激光原位合成新材料研究进展

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1、激光原位合成新材料研究进展　　工业化的大规模发展，对材料的综合性能要求越来越高，特别是在航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统等领域，传统的单一材料越来越不能满足各领域对材料功能的需求。因此，拥有高比强度、高比模量、良好的导热和导电性、耐磨性、高温性能、低的热膨胀系数、高的尺寸稳定性等优异综合性能的新材料受到广大研究人员的重视。20世纪80年代初，日本丰田汽车首次采用在铝基材料中添加陶瓷纤维的方式制备了发动机活塞并获得了成功。之后，这一新材料的制作方法得到了迅速发展。20世纪80年代末出现了一系列新的材料制备技术，其中原位合

2、成新材料技术凭借其工艺简单、生产效率高、产品成本低等优点成为当今新材料领域的研究热点。　　新材料制备既可以通过在基体内机械混合增强相颗粒法来实现，即外加颗粒法，包括粉末冶金法、喷射成型法和各种铸造技术；也可以通过在基体内原位合成来实现，包括自蔓延高温合成法、放热弥散法、反应热压法、机械合金化法、化学气相渗透技术等[1]实现。其中，外加颗粒法是通过外加增强体颗粒的形式实现，将预先准备好的合金或者非合金颗粒加入处于粉末状态或熔融状态的基体材料中，但这种方法制作的复合材料表现出了增强相颗粒尺寸粗大、热力学不稳定、界面结合强度低等缺

3、点。原位合成法是通过单质与单质之间、单质与化合物之间或者化合物与化合物之间的化学反应直接生产理想的增强相颗粒。与传统合成材料制作工艺相比，原位合成技术所制作的合成材料中增强相颗粒与基体之间没有明显的边界效应，而且成分纯净无其他杂质产生，因此增强体颗粒与基体之间的组织相容性好，不会产生传统制作方式中所出现的应力集中现象。由于原位合成新材料中生成的增强相具有力学性能优异、稳定性高、耐高温等特点，使得合成材料强度高、摩擦性能好、机械性能优良[2，3]，避免了界面处发生裂纹扩展现象。随着原位自生材料的迅速发展，许多研究者将原位合成技

4、术与激光技术相结合，取得了显著的成果[4]。　　一、激光原位合成新材料技术　　原位合成技术的基本理念是：采用物理化学方法而不是传统的机械加入的思想制作基体的增强相颗粒，即向基体内加入增强相的原始反应物而不是增强相本身，通过加入原始物之间或者原始物与基体之间的物化反应来直接获取增强相颗粒。产生的陶瓷或金属间化合物增强相在金属基体内部原位成核、长大，均匀分布在基体内部对基体起到强化作用。传统制备金属基材料的方法是通过在熔融金属基体或者金属粉末内部采用机械混合的方式直接添加增强相颗粒，这种人为的外加颗粒的方法不仅会造成增强相颗粒表

5、面的污染，而且多数情况下增强相颗粒和基体直接的润湿性非常差，导致基体内部出现边界应力集中现象，大大降低了合成材料的强度。而原位合成材料中的增强相颗粒是在基体内部经过物理化学反应生产的，这不仅避免了基体材料与增强相颗粒表面的污染，也不会造成基体与颗粒之间润湿性差的问题，从而可以获得良好的结合效果。　　增强相的颗粒大小和分布可以通过改变原始物的添加比例来控制，因而可控性比较高，另外由于增强相颗粒是在基体联盟内部直接生成的，省去了增强相颗粒的制备和处理过程，提高了生产效率。20世纪80年代中期，美国的Lanxide公司和Drexe

6、l大学采用原位合成技术分别成功的制备了三氧化二铝/铝和碳化钛/Al材料，获得了成熟的制备工艺[5]，引起了广大学者的高度关注，开始对原位合成新材料技术进行深入研究。　　原位合成新材料增强相具有弥散分布特征，并与基体间有良好的浸润性能和界面结合性能[6，7]。激光具有功率密度高、清洁无污染等特点，近年来人们将原位合成技术与激光技术有机地结合起来，从而发展出激光原位合成新材料技术。激光原位合成的新材料具有界面干净、组织细小致密等优异的性能和特征，增强相与基体之间的界面干净无杂质析出，直接以原子之间结合的方式连接在一起，合成材料的

7、力学性能和热稳定性能与外加颗粒法相比具有明显的优势[8]。在H13钢表面应用激光原位合成新材料技术制备出TiC颗粒增强镍基材料，该材料与基体呈良好的冶金结合，新材料中无裂纹、气孔等缺陷。新材料显微硬度明显高于基体的显微硬度，显著提高了H13钢的耐磨性能[9]。　　激光原位合成新材料技术应用广泛，该技术包括激光熔覆原位合成涂层技术、激光选区熔化原位合成新材料技术等。　　激光熔覆原位合成涂层技术首先将熔覆材料按照预定要求混合均匀，然后利用高能密度的激光束在基底材料表面对混合均匀的熔覆粉末进行照射，在较高温度下原位形成相互熔合、具

8、有不同成分与性能的熔覆层新材料。值得一提的是，该熔覆材料不是现成的陶瓷颗粒或者金属间化合物颗粒，而是其对应的原始反应物，比如在Al基体粉末中按照一定的比例混合加入Ti和C粉末并充分混合均匀。采用激光选区熔化技术可以原位合成形状复杂、组织细密、综合性能优异的新型材料产品。　　激光选区熔化原位