4.3.2 金属基复合材料的成形
1.纤维增强金属基复合材料的成形
（1）熔融浸透法 熔融浸透成形工艺如图4-21所示。纤维与基体金属真空封入金属壳里，在高温下使金属熔融后，对金属与壳同时加压，可得到致密的复合材料制品。这种浸透法通常适用于碳/铝、碳/镁等低熔点金属系复合材料。
图4-21 熔融浸透成形工艺
1—不锈钢外壳 2—冷却后剩下的液体 3，5—加热板 4—层合
图4-22 纤维束预制浸透成形工艺
1—调压器 2—预制铸型 3—金属液
熔融浸透法的另一种工艺是熔体浸渗法。以碳纤维铝基复合材料为例：该工艺将在碳纤维表面镀镍和化学气相沉积SiC，并将其纤维束布设于精铸模壳内，然后把模壳置于图4-22所示的浸渗设备内，并预热至600℃，液态硅铝合金液过热至750℃，在压力作用下得金属铝液浸渗铸型，从而获得纤维增强的金属基复合材料制品。
（2）预成形体加压铸造法 在液体法中，为了在纤维之间容易充填基体金属，可采用边加压边铸造的方法（见图4-23），即先用粘结剂将纤维制成相应形状的预制件，然后放在金属模型的适当位置浇注金属液，并加压使金属液渗入预成形体的间隙，凝固后就得到所要求的金属基复合材料制品。该法可排除对纤维与金属液结合有主要影响的润湿性、反应性、密度差等因素的影响。如果预成形体制造得很好，浸渗时温度、压力等参数控制得当，可成功地制取纤维分布均匀、含有率高的金属基复合材料制品。
图4-23 加压铸造法的实验装置
1—压力机活塞 2—测力传感器 3—铸型 4—炉体和模框
图4-24 涡轮叶片的熔模真空铸造
1—纤维束 2—熔模铸造圆筒
（3）真空铸造法 为使液态基体金属更容易充填于纤维之间，可采用如图4-24所示的真空铸造法。该图示出了w（W）＝2%的氧化钍纤维增强超耐热合金的涡轮叶片的真空熔模铸造过程。
2.颗粒增强金属基复合材料的成形
（1）液态搅拌铸造成形法 液态搅拌铸造成形法由液态搅拌制取复合材料和将液态复合材料浇入铸型而形成复合材料制品两个阶段组成，如图4-25所示。该方法的重点和难点在于复合材料的制取。通过高速旋转的搅拌使金属液产生旋涡，然后往旋涡中逐步投入增强颗粒，待颗粒等增强物得到润湿、分散均匀后浇入金属型，用挤压铸造或压力铸造等适当方法成形。在搅拌过程中，为防止金属液卷入气体和混入夹杂物，可对上述方法进行改进，即整个复合材料的制造过程，从金属的熔化、增强物的加入和搅拌、直到浇注成形均在真空容器内进行，从而避免了气体和夹杂物的污染。此外，改用多级倾斜叶片组成的搅拌棒，并提高转速，使它具有最大剪切力，但不形成旋涡，不产生气泡。改进后的工艺使复合材料及其制品的性能得到了明显的提高。
图4-25 液态搅拌复合铸造
a）液态复合搅拌 b）复合材料浇注
1—电动机 2—搅拌棒 3—熔融金属与增强物 4—加热电炉 5—坩埚 6—支架 7—复合材料熔体 8—铸型 9—型芯 10—浇口杯 11—浇包
此外，为提高增强颗粒与金属液之间的润湿性，可利用某些与金属液体有较好润湿性的金属来包覆增强颗粒，以提高固体表面能，使金属与增强颗粒的接触变为金属与金属的接触，从而改进浸润能力。在基体合金液中加入有利于浸润的合金元素，也能提高增强物颗粒与金属液的润湿性。通过外加力（如挤压、压铸）可使复合材料在铸型中快速凝固，也能得到增强物颗粒分布均匀的制品。
（2）半固态复合铸造法 半固态复合铸造法（semi-solid metallic casting）的过程是：将温度控制在液相线与固相线之间对金属液进行搅拌，与此同时将增强物颗粒缓慢加入含有一定固相粒子（固相的质量分数通常为40%～60%）的金属液中。由于金属液中存在大量固相初晶，可有效防止增强颗粒的浮沉或凝聚，且分散较均匀。此外，由于金属液温度较全液相的低，因而吸气量也相对较少。
图4-26是半固态复合浆液（semi-solid metallic syrup）连续制备器的结构示意图，它包括由一个液态金属溶池和一个坩埚组成的混合室及冷却室。混合搅棒是用高纯度矾土制成的空心管，转速达1 000r/min，均采用感应加热。旋转时，混合搅棒能升降，用升降的高度来控制浆料流出的速率。通过调节半固态金属连续制备器的浆料流出速率即可控制浆料温度、固态组分的比例以及增强物粒子的含量等。提高浆料流出速率就会减少合金在混合室的停留时间。这样就降低了固态组分的比例，因而增强物颗粒的比例就相应减少，反之亦然。用在上述装置中生产的半固态浆料直接铸造成形，即称之为半固态复合流变铸造（rheocasting）。它所使用的设备由一台半固态复合浆料连续制备器和一台压铸机组成，其工序流程如图4-27所示。另外，还可将图4-26中半固态复合浆料不直接铸造成形，而是制成料锭，并将料锭切割成一定尺寸的小块。在使用时，先将其加热，并送入压铸机的压射筒中压铸成复合材料制品，该法又称为半固态复合搅溶铸造（thixocasting），其工艺过程如图4-28所示。其整个系统包括压铸机、感应炉和软度指示器。用软度指示器直接测定被加热料锭的软度，取代了控制再加热工序的热电偶，其操作简单，且能稳定控制料锭的质量。经过再加热的料锭具有搅溶性，以它原来的料锭形状进入压射室。而不是流入压射室。但在压射室中，料锭在剪力的作用下又获得了流动性。
图4-26 半固态复合浆料连续制备器的结构示意图
1—合金浆料 2—陶瓷搅棒 3—出口镶块 4—陶瓷套筒 5—绝缘套 6，8—感应线圈 7，12—外壳 9—舂实的耐火材料 10—坩埚 11—熔融合金 13—冷却感应线圈 14—热电偶
图4-27 半固态复合流变铸造工艺示意图
1—搅拌室 2—柱塞 3—充型 4，6—运送台 5—运出 7—压射系统
（3）喷射复合铸造法 以氩、氮气等非活性气体作为载体，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。这种有分散增强颗粒的金属液进入金属铸型，冷却凝固后形成铸件，因而称此法为喷射复合分散法，如图4-29a所示。这种方法不仅适用于以铝、镁等非铁金属为基的复合材料，而且可用于钢铁等高熔点合金为基体的复合材料。
另外，为了进一步提高增强颗粒与金属液的分散均匀性，还提出了一种喷射复合沉积法。其原理是将金属液与非活性气体混合，喷射在放于保护气氛密闭容器内的铸型或底板上，在那里沉积成所要求的铸锭或铸件，如图4-29b所示。该法生产率高，制得的复合材料制品性能好，晶粒细小，没有偏析。生产过程中增强颗粒与金属液接触时间特别短（仅几秒钟），没有任何界面反应。喷射复合铸造是一种很有前途的生产方法。
图4-28 半固态复合搅溶铸造工艺示意图
a）浆料制备器 b）锭料 c）切割 d）重新加热 e）装入锭料 f）压铸 g）铸件
1—合金液 2—感应加热器 3—冷却器 4—铸型 5—软度指示计
（4）石墨/铝复合材料的离心铸造 石墨是一种具有低剪切模量的软材料，同时它的原子平面排列松散，能起良好的固体润滑剂的作用。用石墨/铝复合材料作为贵重的铜、锡和铅基合金的代用品制造的轴承，十分引人注目。石墨/铝轴承在使用时，希望其内表面含有较多的石墨颗粒，以提高轴承的润滑性。由于石墨与铝合金的密度不同，使用离心铸造方法，可使较重的铝液以较快的速度远离液体圆筒的内表面，最后石墨颗粒偏聚到内表面上。因此，当铸件完全凝固时，可获得富石墨的内层和无石墨的外壳区。图4-30所示是离心铸造石墨/铝复合材料轴承的示意图，将石墨颗粒加入到正在搅拌的铝液中，待均匀分散后，将石墨/铝液浇入到正在旋转的离心铸造机的CO2气体硬化砂型中，待冷却凝固后即得到石墨/铝轴承铸件。
（5）原位反应增强颗粒法 几种较成熟的原位反应（situ）增强颗粒的制取方法如下：
图4-29 喷射复合铸造工艺示意图
a）喷射复合分散法 b）喷射复合沉积法
1—氩气管 2—粉末颗粒 3—喷粉器 4—浇包 5—金属液流 6—金属铸型 7—SiC喷射口 8—喷射室 9—沉积基底 10—收集器 11—旋流集尘器 12—熔炉 13—雾化器 14—卸压孔 15—剩余粉末
图4-30 离心铸造机示意图
1—可置换砂套 2—浇注漏斗3—盖板 4—背砂 5—转台 6—充满金属液的型腔 7—金属型
1）向含钛的铝液中通入CH4及NH3气，这些气体分解并与金属液中的钛、铝反应，在铝液中就生成了含TiC、AlN、TiN等增强颗粒。
2）让高温金属（如铝、钛、锆等）液暴露于空气中，使其表面首先形成一层氧化膜（如Al2O3、TiO2、ZrO3等），里层金属再通过氧化层逐渐向表层扩散，暴露空气中后又被氧化。如此反复，最终形成金属氧化物增强物。
3）利用一个特殊的液体喷射分散装置，在氧化性气氛中，将铝液分散成大量细小的液滴，使其表面氧化，生成Al2O3膜。这些带有Al2O3膜的液滴在沉积过程中，相互碰撞使表层Al2O3膜破碎分散，从而在铝液中形成具有弥散分布的Al2O3颗粒增强物。
4）将含有增强颗粒形成元素的固体物质（纯净的元素粉末或化合物）在一定温度下加入到金属液中，使其与金属液的合金元素发生充分的化学反应，从而制出原位颗粒增强物。如将碳粉加入到铜钛合金液中，制取TiC颗粒增强物，将Al4Cl3粉末加入到铝钛合金液中，也可在铝液中得到原位TiC颗粒。
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