噴射共沉積顆粒增強金屬基復合材料的研究現狀與進展 - 賀毅強

1、第34卷第2期V o l .34N o .2材料科學與工程學報J o u r n a l o f M a t e r i a l s S c i e n c e &E n g i n e e r i n g 總第160期A pr .2016文章編號:1673-2812(201602-0338-08噴射共沉積顆粒增強金屬基復合材料的研究現狀與進展賀毅強,周海生,李俊杰,馮立超(淮海工學院機械工程學院,江蘇連云港222005【摘要】作為一種綜合了鑄造與粉末冶金優(yōu)點制備近成形顆粒增強金屬基復合材料的方法,噴射共沉積技術及其應用受到了廣泛的關注。本文綜述了噴射沉積顆粒增強金屬基復合材料的發(fā)展現

2、狀;介紹了噴射共沉積技術的原理;討論了噴射共沉積過程中金屬液體對增強相的捕獲機理和凝固前沿對顆粒的捕獲問題;介紹了噴射沉積顆粒增強金屬基復合材料的裝置及工藝參數的控制;著重介紹了噴射沉積材料的組織性能及致密化工藝,提出通過旋球同步預致密后再分別進行往復鐓-擠和等徑角擠壓實現沉積坯的大塑性變形達到完全致密與冶金結合;指出了噴射沉積金屬基復合材料將向組織均勻化、韌性化、完全致密化方向發(fā)展?！娟P鍵詞】噴射共沉積;金屬基復合材料;增強顆粒;致密化中圖分類號:TB 331文獻標識碼:A D O I :10.14136/j.c n k i .i s s n 1673-2812.2016.02.031S t

3、 a t u s a n d D e v e l o p m e n t o f S p r a y D e p o s i t e d M e t a l M a t r i x C o m po s i t e R e i n f o r c e d w i t h P a r t i c l e H E Y i -q i a n g ,Z H O U H a i -s h e n g ,L I J u n -ji e ,F E N G L i -c h a o (C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,H

4、u a i h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,L i a n y u n g a n g 222005,C h i n a 【A b s t r a c t 】S p r a y d e p o s i t i o n t e c h n i q u e a n d i t s a p p l i c a t i o n h a v e a t t r a c t e d e x t e n s i v e i n t e r e s t i n r e c e n t y e a r s a s a p r o c e s s

5、i n g m e t h o d o f p a r t i c l e r e i n f o r c e d m e t a l m a t r i x c o m p o s i t e c o m b i n e d w i t h t h e a d v a n t a g e s o f c a s t i n g a n d p o w d e r m e t a l l u r g y .S t a t u s a n d d e v e l o p m e n t o f t h e s p r a y d e p o s i t e d m e t a l m a t r

6、 i x c o m p o s i t e r e i n f o r c e d w i t h p a r t i c l e a r e s u m m a r i z e d ;R e i n f o r c e d p a r t i c l e c a p t u r e d b y m e t a l l i q u i d a n d f r o n t o f s o l i d i f i c a t i o n a r e d i s c u s s e d ;D e v i c e s a n d p r o c e s s p a r a m e t e r s o

7、 f t h e s p r a y d e p o s i t e d m e t a l m a t r i x c o m p o s i t e r e i n f o r c e d w i t h p a r t i c l e a r e i n t r o d u c e d ;M i c r o s t r u c t u r e a n d p e r f o r m a n c e a s w e l l a s d e n s i f i c a t i o n t e c h n o l o g i e s o f t h e s p r a y d e p o s

8、i t e d a r e b r i e f l y s u m m a r i z e d ;R o t a r y b a l l s y n c h r o n o u s d e n s i f i c a t i o n c o m b i n e d w i t h R e p e t i t i v e U p s e t t i n g a n d E x t r u s i o n a n d m u l t i -p a s s E q u a l C h a n n e l A n g u l a r P r e s s i n g c a n b e e m p l

9、o y e d t o o b t a i n f u l l m e t a l l u r g i c a l b o n d i n g b e t w e e n d e p o s i t e d p a r t ic l e s ;D e v e l o p m e n t t r e nd s o f me t a l m a t r i x c o m p o s i t e b y s p r a y d e p o s i t i o n i s i n v e n t e d t o t h e d i r e c t i o n of m i c r o s t r u

10、 c t u r e w i t h u n i f o r m m i c r o s t r u c t u r e ,e x c e l l e n t t o u gh n e s s a n d f u l l d e n s i f i c a t i o n .【K e y w o r d s 】s p r a y d e p o s i t i o n ;m e t a l m a t r i x c o m p o s i t e ;p a r t i c l e r e i n f o r c e d ;d e n s i f i c a t i o n 收稿日期:2015

11、-01-29;修訂日期:2015-04-28基金項目:江蘇省自然科學基金資助項目(B K 20141250;江蘇省高校自然科學研究面上資助項目(14K J B 430005;國家自然科學基金資助項目(51004050;江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目;連云港市科技計劃項目(C G 1418,C X Y 1404;江蘇高校品牌專業(yè)建設工程項目;2012年度江蘇“青藍工程”人才資助項目作者簡介:賀毅強,副教授,博士,研究方向為噴射沉積金屬基復合材料。E -m a i l :a n t 210126.c o m 。通訊作者:周海生,碩士,研究方向為噴射沉積鋁基復合材料。E -m a i l :z h

12、 o u s h 91126.c o m 。1引言金屬基復合材料具有優(yōu)良的強度、剛度、耐磨性、低密度、可控膨脹性等優(yōu)點而受到世界工業(yè)發(fā)達國家的極大重視,在汽車、電子、高速列車、航空航天、國防軍工等領域具有極其重要的應用價值和廣闊的應用前景,在世界范圍內得到了廣泛的研發(fā)1-2。顆粒增強金屬基復合材料是近年來高技術新材料研究開發(fā)的一個重要領域和發(fā)展方向。增強顆粒的加入使復合材料的有效載荷增加,提高復合材料的力學性能,增強顆粒主要有S i C、T i C、A l2O3。目前制備顆粒增強金屬基復合材料的方法主要有鑄造法、粉末冶金法、噴射沉積法等。鑄造法由于制備溫度高,易發(fā)生界面反應,造成金屬液體氧化、

13、吸入氣體及增強顆粒偏析等缺陷。粉末冶金工藝可以實現增強相顆粒體積分數根據需要隨意調整,基體合金組織微細,材料性能優(yōu)異,界面反應不嚴重,但粉末制取和儲運過程中容易氧化,成形工藝復雜,生產效率較低,技術難度大,成本高。噴射沉積工藝綜合了粉末冶金和鑄造冶金的特點,由于快速凝固特性可以細化基體合金的晶粒尺寸,避免宏觀偏析,且惰性氣體保護環(huán)境下可以降低合金的氧化污染,沉積時凝固時間很短,可以提高增強相顆粒在基體中的分布均勻性,降低界面反應發(fā)生的概率,提高了界面結合強度,因此噴射成形作為一種高效的材料快速凝固成形工藝在顆粒增強金屬基復合材料制備領域具有廣闊的應用前景和發(fā)展前途3。噴射沉積最早的概念和原理是

14、由英國S w a n s e a 大學的A.S i n g e r教授于1968年提出來的。1970年首次公開報導4。當時S i n g e r等人把熔融金屬離心霧化,霧化液粒噴在一個旋轉的沉積載體上,形成沉積坯料,并直接軋制得到坯料。這種方法存在的主要問題是帶坯的厚度不均勻。1974年R.B r o o k s等人成功地將S i n g e r噴射沉積原理應用于鍛造毛坯的生產,發(fā)展了著名的O s p r e y工藝5。國內噴射沉積金屬基復合材料研究始于20世紀80年代后期,研究單位主要有沈陽金屬所、哈爾濱工業(yè)大學、西北工業(yè)大學、北京科技大學等,在復合材料的制備、組織與性能方面進行了系統深入的

15、研究。湖南大學6-8在大尺寸復合材料的開發(fā)應用上做了大量工作。2噴射共沉積制備金屬基復合材料過程的原理噴射共沉積工藝的基本原理是在噴射沉積過程中,把具有一定動能的顆粒增強相強制噴入霧化液流中,使熔融金屬和顆粒增強相在霧化焦點處發(fā)生碰撞后共同沉積到基體上,制備近成形顆粒增強金屬基復合材料沉積坯9-10。隨著噴射沉積技術的不斷發(fā)展與應用,人們開始對噴射共沉積的過程原理與規(guī)律進行了研究探討。研究表明,增強顆粒的捕獲及在材料中的分布直接影響材料的組織與性能。在噴射共沉積制備顆粒增強復合材料過程中,首先應考慮增強相顆粒如何進入液態(tài)金屬,即被液相捕獲問題,然后才是凝固前沿對顆粒的捕獲問題。液相對增強顆粒的

16、捕獲尤為重要,而凝固前沿對顆粒的最終分布有著重要的影響。已有研究結果表明在噴射共沉積工藝中增強顆粒與霧化液滴之間有三種插入機制11-12:增強顆粒在沉積表面被液滴捕獲;液滴碰撞過程中增強顆粒被機械作用力捕獲;增強顆粒在噴射過程中插入液滴。增強顆粒主要分布在沉積顆粒的表面處,即增強顆粒動能較小使得其大部分粘附在液滴表面或半嵌于液滴中。在凝固時,一般凝固前沿對顆粒都會產生排斥,不會主動捕獲增強顆粒13,對增強顆粒的最終分布影響不是很大。但是,由于具有快速凝固的特點,顆粒插入液滴后引起的溫度梯度,使形核率很大,在顆粒周圍發(fā)生大量的凝固核心,來自各個方向的凝固界面推力推動顆粒在凝固形成的毛細管中運動,

17、增強顆粒無法自由移動與其他顆粒匯聚,周圍凝固液滴相互接觸后增強顆粒大部分分布在最后凝固處。3噴射共沉積制備工藝參數的控制對多層噴射共沉積工藝影響較大的工藝參數主要有金屬熔體的過熱溫度、霧化氣體與金屬液流的質量比、噴射高度、沉積基體的轉速、霧化器運行的速率和行程、增強顆粒的輸送壓力等。3.1金屬熔體的過熱溫度過熱度太低則粘度大,導液管易阻塞,金屬熔體難以通過噴嘴噴出。溫度太高則使氧化加劇且粘度無太大改善,從而使成本提高,且在噴射過程中氣體對流傳熱與熱輻射以及在沉積過程中液滴與基底的傳導傳熱有限,霧化液滴在到達沉積基底時大部分為液態(tài)或全液態(tài),沉積表面熱量逐漸積累,金屬在沉積后的凝固行為類似鑄造,沉

18、積坯組織惡化。合理的金屬熔體過熱溫度能避免較多固態(tài)霧化顆?；祀s其中造成低密度沉積。3.2霧化氣體與金屬液流的質量比霧化氣體與金屬液體的質量比取決于液流直徑和霧化氣體壓力,在過熱金屬熔體順利通過噴嘴噴出時,若液流直徑太小,噴射過程中因固相比例過大,粉末收得率低,過噴粉末太多,生產效率低,沉積坯生長速度慢;同時容易發(fā)生堵嘴現象,噴射過程不連續(xù),造成錠坯分層嚴重14。若液流直徑過大,則噴射出的金屬液流量大,沉積坯的冷卻速率下降,其組織容易惡化為鑄造組織。當霧化器結構不變,液流直徑一定時,霧化氣體壓力越大,霧化液滴直徑減小,液滴冷卻速率越快,·933·第34卷第2期賀毅強,等.噴射

19、共沉積顆粒增強金屬基復合材料的研究現狀與進展有利于沉積坯組織細化,但霧化壓力過大將增加氣體消耗,金屬液滴的收得率下降,沉積坯孔隙率高。霧化壓力過小,液流直徑減小,噴嘴易堵塞,且沉積組織晶粒粗大。3.3噴射高度噴射高度過大,液滴在到達基底前已大部分凝固,只能獲得疏松的粉末堆聚體,粘結效果差,材料的收得率明顯下降。噴射高度過小,金屬顆粒在與基底碰撞時大部分保持液相,沉積坯表面形成液層,從而惡化成鑄造組織,且由于液滴液相分數過高,在沉積表面液相飛濺,收得率也將明顯降低,最理想的噴射高度應使得與基底碰撞時的液相量足以填充已凝固顆粒中的孔隙且顆粒粘結在沉積表面不發(fā)生飛濺,使得材料的收得率最高。3.4基體

20、的運動速率由于噴射沉積的不斷進行,沉積厚度逐漸增加,為保證沉積組織的均勻性,基底應不斷地下降,下降速率應與沉積坯的增長速率保持一致。3.5霧化器的運行速率和行程霧化器在整個沉積過程中作往復掃描運動,則會導致噴射沉積流沉積不均勻。掃描中心位置對沉積坯的形狀影響很大,中心位置偏于邊緣,容易形成凹坑;若位于沉積坯中心,則易形成錐形。因此,掃描速度應該與位移成反比,掃描至邊緣時速度減慢,而至中心時速度加快,以獲得形狀良好的沉積坯15。3.6增強顆粒的輸送壓力顆粒的輸送壓力對增強顆粒的捕獲及其在沉積坯中的含量和分散性有決定性影響。顆粒輸送壓力過小,則粒子流易被霧化流吹偏,輸送壓力過大則可能將霧化流吹偏,

21、二者均得不到均勻分布的粒子,且顆粒插入所需的驅動力及顆粒插入時的動能由輸送壓力得來,增加輸送壓力,顆粒的動能增加,顆粒在霧化破碎初始階段插入金屬液滴越容易,對顆粒的捕獲越有利16。同時,采用雙環(huán)縫復合霧化器利用螺桿給料負壓引流來輸送顆粒,能實現增強顆粒的連續(xù)定量輸送,獲得增強相均勻分布的沉積坯。4噴射共沉積裝置由于傳統的噴射沉積裝置存在霧化錐與基底的單向直線運動模式制約了大尺寸坯件及厚坯的制備的問題,陳振華等17發(fā)明了多層噴射沉積技術,利用噴嘴隨旋轉的加熱坩堝一起運動,其裝置示意圖如圖1。通過霧化器隨加熱坩堝做移動式掃描運動,使得沉積表面單位面積上的金屬沉積量可大大降低,每一掃描面積上沉積間隔

22、一定時間,可獲得充分冷卻而顯著降低沉積表層的溫度,同時在基底上沉積的范圍擴大,在制備大尺寸、厚度要求高的坯件上具有獨特的優(yōu)勢,而且冷速更高,沉積坯組織細小,增強顆粒在基體中分布均勻,所得材料性能優(yōu)異 。圖1傳統噴射共沉積裝置(a 和坩堝移動式噴射共沉積裝置(bF i g .1T r a d i t i o n a l s p r a y c o -d e p o s i t i o n u n i t (a a n d t h e s p r a y c o -d e p o s i t i o n u n i t w i t h m o v i n g c r u c i b l e (b

23、5噴射共沉積顆粒增強復合材料的顯微組織與力學性能在噴射沉積態(tài)坯中,通過顯微鏡的觀察可發(fā)現存在不同大小的孔隙,增強相顆粒之間、增強相顆粒與基體之間未實現完全冶金結合,增強顆粒整體分布均勻但局部存在顆粒的偏聚或貧乏,增強顆粒主要分布在沉積顆粒表面,部分半嵌于基體金屬中,造成顆粒為層狀分布,在沉積坯中出現帶狀組織特征18。噴射共沉積制備的顆粒增強復合材料經后續(xù)加工、致密與塑性變形后具有較高的力學性能。徐政坤等人19研究了噴射沉積-熱壓-軋制S i C P/F V S 1212復合材料的微觀結構以及退火對該材料硬度的影響,對其微觀組織進行了分析研究,表明制備的復合材料具有優(yōu)良的高溫力學性能和熱穩(wěn)定性能

24、。陳振華等人20對S i C P /F V S 0612薄板顯微組織及其力學性能進行了研究,并分析了其性能強化機制。蘇斌等人21·043·材料科學與工程學報2016年4月研究了噴射共沉積S i C P/A l-S i功能梯度復合材料的摩擦磨損性能,研究表明,隨著S i C顆粒含量的增加,摩擦因數呈增大趨勢,磨損率降低。李薇等人22研究了噴射沉積S i C P/A l-7S i復合材料及其基體的疲勞裂紋擴張行為,結果表明,在相同的K水平下,S i C P/ A l-7S i復合材料的抗疲勞裂紋擴張能力優(yōu)于基體材料,并表現出高的門檻值。L a v e r n i a23I b

25、r a h i m24等人研究了噴射共沉積S i C P/6061A lMM C s的顯微組織和力學性能,并比較了噴射共沉積(S D、傳統鑄造(I M和粉末冶金(P M三種不同工藝制備的S i CP/ 6061A lMM C s的強度性能,得到了三點重要的結論:噴射共沉積MM C s和未增強基體的強度高于傳統的鑄造合金,但粉末冶金MM C s的強度高于噴射共沉積材料。L a v e r n i a和I b r a h i m等人將粉末冶金MM C s 的高強度歸因于細小的基體顯微組織和氧化物顆粒的彌散分布?；w強度低時,加入S i C顆粒通常會提高基體強度。如表1中T4態(tài)噴射共沉積S i C

26、P/ 6061A lMM C s的強度高于未強化的基體合金6061A l。當基體強度高時,S i C顆粒的加入可導致基體的強化或弱化,其作用取決于S i C顆粒的體積分數。當高于增強顆粒的體積分數臨界值時顆粒的加入可使基體強化,低于臨界值時基體弱化。表1噴射共沉積和擠壓態(tài)MM C s的室溫力學性能T a b l e1M e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa tr o o mt e m p e r a t u r eo fMM C sb ys p r a yd e p o s i t e da n de x t r u d i n gM a t e r i

27、a l sC o n d i t i o nV o l.%0.2/M P ab/M P a/%I M6061A lT6025529017S D6061A lT6030134510S D6061A l/S i CT6142943309T6172993377T6283223625P M6061A l/S i CT6204154986 S D6061A lT409618729S D6061A l/S i CT41410419623T428147252126噴射沉積顆粒增強鋁基復合材料坯料的致密化一般來說,由于噴射沉積坯屬于多孔材料,顆粒之間及顆粒與沉積層的結合屬于非完全冶金結合,沉積坯中的孔隙率達1

28、5%20%,顆粒界面被氧化,顆粒間的氧化膜破壞了噴射沉積坯料的完整冶金結合?？锥吹拇嬖跁饝?減少有效載荷面積,同時又可成為裂紋源,強烈影響材料的使用性能。即使噴射沉積坯料密度接近理論密度,坯料不經后續(xù)加工,性能也會比較低。故而需對其進行致密化工藝使孔洞閉合及破碎氧化膜形成新鮮的顆粒表面相互接觸以達到完全冶金結合,并使破碎的氧化膜彌散分布起強化作用,以獲得優(yōu)異的力學性能。多孔沉積坯的傳統致密化方法主要有熱等靜壓、熱擠壓、熱軋、熱壓實25-27。但由于熱等靜壓只能基本消除合金內部的微小孔隙,不能完全去除所有孔隙,難以致密大尺寸材料;在復合材料熱擠壓變形過程中容易造成增強顆粒的分層現象,對

29、性能很不利;熱軋能有效地致密多孔材料,但在軋制中易產生表面裂紋和邊部裂紋。為解決小噸位壓力機對大型噴射沉積坯的熱致密化和塑性變形問題,大量的研究提出了合理的多孔材料致密化機制,目前所采用的新型致密化工藝主要有楔形壓制、包套軋制、外框限制軋制、陶粒包覆軋制等。但是采用楔形壓制、外框限制軋制、陶粒包覆軋制等都無法實現沉積顆粒間的完美冶金結合。因此,本文作者提出通過旋球同步預致密后再分別進行往復鐓-擠和等徑角擠壓實現沉積坯的大塑性變形以達到完全致密與冶金結合。6.1楔形壓制楔形壓制28-29是基于多道次局部小變形累計實現整體大變形的工藝來實現多孔材料的致密化的新工藝。在壓制過程中楔形沖頭以單次壓下量

30、很小從一端開始壓制,每壓制一次向前移動小段距離,待整體壓制完成后進行重復壓制,通過多道次逐步累積實現整體變形以使噴射沉積大尺寸坯件得到有效的致密成形。圖2為楔壓原理示意圖。陳志鋼30-31等采用楔形壓制致密噴射沉積S i C顆粒增強鋁基復合材料,使坯件中的孔洞顯著鍛合,材料的有效承載面積增加,沉積坯中的弱界面和層狀組織得到有效改善,獲得了大尺寸致密環(huán)形件,從而使其成形性能得以提高,并研究了楔形壓制過程中復合材料致密化機理。賀毅強32等采用楔形壓制后多道次軋制有效致密了噴射沉積金屬基復合材料,所得材料顆粒分布均勻,顯微組織細小,有效提高了材料的成形性能和力學性能。6.2外框限制軋制外框限制軋制3

31、3-34的原理為軋制壓力通過壓制模沖傳遞給噴射沉積坯使之致密和變形。它是一種通過小面積壓制變形來實現較大面積的多孔材料的連續(xù)致密過程,可以在較小噸位的軋機上實現較大面積的致密化變形。采用外框限制軋制還能有效避免軋制過程中表面裂紋、邊裂和壁頭的形成。圖3為外框限制軋制原理示意圖。陳飛風35等人采用外框限制軋制工藝有效致密了噴射沉S i C p/A l-F e-V-S i系復合材料。6.3陶粒包覆軋制陶粒包覆軋制是陳振華教授等人沿用粉末和多孔·143·第34卷第2期賀毅強,等.噴射共沉積顆粒增強金屬基復合材料的研究現狀與進展 圖2楔壓原理圖17F i g .2W e d g e

32、 p r e s s i n g s c h e m a t i c o f (a r i n g ,(b b u l k a n d (c t u b u l a r p e r f o r m :A -p r e f o r m ,B -m o u l d ,C -p u n c h ,D -h e a t e q u i p m e n t 圖3外框限制軋制原理示意圖17F i g .3S c h e m a t i c o f f r a m e -c o n f i n e d r o l l i n g材料準特等靜壓工藝的思想而提出來的提高多孔材料的軋制成形性能的軋制工藝。陶粒介質

33、的特性將直接影響噴射沉積多孔材料的軋制變形行為。選擇合適的陶粒介質,優(yōu)化軋制工藝,噴射沉積多孔材料可以直接通過陶粒包覆軋制變形制備薄板。圖4為陶粒包覆軋制原理示意圖。張昊36等采用陶粒軋制有效地致密了噴射沉積S i C 顆粒增強鋁基復合材料,改善了復合材料的組織,提高了復合材料的力學性能;孫有平37等研究了噴射沉積錠坯在塑性變形過程中的致密化行為、Si C 顆粒的破碎、運動及再分布規(guī)律 。圖4陶粒包覆軋制工藝過程示意圖17F i g .4S c h e m a t i c o f c e r a m i c r o l l i n g6.4往復鐓-擠往復鐓-擠(R e p e t i t i

34、v e U p s e t t i n g a n d E x t r u s i o n ,R U E 工藝最初由A i z a w a T 等人于1999年發(fā)明,主要用于機械合金化粉末的整體致密,粉末經多道次小變形累積實現整體致密38。圖5為往復鐓-擠工藝原理圖。近年來,胡連喜和高文理等39-40研究了噴射沉積2024鋁合金在室溫下多道次鐓-擠過程中顯微組織和力學性能的演變,研究發(fā)現隨著鐓-擠道次的增加,初始顯微組織明細改善,晶粒組織向等軸態(tài)轉變且細化至約200n m 。蘇海等41研究了固液混合鑄造A l 2O 3p /2014鋁基復合材料在往復鐓-擠過程中溫度場、應力場、應變場的分布和變

35、化規(guī)律以及顯微組織和力學性能的演變,研究發(fā)現往復鐓-擠工藝能顯著細化晶粒,而鋁基復合材料的抗拉強度、屈服強度隨著鐓-擠道次的增加先增后減,最后趨于平穩(wěn)。但迄今為止,有關噴射沉積鋁基復合材料的往復鐓-擠研究報道很少。因此有必要進一步評估、優(yōu)化噴射沉積鋁基復合材料的往復鐓-擠工藝,研究其變形機制,分析顯微組織、力學性能的演變,尤其是變形過程中沉積顆粒之間冶金結合狀況的演變以及S i C 顆粒與A l 基體結合狀況的演變,消除復合材料中的冶金缺陷,揭示往復鐓-擠鋁基復合材料的強韌化機制,推動往復鐓-擠工藝在噴射沉積材料上的應用,進而推動噴射沉積金屬基復合材料的商業(yè)化應用 。圖5往復鐓-擠工藝原理圖4

36、1F i g .5S c h e m a t i c o f r e p e t i t i v e u p s e t t i n g a n d e x t r u s i o n 6.5等徑角擠壓等徑角擠壓(e q u a l c h a n n e l a n g u l a r p r e s s i n g ,簡稱E C A P 技術是在壓力作用下,通過兩個相同通道的轉角,產生剪切大塑性變形,而試樣橫截面的形狀和面積不變,經過反復變形累積變形量,最終獲得組織均勻、晶粒細小材料的一種大塑性變形技術。圖6為等徑角擠壓模具示意圖。20世紀80年代,前蘇聯S e ga l 教授42首次提出

37、了E C A P 技術,通過積累巨大的剪切應變,可獲得亞微米乃至納米級組織,主要用來獲得超細晶和粉末冶金材料的致密化。P ér e z C J L 等人采用E C A P 對鑄態(tài)A A 5083合金進行大塑性變形,合金晶粒細化,同時變形能力與顯微硬度提高43。H a s s a n i A 等將球磨后的10%S i C P /A l -4.5M g 復合·243·材料科學與工程學報2016年4月第 卷第 期 賀毅強 ， 等 噴射共沉積顆粒增強金屬基復合材料的研究現狀與進展 · · 材料進行多道次 獲得了具有超塑性的超 致 密， 細晶復合材料 的

38、細晶強化 、 彌散強化和高密度位錯強化的效果 ， 從而 進一步提高復合材料的力學性能 。 賀毅強等人研究了 噴射沉積 基復合 材 料 管 坯 的 旋 球 同 步 致 密 裝 置 與 方法 ， 研究發(fā)現 ， 噴射沉 積 顆粒增強 基 復 合 材 與 料經旋球同步致密 后 顆 粒 在 基 體 中 均 勻 分 布， 基體結合良好 ， 基 體 組 織 致 密 均 勻。管 坯 的 旋 球 同 步 。 致密裝置與方法獲得了國家發(fā)明專利授權 。 國內的哈爾濱工 業(yè) 大 學 、 上海交通 大學 、 華南理工大學 、 東 北 大 學、 湖南大學等科研院所 研究了等徑角擠壓對合金變形機制 、 孿生機理 、 微觀組

39、 織結構演化 、 晶粒細化機制 、 強化規(guī)律以及材料的室溫 。 力學性能 的 影 響 ， 取 得 了 許 多 創(chuàng) 新 性 研 究 成 果 眾多研究結果 顯 示 ， 變形技術是細化金屬及金 屬基復合材料顯微組織 、 消除冶金缺陷 、 改善強韌性的 一種有效的方法 。 圖 等徑角擠壓模具示意圖 圖 噴射沉積鋁基復合材料旋球同步預致密裝置 旋球同步預致密 目前對鋁基復合材料等徑角擠壓變形行為的研究 主要集中于研究等徑角擠壓對鑄造及粉末冶金合金與 復合材料的變形機制 、 晶粒細化以及強韌化 ， 對噴射沉 積金屬基 復 合 材 料 尤 其 是 噴 射 沉 積 復合材料的等徑角擠壓研究少 。 深入研究經旋

40、球同步 預致密的 復 合 材 料 在 等 徑 角 擠 壓 過 程中其沉 積 顆 粒 之 間 的 結 合 、 增 強 相基 體 界 面 的 結 合、 增強相尺寸 、 分布與運動機制 、 晶界特性演變機制 、 微觀組織與力學性能對于實現噴射沉積鋁基復合材料 的沉積顆粒之間的冶金結合 、 消除冶金缺陷 、 揭示鋁基 復合材料強韌化機理具有重要意義 。 在噴射沉積過程中采用旋球撞擊沉積坯表面的方 法對沉積坯進行同步 逐 層 致 密 ， 最終在噴射沉積完成 的同時實現對坯料 的 整 體 預 致 密 。 如 圖 所 示 ， 旋球 通過柔性鋼繩固定在旋球固定軸表面 ， 呈螺旋式分布 ， 以使旋球撞擊沉積表面

41、時能均勻地致密沉積坯被撞擊 區(qū)域 。 在逐層沉積的同時通過旋球對沉積坯表層的撞 擊產生的局部塑性變形 ， 使塑性變形區(qū)域的孔洞破碎 、 彌合 ， 從而實現塑 性 變 形 區(qū) 域 的 致 密 化 。 在 沉 積 坯 旋 轉過程中 ， 通過旋球 對 管 坯 表 面 不 間 斷 的 撞 擊 實 現 沉 積坯的逐 層 致 密 ， 累 積 實 現 整 個 沉 積 坯 的 整 體 致 密。 此外 ， 由于旋球與噴射氣體接觸保持相對較低的溫度 ， 在噴射沉積過程中旋球與沉積坯表層的接觸帶走沉積 表層的熱量 ， 從而提高沉積坯表層的冷卻速率 ， 使基體 合金的彌散粒子和晶 粒 更 細 小 ； 并由于旋球對沉積

42、坯 表層的撞擊產生塑性 變 形 使 位 錯 密 度 增 加 ， 提高材料 發(fā)展趨勢 噴射共沉積方法是制備高性能金屬基復合材料的 理想方法之一 ， 但對噴射共沉積工藝的研究還不成熟 ， 目前仍處于工業(yè)化生 產 的 初 期 ， 實現工業(yè)化大規(guī)模的 生產還需要進一步的研究開發(fā) 。 隨著科學技術的不斷 發(fā)展 ， 航空航天以及 汽 車 工 業(yè) 等 對 低 密 度 高 性 能 復 合 材料的要求進一步提 高 ， 為提高顆粒增強復合材料的 性能和應用范圍 ， 應解決的問題和發(fā)展趨勢為 ： 研發(fā)噴射沉積 新 工 藝 ， 開發(fā)更為廣泛的顆粒增 強金屬基 復 合 材 料 。 目 前 主 要 研 究 的 是 鋁 基 復 合 材 料， 在其他金屬基復合材料的研究上還處于空白 ， 需在 噴射沉積鋁基復合材料研發(fā)的基礎上探索其他金屬基 復合材料的制備工藝 ， 進一步擴大顆粒增強金屬基復 合材料的應用范圍 。 進一步評估 、 優(yōu)化噴射沉積鋁基復合材料的往 復鐓 擠工藝和等 徑 角 工 藝 ， 研 究 變 形 機 制， 分析顯微 組織 、 力學性能的演變 ， 尤其是變形過程中沉