鋁基復合材料快速成型制備工藝的改進研究

劉金龍

（佳木斯大學材料科學與工程學院，黑龍江 佳木斯 154007）

鋁是一種常見的金屬材料，它的易導電、密度低、易熔化、易塑形的這些特殊性質決定了它會被廣泛應用于社會各個領域。但是它卻有一個劣勢，那就是它有著非常低的熔點，鋼質、硬度不夠，而鋁基復合材料剛好完美地彌補了這個缺點，它在鋁的本身優點下，更結合了復合基的特點，使鋁基復合材料變得更加堅韌，剛度較高，耐磨損。這樣優良的特性也因此被大規模地應用于航空航天、火車汽車等專業性的行業中。鋁基復合材料的制備工藝有很多種，但是不同的制備工藝花費的時間、人力、物力也是有所不同，傳統的制備工藝造出的鋁基材料質量和性能都很好，但是唯一的缺點就是過于耗時，這也使得這種材料雖然有良好的性能，但是產量很低，價格也偏高。但是現如今，在對其快速成型的制備工藝進行改進之后，現在的鋁基復合材料可以說是物美價廉，高效的制備成型工藝大大縮短了制作時間，更為精密的儀器也將材料的復合度達到了更加高的水平，進一步提升了材料的質量比、性能比。所以，本文會通過對這種材料的細致分析，進一步優化改進它的工藝，展望其未來發展前景。

1 傳統快速成型制備工藝分析

其實傳統的鋁基復合材料快速成型的制備方法是依靠制造時原料的實時狀態來進行劃分的，大致分為三種實時狀態，它們分別是氣液法、固固法以及固液法3大種類，但是在這三大種類中，每一種方法增強體的產生方式都是各不相同的。除此之外，還有但是主要可以分為兩種類型，那就是內生型和外生型。內生型主要以自蔓延燃燒反應法、機械合金化制備、直接溶體氧化工藝法等方法為主。而外生型主要以粉末冶金制備、混合鹽反應法和擠壓鑄造工藝等為主。接下來我們將對這些方法進行討論，分析出對鋁基復合材料快速成型的改進方法。

2 快速成型制備工藝改進研究

2.1 微波控制煅燒溫度

內生法型的制備工藝方法雖然都可以令鋁基復合材料快速成型，但是卻有著不同，有的是通過物理燃燒來使鋁基材料達到熔點再塑形，有的是通過機械化塑形，還有的是利用化學方法改變鋁基材料的熔點，再使其發生形變，以此來進行塑形。首先，是對自蔓延燃燒反應法的改進研究。這種方法是較為早期的一種制備工藝，它剛開始是使用于高溫并且極其難熔化的特殊材質上的方法，在20世紀的時候才被用于鋁基復合材料快速成型的制備工藝上。要將原料和材質放在一處進行引燃，進行充分煅燒，當煅燒后材料達到一定熱點時會發生形變，此時可以將相應的材料進行擠壓處理，成型后再度用鎢絲進行二次引燃，使之熱度繼續燃燒至邊緣部分，直到全部煅燒完畢。就可以快速成型了。這種制備工藝雖然制造成型快速、產量很高，但是也有一定的缺點，那就是燃燒時不易把控燃燒的程度，且材料很容易發生褶皺，出現煅燒不均勻的現象，易出現廢品。可以利用微波來對煅燒的溫度進行一定的控制，在原料燒制到熔點之前，都可以進行溫度控制，這樣可以避免溫度過高或者是過低，將溫度控制在合理的范圍之內，也有利于鋁基材料產出的均勻性，相對不會出現材料薄厚不均勻的情況發生。如圖1所示：

圖1 鋁基材料微波煅燒前后變化圖

其次是對機械合金化制備的改進研究。此種方法主要通過碰撞的方法出現高溫。要先將煉制原料和粉末同時放在一起，但是此時的狀態是有一定的要求的，必須是真空狀態才可以，之后通過機械進行攪拌，在攪拌的過程中，原料、砂石和粉末會發生充分的沖擊、翻滾、碰撞，以此來達到高溫狀態，最后再進行冷熱塑性處理。這種方法其實有利有弊，他其實會使鋁復合材料相對微小，而且還會使她鍛造的較為平整，均勻。但不足的是他會使鋁基材料的表面形成無規律的污染，且他對粉末也有很高的標準，必須為細致的粉末，制造成本也會相對提高[1]。對于這樣的弊端，我們可以在原料表面覆涂一層金屬液作為隔絕效果，當制備發生碰撞時，先利用微波對溫度進行一定的控制，因為金屬液如果開始就經理高溫會失效，所以在開始的時候先進行5分鐘左右的低溫度處理，作為過度，之后再加大溫度，金屬液會形成一層薄膜，對原料起到一定的保護作用，有效的避免了鋁基材料發生污損現象的發生。也對材料的外觀進行了提升。

最后是對直接溶液氧化工藝法進行改進研究，這種方法是通過化學試劑來加速促成高溫的出現，將金屬液均勻涂蓋在材料表面，然后將材料直接暴露在空氣中，使其形成一層氧化層，并逐漸向外層繼續擴散，直至得到鋁基復合材料。此方法雖制備時間短，易于操作，但是它的形態和分布也不受限制。總的來說，內生型的制備工藝均較為簡單，但是整體不易受控制。和第一種相似，我們同樣也可以利用微波來對其進行調整，以此來達到控制溫度的效果。

2.2 半固半熔狀態下進行塑形

外生型的制備首先是對粉末冶金制備進行研究改進。它是最早應用金屬基復合材料制備的方法，擁有著“綠色制造技術”的美名。其實它是在一定的條件下，將粉末與原料按一定的比例進行混合，然后進行冷熱加工擠壓處理。這種工藝其實可以將擠壓成半固態成型的原料處理，他比完全成型的更為容易塑形。接下來是對擠壓鑄造工藝法進行改進研究，這種方法我們可以先將本體煅燒，使其溫度升高，等到材料到達標準熱點的時候，它會處于半熔狀態，這時候將顆粒放入其中[2]。在這種狀態下，經過高速度的作用，會使粉末與原來那個進行不斷融合，效果好于全熔狀態下塑形，最后待到溫度下降后便制作完成了。

2.3 機械輔助制備

接下來是對混合鹽反應法進行改進研究，它是將原料粉末與鹽混合在一起，經過高溫，里面的鹽會增加金屬粒子的熔化，使之變得均勻，之后只要等材料冷卻之后就可以了。此種方法較為簡單，而且是低成本的，但卻會造成環境污染。對于這樣的弊端，我們可以通過一些處理污染物的機械來進行輔助和改進，當煅燒結束后，我們可以對廢物進行分類，可再利用的留下，不可再利用的利用機械進行高溫燃燒處理，或者分離它的成分，使之變成可以使用的氣體，不可隨意向外排放污染環境。

總的來說，內生型的制備工藝，我們可以利用微波進行把控它的溫度，使其在均溫的狀態下進行煅燒，這樣可以使材料受熱均勻，減少廢品；需要涂金屬液可以先進行氧化覆蓋涂層，使其形成一層保護罩，這樣可以盡量隔絕材料的氧化，增加其濕潤度，保證材料的快速升溫；對于擠壓鑄造類的制備方法，其實它是有固定的模具的，可以先制備一些所需要形狀的模具，然后把達到熔點的熔液倒入模具中，使其降溫就可以制造完成了。這時我們可以用精密儀器來代替模具，既增加了穩定性，同時還減少了產品的損傷率。外生型的制備工藝，我們應該在輔助制造的方向上把控，基于主要制造方法一些輔助方法，使之可以更好地對材料進行處理。可以先將原料進行一定的熱加工。為了避免材料的形狀發生損壞，要對金屬基體進行控制，防止它發生快速的硬化。在經過這一熱處理之后，再使用基礎性制備工藝對其進行再加工，這樣一來，不僅保留了外生型工藝的穩定性，雖然制備過程會有一些繁瑣，但是保證了產出的鋁基復合材料的高質量，也是對此的一處較好的改進。

3 結語

鋁基復合材料的廣泛應用，表明它的優勢是被社會各領域所認可的，且它的使用也促進了社會各個領域的不斷進步。作為一種新型材料，它的制造過程必然是要經過不斷研究與創新的，現如今的鋁基復合材料的制造技術已經發展的極為成熟了，但是卻還是存在不足之處。是因為它的材質和結構相對較為簡單，對于過于復雜的物品制作可能會有一些困難，所以說還要繼續改進，相信在不久的將來，經過不斷的創新與研究，它的制造技術會進一步發展，制造出更加高產量、高質量的新型材料，在社會各領域中繼續發揮著不可替代的作用。