近年来利用原位合成技术制备的铝基复合材料集中在Al-TiO2系与A1-ZrO2系上[4]。Feng等人利用原位合成技术合成了A1-ZrO2系铝基复合材料,并利用热分析法探讨了反应过程,得知最后的铝基体中增强相为TiAl3和 -Al2O3,其中TiAl3呈块状或短棒状,在铝基体上分布均匀,并且反应过程中产生中间相TiO和 - Al2O3。朱和国,陈湜利用原位合成技术获得了A1-ZrO2-B系铝基复合材料,并应用DSC、XRD、SEM等现代技术手段对反应进行了分析,研究表明;Al-ZrO2-B反应系中,加入的B与Al在700"C结合生成AlB2,当系统升温至840℃左右时,AlB2与ZrO2结合反应生成 -Al2O3和ZrB2,抑制Al3Zr形成,当B的加入量足够多直到[B]]/[Zr]摩尔比为2时,Al3Zr基本消失,反应产物仅由 α-Al2O3和ZrB2组成。
1.2.1 原位合成技术的分类
原位合成技术包括:自蔓延高温合成技术(SHS)、放热弥散法(XD)、反应热压法(RAP)、反应挤压铸造法(RSC)、直接反应合成法(DRS)、气一液合成技术法(VLS)、接触反应合成法(CR)、直接还原法(DR)等等。其中固-固合成技术包括以下三种:
(1)自蔓延高温合成技术(SHS)
SHS的反应原理是:外部提供的能量诱发高放热反应,导致体系局部发生化学反应,之后依靠此反应自身放热来维持反应,最后以燃烧波的形式全部完成,同时反应物转变成为一种新材料[5]。SHS的反应体系要求必须自身具有强烈的放热效应,并且临近的原料层在点燃后,在热传导机制作用下能够相继引燃,从而使反应以燃烧波的形式蔓延直至整个材料。SHS法制备金属基复合材料具有生产过程简单、反应迅速、反应温度高等特点,但是难以控制反应过程,而且产物密实度不够高,需采取措施降低孔隙率。
(2)热爆法(XD)
该工艺由美国Martin Marietta实验室发明。XD技术的基本原理是将金属基体粉末与能够生成增强相的元素粉末按照一定比例均匀混合压实除气后,将压坯快速加热到金属基体熔点以上的温度,这个温度通常是指能够使基体熔化,在金属熔体的介质中,两固态反应元素相互扩散、接触并不断反应析出稳定的增强相,然后再将熔体进行铸造、挤压成形。 XD法的优点是耗能少、设备简单、反应过程易于控制、反应产物致密度较高。文献综述
(3) 接触反应法(CR)
该工艺是在综合了SHS法和XD法优点的基础上,发展起来的又一制备原位金属基复合材料的方法。该方法的工艺流程大致如下:将反应物粉末按照一定配比混合,并压制成块,之后用工具(如钟罩)将压块压入具有一定温度的金属液中,由于金属的高温作用发生热爆反应,进而生成所需的增强相,之后再搅拌后浇注成型[6]。
1.2.2 热爆合成方法特点
热爆合成方法的缺点是反应所需的时间较长,反应过程的影响因素较多。但是该技术有许多不同于其他制备方法的很多优点:可以控制增强相体积分数以及调节温度,从而对目标产物和增强相的颗粒大小进行控制;获得的增强相可以有许多种;可以制备金属基或金属间化合物基的复合材料。目前利用该工艺已成功制备多种金属基复合材料。 Youming Liu等采用XD法制备TiC/Al—Si复合材料,经过研究表明:当WCeO2=0.5%时,TiC颗粒尺寸减小,数量增加,与没加稀土CeO2的复合材料相比,强度和延伸率都有很大的提高[7]。
1.3 原位合成铝基复合材料研究现状
1.3.1 增强体的研究现状
1.4 原位合成铝基复合材料的发展趋势
由于原位铝基复合材料的增强相是反应合成的,内生于基体之中,因而具有许多外加强化相强化铝基复合材料所不具有的独特优点。选择适当的增强体与基体组合可制备出性能优异的复合材料,具有很大的发展潜力和应用前景[8]。可以预测,在现代工业和科技高速发展的环境下,原位合成铝基复合材料必将占有越来越重要的地位。但是,原位铝基复合材料在研究的过程中遇到的一些问题仍有待解决:如如何控制反应增强相的均匀分布;如何避免反应过程中的伴生反应;如何使得生产工艺得到优化,从而可以使得其投入大规模生产,都是原位铝基复合材料在研究中需要解决的问题。