熔鑄法是指在制備時，將增強體和金屬混合后熔煉并進行鑄造，經過機加工制成成品。通過熔鑄法制備鈦基復合材料，通常具有工藝簡單，成本低廉且可以直接鑄造成復雜形狀零件的特點。但是，鈦合金基體材料和增強體在液相時的反應活性很高，并且在熔鑄過程中濕潤性差，增強體在基體中分布不均勻，導致目前很少通過傳統熔鑄法制備鈦基復合材料。為了克服這些問題，近年來在原位合成熔鑄法制備方面取得了一些進展，在熔鑄法的基礎上引入適當的反應物，通過化學反應在熔鑄的過程中生成增強體顆粒。由于增強體是在原位反應中合成的，避免了增強體和基體材料之間界面濕潤性的問題，增強體分布均勻，從而提高了熔鑄法制備的鈦基復合材料的綜合性能，因此，原位合成鈦基復合材料的研究成為當前鈦基復合材料研究領域的熱點。
粉末冶金法是指將增強體和基體材料的粉末均勻混合，然后對混合物真空除氣，經過壓型，燒結，冷、熱等靜壓等工序制成鈦基復合材料。通過粉末冶金法制備了最早開發成功用于商業生產的顆粒增強鈦基復合材料，制備的材料其室溫和高溫性能相比于基體材料有了明顯提高。還可以通過改變增強體在零件不同區域的含量使其滿足特殊用途的需要，不過制備這類特殊用途材料的工藝復雜，成本高，難以大批量生產。
相比于熔鑄法，粉末冶金法由于是在低于鈦熔點的溫度下進行燒結的，其界面反應程度大大削弱，粒度和體積比可在較大范圍內進行調整。經熱等靜壓或燒結后，利用擠、鍛、軋等加工進行進一步致密化和改善性能。粉末冶金法制備鈦基復合材料目前是研究最多，具有較好發展前景的方法。
介于原位合成法的優點，將粉末冶金法和原位合成法相結合成為粉末冶金法制備鈦基復合材料的一個新的發展方向。這種方法結合了兩者的優點，具有很大的應用前景，目前處于起步階段，很多方面有待研究。
機械合金化法簡單來說就是一種高能球磨的技術，混合粉末經過反復變形、焊合、破碎的過程，細化到納米級粒度并具有很大的表面活性。引入了大量畸變缺陷，加強互擴散，降低激活能，使合金化的熱力學與動力學過程不同于普通的固態過程，可以用于制備常規條件下難以合成的許多新型合金。結合當前熱門的原位合成方法，可以制備出增強粒子非常細小的鈦基復合材料。但是機械合金化方法工藝復雜，難以實現工業化的規模生產，而且鈦因其活性高而在加工過程中非常容易氧化，阻礙了該方法在制備鈦基復合材料上的應用。
自蔓延高溫合成法是蘇聯科學家于1967年首次提出的，利用放熱反應使混合體系的反應自持進行，用以生成金屬陶瓷和金屬間化合物。該方法是近幾年才被用于制備復合材料，目前仍處于起步探索階段。自蔓延高溫合成法具有生產過程簡單、反應迅速、反應溫度高等特點，但也正因如此，其反應難以控制，產物的孔隙率較高，需要采取致密化處理，通常可采用的致密化措施有動態壓實和熱等靜壓方法。自蔓延高溫合成法已被用于制備TiB/Ti、TiB TiC/Ti、SiC/TiAl、A12O3/TiAl等顆粒增強鈦基復合材料等。
在自蔓延高溫合成法與原位合成法結合的領域中，印度科學家提出了利用反應5Ti B4C → 4TiB TiC，原位制備（TiB TiC）增強鈦基復合材料，所得的復合材料性能與基體合金相比有了明顯的改善，并且實現了微結構的可設計性，界面沒有污染，第二相分布均勻。
XDTM法屬于原位合成法的一種，是由美國Martain Marietta實驗室開發的用于制備金屬基復合材料的方法。該方法將生成增強體的粉末和基體粉末混合，在高于基體熔點而低于增強體熔點的條件下加熱，使兩種粉末發生放熱反應，在基體中生成亞顯微增強體。原位合成避免了在增強體和基體界面處生成弱化結合的氧化物，有效改善了復合材料性能，目前該方法已經用于制備幾種鈦基或鈦鋁合金基復合材料，增強體包括硼化物、氮化物和碳化物，生成的增強體形狀不同，有顆粒狀、片狀或者晶須狀。該方法有望成為一種具有很大發展前景的加工方法。
反應熱壓法（RHP）是由Ma等在XD方法的基礎上提出的，該方法將原位合成增強體過程中的反應放熱與隨后進行的對多孔復合材料產物的熱壓實相結合，通過一步處理完成制備致密鈦基復合材料的過程。制備時，將生成增強體的兩種粉末與基體鈦合金粉末按一定比例混合均勻并冷壓至一定的密度，將混合體加熱至高溫并保持一段時間，隨后冷卻并進行熱壓處理，在此過程中會生成相對密度為1的原位合成鈦基復合材料，然后可以對生成的復合材料進行加工和成型。通過該方法制備的TiB2增強體顆粒度大概在0.1~5um，為了細化增強體顆粒，通過反應體系TiO2-Al-B來制備混合增強的鈦基復合材料。反應如下所示：
3TiO2 4Al 6B → 2Al2O3 3TiB2
通過該反應，可以制備出混合增強的鈦基復合材料，增強體的粒度平均處于0.31um。
燃燒輔助鑄造法（CAC）同時也稱為燃燒輔助合成法（CAS），是將燃燒合成與傳統的鑄造冶金方法相結合用來原位合成鈦基復合材料的一種方法。首先將一定化學計量數的反應粉末攪合均勻，然后壓實成球形，再將壓實的球與鈦合金基體一起熔化并且通過石墨模具鑄造成型。復合材料中的陶瓷增強體在熔化過程中通過反應物之間的放熱反應原位生成。
Ranganath等通過燃燒輔助合成法成功制備了(TiB TiC)/Ti復合材料。他們將壓實的Ti和B4C球與一定比例的鈦合金一起混合在一個水冷的銅坩堝中，采用無損耗真空電弧法將其熔化，他們認為化學反應如下進行：
5Ti ＋ B4C → 4TiB ＋ TiC
鈦合金基體中的TiB和TiC陶瓷增強體通過熔化狀態下B4C的Ti和B4C放熱反應而原位生成。從現有的文獻來看，這樣的方法已經分別用于通過Ti-C原位合成TiC/Ti，通過Ti-B原位合成TiB/Ti和通過Ti-B4C原位合成（TiB TiC)/Ti的工作中。
直接反應合成法（DRS）是將反應粉末或者壓實后的反應粉末直接加入到熔融金屬中，陶瓷增強體通過反應物之間或者反應物與熔融金屬之間的放熱反應直接原位生成。對于鈦基復合材料，可將增強體粉末B2O3和C以一定比例加入熔融鈦合金中，通過下面的反應過程原位生成TiC和TiB2陶瓷增強體：
Ti C → TiC
Ti B2O3 3C → TiB2 3CO
通過該方法可以得到一定相對密度的鈦基復合材料，增強體原位生成，不會造成界面污染而影響界面結合強度，該方法同時也應用于鋁基和銅基復合材料的原位合成中。
熔化輔助合成法（FAS）又稱為混合鹽反應法，是由倫敦Sc andinavian Metallurgical公司開發用于制備鋁基復合材料的一種方法，該方法的主要思想是將含有增強體元素的F鹽加入攪拌中的熔融基體金屬中，通過放熱反應原位生成增強體，同時在反應結束后停止攪拌并去除含有F鹽產物的金屬塊，將余下的復合材料通過模具鑄造成型。這種方法中的增強體含量主要是由熔融金屬的粘性決定。
反應自發滲透法（RSI）通過同步滲透和多孔固體反應生成優質、熱力學穩定的陶瓷增強相。先將反應物的混合粉末放置于坩堝中并在松散層的上方放置鈦合金的金屬錠，然后將整體放入爐中，然后將其加熱到所需溫度并維持一段特定的時間，這一過程用來通過混合粉末（TiN-B,Ti(Nb,Ta,Hf)-B4C）原位生成增強體(TiB2,NbB2,,TaB2,HfB2)，該方法可以用來較好地制備高陶瓷含量的鈦基復合材料。
直接金屬／熔體氧化法（DIMOX)是由美國的Lanxide公司開發用以合成柔性金屬-陶瓷復合材料的一種方法，廣泛用于制備增強陶瓷和金屬。將熔融金屬在逐漸升高的溫度下氧化，反應產物從原始金屬的背面向外生長，液體通過曲折的微觀通道輸運到達于氧氣接觸的交界面，從而保持反應的進行和氧化物的生長，當金屬的供應枯竭或是反應被抑制屏障層阻止后，氧化物的生長停止。最終的反應產物是內部相連的且縫隙被金屬填充的氧化物網絡結構。然后通過將填充金屬置于反應通道上來加速生長過程，這樣通過氧化反應，陶瓷被熔融金屬連續滲透。陶瓷縫隙中熔融金屬的高溫反應生成了一種混合了氧化物陶瓷和未反應金屬的復合材料。氧化物總是從初始的金屬陶瓷界面處連續向外生長的，同時金屬可以通過氧化反應生成的良好的微觀通道供給到金屬-氣體反應界面處。最后生成一種增強體陶瓷在基體中內部相連的復合材料。
反應擠壓鑄造法（RSC）起初是由Fukunaga開發用來原位合成氧化鋁增強復合材料的。首先增強體材料的粉末放置在沖模中，然后注入熔融金屬，以較低的速度進行擠壓來原位生成增強體。在他們的研究中曾提到，用這種方法很難生成結構良好的金屬間化合物復合材料。
近年來，有人通過對合成材料的熱處理而成功合成了結構良好的金屬間化合物和氧化鋁混合增強復合材料，使得這一方法在金屬間化合物復合材料合成領域得到了有效的發展。
氣-液合成技術法（VLS)是通過氣體與液相金屬反應生成增強體，并除去反應生成氣體，將混合有增強體的液相金屬溶液固化，得到復合材料。通常將含有增強體元素的合金在真空條件下熔融，并通以保護氣體，在一定溫度下，通入含有增強體元素的反應氣體，在一定溫度下保持一定的時間，保證氣體與合金充分反應，并且除去反應生成的氣體，固化后可以得到顆粒度較小的顆粒增強復合材料。例如，可將Ti熔融金屬與N2反應如下：
2Ti N2 → 2TiN
反應完全后可得到TiN增強鈦基復合材料。
快速凝固法（RSP）結合了傳統的鑄造冶金方法和快速凝固化技術來原位合成復合材料。事實證明，在對Ti-B和Ti-Si合金進行快速凝固化處理過程中，高的冷卻速率對制備含有高體積分數增強體的鈦基復合材料是非常有效的。這些增強體顆粒通過固化直接在Ti-B或者Ti-Si合金中原位合成。通過RSP方法合成鈦基復合材料時，首先通過等離子體電弧熔化離心霧化技術制備含有B和Si的鈦合金快速固化粉末，粉末在擠壓罐中擠壓，真空除氣，然后密封，再將擠壓罐置于1338K溫度下擠壓，長度為45m、長寬比為5-10的針狀的TiB晶須和尺度為1um的TiSi2粒子在合金中原位生成。
放電等離子燒結技術（SPS）是近年來發展起來的一種新型的快速燒結技術，有的文獻中也稱其為等離子活化燒結或等離子輔助燒結。放電等離子燒結技術將等離子活化、熱壓、電阻加熱融為一體，所以它具有升溫速度很快，燒結時間較短，晶粒均勻，燒結體的微觀組織結構易于控制，獲得致密度高、性能好的材料等特點。放電等離子燒結過程中充分利用了脈沖能、放電脈沖壓力以及焦耳熱產生的瞬時高溫場，在實現優質高效和低耗低成本材料的制備方面具有重要的意義。快速升溫的特點使其可作為有效手段來制備細晶材料。
與傳統的熱壓燒結（HP）相比較可以發現SPS工藝與其有相似之處，那就是二者都是在電流產生的焦耳熱和同時施加的壓力作用下促使燒結致密化過程進行的。但如果進行仔細比較，就會發現SPS與傳統熱壓的加熱方式截然不同。SPS利用通一斷直流脈沖電流并加壓來進行直接燒結。通一斷式直流脈沖電流的作用主要是產生放電等離子體、放電沖擊壓力、焦耳熱及電場擴散。
脈沖電流在 SPS過程中擁有非常重要的作用，當粉體顆粒間的溫度快速升高后，熱擴散導致晶粒間結合處迅速冷卻，施加脈沖電壓可以在觀察燒結過程的同時高精度地控制所加的能量，電場的作用也因為離子的高速遷移而造成了高速擴散。放電點（局部高溫源）可以通過重復施加開關電壓實現在壓實顆粒間移動而布滿整個樣品，這樣就使得樣品均勻地發熱以節約能源。能使高能脈沖集中在晶粒結合處是SPS過程不同于其他燒結過程的一個主要特點。
SPS過程中，當在晶粒間的空隙處放電時，會瞬間產生高達上千度的局部高溫，這會引起晶粒表面的蒸發和熔化，并在晶粒接觸點處產生“頸部”。熱量會立即從發熱中心傳遞至晶粒表面并向四周擴散，所以所產生的頸部會快速冷卻，由于頸部的蒸氣壓低于其他部位，因而氣相物質會凝聚在頸部形成物質的蒸發-凝固傳遞。SPS過程的另一個特點是其蒸發-凝固的物質傳遞要比通常的燒結方法強得多。此外，在SPS過程中，晶粒表面容易產生活化，從而促進了物質間通過表面擴散的傳遞，晶粒由于受到脈沖電流加熱和垂直單向壓力的作用，體擴散、晶界擴散都得到了加強，燒結致密化的進程得到加速，因此采用比較低的溫度及比較短的時間就能夠獲得高質量的燒結體。
增材制造（additive manufacturing, AM）技術是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，也稱為快速原型制造（rapid prototyping)、三維打印（3Dprinting)、實體自由制造（solid free-form fabrication）技術等。增材制造技術主要基于離散一堆積原理，由零件三維數據驅動直接制造零件。近二十年來，增材制造技術得到了快速發展。用于金屬材料制備的增材制造技術主要包括電子束快速熔融技術（EBM)、選擇性激光熔融技術（SLM)、選擇性激光燒結技術（SLS)等。和傳統制備工藝相比，增材制造技術大大減少了加工工序，縮短了加工周期，材料利用率也大幅提高，并能加工任意復雜形狀的試件。目前已有一些學者對SLM技術制備鈦基復合材料進行了相關研究。其主要加工原理即將基體鈦合金粉末和增強相粉末均勻混合，然后利用激光束對其加熱至熔融然后固化，即得到所需的鈦基復合材料。Vrancken等研究表明，采用SLM技術制備的Ti-6Al-4V-ELI Mo鈦基復合材料內部增強相分布均勻，而且經過熱處理的材料拉伸性能比傳統工藝制備β鈦合金要好。Attar等發現該種方法制備的Ti-TiB復合材料密實度高達99.5％以上，而且材料的硬度、屈服應力和抗壓強度都比同樣方法的純鈦要高。圖1給出了該種方法制備的Ti-TiB復合材料的微觀組織結構。
圖1 SLM方法制備Ti-TiB復合材料的SEM照片
（a）、（b）截面圖；（c）、（d）縱切面圖；白色箭頭代表TiB顆粒，呈現為針狀
除了上述提到的方法之外，還有直接還原法、接觸反應合成法、反應噴射沉積法等在各種不同類型的復合材料合成領域有著廣泛的應用。
點擊→ 經典文章回顧 ←點擊
聲明：【未經許可，嚴禁公眾號轉載】。
材料數據與信息管理整體解決方案
