铸造法制备金属基复合材料的研究

金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于材料的制备方法。因此，研究和发展有效地制备方法一直是金属基复合材料研究中的重要问题之一。由于铸造法制备金属基复合材料时温度高，熔融态的金属流动性好，便于一次形成复杂工件，所需设备也相对简单，成本较低，能适应规模生产，是近年来研究较多、发展较快的复合材料制备方法。为此。迫切需要研究铸造法制备金属基复合材料的工艺。

1. 搅拌铸造法制备金属基复合材料

搅拌铸造法是将增强颗粒直接加入到金属熔体中，通过一定方式的搅拌使颗粒均匀地分散在金属熔体中，使其形成颗粒增强金属基复合材料熔体，然后浇铸成锭坯、铸件等。根据金属熔体加热状态可分为全液态搅拌铸造法和半固态搅拌铸造法两种。

1.1 全液体搅拌法

全液态搅拌铸造法是通过高速旋转的搅拌器使完全熔融的基体金属液产生旋涡，向旋涡中逐渐加入颗粒等增强物。由于旋涡的抽吸作用，颗粒被卷入熔液中，待均匀分散于金属熔体中，再用挤压铸造等适当的铸造方法成型。此方法工艺简单，设备投资少，但基体金属熔体温度较高，对搅拌器质量要求也高，只能制备较粗颗粒的复合材料。另外，若不是在真空或惰性气体保护下搅拌，在高速搅拌的旋涡中不可避免混入气体和杂质，易出现偏析和“结团”现象，影响复合材料性能。袁广江等采用真空搅拌铸造法制备了 20vol%SiC 颗粒增强A356 基复合材料，结果表明，SiC 颗粒均匀分布于基体中，复合材料具有优良的综合力学性能。

1.2 半固体搅拌注浆法

指的是将基体金属加热至半固体状态后，加以搅拌，搅拌的同时投入颗粒增强物，此种状况下，即便是增强物与半固态金属无法润湿也不影响增强物在金属熔体中的有效分散，这主要是由于半固态的金属熔体对颗粒增强物具有夹带和包裹的作用，搅拌得当的情况下，可以使增强物在金属熔体中均匀分散。此后，可以继续加热，使金属熔体和增强物的混合料达到浇铸状态和温度，再进行具体浇铸，以达成铸件制备需求。该项技术的适用范围较广，既可以被应用于对小颗粒、高含量颗粒增强金属基复合材料的制造，又可以被用来制造短纤维金属基复合材料与晶须金属基复合材料。但在铸造过程中，需要认识到，因金属熔体的粘度偏大，很难保障内部气体以及杂质等的及时排出，此时，所制备的复合材料很可能无法达到力学性能要求。此时，可以优先选用结晶温度区间偏大的材料。

2. 离心铸造法制备金属基复合材料

离心铸造法的铸造原理是，基于制品要求和利用铸型旋转过程中产生的离心力确保金属溶液中密度不同的基体合金被有效分离，使其形成明显的内外层，达成复合铸件的制备要求。在实际铸造中，是通过对颗粒大小、密度以及转速的控制合理控制外层颗粒的体积比，以达成强化铸件质量的目标。此种铸造方式是目前来讲，十分有效的梯度复合材料制备方法，其应用优势表现为，生产成本偏低、工艺简单只需控制好关键施工参数便可制成合格的铸件产品，但对相关作业人员的作业能力提出了较高的要求，其不仅需要规范操作，还需具备较好的铸造经验，能够实现对铸件参数的科学设计。基于上述理论，有研究者选用熔融 AI 合金基体和颗粒增强相作为研究对象，并将离心铸造作业中的离心力作为变量，通过调整工艺参数的方式成功铸造出了不同强化部位的铸件，获得了功能梯度不同的复合材料。离心铸造的装置相对特殊，因此只能铸造出盘装或者筒状的对称型铸件，虽然此种铸造工艺的成本偏低，铸件致密度偏高，但界面质量的控制难度偏大，很难制造出长尺寸的铸件材料。

3. 涂覆铸造法制备金属基复合材料

涂覆铸造法指的是，将铸渗合金粉末（陶瓷颗粒）先固定于铸型腔内壁上，当液体金属浇铸至模型后，可以与内壁的铸渗合金粉末发生反应，并直接在金属铸件的表面形成一个复合层。此种铸造方法的优势表现为，成本投入低，无需专业设备，支持热处理，且工件很少发生变形，对于大厚度的复合材料也具有较好的铸造作用，因此备受国内外研究者的关注。现阶段来看，已有的研究中，多数集中于对铸渗机理和制备工艺的研究，其中铸渗机理属于十分复杂的研究过程，很难单纯依靠毛细理论和扩散理论进行解释，且截止至目前也没有形成一个较为完善的理论体系来贴切的形容和描述铸渗过程。有学者将有无化学反应作为总结铸渗机理的参考项，研究显示，部分情况下合金粉末与金属液相在相互作用时可能产生颗粒、重熔和再凝固等情况，这标志着铸渗过程中会涉及到液相烧结和蔓延岩烧等理论。

4. 喷射分散法制备金属基复合材料

喷射分散法是用氩气等惰性气体作为载体，把增强颗粒喷射于浇注的金属液流上，随着液流的翻动而使颗粒得到分散，这种分散有增强颗粒的金属液进入金属铸型，冷却凝固后形成铸件。这种方法不仅适用于以铝、镁等有色金属为基体的复合材料，而且还可用于钢铁等高熔点合金为基体的复合材料。长古川正义采用喷射分散法成功制备了低合金钢基体的复合材料。另有采用喷射法生产Al-SiC 颗粒复合材料，SiC 的含量可达到 30% 。

结语：

铸造法是目前来讲，较为常用的金属基复合材料制备方法，在不断应用中衍生了多种铸造工艺，每种工艺的铸造机理不同，适用范围也有所不同，要想提升金属基复合材料的制备效果，就需要明确隔离铸造方法的铸造机理，并且结合实际铸件的制备需求，选用合理的铸造工艺。从已有的研究资料来看，还有部分铸造工艺的铸造机理并不明确，此时可以结合以往的铸造经验选择最佳的铸造工艺，以提升金属基复合材料的制备质量。

参考文献：

[1] 张学习 , 郑忠 , 高莹 , 等 . 金属基复合材料高通量制备及表征技术研究进展 [J]. 金属学报 ,2019,55(01):109-125.

[2] 刘朋柱 . 铸造法制备金属层状复合材料的发展及应用 [J]. 中国新技术新产品 ,2018,(09):52-53.