基金项目：湖南省自然科学基金资助项目（2019JJ40245）；南华大学核燃料循环技术与装备湖南省协同创新中心开放基金项目
收稿日期：2020－12－03
石细桥，柏兴旺※，俞雪奇，何
鹏
（南华大学机械工程学院，湖南衡阳
421001）
摘要：B 4C 颗粒增强铝基复合材料不仅比强度高、耐磨性能优异，还兼具多种功能特性，是核工业、航空航天、汽车工业等领域中不可缺少的结构 材料和功能材料。综述了B 4C/Al 复合材料的研究现状，总结了搅拌铸造法、粉末冶金法和冷喷涂增材制造法等各种方法的优缺点，对比了不同工艺下制备的B 4C 颗粒增强铝基复合材料的硬度、拉伸强
度、屈服强度、抗压强度等力学性能方面及显微组织的表现，并展望了其发展方向。关键词：B 4C/Al 复合材料；显微组织；力学性能中图分类号：TB333
文献标志码：A
文章编号：1009－9492(2021)03－0076－03
开放科学（资源服务）标识码（OSID ）：
Study Progress on the Microstructure,Fabrication and Mechanical Properties of
B 4C/Al Composites
Shi Xiqiao ，Bai Xingwang ※，Yu Xueqi ，He Peng
（School of Mechanical Engineer,University of South China,Hengyang,Hunan 421001,China ）
Abstract:B 4C particle-reinforced aluminum-based composite materials not only have high specific strength,excellent wear resistance,but also have a variety of
functional properties,which is indispensable structural material and functional material in the nuclear
industry,aerospace,automobile industry and other fields.The research status of B 4C/Al composite materials was reviewed,the advantages and disadvantages of various methods such as stirred casting method,powder metallurgy method and cold spray additive manufacturing method were summarized,and the mechanical properties such as hardness,tensile strength,yield
strength,compressive strength and microstructure of B 4C particle reinforced aluminum matrix composites materials prepared under different processes were compared,and its development direction was prospected.
Key words:B 4C/Al composite;microstructure;mechanical properties
第50卷
第03期
Vol.50No.03
机
电工程技术
MECHANICAL &ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY
DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2021.03.015
石细桥，柏兴旺，俞雪奇，等.B4C/Al 复合材料的组织、力学性能和制备研究进展［J ］.机电工程技术，2021，50（03）：76-78.
0引言
B 4
C 颗粒增强铝基复合材料（AMC ），因其具有高比强
度、高比刚度、良好的力学性能以及出的导热性和化学稳定性[1-3]，成为航空航天、汽车工业等领域中不可缺少的结构材料和功能材料。B 4C/Al 复合材料还是一种有效的中子屏蔽
材料，例如：国外的Boral 和Metamic 品牌中子吸收材料，常在核电站中被用于制造乏核燃料的运输容器和储存桶[4]，B 4C 颗粒增强铝基复合材料具有低密度和高强度，DWA-USA 公司将B 4C/Al6061复合材料应用到燃油口盖等器件上[5-6]。
本文主要对B 4C/Al 金属基复合材料的制备方法、组织、
力学性能等方面进行了详细的综述，并讨论了B 4C 增强铝基复合材料制备方法的优缺点。1显微组织和力学性能
1.1搅拌铸造法
搅拌铸造法是将B 4C 颗粒通过机械搅拌的方式加入到熔融
铝合金液中均匀混合，是制备B 4C/Al 复合材料最常用的方法。B 4C 增强相颗粒含量（质量分数和体积分数）对B 4C/Al 复合材料的力学性能具有较大的影响。当加入适当的B 4C 颗粒时，B 4C 颗粒均匀弥散在铝基体上，B 4C/Al 复合材料的综合性能可以显著提高。其优点是制备工艺简单，成本低，可批量工业化生产。缺点是由于制备过程中温度高，增强体与基体极易发生界面反应，影响复合材料的力学性能。搅拌铸造法仅适用于制备
增强相颗粒含量（质量分数和体积分数）低的铝基复合材料，一般不超过20%，这是由于B 4C 颗粒含量的增加，熔体的浓度过高，在界面处易发生团聚现象，影响增强颗粒与基体的润湿性[7]。Ravi B 等[8-9]采用改进的搅拌铸造法研究了不同质量分数
B 4C/Al 复合材料。研究发现：B 4
C 颗粒均匀地分布在基体上，在界面结合良好的情况下，随着B 4C 质量分数的增加，复合材料的硬度
从62HV 增加到68HV ，拉伸强度从117MPa 增加到145MPa ；复合材料的显微硬度由51.3HV 提高到80.8HV ，宏观硬度由34.4BHN 提高到58.6BHN ，拉伸强度由185MPa 提高到215MPa 。Dixit 等[10]采用搅拌铸造工艺制备了质量分数0～12的B 4C/Al 复合材料，研究表明，在搅拌铸造过程中，B 4C 颗粒与铝基体均匀混合，且在铝基复合材料中无孔隙。杨氏模量、拉伸强度随着B 4C 的质量分数从0增加到6wt.%，从9wt.%下降到12wt.%。复合材料的硬度随着B 4C 质量分数的增加而增加，这是由于像碳化硼陶瓷颗粒作为硬质材料添加
到基体中会增加硬度。Baradeswaran 等[11]采用搅拌铸造工艺制备了体积分数5～20vol.%且颗粒尺寸为16～20μm 的B 4C/Al7075复合材料，研究发现，B 4C/Al7075复合材料的硬度、极限拉伸强度、抗压强度和抗弯强度随B 4C 含量的增加而增加，且显著高于基体合金的强度。随着B 4C 颗粒含量的增加，复合材料的耐磨性能提高，摩擦因数逐渐减小，在10vol.%B 4C 时摩擦因数最小，为0.32
。
·
·76
1.2粉末冶金法
粉末冶金法是制备金属基复合材料常用的固态方法之
一。粉末冶金法优势是制备颗粒增强铝基复合材料加热温度
低，极大减弱了增强颗粒与铝合金基体的界面反应[12]。能够大范围有效控制B4C颗粒含量（体积分数和质量分数），有利于避免颗粒的聚集和团聚现象，增强相均匀分布在基体上，
从而提高铝基复合材料的力学性能。其劣势是，由于粉末冶
金模具和烧结炉尺寸的限制无法制备大尺寸产品，产品内部
孔洞率高，需对制备的产品进行二次加工，因此，在工业上
应用的要求还远远达不到。
Karimzadeh等[13]采用MA和热压法制备了质量分数分别为5～15wt.%的B4C纳米颗粒增强的大块铝基复合材料。研究表明，随着B4C纳米颗粒含量的增加，材料的极限抗压强度、硬度增加，塑性降低。当B4C质量分数为15wt.%时，复合材料的极限抗压强度为485MPa，远高于纯Al（130MPa），复合材料最大硬度为164HV，明显高于纯铝（33HV）。Karabulu等[14]采用粉末冶金和热挤压法制备了质量分数为5~20wt.%的B4C/Al6061复合材料。研究表明，B4C颗粒在6061Al基体中均匀分布，与基体界面结合良好。由于B4C颗粒的润湿性差，在10wt.%的B4C试样中观察到一些团聚颗粒，以及界面的一侧观察到一些界面孔隙。随着B4C质量分数的增加，硬度增加，断裂韧性降低，当B4C质量分数为20wt.%时，复合材料具有最大的硬度。当B4C质量分数为10wt.%时，断裂韧性最大。当B4C质量分数为15wt.%时，拉伸强度和横向断裂强度最大。Gao等[15]采用粉末冶金法，制备0~15wt.%B4C p/6061Al 中子吸收复合材料。研究表明，不同增强量的B4C p/6061Al复合材料轧制后，复合材料中B4C颗粒分布均匀，基体界面未见明显裂纹或气孔，界面结合良好。B4C含量从0wt.%增加到15wt.%，复合材料的相对密度从99.7%下降到99.47%，屈服强度从31.6MPa增加到381.5MPa，硬度从133.5±2.7HV增加到168.9±2.9HV，极限拉伸强度从342.4±9.1MPa增加到451.0±7.7MPa。不同含量下力学性能如表1所示。
1.3冷喷涂增材制造
冷喷涂增材制造技术（CSAM）是一种很有前途的非热加工的固态材料沉积技术，用于生产纯金属(Cu
、Al、Ti等[16-17)、合金(316、304L、Ti64、7075Al、6061Al、A380[17-20])和复合材料[21-22]的厚镀层。与传统制造技术相比，冷喷涂增材制造的优势是沉积速率高，能够灵活制备各种各样的多功能材料和功能梯度材料[20]。冷喷涂增材制造制备的B4C/Al复合材料涂层的力学性能与温度和涂层厚度有关，随着温度的升高，复合材料涂层的孔隙率、硬度和屈服强度降低，极限拉伸强度和延伸率升高。随着涂层厚度的降低，屈服强度、极限拉伸强度和延伸率升高。
Xiong等[23]采用冷喷涂增材制造技术，成功在6061-T6圆柱形基板上沉积6mm厚的中子屏蔽B4C/Al基复合材料。研究了在200℃、300℃、400℃和500℃不同热处理条件下，独立涂层的微观结构、力学性能和中子屏蔽性能。显微组织检查表明，在基体上沉积了6mm厚的B4C/Al复合材料，没有任何明显的表面缺陷或界面脱落。随着热处理温度从200℃升高，涂层逐渐恢复了延展性，并且由于通过恢复和再结晶机制逐渐改善了板间晶界的结合，从而提高了强度。在500℃热处理的涂层表现出最大的延展性（1.4％）和强度（60MPa），最小孔隙度为1.9%。中子屏蔽结果表明，中子随厚度的增加而衰减。Tariq等[24]通过将冷喷涂制备的B4C/Al复合材料涂层在约500℃的加热炉中加热2h，然后对选取的3个试样进行单向轧制热机械处理（TMT），3个试样厚度分别降低20%、40%和60%。显微组织研究表明，随着厚度减少从20%增加到60%，复合材料的微观结构逐步细化，B4C颗粒间的距离逐渐减小，增强颗粒在基体上分布越均匀，显着改善了Al/Al板与B4C/Al界面之间的结合。喷涂后的B4C/Al复合材料表现出最大的孔隙率（3.90±0.03%），厚度减小从20%增加到60%的B4C/ Al复合材料涂层，
孔隙率从1.45±0.03%逐渐减小到0.53±0.03%。其中TMT-20、TMT-40、TMT-60分别表示厚度减小20%、40%和60%的B4C/Al基复合材料。力学性能研究表明，复合材料的YS、UTS和EL同时得到了增强。与B4C/Al复合材料涂层和传统热处理B4C/Al复合材料涂层相比，厚度减小60%TMT制备B4C/Al复合材料涂层的极限拉伸强度和延伸率最大，约132MPa和5.2%。传统热处理B4C/Al复合材料涂层相比，厚度减小20%TMT制备的B4C/Al复合材料涂层的屈服强度和极限拉伸强度增加了2倍以上，延伸率增加了3倍。不同条件下复合材料涂层的孔隙率与力学性能如表2所示。
制备方法
搅拌铸造法
粉末冶金法
B4C含量
0%、5%、10%
4%、6%、8%、
10%、12%
平价药店0%、3%、6%、
9%、12%
5%、10%、
15%、20%
0%、5%、
10%、15%
0%、5%、10%、
15%、20%
0%、5%、10%、
15%
硬度（HV0.2）
62~68
51.3~80.8
62~99.4
逐渐提高
33~164
56~70
133.5±2.7~168.9±2.9
强度/MPa
117~145
185~215
-
逐渐提高
130~485
200~190
342.4±9.1~451.0±7.7
参考文献
[8]
[10]
[11]
[13-15]
表1不同含量下力学性能
表2不同条件下涂层的表观孔隙率和力学性能
试样条件
喷涂复合
材料
200℃
300℃
400℃
500℃
喷涂复合
材料
TMT-20
TMT-40
TMT-60
孔隙率/%
3.9
3.5
2.8
1.9
1.9
3.90±0.03
1.45±0.03
0.57±0.02
0.53±0.03
硬度
（HV0.2）
58±2.8
56±2.3
42±2.6
38±1.5
35±1.3
-
-
-
-
屈服
强度/MPa
-
-
48±3
43±2
40±2
80±2
86±2锯片基体
88±2
极限拉伸
强度/MPa
如来传经38±3
44±2
56±5
58±2
60±3
37±1.2
101±0.2
123±0.4
131±0.7
延伸率
/
%
0.7
1.1
1.4
0.3±0.03
1.7±0.04
4±0.14
5.2±0.15
参考
文献
[23]
[24]
石细桥，等：B4C/Al复合材料的组织、力学性能和制备研究进展
·
·77
2021年03月机电工程技术第50卷第03期陕西电视台购物频道
2结束语
B4C/Al复合材料由于其具有良好的力学性能、热稳定性、抗腐蚀性和中子屏蔽性能越来越受到关注。但B4C颗粒在基体上分布均匀性是影响复合材料综合性能的关键性因素。然而，从以上综述的制备方法来看，每种方法都存在一定的缺陷，由于制备成本高，工艺复杂等因素，制约了大块制品和大面积防护装置的应用。因此，需将以上各种制备方法的优势加以融合来开发新的制备技术。AMC表现出改善的硬度、耐磨性、抗拉强度、压缩强度和降低的摩擦系数，并且随着增强含量的增加而进一步提高。搅拌铸造法和粉末冶金法制备B4C/Al复合材料，B4C颗粒在基体上分布均匀，且界面结合良好。随着B4C颗粒含量（质量分数和体积分数）的增加，硬度、拉伸强度、屈服强度和耐磨性提高，塑性降低。搅拌铸造法存在气孔、团聚和金属间化合物等缺点，一般制备B4C颗粒含量不超过20%，而粉
末冶金法将这些缺陷降至最低。冷喷涂增材制造制备的B4C/Al复合材料涂层的力学性能与温度和涂层厚度有关，随着温度的升高，复合材料涂层的孔隙率、硬度和屈服强度降低，极限拉伸强度和延伸率升高。随着涂层厚度的降低，屈服强度、极限拉伸强度和延伸率升高。参考文献：
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第一作者简介：石细桥（1992-），男，湖北黄石人，硕士研究生，研究领域为铝基复合材料电弧增材制造。
※通信作者简介：柏兴旺（1982-），湖南祁阳人，博士，副
教授，研究领域为金属材料制备与加工。（编辑：王智圣）·
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