[发明专利]铝浴自蔓延反应制备颗粒增强铝基复合材料的方法

说明书

本发明涉及制备颗粒增强铝基复合材料的方法。

颗粒增强铝基复合材料制备工艺繁多，根据增强相颗粒是由外部加入还是在基体内部生成，这些工艺大体上可分为两类：一类是强制外加法；另一类是原位反应复合法。

所谓强制外加法，即增强相粒子由外部加入到基体中去。目前该类方法中较为普遍采用的工艺主要有：粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法等。

粉末冶金法和喷射沉积法制备工艺复杂、成本高，即使在高性能要求的航空航天和国防领域中也表现出极高的成本障碍。

搅拌铸造法即通过强烈的机械搅拌作用将增强相颗粒分散到铝合金熔体中，其成本相对来说较低。由于增强相颗粒往往与铝合金熔体不润湿，所以必须施加外力作用以克服热力学表面障碍和粘滞阻力，以使颗粒弥散分布于熔体中。Dural公司采用真空搅拌技术实现了铝基复合材料的工业化生产，但复杂的机械搅拌装置和真空技术，增加了操作的难度(见USPatent4,786,467)。该方法对增强相颗粒大小和体积分数有很大限制，颗粒直径一般大于10μm，体积分数小于40％，且颗粒在熔体中易产生比重偏析，凝固时易形成枝晶偏析，造成颗粒不均匀分布。

涂层法即通过某些工艺在增强相颗粒表面形成一层与铝合金润湿的涂层，从而改善增强相颗粒与金属熔体的润湿性。例如采用化学镀方法在石墨或SiC颗粒表面形成Cu、Ni涂层，然后通过机械搅拌作用将表面包覆了涂层的石墨、SiC等增强相颗粒分散到铝合金熔体中。但该方法增加了涂层工艺，显著增加成本，且形成的Cu涂层在高温下易氧化和熔化，氧化或熔化后的涂层不能起到改善颗粒与铝合金熔体润湿性的作用，而化学镀Ni涂层易与铝反应生成NiAl₃等脆性相，降低复合材料性能。

原位反应复合法即利用两种或两种以上元素在基体中相互反应在基体内部生成增强相粒子，达到强化基体的目的。它与强制外加法相比具有如下的优点：①增强相在基体内部生成，表面干净，无污染物；②增强相与基体界面干净、结合好；③原位生成的增强相颗粒细小，分布均匀；④增强相加入量可在较大范围内调节。但原位反应法目前不能制备以石墨、SiC等为增强相的铝基复合材料。

原位反应复合法制备颗粒增强铝基复合材料的工艺主要有Koczak等人提出的VLS技术(见M.J.Koczak,M.K.PremkumarJOM.January 1993 44～48)；SHS技术(见L.Gotman,M.J.Koczak,E.Shtessel；Mater.Sci.Eng.；A187(1994)189～119)及美国Martin公司的XD技术(见陶春虎、张少卿等，材料工程，1994年11期，10～12)。

VLS技术，其原理是将含碳或/和含氮的惰性气体通入到高温铝合金熔体中，利用气体分解生成的碳或/和氮与合金中的Ti发生快速化学反应，合成微细TiC或/和TiN粒子。但该方法需以惰性气体为载体，且由于没有利用合成反应的反应热，铝合金熔体的温度必须很高，才能使气体分解及进行合成反应。此外，增强相颗粒的种类有限，目前只能制取TiC、TiN等为增强相的铝基复合材料。

SHS技术即将形成产物所需的各种粉末按比例混合并压坯，将压坯置于惰性气氛中，点火使其发生自蔓延反应，从而合成复合材料。该方法已用于制备以TiC、TiB₂为增强相的铝基复合材料。该方法反应过程需在惰性气氛的保护下进行，所制取的材料孔隙较多，需后序加工处理，提高了材料的制备成本，增强相含量较低时，则不能反应合成，这无疑增加了工艺操作的难度。另外，该方法无法制备以石墨、SiC等为增强相的铝基复合材料。

XD技术是SHS技术的发展，即将形成产物所需的各种粉末按比例混合并压坯，然后将混合物压坯置于惰性气氛中在一定的加热速率下加热到可使反应自发地产生并在整个混合物中处处发生，从而合成增强相颗粒。XD技术与SHS技术的不同之处在于反应进行的方式不同。SHS技术中反应过程依靠燃烧波的蔓延相继进行，而在XD技术中，反应基本上在整个混合物中同时发生。由于反应热同时放出，XD技术通常能达到比SHS技术高的绝热温度。它解决了当采用SHS技术时，由于金属间反应放热较低，系统因达不到较高的绝热温度而无法维持下去问题，但它并不能解决SHS技术中需采用惰性气氛作保护、所制取的材料含有孔隙需后序加工等问题。它同样无法制备以石墨、SiCp等为增强相的铝基复合材料。