液态法亦可称为熔铸法, 其中包括压铸、 半固态复合铸造、 液态渗透法等。 这
些方法的共同特点是金属基体在制备复合材料时均处于液态。
液态法是目前制备颗粒、 晶须和短纤维增强金属基复合材料的主要工艺方法。
第5章 其他铝合金加工及其制备技术 389与固态法相比, 液态法的工艺及设备相对简便易行, 和传统金属材料的成型工艺如
铸造和压铸等方法非常相似, 制备成本较低, 因此液态法得到了较快的发展。
(1) 压铸
压铸成型制备金属基复合材料有两种方式: 一种如典型的压铸工艺, 首先将包
含有增强材料的金属熔体注入预热模具中后迅速加压, 压力约为70~100MPa, 使
液态金属基复合材料在压力下凝固。 待复合材料完全固化后顶出, 即制得所需形状
及尺寸的金属基复合材料的坯料或压铸件。 另一种是采用增强材料预制体的压铸工
艺。 它与典型压铸工艺的区别只是在于倒入预热模具中的是金属基体熔体, 而在预
热模具中是预先制备好的增强材料预制件。 将熔融金属注入模具, 并在压力下使之
渗入预制件的间隙。 在高压下, 迅速凝固成金属基复合材料。 其过 程 如 图 5-34
所示。
图5-34 压铸过程及设备示意图
采用增强材料预制体的压铸工艺, 需要制备增强材料预制件。 通常增强材料为
氧化铝纤维, 采用添加结合剂将氧化铝纤维粘接, 并制成预制件, 然后烘干。 预制
件在预热模具中的预热温度为500~800℃。
压铸工艺中的主要影响因素有熔融金属的温度、 模具预热温度、 使用的最大压
力、 加压速度等。 在采用预制增强材料块时, 为了获得无孔隙的复合材料, 一般压
力不低于50MPa, 加压速度以使预制件不变形为宜, 一般为1~3cm·s-1。 对于
铝基复合材料, 熔融金属温度一般为700~800℃, 预制件和模具预热温度一般可
控制在500~800℃。
采用压铸法生产的铝基复合材料的零部件, 其组织细化、 无气孔, 可以获得比
一般金属模铸件性能优良的铸件。 和其他金属基复合材料制备方法相比, 压铸工艺
设备简单, 成本低, 材料的质量高, 且稳定, 易于工业化生产。
(2) 半固态复合铸造
半固态复合铸造制备金属基复合材料的工艺主要应用于颗粒增强金属基复合材
料。 半固态复合铸造时, 将金属熔体的温度控制在液相线和固相线之间, 通过搅
拌, 使树枝状晶粒破碎成非枝晶。 当加入预热后的增强颗粒时, 因熔体中已有一定
数量的固相颗粒, 在搅拌中增强颗粒受阻碍而滞留在半固态金属熔体中, 增强颗粒
不会结集和偏聚而得到较均匀的分布。 另外强烈的搅拌也使增强颗粒与金属熔体直
接接触互相反应, 促进润湿。
半固态复合铸造工艺参数控制主要是: 金属基体熔体的温度应使熔体的固相体
积分数为20%~50%; 搅拌速度应控制在不产生湍流, 以防止空气裹入; 应先搅
拌熔体使熔体中枝晶破碎, 形成近球形的固相颗粒, 降低熔体的黏度以利于增强颗
390 铝加工技术问答粒的加入。 由于浇铸时金属基复合材料是半固态熔体, 直接浇铸成型或压铸成型所
得的铸件几乎没有缩孔或孔洞, 组织细化和致密。
半固态复合铸造主要应用于颗粒增强金属基复合材料。 因短纤维、 晶须在加入
时容易结团或缠结在一起, 虽经搅拌也不容易分散均匀, 因而不宜采用此法来制备
短纤维或晶须增强金属基复合材料。
(3) 无压渗透
无压渗透的原理: 首先将增强材料制成预制体, 预制体放置于由氧化铝制成的
图5-35 无压渗透工艺原理示意图
容器之内。 再将基体金属坯料置于可渗透的
增强材料预制体上部。 氧化铝容器、 预制体
和基体金属坯料均装入一个通入流动氮气的
加热炉中。 通过加热, 基体金属熔化, 并自
发渗透到网络状增强材料预制体中。
无压渗透制备 MMC 具有以下优点: 工
艺简单, 不需要高压设备; 成本较低; 可仿
形成型, 并可制作大型复杂构件; 增强的材
料体积分数可调, 甚至可达75%。
用这种方法制备的金属基复合材料零件可以不用或仅进行少量的机加工, 成本
低。 复合材料的刚度显著高于基体金属, 但强度低。 一般可作为强度要求不高、 但
刚度要求较高的零部件, 如汽车喷油嘴或制动装置的零件。 图5-35为无压渗透工
艺原理示意图。