挤压铸造毕业论文

挤压铸造毕业论文

　　镁合金成形技术研究进展
　　熊守美1 , 苏仕方2
　　(11 清华 - 东洋镁铝合金成形技术研究开发中心 , 清华大学机械工程系 100084 ; 21 中国机械工程学会铸造分会 ,
　　辽宁沈阳 110022)
　　摘要: 镁合金材料及其成形技术的研究和开发对于扩大镁合金在我国的应用具有十分重要的意义。根据第四届中国
　　国际压铸会议论文资料, 综述了国内外镁合金材料及其成形技术的的国内外发展趋势, 包括材料、成形技术及数值模
　　拟等, 展望了镁合金的开发与应用前景。
　　关键词: 镁合金; 材料; 成形技术; 数值模拟
　　中图分类号: TG24912 ; TG14612 2 文献标识码: A 文章编号: 100124977 (2005) 0120020204
　　+
　　Research Progress on Processing Technology
　　of Magnesium Alloys
　　XIONG Shou2Mei1 , SU Shi2Fang2
　　(11Tsinghua2TOYO R &D Center of Magnesium and Aluminum Alloys Processing Technology , Department
　　of Mechanical Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084 , China ; 21Foundry Institution of Chinese
　　Mechanical Engineering Society , Shenyang 110022 , Liaoning , China)
　　Abstract : Research and development of magnesium alloys and their processing technology are of great
　　importance in promoting domestic applications of magnesium alloys in China. Based on the conference
　　papers of the 4th China International Die casting Congress & Exhibition , this paper reviewed the trend of
　　research and development of magnesium alloys and their processing technology at home and abroad , in2
　　cluding materials development , processing technology , and numerical simulation technology , etc. At the
　　same time , the prospect for magnesium applications was also discussed.
　　Keywords : magnesium alloy ; materials ; processing technology ; numerical simulation
　　镁合金正被广泛用于汽车、航空、电子以及消费
　　原因 , 使它难以作为关键零部件 (如发动机零件) 材
　　品工业中的各种结构件。尽管这些应用的增长主要受
　　料在汽车等工业中得到更广泛的应用。同时镁合金密
　　重量减轻的驱动 , 但是 , 镁合金的其它优点也起着重
　　排六方的晶体结构决定了其塑性变形能力较差 , 如何
　　要的作用。其一 , 是它们对压铸工艺的独特适应性 ,
　　解决这一问题是镁合金应用的关键之一。针对上述问
　　可以高速生产近终形零件; 其二 , 优良的模具寿命所
　　题 , 研究人员取得了以下进展。
　　节约的生产成本 , 可以弥补其原材料价格比铝合金稍
　　111 压铸镁合金材料开发
　　贵的不足 , 增强与压铸铝合金的竞争力; 此外 , 极好
　　针对商用压铸镁合金抗高温蠕变性能较差的现状 , 以
　　的可加工性能和减振性能也是镁合金具有的重要性
　　AZ 91 合金为基准合金 , 一汽铸造研究所的研究人
　　能。中国现在是世界上最大的镁生产及出口国 , 但镁
　　员〔1〕进行了抗高温蠕变压铸镁合金的开发。论文讨
　　合金在中国工业 , 尤其是汽车工业中的应用仍很有
　　论了稀土元素 Ce , Y, Nd 以及 Ca 和 Si 的添加对压
　　限。因此 , 深入开展镁合金及其成形技术的研究开
　　铸镁合金在常温拉伸性能以及 150 ℃条件下的蠕变行
　　发 , 对于扩大镁合金在中国工业中的应用具有十分重
　　为 , 显微组织的影响 , 以及对表面处理和腐蚀试验的
　　要的意义。
　　影响 , 并进行了实际产品的生产。
　　在第四届中国国际压铸会议的 50 余篇学术论文
　　该文综合考虑合金的化学成分、合金元素的固溶
　　中 , 涉及镁合金及其成形技术的相关论文、学术报告
　　度、各种金属间化合物 , 在保持 AZ 91 合金基本成分
　　有 10 余篇 , 本文将从镁合金材料、成形工艺 , 镁合
　　不变的条件下 , 设计了四组试验合金进行考查。采用
　　金熔体保护及镁合金成形过程数值模拟等方面总结会
　　挤压的方法试制了 30 种成分合金试棒 , 对试棒的常
　　议论文所涉及的相关领域的研究进展。
　　温力学性能和腐蚀行为进行了测试 , 并初步考查了铸
　　造性能和蠕变抗力。通过试验 , 开发的新合金性能接
　　1 镁合金材料研究
　　近德国大众公司开发的 MRI2153 合金 , 合金工艺性能
　　耐热性及疲劳性能是阻碍镁合金广泛应用的主要
　　与 AZ 91 合金相当 , 可以采用与 AZ 91 合金相同的生
　　收稿日期: 2004211220 收到初稿 , 2004211229 收到修订稿。
　　作者简介: 熊守美 (1966 - ) , 男 , 湖北麻城人 , 博士 , 博士生导师 , 主要从事压铸工艺和技术方面的研究。E2mail: smxiong @tsinghua1edu1cn
　　铸造
　　熊守美等: 镁合金成形技术研究进展
　　·21 ·
　　产工艺。在采用沈阳应用化学研究所低成本的电解镁
　　造四大方面为主。其中压铸仍为最主要的成型工艺 ,
　　- 稀土中间合金情况下 , 有效地控制了成本。在蠕变
　　我国镁合金压铸件产量由 1995 年的 1 562 t 提高到
　　试验中发现 , Mg2Al2Re2Zn 体系中的强化相 Al11Ce3 在
　　2002 年的 4 950 t , 7 年里产量增长了 2 倍多 , 平均
　　少量 Ca 存在下稳定性可以进一步提高。Nd 和 Y的添
　　年增长率达 18 %。利用镁合金压铸件代替传统铸铁、
　　加不会使 AZ 91 合金的晶粒度改变 , 但可以产生固溶
　　铸钢件 , 甚至代替铝压铸件 , 正成为制造业特别是汽
　　强化 , 具有极佳的蠕变性能。
　　车制造业的发展趋势〔4〕。
　　112 压铸镁合金的低周疲劳行为研究
　　211 镁合金压铸
　　沈阳工业大学的研究人员〔2〕通过试验发现: 压
　　目前 , 镁合金压铸工艺的研究热点主要集中在两
　　铸态 AZ 91 疲劳寿命最低; 在高应变幅条件下 , 压铸
　　大方面: 镁合金压铸零件的开发设计和镁合金压铸工
　　态 AM50 + Nd 疲劳寿命高于镁合金 AZ 91 , 在较低
　　艺的完善创新。随着模具设计水平和压铸零件性能的
　　应变幅条件下 , 压铸态 AM50 + Nd 的寿命要低于经
　　提高 , 镁合金压铸件的应用领域已经从传统的笔记本
　　过固溶处理的 AZ 91 的疲劳寿命; 经过固溶处理的
　　电脑外壳、手机外壳等表面覆盖件发展到了发动机支
　　AZ 91 镁合金的过渡疲劳寿命明显高于压铸态 , 压铸
　　架、轮毂、框架件等受力部件以及安全部件。
　　态 AM50 + Nd 镁合金的过渡寿命要高于压铸态 AZ
　　相应地 , 为了满足不断提升的零件性能要求 , 随
　　91。经过固溶处理以后 AZ 91 中的β相消失 , 使材料
　　着材料科学和其他科学技术的进步 , 在传统压铸工艺
　　的延展性增加 , 循环硬化程度有所降低。
　　的基础上衍生出了真空压铸、充氧压铸、超低速压铸
　　113 镁合金的铸态组织研究
　　等诸多分支技术。其中真空压铸以其极低的铸件含气
　　镁铝合金在未经变质处理时 , 铸态下晶粒尺寸可
　　量、较好的设备兼容性和优异的铸件性能等优点得到
　　达 3 ×10 ～5 ×10 m , 组织很粗大。合金的组织决
　　24
　　24
　　了高度重视和大力发展。众所周知 , 压铸件的气孔问
　　定性能 , 性能决定合金的应用 , 以往镁合金的组织控
　　题是限制其性能提高的主要瓶颈。真空压铸在传统压
　　制主要是为了提高其塑性变形能力。因为镁合金为密
　　铸工艺周期上耦合真空系统抽除型腔气体 , 是一种减
　　排六方 , 这就决定了其塑性变形能力较差。而实践证
　　少压铸件气孔 , 去除铸模内气体和润滑剂蒸汽的有效
　　明 , 细小等轴晶可以改善镁合金的塑性变形能力。而
　　方法。目前研究的热点是如何在型腔内得到更高的真
　　半固态触变成形也要求初始的铸态组织应为细小的等
　　空度 , 及相应的模具密封工艺。高真空压力铸造得到
　　轴晶组织 , 因此如何控制镁合金的组织是镁合金半固
　　的零件不仅可以大大降低微孔和气孔等铸造缺陷 , 还
　　态成形的关键之一。
　　可以进行热处理和压铸焊接〔5〕。
　　常用的镁合金组织控制工艺主要有液态处理法和
　　沈阳工业大学的研究人员〔6〕研究了压铸镁合金
　　固态处理法两大类。液态处理法由于简单、易于实
　　轮毂缺陷的产生原因 , 通过对浇注系统和零件结构的
　　现 , 不外加额外设备等 , 在工业应用中具有广阔的空
　　改进及压铸工艺参数的调整 , 有效地仿真了缺陷的产
　　间。液态处理法包括添加晶粒细化剂法、过热处理
　　生 , 明显改善了压铸镁合金轮毂件的质量。
　　法、熔体搅拌法两大类。固态处理法包括等静角压
　　清华大学的研究人员〔7〕与一汽合作 , 系统地研
　　(ECEA) 法、大比率挤压法和铸造粉末法。但对以
　　究了各种压铸工艺参数对镁合金压铸件质量的影响规
　　上这些方法的机理还不是很清楚或是方法正处于试验
　　律 , 成功开发了一汽集团首件镁合金压铸件并投入实
　　阶段。对镁合金的组织控制机理缺乏了解 , 产生了一
　　际生产。目前 , 正进行镁合金真空压铸及超低速压铸
　　些混淆 , 导致工业中对镁合金的组织控制主要依靠经
　　的实验研究。
　　验的方法〔3〕。到目前为止 , 对镁合金组织控制的研
　　212 低压铸造
　　究 , 主要集中于外来质点对形核的促进作用、抑制晶
　　低压铸造由于其充型过程的平稳性和良好的排气
　　粒生长的作用和溶质对形核率的影响。在镁合金熔体
　　性能 , 被广泛应用于轮毂等对铸件缺陷较为敏感的零
　　中加入少量的孕育剂 (MgCO3、C2Cl6、FeCl3 等) 或
　　件制造。而传统低压铸造工艺所采用的压缩空气 , 由
　　溶质原子 (Zr、Ca、Sr、RE 等) , 能细化镁合金的铸
　　于气体纯度不够及氧的分压过高所造成的氧化和吸气
　　造组织并改变沉淀物的形貌 , 提高镁合金的力学性
　　等问题会造成铸件的氧化夹杂、微裂纹、缩孔和缩松
　　能 , 改善压力加工性能。但是 , 镁合金组织细化的研
　　等铸造缺陷 , 限制了低压铸造的推广。采用电磁泵充
　　究和应用远不如铝合金的深入 , 值得进一步研究。
　　型的低压铸造新工艺技术 , 以电磁泵充型技术为核
　　心 , 在加压充型和保压时 , 采用非接触式的电磁力直
　　2 镁合金成形技术研究开发
　　接作用于液态金属 , 实现了铝液的平稳输送和充型 ,
　　当前 , 镁合金的成型工艺仍然以 压 力 铸 造
　　并防止由于紊流所造成的二次污染 , 得到了较高的铸
　　(HPDC) 、低压铸造 (L PDC) 、挤压铸造和半固态铸
　　件质量。同时引入计算机控制系统 , 提高了工艺执行
　　Jan. 2005
　　·22 ·
　　FOUNDRY
　　Vol154 No11
　　的准确度 , 也使生产效率得到了提升〔8〕。此外 , 由
　　体保护原理的基础上 , 讨论了各种混合气体保护的缺
　　于电磁泵低压铸造工艺所采用的开环控制方式对控制
　　点 , 研究了不同配比、不同的温度和操作条件下
　　精度具有较高的要求 , 针对工艺参数的测定和电磁设
　　HFC2134a 气体对液态镁合金的保护效果 , 并且研究
　　备的开发也展开了一系列研究工作〔9
　　- 10〕
　　。
　　了相关工艺参数和防护工艺。研究结果认为 HFC2
　　213 半固态铸造
　　134a 气体相对于 SO2 和 SF6 具有更优良的保护特性 ,
　　半固态铸造工艺自诞生以来一直受到了广泛的关
　　可作为镁合金熔体气体保护的一种优先选择。
　　注 , 处于研究的前沿。由于该项技术对设备依赖性较
　　4 镁合金压铸过程数值模拟
　　大 , 目前研究重点主要集中在设备性能的提升和完善
　　上。新开发的第二代触变成形机 , 最高射出速度达到
　　在镁合金压铸生产过程中 , 液态或半固态的金属
　　5 m/ s , 其螺杆、套筒等关键部件采用新型合金 , 耐
　　在高速、高压下充型 , 并在高压下迅速凝固 , 容易产
　　高温及热传导性能有所提升 , 锁模机构的刚性和速度
　　生气孔等铸造缺陷。由于镁合金压铸充型速度比铝合
　　得到加强 , 降低了能耗 , 得到了更高的铸件质量和生
　　金更高 , 凝固速度更快 , 因此 , 镁合金压铸对模具的
　　产效率〔11〕。与此同时 , 针对触变成形法的研究也促
　　流道系统及热平衡设计提出了更高的要求。充分了解
　　使了一批新技术的投入使用 , 如热流道系统、长喷嘴
　　充填过程的流动和换热规律 , 设计合理的铸件、铸型
　　技术、触变成形锻压工艺等。
　　结构及浇注系统 , 选择恰当的压铸工艺参数 , 不仅可
　　214 挤压铸造
　　以降低铸件废品率 , 提高铸件质量和生产效率 , 而且
　　挤压铸造在镁铝合金材料领域 , 以其高铸件质
　　可以延长模具的使用寿命。数值模拟方法为解决上述
　　量、高力学性能和高致密度得到了密切的关注。挤压
　　问题提供了有效的手段。通过压铸充型过程流场、温
　　铸造可以使任何壁厚的零件进行固溶热处理 , 从而得
　　度场的数值模拟 , 能够较准确地表达压铸充型过程的
　　到高于常规压铸的力学性能。另一方面 , 挤压铸造可
　　流动和传热规律 , 实现理想的型腔充填状态及模具热
　　以利用在凝固过程中加压的方法 , 得到优于低压铸造
　　平衡状态 , 预测可能产生的卷气、冷隔等缺陷 , 进而
　　的铸件致密结构。同时 , 挤压铸造和半固态铸造的密
　　优化压铸工艺 , 对实际压铸生产具有重要的指导意
　　切联系也使这项技术处于研究的热点。目前挤压铸造
　　义。因而 , 计算机模拟仿真技术被广泛用于镁合金压
　　面临的主要问题是对技术和过程控制要求过高 , 要求
　　铸件的模具设计及工艺分析。
　　的投资比较高。目前的研究重点主要集中在挤压顶
　　清华大学的研究人员〔4〕长期从事压铸过程模拟
　　针、吸热棒的运用 , 挤压位置的选择 , 工艺参数的控
　　仿真技术的研究工作 , 并成功将模拟仿真技术用于镁
　　制等方面〔12〕。
　　合金压铸件的模具设计优化、热平衡分析及模具热应
　　挤压铸造既可以采用专用设备进行生产 , 也可以
　　力和变形的分析。同时 , 特别对压室中的液态金属流
　　在常规压铸机上进行。他解决了传统压铸机不能生产
　　动进行了模拟 , 系统地研究了低速压射速度及压室充
　　厚大件 , 压铸件普遍存在的缩孔缩松问题 , 可生产各
　　满度等参数对压室中的气体卷入 , 并在此基础上提出
　　种不同强度和流动性的合金 , 简化了压铸模具设计的
　　了低速压射的优化工艺。
　　思路 , 降低了简单零件的压铸模具成本 , 使得中小批
　　沈阳工业大学的研究人员〔15
　　- 16〕
　　采用 FLOW3D
　　量零件使用压铸工艺生产变成可能。以挤压铸造技术
　　对不同镁合金铸件的充型过程及凝固过程进行了模拟
　　为基础 , 对常规铸造、低压铸造和传统挤压铸造机进
　　分析 , 为镁合金压铸件模具设计及预测缺陷位置提供
　　行的改造为挤压铸造技术的推广做出了贡献〔13〕。
　　了理论指导 , 有效地提高了镁合金压铸件质量及降低
　　模具设计成本。
　　3 镁合金熔体保护
　　5 结束语
　　镁及镁合金的气体保护熔炼技术是目前生产高纯
　　度、高品质镁合金的技术关键。20 多年前 , 在熔炼
　　随着镁合金压铸件的广泛应用 , 提高其压铸性能
　　镁和镁合金时采用 SF6 做保护气体 , 是当时镁工业界
　　和抗高温蠕变性能已成为当前重要的研究课题。我国
　　最大的进步。因为它消除了以前使用 SO2 和熔剂熔
　　的稀土资源丰富 , 稀土镁合金的性能优良 , 开发具有
　　炼所产生的大多数问题。但到了 1990 年 , SF6 和类
　　中国特色的压铸稀土镁合金 , 提高其抗高温蠕变性
　　似物的高温室效应 (是 CO2 的 24 000 倍 , 并能在大
　　能 , 具有重要意义。
　　气中长期存在 3 200 年) 迫使镁工业用户必须寻找技
　　压铸是镁合金最主要的成形工艺 , 为了进一步提
　　术上可行 , 经济、环保的替代保护气体。寻找 SF6 的
　　高镁合金零件的的质量及扩大镁合金的应用领域 , 应
　　替代保护气体是目前镁工业界的一个重要课题。
　　积极开展一些新的成形工艺方法 (如真空压铸、超低
　　华北工学院的研究人员〔14〕在论述镁合金熔体气
　　速压铸、挤压铸造、半固态铸造等成形方法) 的基础
　　铸造
　　熊守美等: 镁合金成形技术研究进展
　　·23 ·
　　研究工作。镁合金成形技术对工艺过程提出了更高的
　　四届中国国际压铸会议论文集 〔C〕. 北京: 机械工业出版社 ,
　　要求 , 采用数值模拟技术可以优化成形工艺 (模具设
　　2004. 35 - 39
　　〔9〕 许音 , 彭有根 , 杨晶. 直流电磁泵低压铸造系统工艺参数测定
　　计) , 控制模具热平衡 , 提高产品质量和降低废品率。
　　〔A〕. 第四届中国国际压铸会议论文集〔C〕. 北京: 机械工业出
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　　参考文献:
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　　(编辑 : 曲学良 , qxl @foundryworld1com)

碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究现状及发展 论文一篇，要综述性的东西，不能有实验和计算内容。

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究现状及发展趋势

摘要：综述了铝基复合材料的发展历史及国内外研究现状，重点阐述了碳化硅颗粒增强铝基复合材料制备工艺的
发展现状。同时说明了碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究中仍存在的问题，在此基础上展望了该复合材料的发展前景。
关键词：SiCp /Al 复合材料； 制备方法
中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1001-3814(2011)12-0092-05
Research Status and Development Trend of SiCP/Al Composite
ZHENG Xijun, MI Guofa
(College of Material Science and Engineer, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)
Abstract：The development history, domestic and foreign research present situation of SiCP /Al composite was
introduced, the research progress of preparation process for SiCP /Al composite were elaborated, the research on SiCP /Al
composite was analyzed and the development prospect of the composite was put forward.
Key words：SiCp /Al composite; preparation methods
收稿日期:2010-11-20
作者简介:郑喜军(1982- ),男,河南西平人,硕士研究生,研究方向为材
料加工工程;电话:;E-mail:
92
《热加工工艺》2011 年第40 卷第12 期
下半月出版Material & Heat Treatment 材料热处理技术
应用进行了广泛的关注和研究，从材料的制备工艺、
组织结构、力学行为及断裂韧性等方面做了许多基
础性的工作， 取得了显著的成绩。在美国和日本等
国，该类材料的制备工艺和性能研究已日趋成熟，在
电子、军事领域开始得到实际应用。SiC 来源于工业
磨料，可成百吨的生产，价格便宜，SiC 颗粒强化铝基
复合材料被美国视为有突破性进展的材料， 其性能
可与钛合金媲美，而价格还不到钛合金的1/10。碳化
硅颗粒增强铝基复合材料是最近20 年来在世界范
围内发展最快、应用前景最广的一类不连续增强金
属基复合材料，被认为是一种理想的轻质结构材料，
尤其在机动车辆发动机活塞、缸头(缸盖)、缸体等关
键产品和航空工业中具有广阔的应用前景[5-7]。
在1986 年，美国DuralAluminumComposites 公
司发明了碳化硅颗粒增强铝硅合金的新技术， 实现
了铸造铝基复合材料的大规模生产， 以铸锭的形式
供给多家铸造厂制造各种零件[8-9]。美国Duralcan 公
司在加拿大己建成年产11340 t 的SiC/Al 复合材料
型材、棒材、铸锭以及复合材料零件的专业工厂。目
前，Duralcan 公司生产的20%SiCp /A356Al 复合材
料的屈服强度比基体铝合金提高75%、弹性模量提
高30%、热膨胀系数减小29%、耐磨性提高3～4
倍。美国DWA 公司生产的碳化硅增强复合材料随
碳化硅含量的增加，只有伸长率下降的，其他性能都
得到了很大提高。到目前为止，SiCp/Al 复合材料被
成功用于航空航天、电子工业、先进武器系统、光学
精密仪器、汽车工业和体育用品等领域，并取得巨大
经济效益。表1 列举了一些SiCp/Al 复合材料的力
学性能。
目前国内从事研制与开发碳化硅颗粒增强铝复
合材料工作的科研院所与高校主要有北京航空材料
研究院、上海交通大学、哈尔滨工业大学、西北工业
大学、国防科技大学等。哈尔滨工业大学研制的
SiCw/Al 用于某卫星天线丝杆，北京航空材料研究院
研制的SiCp/Al 用于某卫星遥感器定标装置[10-11]。
国内到目前为止还没有出现高质量高性能的碳
化硅颗粒增强铝基复合材料， 虽然部分性能已达到
国外产品的指标， 但在产品的尺寸精度上还存在不
小的差距，另外制造成本太高，离工业化生产还有一
段距离要走。
2 铝基复合材料的性能特征
(1)高比强度、比模量由于在金属基体中加入
了适量的高强度、高模量、低密度的增强物，明显提
高了复合材料的比强度和比模量， 特别是高性能连
续纤维，如硼纤维、碳(石墨)纤维、碳化硅纤维等增
强物，他们具有很高的强度和模量[1]。
(2)良好的高温性能，使用温度范围大增强纤
维、晶须、颗粒主要是无机物，在高温下具有很好的
高温强度和模量， 因此金属基复合材料比基体金属
有更高的高温性能。特别是连续纤维增强金属基基
复合材料，其高温性能可保持到接近金属熔点，并比
金属基体的高温性能高许多。
(3)良好的导热、导电性能金属基复合材料中
金属基体占有很高的体积百分数， 一般在60%以
上，因此仍保持金属的良好的导热、导电性能。
(4)良好的耐磨性金属基复合材料，特别是陶
瓷纤维、晶须、颗粒增强金属基复合材料具有很好的
耐磨性。这是由于在基体中加入了大量细小的陶瓷
颗粒增强物，陶瓷颗粒硬度高、耐磨、化学性能稳定，
用它们来增强金属不仅提高了材料的强度和刚度，
也提高了复合材料的硬度和耐磨性。
(5)热膨胀系数小，尺寸稳定性好金属基复合
材料中所用的增强相碳纤维、碳化硅纤维、晶须、颗
粒、硼纤维等均具有很小的热膨胀系数，特别是超高
模量的石墨纤维具有负热膨胀系数， 加入相当含量
的此类增强物可降低材料膨胀系数， 从而得到热膨
胀系数小于基体金属、尺寸稳定性好的金属基复合
材料。
(6)良好的抗疲劳性和断裂韧性影响金属基复
合材料抗疲劳性和断裂韧性的因素主要有增强物与
复合体系制备工艺
增强体含量
(vol,%)
拉伸强度
/MPa
弹性模量
/GPa
伸长率
(%)
SiCP /2009Al 粉末冶金20 572 109 5.3
SiCP/2124Al 粉末冶金20 552 103 7.0
SiCP/6061Al 粉末冶金20 496 103 5.5
SiCP/7090Al 粉末冶金20 724 103 2.5
SiCP/6061Al 粉末冶金40 441 125 0.7
SiCP/7091Al 粉末冶金15 689 97 5.0
SiCP/A356Al 搅拌铸造20 350 98 0.5
SiCP/A359Al 无压浸渗30 382 125 0.4
表1 碳化硅颗粒增强铝基复合材料的力学性能[1]
Tab.1 Mechanical properties of aluminum matrix
composite reinforced by SiC particle
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金属基体的界面结合状态、金属基体与增强物本身
的特性以及增强物在基体中的分布等。特别是界面
结合强度适中，可以有效传递载荷，又能阻止裂纹扩
展，从而提高材料的断裂韧性。
(7)不吸潮、不老化、气密性好与聚合物相比，金
属性质稳定、组织致密，不存在老化、分解、吸潮等问
题，也不会发生性能的自然退化，在空间使用不会分解
出低分子物质而污染仪器和环境，有明显的优势。
(8)较好的二次加工性能可利用传统的热挤压、
锻压等加工工艺及设备实现金属基复合材料的二次
加工。由于铝基复合材料不但具有金属的塑性和韧
性，而且还具有高比强度、比模量、对疲劳和蠕变的
抗力大、耐热性好等优异的综合性能。尤其在最近
20 年以来， 铝基复合材料获得了惊人的发展速度，
表2 列举了一些铝基复合材料的力学性能。
3 主要应用领域
3.1 在航空航天及军事领域的应用
美国ACMC 公司和亚利桑那大学光学研究中
心合作，研制成超轻量化空间望远镜和反射镜，该望
远镜的主镜直径为0.3m，仅重4.54kg。ACMC 公司
用粉末冶金法制造的碳化硅颗粒增强铝基复合材料
还用于激光反射镜、卫星太阳反射镜、空间遥感器中
扫描用高速摆镜等；美国用高体积分数的SiCp/Al代
替铍材，用于惯性环形激光陀螺仪制导系统、三叉戟
导弹的惯性导向球及管型测量单元的检查口盖，成
本比铍材降低2/3；20 世纪80 年代美国洛克希德.马
丁公司将DWA 公司生产的25%SiCp /6061Al 用作
飞机上承载电子设备的支架，其比刚度比7075 铝合
金约高65%；美国将SiCp/6092Al 用于F-16 战斗机
的腹鳍， 代替原有的2214 铝合金蒙皮， 刚度提高
50%，寿命从几百小时提高到8000 小时左右，寿命
提高17 倍，可大幅度降低检修次数，提高飞机的机
动性，还可用于F-16 的导弹发射轨道；英国航天金
属及复合材料公司(AMC)采用高能球磨粉末冶金法
研制出高刚度﹑ 耐疲劳的SiCp/2009Al， 成功用于
Eurocopter 公司生产的N4 及EC-120 新型直升
机[12]；采用无压浸渗法制备的高体积分数SiCp/Al 作
为印刷电路板芯板用于F-22“猛禽”战斗机的遥控
自动驾驶仪、发电元件、飞行员头部上方显示器、电
子计数测量阵列等关键电子系统上， 以代替包铜的
钼及包铜的锻钢，可使质量减轻70%，同时降低了
电子模板的工作温度；SiCp/Al 印刷电路板芯板已用
于地轨道全球移动卫星通信系统； 作为电子封装材
料，还可用于火星“探路者”和“卡西尼”土星探测器
等航天器上。美国采用高体积分数SiCp /Al 代替
Cu-W 封装合金作为电源模块散热器，已用于EV1 型
电动轿车和S10 轻型卡车上；美国将氧化反应浸渗法
制备的SiC-Al2O3/Al 作为附加装甲，用于“沙漠风暴”
地面进攻的装甲车；美国GardenGrove 光学器材公司
用SiCp/Al 制备Leopardl 坦克火控系统瞄准镜。
3.2 在汽车工业中的应用
由山东大学与曲阜金皇活塞有限公司联合研制
的SiCp /Al 活塞已用于摩托车及小型汽车发动机；
自20 世纪90 年代以来， 福特和丰田汽车公司开始
采用Alcan 公司的20%SiC/Al-Si 来制作刹车盘；美
国Lanxide 公司生产的SiCp/Al 汽车刹车片于1996
年投入批量生产[13]；德国已将该材料制作的刹车盘
成功应用于时速为160km/h 的高速列车上。整体采
用锻造的SiCp/Al 活塞已成功用于法拉利生产的一
级方程式赛车。
3.3 在运动器械上的应用
BP 公司研制的20%SiCp/2124Al 自行车框架已
在Raleigh 赛车上使用；SiCp /Al 复合材料可应用于
自行车链轮、高尔夫球头和网球拍等高级体育用品；
在医疗上用于假体的制造。
4 制备及成型方法
一般来说， 根据铝基体状态的不同，SiCp/Al 的
制备方法大致可分为固态法和液态法两类。目前主
要有粉末冶金法、喷射沉积法、搅拌铸造法和挤压铸
造法。
4.1 粉末冶金法
粉末冶金法又称固态金属扩散法，该方法由于克
增强相/ 基体增强相含量
拉伸强度
/MPa
弹性模量
/GPa
伸长率(%)
SiC/Al-4Cu 15 476 92 2.3
SiCp /ZL101 20 375 101 1.64
SiCp /ZL101A 20 330 100 0.5
SiCp /6061 25 517 114 4.5
SiCp /2124 25 565 114 5.6
Al2O3 /Al-1.5Mg 20 226 95 5.9
Cf /Al 26 387 112 -
表2 金属基复合材料的力学性能[1]
Tab.2 Mechanical properties of metal matrix composite[1]
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《热加工工艺》2011 年第40 卷第12 期
下半月出版Material & Heat Treatment 材料热处理技术
服了碳化硅颗粒与铝合金熔液润湿困难的缺点，因而
是最先得到发展并用于SiCp/Al 的制备方法之一。具
体制备SiCp/Al 的粉末冶金工艺路线有多种，目前最
为流行和典型的工艺流程为：碳化硅粉末与铝合金粉
末混合一冷模压(或冷等静压)一真空除气一热压烧
结(或热等静压)一热机械加工(热挤、轧、锻)。
粉末冶金法的优点在于碳化硅粉末和铝合金粉
末可以按任何比例混合，而且配比控制准确、方便。
粉末冶金法工艺成熟，成型温度较低，基本上不存在
界面反应、质量稳定，增强体体积分数可较高，可选
用细小增强体颗粒。缺点是设备成本高，颗粒不容易
均匀混合，容易出现较多孔隙，要进行二次加工，以
提高机械性能，但往往在后续处理过程中不易消除；
所制零件的结构、形状和尺寸都受到一定的限制，粉
末冶金技术工艺程序复杂，烧结须在在密封、真空或
保护气氛下进行， 制备周期长， 降低成本的可能性
小，因此制约了粉末冶金法的大规模应用。
4.2 喷射沉积法
喷射沉积法是1969 年由Swansea 大学Singer
教授首先提出[14]，并由Ospray 金属有限公司发展成
工业生产规模的制造技术。该方法的基本原理是：对
铝合金基体进行雾化的同时，加入SiC 增强体颗粒，
使二者共同沉积在水冷衬板上， 凝固得到铝基复合
材料。该工艺的优点是增强体与基体熔液接触时间
短，二者反应易于控制；对界面的润湿性要求不高，
可消除颗粒偏析等不良组织， 组织具有快速凝固特
征；工艺流程短、工序简单、效率高，有利于实现工业
化生产。缺点是设备昂贵，所制备的材料由于孔隙率
高而质量差必须进行二次加工， 一般仅能制成铸锭
或平板； 大量增强颗粒在喷射过程中未能与雾化的
合金液滴复合， 造成原材料损失大， 工艺控制较复
杂，增强体颗粒利用率低、沉积速度较慢、成本较高。
4.3 搅拌铸造法
搅拌铸造法的基本原理[15-17]：依靠强烈搅拌在合
金液中形成涡漩的负压抽吸作用， 将增强体颗粒吸
入基体合金液体中。具体工艺路线：将颗粒增强体加
入到基体金属熔液中， 通过一定方式的搅拌与一定
的搅拌速度使增强体颗粒均匀地分散在金属熔体
中，以达到相互混合均匀与浸润的目的，复合成颗粒
增强金属基复合材料熔体。然后可浇铸成锭坯、铸件
等使用。该方法的优点是：工艺简单、设备投资少、生
产效率高、制造成本低、可规模化生产。缺点是：加入
的增强体颗粒粒度不能太小， 否则与基体金属液的
浸润性差， 不易进入金属液或在金属液中容易团聚
和聚集；普遍存在界面反应，强烈的搅拌容易造成金
属液氧化，大量吸气及夹杂物混入，颗粒加入量也受
到一定限制，只能制成铸锭，需要二次加工。
4.4 挤压铸造法
挤压铸造法是首先把SiC 颗粒用适当的粘结剂粘
结，制成预制块放入浇注模型中，预热到一定的温度，
然后浇入基体金属液，立即加压，使熔融的金属熔液浸
渗到预制块中，最后去压、冷却凝固形成SiCp/Al。该方
法的优点是：设备较简单且投资少，工艺简单且稳定
性较好，生产周期短，易于工业化生产，能实现近无余
量成型，增强体体积分数较高，基本无界面反应。缺点
是容易出现气体或夹杂物，缺陷比较多，需增强颗粒
需预先制成预成型体， 预成型体对产品质量影响大，
模具造价高，而且复杂零件的生产比较困难。
5 SiCp /Al 复合材料发展的建议与对策
SiCp /Al 复合材料作为一种新的结构材料有着
广阔的发展前景, 但要实现产业化还需做大量的研
究工作。除了要对SiCp/Al 复合材料的制备工艺、界
面结合状态、增强机制等方面的内容做进一步研究，
其相关领域的研究及发展也应给予重视。
5.1 现有制备工艺进一步完善和新工艺的开发
现有工艺制备方法虽然已经成功制造了复合材
料，但很难用于工业化生产且尚处于实验室研究阶
段[18]。SiC 颗粒存在于铝液中，使金属液粘度提高，流动
性降低，铸造时充填性变差，当颗粒含量增加至20%或
在较低温度(<730℃)时，流动性急剧降低以致于无法正
常浇注。另外，SiC颗粒具有较大的表面积， 表面能较
大，易吸附气体并带入金属液中，而金属液粘度大也易
卷入气体并难以排出，产生气孔缺陷。因此，对现有工
艺的进一步完善和新工艺的开发成为下一步研究工作
的主要任务。
5.2 后续加工工艺的研究
金属基复合材料的切削加工、焊接、热处理等后
续加工工艺的研究较少，成为限制其应用的瓶颈。高
强度、高硬度增强体的加入使金属基复合材料成为
难加工材料[18-19]，而由于增强体与基体合金的热膨胀
系数差异大引起位错密度的提高， 也使金属基复合
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材料的时效行为与基体合金有所不同[20]。另外，增强
体影响焊接熔池的粘度和流动性， 并与基体金属发
生化学反应限制了焊接速度， 给金属基复合材料的
焊接造成了极大困难。因此， 解决可焊性差的问题
也成为进一步研究的主要方向。
5.4 环境性能方面的改善
金属基复合材料的环境性能方面的研究， 即如
何解决金属基复合材料与环境的适应性， 实现其废
料的再生循环利用也引起了一些学者的重视， 这个
问题关系到有效利用资源，实现社会可持续发展，因
此， 关于环境性能方面的研究将是该领域今后研究
的热点。由于铝基复合材料是由两种或两种以上组
织结构、物理及化学性质不同的物质结合在一起形
成一类新的多相材料， 其回收再利用的技术难度要
比传统的单一材料大得多。随着铝基复合材料的批
量应用，必然面临废料回收的问题，通过对复合材料
的回收再利用， 不但可减少废料对环境的污染还可
减低铝基复合材料的制备成本、降低价格，增加与其
他材料的竞争力，有利于促进自身的发展。文献[21]
配制了混合盐溶剂， 采用熔融盐法成功地分离出颗
粒增强铝基复合材料中的增强材料，研究结果表明，
利用该技术处理颗粒增强铝基复合材料， 其回收利
用率可达85%。
6 结语
与铝合金基体相比， 铝基复合材料具有更高的
使用温度、模量和强度，热稳定性增加及更好的耐磨
损性能，它的应用将越来越广泛。然而，在目前的
研究中仍然存在许多疑问和有待解决的问题， 例如
怎样去克服铝基复合材料突出的界面问题， 并且力
求研究结果有助于改善生产应用问题； 在制备过程
前后， 怎样通过热处理手段来改善成品的各方面性
能；如何利用由于热失配造成的内、外应力使材料服
役于各种环境。此外，原位反应中仍不免其他副反应
夹杂物存在， 同时对增强体的体积分数也难以精确
控制，这些都是亟待研究解决的问题。
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