壓差澆注工藝。復(fù)合熔體經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)后直接充填鑄型。由于金屬液充型后，直澆道始終存在壓力作用，而且是最后凝固，因此能對(duì)鑄件起補(bǔ)縮作用。這種鑄造過(guò)程特點(diǎn)具體表現(xiàn)在：
　?、?gòu)谋举|(zhì)上消除了氣體的來(lái)源，基本上消除了澆注過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔缺陷；②簡(jiǎn)化了澆注系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)重量和鑄件重量比從非真空自由澆注的（5～10）：1降到（0.5～1.5）：1；③克服了復(fù)合熔體流動(dòng)性差的缺點(diǎn)，可澆注復(fù)雜薄壁的復(fù)合材料鑄件。
　　5 展望
　　鑄造法是最有發(fā)展前途的復(fù)合材料制備方法之一，將來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)放在下面幾個(gè)方面：
　?、?針對(duì)黑色金屬基體，根據(jù)復(fù)合材料的使用性能要求優(yōu)選增強(qiáng)體；② 開(kāi)發(fā)出更易實(shí)現(xiàn)更易運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)的制備方法；③ 大幅降低復(fù)合材料制品的材料和制造成本；④ 研究復(fù)合材料廢料的回收再利用技術(shù)。
　　所以，可以相信，鑄造法在耐磨、耐熱復(fù)合材料制品生產(chǎn)方面將大有作為。