铸造铝基复合材料的研究进展.pdf

铸造法是铝基复合材料制备方法中最经济的方法之一 。 本文概述了低压铸造 、 挤压铸造和搅拌铸造  三种制备铝基复合材料的方法及特点 。 简介了上述制备铸造铝基复合材料方法在国内外的研究现状 。 探讨了铸  造铝基复合材料的发展方向 O关键词: 铸造 ;铝基复合材料 ;制备工艺中图分类号: TB331 文献标识码: A 文章编号 ： 1674-6694( 2020  )01-0042-05Research Progress on Casting Al Matrix Composites CHEN Zhi-ping, CHEN Wei-ping ,LI1 Fang-fang(Guangdong Key Laboratory for Advanced Metallic Materials Processing $ South China University of Technology $ Guangzhou Guangdong 510641, China)Abstract: Casting method is one of the most economical methods for fabricating aluminium matrix composites.The preparation methods and characteristics of aluminium matrix composites by low pressure casting, squeeze casting and stir casting were summa- rized.The research status of the above mentioned methods for producing cast aluminium matrix composites at home and abroad is briefly introduced.The development direction of cast aluminium matrix composites were explored.Key words: casting, aluminium matrix composites, preparation technology铝基复合材料不仅具有比强度和比刚度高 ,更  耐疲劳和更耐磨 ,还具有高温性能好 ,阻尼性能好  以及热膨胀系数低 。 跟其他复合材料一样,其能组  合特定的力学和物理性能 ， 以满足产品服役的需  要 。 因此 ， 铝基复合材料已成为金属基复合材料中  最重要 、 最常用的材料之一 。 铝基复合材料通常根  据增强体的种类主要分为纤维增强铝基复合材料  和颗粒增强铝基复合材料 。 纤维增强铝基复合材料  虽然具有比强度 、 尺寸稳定性好 、 比模  一系性能 ，  ， 主要用  领域 ， 作为  飞机 、 空间 、 人  用材料 。 颗粒增强铝基复合材料用  及飞机  、 用  材料 、 用  、 金属学系此外还以用  性  系统的精、 、 。收稿日期: 2019-11-20作者简介: 陈志平 (1991-)， 男 ， 博士研究 ， 主要从事金属材料制  成方面的研究 ， E-mail：  503785788@qq.com.通讯作者: 陈维平( 1959 -),男 ,教授 ， 博士 ， 主要  事金属材料制备  与成形方面的研究 ， E-mail: mewpchen@scut.edu.cn 基金项目 ： 广东省重点领域发划 (2018B090905002)广东省科  划项 -重专项 (2017B090911010);广州市基础  究项 -重点项专题 (201804020071).与纤维增强铝基复合材料相比 ， 颗粒增强铝基  复合材料不仅具有  及  、  成  低 、还  模产  用 [1-3]o颗粒增强铝基复合材料  以铝  铝合金为基体 ， 基体材料  中  基体  成具有  强度 、 模量 、耐热和耐磨  一系  物理性能的颗粒 ，成颗粒增强铝基复合材料 !4 %, 颗粒增强体有材料的强度 、 耐热性和耐磨性性能 。 颗粒  增强体根据尺寸  一  分为  和  颗粒 。 增强的体分数  ， 颗粒尺寸  ，颗粒数  ， 颗粒间  ， 能铝基复合材料的力学性能叫铝基复合材料中 ,常  用 SiC、 Al2O$、  作为增强颗粒 ， 用的增强颗粒  具有  的力学性能及物理性能 ， 成  低 ， 能有  合金的  合性能 ， 颗粒增强铝基  复合材料满足  的需要叫一  ，  铝基复合材料性能和用的  因 。 因此 ， 研究铝基复合材料的制  以及  稳定铝基复合材料的性能 、降低铝基复合材料的产成 、 扩铝基复合材料  的用范围的必要前提 。 经过年的发展 ， 铸法  制备铝基复合材料已经发展成多种新 ， 例如低  -42  -2019 年第 6 期 陈志平 ,陈维平 ,刘方方:铸造铝基复合材料的研究进展 铸“#备与工艺压铸造 、 挤压铸造 、 搅拌铸造等 。 本文概述了上述三  种制备铝基复合材料的方法以及最新国内外研究  进展 。 探讨了铸造铝基复合材料的发展方向 。1 低压铸造铝基复合材料低压铸造一般是指把铸型安置在密封的土甘 ［  上方,然后将压缩空气通入到土甘 ［ 中 ， 使得熔融金  属的表面上产生低压力 ， 迫使金属液由升液管上升  填充铸型 ,从而控制凝固的铸造方法 。  种铸造方法  ， 缩 ， 铸  密 ， 气  ,铸造大型薄壁复杂的铸•污染 ， 且。  , 生产  铝合金铸的 J458型低压铸造的  备⑹ ， 产合  95% 上 ， 中 ， 型是 ±0.1 oo,微机液面加压系统压力误差 ！ 0.2% , 铝液控制  是 680  2 〜 720  °C.1.1国外低压铸造法制备铝基复合材料研究现状Reilly等⑺低压铸造铝合金制  究  ，究了  的  发Park等 %8 ,9'低压铸造铝基复合材料上  展相究及  发 ，  铝合金 %10 ， 11  '等铝基复合材料低压铸造  进了系  究 ， 充型基本  中的  进了深入探  ,复合材料  FeCrSi/A336是以FeCrSi金属  的  制  （的  制 ， 低压铸造的方法将 A336铝合  金熔  入  制中 ， 制备  的铝基复合材料  1a 低压铸造  备  ， 图 lb）为低压铸造  ％3 '。预制体:真空泵 卜 （ 扁!时间熔融  合金0.4 MPa 作用压力/!压力加速度3“.05/0'/时间  a-9充型时间爲减压时间 “:压& （H］ 压力计 ］  通气孔 、a） 压力控制系统示意图  b） 低压铸造充型过程中压力曲线图图 1 低压铸造设备示意图及充型过程中压力曲线图国1.2国内低压铸造法制备铝基复合材料研究现状  等 %12 ' 低压铸造  碳,A356铝合金金属基 ， 制备碳铝基复合材料 ， 根据试验  ， 金属熔低压铸造  浸  静力学  力学过程进分析 ， 测  了  透  ， C/Al浸  复合过程C/Al复合材料性能进了讨 。 际制备过程  中 ， 金属熔  浸  形态的  制时 ， 会受到重力 、 空气阻力 、 毛细压力 、 粘滞阻力  端部阻  力  的影响 。 忽略重力 、 空气阻力  端部阻力 ， 液态金属的充型过程主要受到毛细压力  粘滞阻力  的影响⑶ 。曾建民等［13 ， 14］使  低压铸造  制备颗粒增强铝基复合材料时 ，  究了充型流  力学基本原 ，  低压铸造  制备  SiC颗粒增强铝基复合材料 ， 中 ， 入积分  15% 的  SiC粉末的粒径  10  Gm， 基  材料  ZL101.其制  备过程  ， 首先把基  合金配置好 ,快速熔压入镁 ， 除气后 ， 将经  热的 SiC粉末引入熔  进搅拌 。 将制备好的熔材料分别在重力低压  铸造  浇入经  热的金属型  内 ， 从而获得有  力学性能的试棒 。 比较重力和低压铸造制备的铝基复合材料的力学性能 %3 ',发现 ，  低压铸造  制备的试棒的  隙率降低 60% ， 而抗拉伸  分别提高 6.5%  75%. 该金属型较简单 ,若改变  他复杂形状的型腔 ，  观性能有待究 。快颗粒  复合材料熔流动性的可途  径是提高流  速  。 低压铸造过程中 ， 金属  液面上的气压力主要决了熔充型时的流动  速 ， 但气压力不仅受到铸结的影响 ，  使  的铸型种  有  ，  ， 合  置升液压力 ， 充型压力 ， 充型速  ，  结  压力 ， 压时  等  是  重要的 %3' 。2 挤压铸造铝基复合材料挤压铸造法一般指液态  ， 可分  挤压铸造  挤压铸造 。 原  是先制备  形状的  制  ， 然后将熔融的基  合金等合金熔入有制的  中 ，  的压力， 迫使合金熔  浸  入  制  ， 压  时  后  却 %2 '。 该方法  有较好的  稳  性 ， 较短的生产时•缺点是生产  本较大 ， 不仅  要高压  备 ， 而  且  要密封良好的耐高压  ， 并且较  生产形状非复杂的  ％2 '。2.1国外挤压铸造法制备铝基复合材料研究现状Mousavian等 %15 '将热挤压工艺应用于搅拌铸造  铝基 SiC复合材料 ， 究发 ， 使经过 36  h的, 的  颗粒不可能颗粒 ，  粉末的粒径  铝液  ・43 ・Feb.2020 !1 铸“#备与工艺 2020 年第 1 期放的热量是影响制品拉伸性能和显微硬度的两个  关键因素 。 Alhashmy等网研究了一种层压板挤压铸  造工艺作为替代方法 ， 使纤维织物和铝板的交替层  热巩固 ， 成功地制备了纤维体积分数在 7% 〜 14  % 之间的复合材料 。 在碳纤维体积分数为 7.4% 的情况  下 ， 复合硬度比标准 6061 基体合金高岀 50%.Muraliraja等 呵 以 7075 铝合金为基体材料 ， 质  量分数为 2.5% 的氧化铝为增强材料 ， 通过挤压铸造  工艺制备岀具有较高压强度的铝基复合材料 。 复  合材料的硬度从 44  HRB提高到 59  HRB.与文献报  的 7075 铝合金和  铝基复合材料相比 ，氧化铝增强材料  的挤压  587  MPa后,复合材  料的压强度显著高 。 Venkatesan等 ［ 18］ 采用搅拌  铸造和挤压铸造技制备了纳  增强 7050铝合金复合材料 ， 研究  ， 在  7050  复合材料  ，  质量分数为 0.3% 的  搅拌铸造和挤压铸造的拉伸性能有高  质量分数过0.3%  ， 成2.2国内挤压铸造法制备铝基复合材料研究现状有研究  ， 在挤压过  ， 压  复合材料的  有  显著影响  增  挤压压  ，有  化  ， 增强  的分凹 。 挤压铸造具  2  7000高强铝合金在  有  的  用 ，是  铸造性能  ， 成  方法以  制  挤压  性  为 ， 产品  为板材和材  成复的  挤压铸造和固挤压铸造为 7000  铝合金铸造成  复合材料的制备  了  的  ， 了  7000  铝基复合材料挤压铸造  成技的研究  ， 岀了  在的一， 了  方叫a） 加压刖 b） 加压后图 2 挤压铸造模具示意图制备岀  化  制块后 ， 通过挤压铸  造法制备岀了双连续  化  增强铝基复合材料 ， 研  究了不同铝合金  量影响下的显微组织和学  性能 ， 以  的强韧化机制国  果  随复合材料铝合金体积分数的增  复合材料的断裂韧  性增显微硬度和弯曲强度都下 ； 该铝基复合  材料的断裂式为化  轴  的沿韧性断  裂 ； 铝合金  化不生化学反  而避免了过度的界面反的不影响 ；  的强韧化机制主要有位错增殖 、 负荷传递和裂纹偏转冋 。3 搅拌铸造铝基复合材料搅拌铸造法就是将温度热基体熔点以上 ，  将纳  处理 ,再把一定质量分数的纳金属熔体  搅拌处理 ， 使增强  分散基体熔液待浇注凝固后制备岀  符合  求的复合材料 。 根据搅拌方法不同  分为机械搅拌 、 超声搅拌 、 电磁搅拌  方法卩叫  搅拌铸造  法工艺  设备  简单 ， 制备成本较  在制备过  在增强  生集聚  象 ， 且岀  偏析的情  况较无法控制界面反叫况且  的增强的体积分数受  一定的限制 。 搅拌铸造铝基复合  材料的各种性能取决  制备方法 、 体积分数尺寸以及组分的分和性能 ［ 2役3.1国外搅拌铸造法制备铝基复合材料研究现状Gopalakannan等 ［ 23； 采用超声空化法制备了  质量分数为 0.5% 的 SiC纳  增强的 7075 新型铝基纳复合材料 。 高分辨扫描电子显微照片显  SiC纳  子在铝金属基体的  分和良好的分散性 。 采用响面法的面  复合设采用放电工技  工电数控机  采用方分析方法研究了工艺  数  作用的影响为了  工  性  了一个数学Alaneme ［ 24； 采用两步搅拌铸造工艺制备了复合材料  复合材料  了显微组织  硬度  拉伸和断裂韧性  评价了复合材料的  学性能  果表随增强阶段花生壳的增增强铝基复合材  料的硬度  限拉伸强度和比强度略有下  是  铝  和  的氧化物  量增Gupta ［ 25； 通过铝合金  K2TiF+）位反  制备了不同质量分数 AljTi 的 AljTi增强铝基复合材料  声搅拌铸造  3 f铝熔体在  反  过  声处理  以化铸造组织  使  位成  的  Al3Ti 较  的分散 。 采用 X 扫描电和  电位复合材料  了  熔体  生成的  Al3Ti了  而使铸造组织化 。Mistry等 ［ 26； 采用电磁搅拌铸造工艺 ， 通过相关・44 ・2019 年第 6 期 陈志平 ,陈维平 ,刘方方:铸造铝基复合材料的研究进展 铸“#备与工艺研究 ， 开发岀一种新型的铝基复合材料 。 分别将  质量分数为 4% 、 8% 和 12% 的 Si3N4颗粒压入 7075  铝合金中 ， 然后对所有试样进行热处理 。 结果表明 ，  在 7075 铝合金中 ， 随着匹汕加入量的增加 ， 可逐  渐提高热处理后铝基复合材料的硬度 ,但抗拉强度  和抗弯强度先升高后下降 ， 即在 Si)*4质量分数为  8 %时拉伸强度和弯曲强度最大 。电磁搅拌法是为了解决浆体中存在机械搅拌器  的问  发  的  为电磁搅拌法是中 ’ 最广泛 、 最有  的方法 。 Shabani等刃比较了  法和传方法制的铝基复合料中  金  合中颗粒的结 。 结果表明  电磁搅拌后的  样  中  金  合  中  颗粒  分  中  。3.2国内搅拌铸造法制备铝基复合材料研究现状Du等肉为了  Al-SiC搅拌  复合  料中SiC颗粒的  分  行研制的  电磁机械搅拌  对 Al体  分数 4.24%SiC复合  料进行了  搅拌  分为 25 。 的  在电磁搅拌  下 ，  浆体  机械  提高 SiC颗粒 。 结果表明 ， 在 620  ＞ 下 ， 以 300  r/min和 600  r/min的速  度进行电磁搅拌  可  SiC颗粒  分布的 Al-4.25%SiC复合材料 。明等 3294  搅拌  制  体积分数为 15% 和 20% 的 SiCp/ZL108的铝基复合材  料  拉伸  试和  的  ， 研究了增强颗粒 SiC对基体合金的的  。 结果明 ， 在基体 ZL108 中加入  量的 SiCp后 ，  ， 颗粒分， 复合料中的  度增加了 ，  提高了  和  量 ， 大度  了料的磨， 铝基复合  料  的是 SiCp 的导热 较高的体积  分数 。张桢林等 3304  SiCp粉和 A357铝合金  为原料 ， 对 SiCp质量分为 20  %的 A357复合  料  双  级搅拌桨在不  参数下进行搅拌 ， 研究了一些  参数对 SiCp分  的  。 并对制备的 SiCp/A357复合  料  T6热处理 ， 分析了铝基复合料的  和  在热处理后的变规律 。 结果表明 ， 在搅拌转  为 800  r/min,搅拌温度  为 610  J， 搅拌时  为 20  min下  双级搅拌桨制的复合料中 SiCp分  最佳 。  T6热处理后 ， 铝基复合材料的抗拉强度为 345  MPa， 硬度  达到 123.3 HB， 相比  的铝基复合  料, T6热处  理后的铝基复合材料的抗拉强度和硬度明  升 ，分别提高 66% 和 48.6%. 断口分析表明 ， SiCp/A357 复合  料的断裂机制为基体合金的韧  断裂 、 界面  脱粘和 SiC颗粒的断裂的混合机制 。尽管 SiCp/Al复合  料  搅拌  法的制本低 ， 够  近终  形,但是在铝合金熔体中  使 SiC颗粒的  分难度很大 ， 这不跟搅拌  器结有关 ， 且与搅拌  切相关 。 张桢林等 3314研究数值拟相结合的方法 ， 开了新  型桨栅复合搅拌器的计  相关  的研究 ， 比  较了桨栅复合搅拌器和单一形式搅拌器的流场结  度场分 ， 并对搅拌  进行了研究 。结果表明 ， 桨栅复合搅拌器对铝基复合材料大体积  熔体  够较  搅拌和高  剪切 ， 在复合搅拌器内 ， 熔体的流场为较  的径  和轴  循环 ， 熔  体最大  度在 3.9 m/s时的搅拌转速为 500  r/min，  并且面为稳 ， 剪切度和流场结  于单一搅拌器 ； 在搅拌转  500  r/min、 搅拌温度 610  P、  搅拌时 20  min的  条件下 ， 桨栅复合搅拌器制  的铝基复合  料中的 SiC颗粒分  并且无  气孔缺陷 。 取  研究与数值拟相结合的方法易于解释说明  结果 。4 展望虽然  法制铝基复合料  多年的发， 已发  多种新  ， 例如低压  挤压铸搅拌  等 ， 但  有很多有待完  的地方 ， 今后  铝基复合料的研究方  有 ：1 ) ，  低压  技术制金基复合材料  中于传的纤维颗粒增强铝基复合料 ， 进一  研发岀  多  的金  基复合  料体  ，  并结合  技术  技术等技术・45 ・Feb.2020 NqI 错“设备与工艺 2020 年第 1 期拓展低压铸造成形工艺的应用范围叽2 ) 由于基体与增强体之间的界面反应很难控  制 ,而界面的结合情况对材料的性能有着极大的影  响 。 因此 ， 加强对各种制备技术中复合材料的界面  机制的研究以及对现有的制备方法及设备的改进 ，  研发岀新的低成本 、 净成形的制备方法 ， 并能结合  应用计算机数值模拟技术 。3 ) 现阶段无论是液态挤压铸造还是半固态挤  压铸造 ， 各  之间  性  ， 对  体的  净以及半  态浆料的  有着  的影响 ， 急需开发岀工艺过程简洁效的挤压铸造成形备 ， 保  证挤压铸造过程效 ， 并大  低成本 。4  铸造大  阶段 ， 并难 ，  与基体的  ，， 复合材料的铸  。 过改进复合  工艺 、 工艺  数 、 开发新  设备以及加强  论研究 ，  与基体的  ， 进  研究界面反应发机  增强机制叫 32 # 。参考文献 ：[1  ]潘利文 ， 唐景凡,林维捐 ， 等.纳米颗粒增强铝基复合材料的研  究进展 [J ].热加工工艺 ,2016 ,45(22  )： 33-37.[2 ，  ， 周凡 ， .增强基复合材料制备技术研究现状 [J ].热加工工艺 ,2017 ,46(14 )： 25-30.[3 , , ， 等 .低压铸造法制备铝基复合材料的研究现状 [J ].有色金属材料与工程 ,2018 ,39  (5  )： 51-57.[4] Zhang Y, Wang L, Jiang W,et al.Microstructure and properties of AI2O3—T1C nanocomposites fabricated by spark plasma sintering from high-energy ball milled reactants [ J ] .Journal of the European Ceramic Society,2006,26( 15)： 3393-3397.[5] 时新刚 ， 冯柳 ，  ， • 增强铜基复合材料的最新研究动态及发展趋势 [J]•冶金信息导刊, 2007 ,1  ：  26-29-[6 乐,丁苏沛 ， 陈  诗 ， 等 .J458型低压铸造机的研发与应用[J]特种铸造及有色合金 ,2007 ,27(8 )： 613-615-[7] Reilly C,Duan J,Yao L,et al.Process modeling of low-pressure die casting of aluminum alloy automotive wheels [ J ].JOM, 2013, 65 9 1111-1121.[8 ] Park W J, Hossian M A, Choi Y B,et al.A study on the manufac­turing conditions of metal matrix composites by low pressure infil­tration process J .Journal of 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