1. 引言
镍基复合材料是极具应用价值的复合材料，在航空航天、军工等领域有非常广泛的应用前景。复合材料主要由基体和增强体组成，增强体包括纤维、晶须、颗粒等。以纤维、晶须等作为镍基材料的增强体，会导致材料出现各向异性，材料制备过程相对复杂、成本高、综合力学性能差等问题。而以颗粒作为增强体便可以克服这些不足。根据颗粒增强体来源的不同，分为内生型和外生型两大类。外生型中的增强体是从基体外直接加入，增强体表面被污染，导致机体界面不干净，影响界面结合了；而内生型颗粒增强镍基复合材料的增强体是通过化学反应在基体中生成的，颗粒表面干净，无污染，界面结合强度高。本文主要就颗粒增强镍基复合材料制备工艺部分进行综述。
2. 常见的制备工艺
2.1. 电沉积电铸法
金属电沉积是在电流作用下，液相中的金属离子在阴极还原并沉积为金属的过程。金属电沉积可以在水溶液、有机溶液或熔融盐中进行，在工业生产中有着非常广泛的应用，主要有电冶金、电精炼、电铸和电镀等。复合电铸技术是在现有金属材料不能完全满足工业发展需要而开发出来的一种新技术。该技术基于电沉积原理，在原有电铸液中加入一种或多种非溶性固体颗粒，在沉积过程中，使颗粒与金属离子共同沉积，进而得到的复合电铸层的工艺。随着零件工作条件的日趋恶劣，对其高温耐磨性能要求不断提高 [1] 。
主要工作为 [2] 。1) 优化工艺参数。在确定电铸液配方后，利用改变工艺参数条件的方法，对各试样的表面粗糙度、复合材料晶粒的大小与致密程度等进行检测。2) 检测所得复合电铸层。通过对正交试验所制备的复合电铸层进行检测，确定各影响因子对复合电铸层的影响，并分析各复合电铸层的微观形貌、表层硬度、表面粗糙度和耐腐蚀等性能参数，从而制备出基质细密的复合电铸层。3) 电火花电极试验。取正交试验所得电极试样，在较高电极损耗规准下进行电火花试验加工，对电极损耗进行分析比较，得出最佳的试验工艺参数。
超声波辅助脉冲电沉积方法可用来制备镍基纳米复合材料，得到的镍基纳米复合材料表面较平整、组织较密实，显微硬度较高且抗高温氧化性较优 [3] - [6] 。邓姝皓 [7] 等以复合羧酸为配位剂，在含三价铬离子的水溶液中，电沉积制备了Fe-Ni-Cr合金箔。TiB2颗粒增强的，以Ni3Al为介质层化合物的镍基复合功能梯度材料可用电场激活压力辅助合成工艺制备 [8] 。
Srivastava，M.等人用一种自行研制的弧形50千瓦直流锅式延伸，使用石墨电极的热等离子体反应器，制备了莫来石 [9] 。利用搅拌，超声波，温度梯度等手段，可以改善微细电沉积中离子的传质过程，从而解决微细沉积层均匀性和致密度不高等问题。目前，复合电沉积工艺已成为制备颗粒增强金属基复合材料的新途径。纳米颗粒增强镍基复合材料因具有优异的耐磨损、耐高温、耐腐蚀性能，已成为纳米复合电刷镀技术的主攻方向 [10] ，并广泛的用作保护镀层 [11] 。沉积镍基自润滑复合材料因其在干摩擦条件下具有的优异的摩擦性能，在一些机械设备中扮演着重要的角色，包括石墨结构材料、MoS2和WS2、碳纳米管、高分子聚合物、稀土化合物、金属氧化物等 [12] 。
电沉积电铸法只能制备薄层材料，制备效率比较低，且积层均匀性难以控制。改进措施应既提高制备效率的同时，又要保证低能耗下的积层均匀性良好。
2.2. 激光表面原位熔覆技术
激光表面熔覆也叫激光涂覆或激光包覆，是材料表面改性的一种重要方法，是快速凝固过程，通过在基材表面添加熔覆材料，利用高能量密度激光束将不同成分和性能的合金与基材表层快速熔化，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层。激光熔覆层因具有良好的结合强度和高硬度，有效提高金属材料表面耐磨性能，在工程领域得到广泛应用 [13] 。激光熔覆原理，如图1所示。与传统的喷涂工艺相比，其熔覆层质量和使用性能更优异，不受表面形貌的限制，处理后的组织均匀，热影响区较小，不影响基体的组织和性能，也不易产生变形 [14] - [17] 。
技术的特点为，冷却速度快；热输入和畸变较小，涂层稀释率低(一般小于5%)，与基体呈冶金结合；能进行选区熔覆，材料消耗少，具有卓越的性能价格比；光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆等。
周思华等 [18] ，Chao，M.J. [19] 等与张现虎 [20] 等通过激光熔覆技术，在低碳钢钢表面原位生成镍基熔覆层，结果表明采用合适的工艺参数，通过原位生成镍基涂层形貌良好，与基材呈现较好的冶金结合，熔覆层的结合性能和摩擦性能更优 [21] ，杨晓红等 [22] 通过实验发现Ni基合金作为一种涂层粉末，本身具有良好的耐蚀性。Liu，X.B. [23] 等用激熔覆技术制造镍铬/Cr3C2复合-WS2，氟化钙混合粉末高温自润滑。通过在镍合金基体上进行涂层实验，对激光熔覆、高速氧燃料(HVOF)喷涂和等离子喷涂技术进行工艺比较研究。结果表明：相对于其他2种涂覆工艺，激光熔覆沉积层最为致密、无裂纹，硬度、耐磨性最高 [24] 。
激光熔覆仍然存在缺陷：成型零件精度较低 [25] ，涂层容易产生裂纹 [26] ，且由于重复熔覆使得微裂纹被放大，严重破坏熔覆层的整体性 [27] 。且目前关于颗粒镍合金基体间界面特性对增强机理和熔覆层性能的影响等理论研究较少，关于颗粒的形状、大小和分布状态对镍基合金复合熔覆层性能的影响，关于多种颗粒协同增强机理的研究较少。
Figure 1. Schematic diagram of laser cladding
图1. 激光熔覆原理图
2.3. 热压烧结合成工艺
热压烧结是将干燥粉料充填入模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成型和烧结同时完成的一种烧结方法。热压烧结由于加热加压同时进行，粉料处于热塑性状态，有助于颗粒的接触扩散、流动传质过程的进行，因而成型压力仅为冷压的1/10；还能降低烧结温度，缩短烧结时间，从而抵制晶粒长大，得到晶粒细小、致密度高和机械、电学性能良好的产品。
Baca，L. [28] 等，Wang，L.M. [29] ，Zoua，B. [30] 等将TiB2粉末，Ti粉，Ni粉等研磨，在真空常规热压中烧结，得到了TiB2/镍基复合金属陶瓷。Ni和Ti的添加能显著提高复合材料的强度和韧性。利用热压烧结法制备的Ni3Al-BaF2-CaF2-Ag-Mo自润滑复合材料有良好的摩擦学性能 [31] 。采用真空热压烧结方法制备Al2O3/Ti(C,N)-Ni-Ti陶瓷基复合材料，当烧结温度为1600℃、保温时间为30 min时，制备的Al2O3/Ti(C,N)-Ni-Ti陶瓷复合材料的力学性能最佳 [32] 。把Ni粉和质量分数为0.1%的Ti和Cu用金属模具单轴压制还可以用来制造基体 [33] 。于秀平 [34] 将压下的基体在1223K温度和氢气氛围内加热两小时，制得了镍基多孔金属基体。
热压烧结因其反应氛围为高温高压，对反应仪器要求较高。国内因起步较晚，在基础理论研究，应用水平，和设备设计制造水平等方面与发达国家相比仍然存在不小差距。所以，首要的是改进实验设备，完善设备功能与辅助系统的配套设施，提高设备可靠性和降低能耗。
2.4. 自蔓延高温合成
将反应物放在真空的或者充有一定气体(N2、H2、Ar2等)的反应容器里燃烧，然后将燃烧产物进行粉碎、研磨，得到不同规格粉末的技术。流程为：原料准备→压坯成型→预热→点火引燃→自蔓延高温合成→机械破碎→产品性能测试。自蔓延高温合成技术装置，如图2所示。自蔓延高温合成(SHS)是一种利用反应物之间产生的高的反应热，并在很短时间内合成材料的新技术。SHS 技术作为一种制备和合成材料的高新技术，有高效、节能、经济和所得材料性能优良等特点 [35] 。
Figure 2. Schematic diagram of self-propagating high-temperature synthesis
图2. 自蔓延高温合成技术装置示意图
梁宝岩 [36] 等，王艳芝 [37] 等采用自蔓延高温烧结技术，以Ti，石墨，金刚石粉体等为原料，制备了金刚石复合材料。Yang，Y.F. [38] [39] 等与Shokati，A.A. [40] 等通过自蔓延高温合成在空气中合成Ni基复合物。结果表明，在空气中制备的复合材料所具有的硬度，弯曲强度和断裂韧性可以与真空中制备的复合物相比，合成的复合粉末可以被当作良好的前体热喷涂应用。
因反应物一旦被引燃，反应迅速发生，无法再干预反应过程，反应可控制性差。反应中无法避免气体溢出，导致材料内部存在大量孔隙。应着重改进设备排气能力，控制SHS技术材料的孔隙度过高的问题。
3. 展望
颗粒增强镍基复合材料具有优异的综合力学性能和耐腐蚀性能，且制备工艺简单，能在机械设备核心部位服役，有良好的应用前景。但目前的各种制备工艺仍然存在增强体颗粒与基体结合状况差，增强机理不明确，实验复现性不佳，材料制备成本高，制备成功率低等问题。
颗粒增强镍基复合材料应重点研究三个方面：
1) 增强体的选择对其与镍基的界面连接有很大影响，选择与基体性质差异小的增强体进行实验，提高界面性能。
2) 实现多种材料制备和加工技术的紧密结合。将热压烧结技术，自蔓延高温合成技术，电沉积电铸法和表面原位熔覆技术优势结合起来，制备高强度、抗蠕变、抗疲劳、耐腐蚀、耐磨等性能优越的颗粒增强镍基复合材料。
3) 将材料制备与改善性能合二为一进行研究，并借助计算机模拟与可视化表征的方法建立模型，利用Laguerre图构造算法、Monto-Carlo方法及Laguerre窗口技术构造金属基复合材料微结构 [41] ，提高分析效率。
基金项目
2015年立项本科生国家级科研训练项目(编号201510288075)。