近几年，随着人们在降低金属基复合材料(MMCs)(尤其是颗粒增强型MMCs)成本方面取得重大进展，探索更经济、可靠、更有生产价值的工艺成为制造颗粒增强型金属基复合材料的研究重点。已研究开发出半固态复合铸造、粉末冶金、挤压铸造、预制件浸渗、液态搅拌、离心铸造、XD工艺、自蔓延高温合成工艺、喷射共沉积工艺及反应喷射沉积工艺等工艺技术，制备了各种颗粒增强金属基复合材料。其中的反应喷射沉积工艺不仅综合了快速凝固及粉末冶金的优点，克服了传统合成技术存在的如颗粒尺寸不能太小需大于3μm、增强相易于偏聚、增强相同基体界面结合不良，在制备或高温使用过程中易发生界面反应造成性能的降低等缺点，而且还克服了喷射共沉积工艺中存在的如颗粒与基体接近机械结合、增强相体积分数不能太高(一般不高于20％Vf)等缺点，因而成为目前金属基复合材料研究的热门课题。

1 反应喷射沉积的热力学原理

反应喷射沉积工艺的基本装置图如图l，其基本反应式为^[1]

M+B[M]+C[M]→M+BC  (1)

或

AB+C→AC+B  (2)

(1)式中，M为液态金属，B、C为反应物，可以为气、液、固相，而BC为固相(增强相)。

(2)式中AB和AC可以是氧化物、氮化物、硼化物、碳化物以及各种有强化功能的金属间化合物。以反应式(1)为例，基体合金(M)含有反应组元B，另一个反应组元C可以是由喷入的亚稳颗粒带入并溶解在熔滴中(也可以其它方式加入)。平衡时的自由能变化为

2 反应喷射沉积工艺的几种类型

2.1 气—液反应

即在喷射沉积成形过程中。在雾化气体中混入一定比例或全部的反应性气体(如N₂、O₂或CH4等)通过调整雾化气体和熔融金属的成分促使第二相颗粒的原位形成。

此种气—液反应型喷射沉积的装置与基本装置图相同(图1)，只是采用含有一定反应性气体的雾化气体，不添加高活性固体颗粒。Lawley等人^[2]对氮气雾化条件下氧(不同分压)对飞行过程中(约毫秒间隔)Fe—Al熔滴可能发生的氧化过程进行了理论分析，分析模型包括五个步骤：(a)气相的质量传输；(b)气体/氧化物界面处的化学反应；(c)通过氧化膜的质量传输；(d)氧在氧化物/金属界面处的溶解和(e)金属中的传输。结论是：氧化受气相质量传输速度、熔滴表面化学反应速度或二者联合控制。这已为实验证实^[3]。根据坯件中氧含量的测定，可以确定熔滴在飞行中的氧化受表面化学反应速度的控制，坯件中的氧含量同雾化气体中的氧分量成正比。

美国California大学的E.J.Lavernia等人[4，5]采用N₂—O₂混合气体雾化喷射沉积成形Ni₃Al合金(含Y和B)形成了弥散分布的Y₂O₃和Al₂O₃颗粒，通过控制混合气体中的氧分压，可以控制氧化物颗粒的含量及其尺寸分布，如增大混合气体中的氧含量或增大铝液的分散度(即减少溶滴尺寸)，可提高熔滴的氧化程度，即增加氧化物的形成量。

J.F.Pere2等人^[6]采用N₂—O₂混合气体雾化喷射沉积成形Cu—lat％Al合金，当氧含量为8％时，原位形成了约1vo1％Al₂O₃和约2—4vo1％的CuO或Cu₂O。

彭晓东等人^[7]在氧化气氛中将铝液分散成大量的细小熔滴。使其表面氧化生成刘202膜，在沉积过程中熔滴之间相互碰撞使表层的Al₂O₃膜破碎并分散开来，最终形成了弥散分布的Al₂O₃增强铝基复合材料。

肖肖则采用喷射氧化沉积工艺制得Al/Al₂O₃颗粒增强复合材料，并对其力学性能等做了大量研究，并取得较好的效果^[8]。

2.2 液—液反应

液—液反应型喷射沉积工艺，即在雾化过程中将两种液态金属混合，反应将形成高熔点颗粒^[9]，其装置示意图见图2。

因为一般液态金属之间发生反应会放出大量的反应热，为安全起见，一般采用图2a的形式，且需在两种金属混合的同时加入冷的颗粒(调和剂)来降温，图2b的形式一般较少采用：

在液—液反应喷射沉积过程中，通过控制金属熔滴中的冷却速率和坯件中的冷却速率，有可能控制弥散相的尺寸。这一技术可用来制造含细小TiB₂颗粒的铜基复合材料^[9]。A.K.Lee利用反应

Cu[Ti]+Cu[B]→Cu+TiB₂  (5)

已成功地制备出含TiB₂8wt％的Cu基复合材料，该材料具有良好的热稳定性和适当的电导率，值得注意的是，此类反应形成化合物时将放出大量的反应热(形成TiB₂时反应热为300kJ/mol)使熔体迅速加热，使雾化喷射沉积成形过程不易控制，因此反应时需加入颗粒状冷却剂，且需注意TiB₂的浓度不大于临界浓度。

2.3 固—波反应

在金属液被雾化前(如在导液管处)或雾化锥中，喷入高活性的固体颗粒，可能会发生一些液固反应，导致喷入的颗粒在雾化过程中溶解并与基体中的一种或多种元素反应形成稳定的弥散相，控制喷雾的冷却速率以及随后坯件的冷却速率可以控制弥散相的尺寸，研究表明下列反应可能会发生^[1]

Ti+SiC→Ti[Si]+TiC  (6)

γ*[Ti]+CrxN→γ*+TiN  (7)

Cu[Al]+CuO→Cu+Al₂O₃  (8)

Fe[Ti]+Fe[C]→Fe+TiC  (9)

Fe[Ti]+Fe[B]→Fe+TiB₂  (10)

其中反应(7)γ*为奥氏体不锈钢，已由英国AEA公司实验证实，Lawley等则实现了反应(9)[3]，在Fe—5wt％Ti合金液雾化区中加入Fe—2.56wt％C(dm＜45μm)颗粒，结果表明，在Fe—C颗粒与Fe—Ti基体界面处无剩余的Fe—C颗粒而全部生成了TiC，这种完全的熔解来自Ti和C的反应，反应物的浓度取决于Ti向Fe—C颗粒扩散的程度及C向Fe—Ti基体扩散的程度，此扩散速度受喷射冷却速度(受冷Fe—C颗粒射入)的影响。

2.4 加盐反应(或自蔓延反应)生成自生复合材料后再喷射沉积

2.4.1 加盐反应

化敦Scanbianvian冶金公司申请了一种先在铝液中加入K2tTiFe及KBF6自生反应生成含有TiB₂(1μm)颗粒的自生复合材料专利^[10]，将此铸锭重熔后再喷射沉积，可获得TiB₂尺寸更小分布更均匀的自生复合材料，已采用的基体合金有：A356、2014、钢、铸铁、一些超合金及其它含Si₂0％—25％的铝合金等，另外也得到了含20％颗粒的Cu基自生复合材料。此工艺与直接向液态金属中喷入TiB₂颗粒工艺相比具有的优点为：(a)TiB₂与铝通常不润湿，直接加入很难分布均匀，反应生成的则分布相对均匀，且界面结合较好c(b)非常细小的丁iB₂颗粒很难管理。(c)采用加盐反应生成TiB₂的工艺成本为直接喷射共沉积TiB₂颗粒成本的l/2或l/3。

2.4.2 自蔓延反应

目前主要是自蔓延反应合成TiC，Ti与C之间反应要放出大量的热，如果不添加调合剂，如：铸铁、镍、钻、铜等则不易控制而引起爆炸，已有人利用反应

Fe+Ti+C→Fe+TiC

成功地合成了铁基体上嵌有TiC颗粒的自生复合材料。目前此类工艺流程为：先将TiC与C及基体合金(均以一定的颗粒尺寸)按一定的配比混合，在适当的温度点火发生自蔓延反应，生成含颗粒50％—85％的自生复合材料，然后通过研磨使其成为几mm至小于45μm的颗粒，然后再在基体合金液(如Fe液)雾化的同时向其间喷入该材料即形成含TiC重量百分数较小(约5％)、TiC分布均匀的自生复合材料。目前采用此工艺已研究过的材料有Fe—TiC、Fe—(WTiC)、Fe—(WTiC，N)、Ni—TiC\Ni—WTiC、Cu—TiC、Co—TiC、Al—TiC等，此工艺制出的颗粒体积分数最高达12％。

3 反应喷射沉积金属基复合材料的性能及应用现状

反应喷射沉积工艺制备金属基复合材料是一个崭新的课题，有关此类材料的性能及应用的报道还不多，这里仅举几例以供参考。

英国AEA公司通过在氮气雾化喷射沉积成形中向含Ti的316L和304不锈钢熔滴中喷入CrxN颗粒，在坯件中可形成直径约20nm的细小TiN弥散相^[11]，结果使材料的力学性能获得了大幅度提高(见表1^[10]、表2^[11])。另外，比摩擦速率研究结果表明：含TiN/N雾化喷射沉积成形不锈钢优于普通含2wt％Ti的321不锈钢，随载荷和速度不同，反应雾化喷射沉积成形合成的材料可减少比摩擦约一个数量级；反应喷射沉积合成Al—20vol％TiB₂同粉末冶金方法混合获得的含类似体积分数TiB₂的材料比较，屈服强度和抗拉强度分别为235MPa、334MPa和121MPa、166MPa^[12]，提高的幅度将近一倍。反应合成的Ni₃Al—20vol％TiB₂的屈服强度几乎是基体的两倍，而且可以保持到1000℃^[13]。另外，伦敦Scandinacian冶金公司采用加盐反应生成自生复合材料，再喷射沉积的工艺得到的材料可改善铝合金的耐磨性，并减小与钢元件的摩擦系数^[10]。重要的是它在钢元件表面的摩损远远小于传统的带有棱角的SiCp增强复合材料与钢摩擦时的摩损，而采用自蔓延反应合成TiC等自生复合材料再将其研磨后喷入熔融基体合金液工艺所得到的低碳钢中加入5％Fe—(WTiC)材料的耐磨性显著增加^[10]，另一成功的例子为：在高锰铸造合金中加入5wt％的Fe—TiC而获得的材料，应用于矿山粉碎机中某元件可使其寿命从2周提高到12周或更长。

4 尚待解决的问题及今后发展方向

综上所述，获得均匀弥散析出的增强颗粒是获得高性能复合材料的关键之一。讫今为止，一些反应喷射沉积成形技术还存在难以解决的困难。如(1)气—液反应主要在熔滴的外表面进行，结果造成增强相主要聚集分布在晶界区，强化效果并不理想^[6]；(2)液—液反应往往过于激烈，难以控制，难获得广泛的应用；(3)固—液反应中的固体颗粒选择范围十分有限。因此笔者认为今后发展的方向如下。

(1)大力开发低成本加盐反应生成自生复合材料、再喷射沉积这一工艺。目前加盐反应类型还较单一，可通过物理化学、热力学及动力学的分析探讨开发新型加盐反应的可行性。

(2)从热力学和动力学角度分析选择适当的化学成分，采用各种非平衡技术制取所需的高活性固体颗粒(如快速凝固粉末或机械合金化粉末等)，以相应低成本的工艺来制备固—液反应所需的高活性固体颗粒，进而获得固—液反应喷射沉积自生复合材料。

(3)通过自蔓延反应可生成多种颗粒，应加强不同颗粒加入不同基体所获得材料的力学性能及其它性能的研究。另外，研磨这一环节提高了制做成本，是否可以其它工序取而代之?

(4)加强应用开发，目前反应喷射沉积所制得的自生复合材料一般具有高的耐磨性，其它性能（消音、减振、导电、导热、导磁、热膨胀性等）是否尚佳？可否有其它用途（关键要做成具体零件）？

(5)从优化工艺参数来控制沉积坯组织的角度，加大反应喷射沉积制备金属基复合材料研究力度。