不同颗粒协同增强铁基复合材料研究现状

张效溥，于延龙，李春海，王绍昌，赵华社，谭建波

（1.河北科技大学材料科学与工程学院，河北 石家庄 050018；2.河北省材料近净成形技术重点实验室，河北 石家庄 050018；3.石家庄工业泵厂有限公司，河北 石家庄 050100；4.邯郸群山铸造有限公司，河北 邯郸 057350）

颗粒增强金属基复合材料兼具了硬质陶瓷增强相和金属基体相的优点，并且铁基复合材料的制造成本较低，在工业生产中占据了重要地位[1]。

相比于单一相增强金属基复合材料，多相协同增强金属基复合材料具有更加卓越的性能，应用前景广阔。许多科研工作人员都成功制备出了多相协同增强复合材料，并对其组织性能进行了研究。多相纤维协同增强作用有利于提高复合材料的各种性能，CNTs-GNPs/Cu 复合材料、CNTs-Gd2O3/Cu 复合材料、GNPs-Gd2O3/Cu 复合材料以及CNTs-GNPs-Gd2O3/Cu 等复合材料均实现了混杂强化效应，四种复合材料的强度均高于相同条件下单一相增强的复合材料[2]。Ti 金属-SiC 陶瓷颗粒混杂增强7075Al 复合材料，由于各种增强材料间性质的相互补充以及产生的协同增强效应，且一定尺寸和含量的Ti 金属颗粒的混合加入提高了复合材料抗拉强度，使Ti-SiC/7075Al 复合材料的强度和塑形进一步提升[3]。

1 影响增强颗粒与基体润湿性的因素

润湿性是一种衡量液体与另一种液体或固体之间界面吸引力的能力。它是液体材料与固体材料表面保持接触的趋势，受黏着力和分子间内聚力之间的平衡控制。到目前为止，人们已经开发和应用了各种不同润湿条件的增强颗粒来增强金属基复合材料。然而，这些材料的润湿性一直是所有复合材料制造方法中具有挑战性的问题。在金属基复合材料中，增强颗粒与金属基体之间的润湿主要取决于以下几个方面：

1）化学反应：化学反应会使增强颗粒和基体的结合强度下降，严重影响复合材料的整体性能。在几乎所有的金属基复合材料中，最为理想的情况为结合界面较小，元素扩散较少，增强颗粒不发生降解。

2）污染物：在一般情况下，出现在增强颗粒表面的氧化物通常会降低其与基体的润湿性，因为强化颗粒很难被熔融金属吞没，特别是当强化颗粒从熔体的顶部加入时。因此，应在增强颗粒加入熔融金属之前对增强颗粒进行一定的预处理，以消除增强颗粒表面氧化膜对固液界面结合区域的削弱作用。

3）表面粗糙度：表面粗糙度对润湿性有很大影响，表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度。研究人员认为表面粗糙度增加了过渡金属碳化物的润湿角[4，5]。如果给定的增强颗粒被熔化金属完全润湿，其中的表面粗糙度提高润湿性，这通常被称为温泽尔状态。温泽尔方程和卡西-巴克斯特方程预测的润湿角与实际表面测量的润湿角吻合良好。

4）粒子的大小：当颗粒尺寸减小到微尺度甚至纳米尺度时，润湿可能会变得非常困难，这是因为一方面小颗粒具有极高的表面积，因此由于颗粒间的作用力（如范德华引力）产生了很大的团聚倾向；另一方面金属熔体需要更多的能量来包裹粒子。迄今为止，人们采取了不同的方法来改善基体-增强界面区域的润湿性，主要是试图增加粒子能量，降低表面张力和固液界面能[6-10]。

5）加热或保温处理：热处理在复合材料制造中起着至关重要的作用。热处理主要分为三大类，第一类是增强颗粒加入熔融金属之前对其进行加热处理，第二类是指增强颗粒加入熔融金属后对金属体进行保温处理。最后是基于铸造复合材料凝固过程的热处理。通过保温影响铸造复合材料的凝固过程。

6）机械处理：在大多数陶瓷/金属复合材料系统中，机械搅拌、电磁搅拌和超声波等会用于改善增强颗粒与金属基体的润湿性。其中机械搅拌是一种经济有效、简单有效的方法，可以获得较好的润湿效果。机械搅拌经常用于改善润湿性、脱聚增强颗粒、改善均匀分布、加速界面反应、减少孔隙和固液界面区域的气体等[11-13]。

7）合金元素：加入Ti，Mg，Cr，Ca，Sr，Mn，Ce 等合金元素，可显著改善铸造金属基复合材料的润湿性。熔融金属、合金元素和增强剂之间的界面反应非常复杂，例如，在SiC 增强铝/镁复合体系中加入Cr 可形成Cr23C6、Cr3C2、Cr7C3、CrSi、Cr5Si3C、Cr3Si 多总化合物[14]。

8）涂覆：陶瓷颗粒的涂覆可以提高固相的多种化全物总表面能。涂层分为多层涂层和单层涂层，可以作为扩散屏障以避免增强剂和基体之间的反应，也可以作为润湿剂以促进金属基体和增强颗粒的亲和。金属涂层通常会改变两者结合界面的化学成分，被认为是获得更好润湿性的有效方法，特别是当非金属增强体，如氧化物或其他陶瓷，加入熔融金属基体中。有时，复合材料为达到目标性能也会采用多层涂层[15]。金属涂层，如Cu，Ni，Ag，Co，Sn，Sb 或Cr，可以改善润湿性，因为液体金属通常会润湿其他金属。化学或物理气相沉积、热喷涂、胶结、化学和电解质方法以及溶胶-凝胶技术是提高润湿性的常用涂层技术。

9）气体层：研究表明如果气层覆盖陶瓷颗粒，从而阻止熔融金属与增强相接触，可能是造成增强相润湿性差以及增强相与基体亲和性降低的最重要原因之一[16]。

10）温度：温度的变化可以显著地改变润湿角。在Al2O3颗粒增强铝基复合材料中，温度的升高可能导致陶瓷颗粒与铝基体间润湿角的降低，从而获得更好的润湿性。此外，当温度超过900 ℃时，陶瓷颗粒的氧化膜被破坏，润湿性急剧增加。

2 不同颗粒协同增强金属基复合材料制备方式

不同的制备工艺对不同颗粒协同增强复合材料的影响各不相同，目前主要的制备工艺有热压烧结法（Hot Pressed Sintering）、原位合成法（In-situ synthesis）、铸造法（Casting）.

2.1 热压烧结

热压烧结是在烧结过程中对粉末施加单向或多向的压力的一种烧结方法。热压烧结时由于粉末处在一定的温度和压力下，粉末颗粒间更容易接触、分散和流动，热压法容易获得相对理论密度高、尺寸精确、气孔率低、力学性能良好的烧结体[17]。

种祥远[18]运用热压烧结工艺制备了不同粒子（SiC，TiB2，TiC，TiN）混合增强铁基复合材料，不同类型粒子混合增强比单一类型粒子增强铁基复合材料的抗拉强度要高；能够显著提高材料抗拉强度的陶瓷颗粒，其粒径、体积混合比对复合材料抗拉强度影响显著，粒径分别为10 μm 和5 μm 的SiC与TiC（TiB2）混合，陶瓷SiC 颗粒最佳体积混合加入比为2：1，随着小粒度的TiC（TiB2）占体积比的增加，材料的抗拉强度下降。庄伟彬[19]采用电流直加热动态热压烧结工艺，制备了13 μm 与23 μm 混合尺寸粒子增强SiCp/Fe 复合材料，其优良的增强作用是由于合适的混合增强颗粒尺寸，小尺寸增强颗粒填补了大尺寸颗粒之间的缝隙，提高了复合材料的相对密度，减少了复合材料的内部缺陷，有利于载荷的传递，从而提高复合材料的抗拉强度。曹新建[20]研究了高体积分数（主要为30%）下，四种混合类型颗粒增强铁基复合材料的摩擦磨损性能，结果发现混合颗粒协同增强的铁基复合材料性能均优于相对应的单一颗粒作为强化相的铁基复合材料，符合材料混合定律。

2.2 原位合成

原位合成法是通过设计一定配比的金属和反应剂，在合适的合成温度下使金属基体内部生成弥散分布的细小陶瓷相颗粒[21]。通过原位合成制备的陶瓷颗粒直接在基体内部原位生成，增强相和基体组织之间的结合界面洁净，排除了外加颗粒造成的污染，良好地解决了增强相和基体之间的相容性问题，且原位合成的陶瓷颗粒具有稳定的热力学性能，制备得到的复合材料整体具备较好的强度和耐磨性能。但原位合成法无法精确控制陶瓷颗粒的含量，且对工艺参数的要求较高等，这严重制约了原位合成工艺产业化的进程[22]。

张登科[23]采用原位反应使W 元素置换TiC 中部分Ti 原子生成（Ti，W）C 颗粒，测试结果表明当体积分数分布相同时，（Ti，W）C/45#复合材料的硬度及耐磨性能优于原位TiC/45#复合材料，进一步向复合材料添加Cu 元素，发现其主要磨损机制转变为黏着磨损。鲜勇[24]的研究发现，当VC/Fe 复合材料中Ni 含量为9%时，硬度从39HRC 增到43.7HRC；抗弯强度从1 028 MPa 增至1 926 MPa.付永红[25]采用铸渗-原位反应法制备颗粒/纤维混杂增强铁基复合材料，完全反应的W 纤维原位生成较多的WC颗粒，WC 颗粒附近存在较多的细小珠光体，降低了石墨割裂的影响；不完全反应的W 纤维在基体中依靠本身的承载能力，为复合材料提供了足够的强度。

2.3 铸造

铸造是将金属熔炼成液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造工艺相对简单，生产中对设备的要求并不高，而且相比其他工艺方式，铸造工艺制备复合材料的成本较低，可以用于批量生产复合材料。对双相颗粒协同增强铁基复合材料的研究主要集中在真空消失模铸造和挤压铸造技术。

郭长庆[26]采用V-EPC 真空消失模铸造制备出Ni-WC 表面合金化45 钢基复合材料，观察组织发现，在高温钢液的作用下，Ni-WC 分解并发生扩散，表层合金熔体增强元素较多，而基体中则富含更多的铁。余晶[27]采用挤压铸造工艺制备（氧化铝/氧化钛）颗粒增强1065 钢基复合材料，相较Al2O3/45 钢复合材料其硬度提升了10.0%，三点弯曲强度提升了26.4%；断口扫描表明，添加TiO2后复合材料界面结合良好无裂纹，说明TiO2的加入改善了复合材料的界面结合情况，提升了复合材料的力学性能。李祖来[28]采用真空实型铸渗（V-EPC）工艺制备了（Cr，WC）协同增强铁基表层复合材料，结果表明Cr元素的加入使复合材料的三体磨损性能明显提高。程凤军[29]采用铸造法制备了一定体积分数的原位（Nb，V）C 固溶体增强铁基复合材料，当复合材料中（Nb，V）C 增强相体积分数为8%时获得最佳性能，抗拉强度达到660 MPa，硬度达到30.5HRC.

2.4 其他

除上述方法外，还有粉末等离子熔敷、等离子体烧结、真空熔烧等工艺也被运用到不同颗粒协同增强铁基复合材料的制备中。

杨愿愿[30]通过粉末等离子熔敷制备了TiC-NbC增强高铬镍铸铁基复合材料熔敷层和高铬镍钢基复合材料熔敷层。TiC 分为外加和原生两种，当TiC体积分数约为4%时，复合材料熔覆层的硬度及耐磨性能最好。TiC 体积分数高于6%时，部分TiC 颗粒出现团聚现象，成形较差且出现了裂纹。庞雅丹[31]采用等离子体烧结制备TiC/Nb 陶瓷颗粒增强铁基复合材料，当陶瓷颗粒添加量为16.67%时，（TiC/Nb）颗粒显著提高了复合材料的力学性能，维氏硬度达到300 HV，弯曲强度达到400 MPa，降低了复合材料的孔隙数量，提升了致密度。断裂方式以脆性断裂为主。侯书增[32]以真空熔烧工艺制备了一种以NiCrBSi 为粘接剂，以表面渗碳改性的CTCP为增强颗粒局域化增强钢基复合材料，在一定温度范围内，复合材料的磨损率均小于耐热钢的磨损率。

3 不同颗粒协同增强金属基复合材料组织及性能研究现状

3.1 力学性能

材料的力学性能是指材料在不同环境下，受各种外加载荷时所表现出的力学特征。针对铁基复合材料现阶段在工业生产中的应用情况，现有研究中不同颗粒增强颗粒协同增强铁基复合材料的研究内容主要包含复合材料的硬度、塑形、弹性、抗弯强度等。

方聪[33]等采用粉末冶金方法制备了稀土Y 分散附着的WCp/钢基复合材料，通过Y 的掺杂实现了WC 颗粒与钢基体的结合，可观察到一个很明显的界面反应区，稀土Y 的掺杂使界面反应区的硬度从1 356 HV 下降到912 HV，但基体的硬度从127 HV提高到246 HV.同时掺杂稀土Y 使界面反应区的塑形变形量从0.42 μm上升到0.82 μm，弹性变形量从0.16 μm下降到0.11 μm.刘胜明以原位还原技术制备了Al2O3-TiC 增强铁基复合材料[34]，增强相为Al2O3和TiC，还有少量的MgAl2O4和Fe 相，制备的Al2O3-TiC/Fe 基复合材料抗弯强度937 MPa，维氏硬度532 HV.陈敏[35]通过热压烧结制得了不同质量分数TiCN 颗粒增强的铁基复合材料，发现添加TiCN质量分数为40%左右，复合材料拥有最好的性能，添加Mo 元素后，复合材料性能得到进一步提升，硬度从684 HV 提高到814 HV，抗弯强度从954 MPa提升到1 065 MPa.

3.2 摩擦磨损性能

腐蚀、磨损、断裂是机械设备及零件的三大失效方式。每年我国因磨损造成的零件设备损耗可达数百万吨，同时造成了巨大的经济损失。磨损使设备及零件失效，导致了能源和材料的浪费。因而，提升材料的摩擦磨损性能对于延长材料寿命、提高经济效益至关重要。

贾华[36]通过明弧堆焊技术对Q235 基体进行表面合金化，得到了由TiB2、TiN、TiC、M23（C，B）6、M3（C，B）和M2B 为增强相的铁基复合材料。当钛添加量为4%时，铁基复合材料耐磨性达到最佳值，此时硬度为66HRC，磨损量为0.042 g.李小朋[37]测试了滑动速度与载荷对钛颗粒增强Al2O3/45 钢复合材料的摩擦因数和磨损率的影响，并与Al2O3/45 钢、WC/45 钢复合材料对比，在相同的滑动速度和载荷下，双相颗粒混合强化复合材料的磨损率和摩擦因数均小于用于对比的两种复合材料，说明两种颗粒混合可增强复合材料的摩擦学性能。

3.3 微观组织

复合材料的微观组织由增强体、结合界面和基体组成。复合材料界面是指复合材料的基体与增强材料之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能传递载荷的微小区域，界面是复合材料极其重要的组成部分，复合材料的性能与界面性质密切相关[38]。铁基复合材料中主要的增强相为碳化物、氮化物、氧化物。碳化物与铁基体的润湿角较好，能形成结合良好的界面，氧化物与铁基体的润湿角较差，往往通过预处理的方式来改善其与基体的润湿角。增强相与基体的相容性也制约着铁基复合材料的性能，如WC 颗粒作为增强相加入到铁基体中会发生溶解、元素扩散以及化学反应等，都会对铁基体的成分、显微组织及性能产生影响[39]。

杨森[40]运用热爆炸合成反应（TE）和准热等静压（PHIP）技术，燃烧合成TiC-Al2O3复相颗粒增强Fe基复合材料。研究表明，试样主要组元为粗大的Al2O3颗粒和细小的TiC 颗粒，Fe 相则相对均匀的分布在TiC 之间。张冬兰[41]采用粉末冶金技术制备WCp/铁基复合材料，并选择合适的稀土元素进行掺杂，通过对界面组织和元素分布分析可知，Y 元素主要分布在碳化钨颗粒中，界面结合效果最差，Nd、La 和Ce 元素在复合材料中分布较均匀，界面结合效果好。

4 结束语

增强颗粒与金属基体的润湿性是制备优良性能金属基复合材料的必要条件，其影响因素众多，如何从众多因素中挑选出有利于增加润湿性，抑制甚至消除削弱润湿性的影响因素，依旧是未来研究的重点方向之一。

钢铁基复合材料在工业生产制造方面有着巨大的性能优势，尤其是在耐磨材料领域占有不可或缺的地位。目前，不同颗粒协同增强钢铁基复合材料已取得一定进展，然而，现有的制备方式多局限于实验室研究范畴，成本较高，并不适用于批量生产，未来要尽快发展适用于工业生产的制备方式。

另外，不同颗粒协同增强钢铁基复合材料的研究还处于起始阶段，不同颗粒协同增强钢铁基复合材料接下来的研究方向应该包括但不限于：混合颗粒种类、混合颗粒比例、混合颗粒尺寸、结合面性能、组织均匀性、多种颗粒协同增强机理等。