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，其中原位合成新材料技术凭借其工艺简单、生产效

2、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（模压铸造、流变铸造和混砂铸造等）；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（SHS）、放热弥散法、反应热压法、机械合金化法（MA）、化学气相渗透技术（CVI）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点。原位合成法是通过单质与单

3、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

4、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

5、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本文由.L7C3（M=Fe，Cr）]，获得良好的综合性能[12]。激光原位合成新材料所用粉末的组分及含量对原位生成的碳化物和硼化物的数量、尺寸、分布、耐腐蚀性及耐磨损性能等有着重要的影响。当粉末组分中Ti∶钒（V）∶C的摩尔比在1∶1.8∶3.36时，原位生成的TiC-VC增强Fe基熔覆层中会分布大量的树枝状TiC-VC颗

6、粒增强Fe基基体，在相同的磨损条件下，磨损体积约为普通碳钢的1/22[13]。2.铝基新型材料　　Al及其合金具有密度小、强度高、导电导热性能好、耐腐蚀性能优良以及易加工等特点，在工业、汽车、航空航天以及运输等领域得到了广泛的应用。但是铝合金属于脆硬性材料，耐摩擦性能、耐冲击性能和韧性较差，严重制约了Al合金材料的应用潜力。作为一种新兴材料，原位合成Al基合金材料与传统Al合金材料相比，具有高硬度和高耐磨性的优点，因此受到了广大研究人员的重视。激光原位合成Al基材料，也因其具有效率高、无污染、颗粒细小、组织分布均匀等优势，受到研究者的青睐[14]。　　Ni与Al经过反应可以生成金

7、属间化合物NiAl和Ni3Al，这3种金属间化合物都具有良好的耐腐蚀性、较低的磨擦系数和磨损率。激光原位合成技术加工的Ni/Al金属间化合物显微组织致密，无裂纹、气孔等缺陷，具有优异的耐腐蚀和耐磨损性能[15]。除金属间化合物外，在Al合金基体外原位合成陶瓷材料也是提高其综合性能的重要方式之一。在Al基材料表面预置Ti和SiC混合粉末，采用激光熔覆原位合成技术处理，可制备出TiC陶瓷颗粒以增强Al-Ti材料涂层，TiC颗粒与Al-Ti基体之间润湿性好、致密度高，具有优异的机械力学