【摘　要】文章論述了顆粒增強金屬基復合材料的概念及其特點，闡明了顆粒增強金屬基復合材料的制備方法及存在問題和解決措施，并對顆粒增強金屬基復合材料的發展進行了展望。
【關鍵詞】顆粒增強金屬基；潤濕性；分布均勻性

　　顆粒增強金屬基復合材料(Particulate Reinforced Metal Matrix Composites，即PRMMC)是指彌散的硬質增強相的體積超過20％的復合材料，不包括彌散質點體積比很低的彌散強化金屬的金屬基復合材料。PRMMC除具有高強度、高模量和低膨脹系數等特點外，能耐300~500℃或更高溫度，不燃燒、不吸潮，具有高的導熱系數與導電率，且在較高溫度下不會放出氣體污染環境 更重要的是，PRMMC的顆粒增強相成本低、微觀結構均勻、可采用熱壓、熱軋等傳統的金屬加工工藝加工，有良好的發展前途。目前，PRMMC主要用于航空航天、汽車工業等領域。隨著研究的深入，PRMMC將從軍用轉向民用．從高技術構件轉向普通構件，而且會在一些特色領域獲得廣泛應用。

1　增強顆粒的選擇及影響

　　目前使用的增強顆粒有SiC、B₄C、VC、Si₃N₄及石墨顆粒等。增強相的選擇標準包括增強相材料的彈性模量、抗拉強度、熔點、熱膨脹系數及其與合金基體的相容性等。具體選擇增強相時要根據復合材料的用途、生產工藝及成本等因素統籌考慮。顆粒應高度彌散均勻分散在基體中，同時，顆粒與基體之間應有一定結合強度。顆粒大小要適度，一般顆粒直徑為幾微米到幾十微米。顆粒的數量一般在15％~20％，隨增強顆粒體積分數的增大，PRMMC的彈性模量值增大，磨損抗力也顯著增加，且顆粒尺寸越大，其耐磨性越好，同時強度也有不同程度的增加。延伸率則隨顆粒體積分數的增大而減小。

2　PRMMC的制備

　　根據制備過程中基體的溫度可將制備工藝分為固相工藝、液相工藝和液-固兩相工藝。
2.1　固相工藝――PM法
　　PM(粉末冶金)法是早用于制備PRMMC的工藝。該工藝先將增強體和基體粉末混合均勻．經壓制、燒結及后續處理等工序制成產品。其優點是：任何合金都可作基體材料：允許使用幾乎所有種類的增強相；制造溫度較低；增強顆粒分布均勻等。PM法也存在問題，如制件的大小和形狀受到限制，工藝程序多，制備周期長，降低成本的可能性小。
2.2　液相工藝
2.2.1　鑄造法
　　鑄造法成本較低，便于一次形成復雜工件，所需設備相對簡單，能適應規模生產，是近幾年研究較多發展較快的復合材料制備方法鑄造法分攪拌鑄造、正壓鑄造、負壓鑄造等方法。
　　目前，攪拌鑄造法有液態機械攪拌法及半固態機械攪拌法 前者通過攪拌器的旋轉運動使增強材料均勻分布在液體中．然后澆注成型。后者利用合金在固液溫度區間經攪拌后得到的流變性質，將增強顆粒攪入半固態熔液中．依靠半固態金屬的粘性來制備復合材料 攪拌鑄造法的缺點是：增強體體積分數Vf有限．顆粒一般不可能小于10μm，增強體分布難以達到均勻化，有氣孔，需二次加工。
　　正壓鑄造法分為擠壓鑄造和離心鑄造 國內采用擠壓鑄造法制備出增強物分布均勻、組織致密、無缺陷的Al-石墨復合材料及鑄件擠壓鑄造法需先制成預成型體，而其對產品質量影響很大．模具造價較高。離心鑄造法是在離心作用下將金屬液體滲入增強材料間隙形成復合材料，存在顆粒分布不均的缺點。日本松下潤二采用此法制造出A1Si基石墨增強復合材料。王溪等也制備出WC／Fe―Ni鋼基復合材料。
　　負壓鑄造法分為真空吸鑄法和自浸透法，兩者都需采用預制體。北京航空材料研究所用真空吸鑄法法生產SiC／Al復合棒材取得成功。自滲透法是借助預制體內的毛細管力作用使金屬液體引入增強材料間隙。上述制備方法，要求增強相在基體中分布均勻，材料在加工過程中具有較高的利用率和小的工程消耗，后序處理及加工應盡可能少。
2.2.2　熔體浸滲法
　　熔體浸滲包括壓力浸滲和無壓浸滲。前者可制備體積分數高達50％的金屬基復合材料。后者不需任何壓力。在大氣的氣氛下，通過助滲劑使合金液體滲入到增強粒子的間隙之中，形成復合材料。該法可制備出體積分數高達55％的金屬基復合材料 張建云等用此法成功制取了SiC(或Al₂O₃)陶瓷粒子增強鋁基復合材料。熔體浸滲法可以制備大體積分數的復合材料，但也存在如預制塊變形、微觀結構不均勻和界面反應等缺點。
2.3　液-固兩相工藝
2.3.1　流變鑄造法
　　流變鑄造法是對處于固液兩相區的熔體施加強烈的攪動以形成低粘度的半固態漿液，同時引入陶瓷顆粒，利用半固態漿液的觸變特性分散增強相。此工藝局限于大結晶溫度范圍的合金，同樣存在攪拌工藝所具有的問題。
2.3.2　噴射沉積技術
　　噴射沉積技術是在霧化器內將陶瓷顆粒與金屬熔體相混合．隨后被霧化噴射到水冷基底上，形成激冷復合顆粒．再進行固結制成大塊復合材料。采用此技術生產PRMMC，陶瓷顆粒與金屬熔滴接觸的時間極短，界面化學反應得到有效控制：其成本介于粉末冶金法與液相攪拌法之間。

3　制備PRMMC存在的問題及改進措施

3.1　增強顆粒與金屬熔體的潤濕性
　　增強顆粒進入基體金屬熔體．并能很好地分散．要條件是兩者必須相互潤濕。而有些增強顆粒表面存在的氧化物吸附氣體、水分等，使增強顆粒與金屬基體的潤濕性變差。為此．可采取以下措施：預先在增強顆粒表面涂覆一層能與金屬熔液潤濕良好的金屬如Cu、Ni等：在作基體的金屬熔體中加入某些合金元素．有效降低表面張力：用某些鹽對增強顆粒進行預處理，清除增強顆粒表面的氧化膜和污染物，或對增強顆粒進行超聲清洗或預熱處理．也可清除增強顆粒表面污染物，有效提高潤濕性
3.2　增強顆粒分布均勻性
　　在外加增強顆粒制備PRMMC的鑄造法中．顆粒在金屬基體中容易上浮、下沉及偏聚。根據Stokes質點上浮速度方程可知，提高金屬熔體的粘度，減小增強顆粒的粒徑均可使顆粒上浮或下沉速度變?。w粒增強相不易聚集、結團，從而均勻PRMMC的組織、提高性能。金屬熔體的粘度通常通過添加合金元素來提高，但粘度增大使復合材料存在氣體、夾雜物不易排出以及不易澆鑄成形等問題。
　　小顆粒在粉末制備、在氣液界面的駐留期間、凝固前在液態金屬中的保持時間，甚至在凝固過程中都可能發生聚集 在凝固前的金屬溶液中，若潤濕角在85―95°的范圍內，可通過向液態金屬中增加表面。
或界面活性組元來降低成團的趨勢
3.3　增強顆粒與基體金屬的界面結構
　　金屬基復合材料的界面有三種類型：增強體與基體互不反應互不溶解．增強體與基體不反應但能互相溶解．增強體與基體互相反應生成界面反應物。多數PRMMC是以界面反應的形式結合。在改善PRMMC界面浸潤性的同時，必須注意防止界面過度反應，避免生成的脆性相在受力時起到萌生裂紋源的作用。目前，控制有害界面反應采取的措施有：
　　選擇合適的基體合金成分：選擇合適涂層：通過可控方式預沉積獲得對界面層形貌的控制：選擇合適的制備工藝與溫度。在保證復合完好的前提下，盡可能選擇低的制備溫度。短的高溫停留時間，低于反應溫度后應減小冷卻速度：盡量減少基體和增強相的熱接觸時間。

4　結　語

　　PRMMC是一種有巨大發展潛力的材料，也是當前材料研究的熱點，但制備和研究中還存在著一些亟待解決的問題，如金屬液對增強顆粒的潤濕．增強顆粒與基體間的界面反應等。如何根據不同的工作條件和性能要求來選擇適當的基體和增強顆粒進行優化設計，以拓寬PRMMC的應用領域是廣大科研工作者必須重視的研究。