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1、钨铜复合材料的应用与研究现状（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）维普资讯 :/ cqvip 第 期 范 景 莲 ， ： 铜 复 合 材 料 的应 用 与研 究 现 状 等 钨 为 了提高 常规粉 末冶 金方 法制取 的钨 铜复 合材 料 的致 密度 ， 以提高 材料 的性 能 ， 可对 熔渗 法制 得 的 钨 铜材料 进行 热等 静 压处 理 。研 究结 果 表 明 ， 热 等静压 可 明显提 高钨 铜材料 的 密度和 相应性 能 。如 对含 铜大 于 （ 质量分 数 ， 同） 下 的钨 铜材 料 进 行 参考 文献 ： 吕大 铭 空 开关 和 电 子 器 件
2、用 钨 铜 材 料 粉 末 冶 金 真 工 业 ， ， ： （） 于 散 热 片 和 电 接 触 器 的 钨 铜 材 料 中 用 国钨 业 ， （ ： ， ） 热 等静压 处理后 ， 相对 密度 从 提 高 到 其 以上 ； 铜 的钨铜材 料 的密度 则从 左 含 右 提高到 左 右 。而密 度 的提 高 则 可 大 大 改善 钨 铜复合 材料 组织 和 性 能 的 均一 性 ， 使 其 硬 度提 如 高 以上 ， 电率 提 高 。同 时 ， 等静 压 技 导 热 术可 将 同一组 成 的钨 铜 扩散 焊 接 成 大 的制 件 ， 将 或 李 云 平 ， ） 合 材 料 的 最 新 研 究 状
3、 况 等 （ 复 硬 质 合 金 ， （ ） ， ： 吕大 铭 国 钨 铜 、 银 材 料 的 应 用 与 发 展 中 国 钨 我 钨 业 ， （ ： ， ） 周 武 平 ， 铜 材 料 应 用 和 生 产 的 发 展 现 状 粉 末 等 钨 冶 金 材 料 科 学 与 工 程 ， （ ） ， ： 吕 大 铭 铜 复 合 材 料 研 究 的 新 进 展 中 国 钨 业 ， 钨 （ ： ， ） 不 同组成 的钨 铜材 料做 成梯度 材料 和将 钨铜材 料 与 铜 或铜合 金结 合 成需要 的钨 铜复合 材料 等 。 钨铜 复合材 料的 变形 加工 于 散 热 片 和 电 接 触 器 的 钨 铜
4、复 合 材 料 用 中 国 钨业 ， （ ： ， ） 姜 国 圣 ， 等 高钨 钨 一 复 合 材 料 的 研 究 现 状 粉 末 冶 铜 金 材 料科 学 与 工 程 ， ： ， （） 钨 铜复合 材 料 的塑 性较 低 ， 变形加工 较 为 困难 ， 过 去 国 内外对 这 方 面 的研 究 较 少 ， 近 年来 在 这 方 但 面的工 作 有 所 突 破 。 等通 过冷 轧 对 熔 渗 好 的 和 进行 冷轧 加 工 ， 、 每 道 次压缩 变形 量 ， 总变形量 ， 当变形 陶 应 启 ， 铜 复 合 材 料 的 制 备 工 艺 粉 末 冶 金 技 等 钨 术 ， （ ） ， ： ，
5、， （ ， ）： 量 为 时进行 中间退火 ， 究 了变 形 程度 对材 料 研 性 能和 组织 的影 响 。研 究 结 果 表 明 ， 随着 变 形 程 度 加大 ， 料 的硬 度和强 度 提高 ； 变 形量 为 时 ， 材 在 仅使材 料 中铜 相 发 生 变 形 ， 到 变形 时 ， 料 直 材 中钨颗 粒 开 始 沿 轧 制 方 向伸 长 ， 形 才 比较 均 匀 。 变 用挤 压烧 结 圆坯 或 将 烧 结 坯 热 压 到 致 密 状 态 后 挤 压 ， 经冷 锻和 热锻 可 以得 到棒材 ； 再 而用冷 压 密度 为 ， （ ）： ， ， ， ， （ ） ， ： ， ： ， ， （
6、 ） 的烧 结板 坯 压缩变形 可 制 成薄 板 ； 冷 压 用 烧结 制 备方坯 ， 采 用 冷 锻 、 拔 可 以制 成 丝 材 ， 再 冷 每 次加工 中间要 进 行适 当 的退火 。用这 种方法 制备 的 材 料具 有 完全致 密 的组 织 和优 异 的机械 强 度 性 能 ， 可应用 于许 多领 域 。 ， ， ， （ ） ： 展 望 随着 科 学 技 术 的发 展 ， 铜 复合 材 料 的各 种优 钨 越性 能正 引起 越来 越 多 的专 家 和行 业 的重 视 ， 论 无 ， ， ： ， （ ） ， 在 电气工 业 、 电子工 业领 域 ， 微 还是在 其他许 多领 域 都 将具
7、有 广 泛 的应 用 前景 。特 别是 近年来 纳米 技术 的飞速 发 展 ， 钨铜 材 料在 电性 能 、 学性 能和可 加工 力 ， ， ： ， 性 等 方面 有 了更 大 的优越 性 ， 使其 在未来 国防军工 、 航 天航 空 和 电子 工 业 等 领 域 具有 更 大 的应用 潜 力 。 新 型钨铜 材 料特别 是 纳米 结 构 钨 铜 材料 的研 究 ， 将 是 世 纪材 料科 学 的热 门研究 之 一 。 ， ， ： 范景莲 ，等 晶钨铜复合材料制 备工艺的研究 粉 细 （ 转第 页 ） 下 维普资讯 :/ cqvip 第 期 吴 晓华 ， ： 制 电路 板 孔 金 属 化 相
8、关 研 究 等 印 还 原得 到纯 度为 的海 绵 钯 ， 的 回收 率 达 到 。 将王 水直 接加 入废 胶 体钯 中进 行 氧 化 破胶 。当废胶 体钯 的 浓 度 为 ， 反 应温 度为 。 王 水用 量 比为 ， 时 ， 经提 纯 可 郑 雅 杰 ， 制 电 路 版 孔 金 属 化 及 其 工 艺 改 进 途 径 等 印 材 料 导 报 ， （ ） ， ： ： ， 得 到海绵 钯 ， 但 的 回收率仅 为 ， 。 （） 电泳 实验表 明 ， 加剂香 草醛 对盐 基胶 体钯 添 ， ： ， 的 电位值 影 响有 以下 规律 ： 在添 加 剂 浓 度 不 大 的 情 况下 ， 它增 大
9、了盐基胶 体钯 的 电位值 ， 胶 体稳 使 定 性提 高 ； 随着添 加剂浓 度 的增大 ， 反而减 小 了盐 它 沈 钟 ， 体 与 表 面 化 学 京 ： 学 工 业 出 版 等 胶 北 化 社 ， 基 胶体 钯 的 电位 值 ， 胶体 稳 定 性 降低 。但 是 添 使 加剂 对 盐基 胶 体钯 的 电位 值 影 响 不 大 ， ： 因此 不能 起 到提高胶 体稳定 性 的作用 。 （ ） 添加 了不 同染 料 的镀 液 进 行 均镀 和深 镀 对 能 力测定 ， 果表明 ， 结 最佳 的添 加剂染 料是 亚 甲基蓝 和 罗 丹 明 ， 均 镀 能 力 分 别 为 ，和 其 深 镀能
10、力分别 为 和 。即添加 了这两 ， 刘 铭 笏 ， 失 效 的 等 用 催 化 剂 生 产 氯 化 钯 稀 有 金 属材 料 与 工 程 ， （ ） ， ： 刘 春 奇 ， 从 废 钯 催 化 剂 中 回 收 钯 有 色 矿 冶 ， 等 ， ： （ ） 刘 建 国 ， 微 电 子 元 件 废 料 中 回 收 钯 、 中 国 资 等 从 银 源 综 合 利 用 ， （ ： ， ） 舒 余 德 ， 等 电镀 添 加 剂 作 用 机 理 的 发 展 概 况 电 镀 与环 保 ， （） ， ： 种 染料镀 液 的分散 能力 和覆 盖能力 均较 好 。使 用这 两种镀 液 ， 以使 镀件 的深 凹部位
11、 或 内孔镀 上镀层 ， 可 且金 属镀件 的镀 层 均 匀分 布 ， 有 整平 光 亮 的较 佳 具 效果 。 参 考文献 ： 韩 金 洁 ， 印 刷 线 路 板 的 回 收 利 用 城 市 环 境 与 等 废 鸿 ， 制 电 路技 术 北 京 ： 学 工 业 出 版 社 ， 等 印 化 葵 英 面 与 胶 体 的 物 理 化 学 尔 滨 ： 尔 滨 李 界 哈 哈 工 业 大 学 出版 社 ， 卢 宜 源 ， 贵 金 属 沙 ： 南 工 业 大 学 出 版 社 ， 等 长 中 周 祖 康 ， 体 化 学 基 础 北 京 ： 京 大 学 出 版 等 胶 北 社 ， 李 鸿 年 ， 用 电 镀
12、 工 艺 京 ： 防 工 业 出 版 等 实 北 国 社 ， 城 市 生 态 ， （） ， ： 沈 慕 昭 化 学 基 本 原 理 及 其 应 用 京 ： 京 师 电 北 北 范大 学 出 版 社 ， （ 上接 第 页 ） 末冶 金技 术 ， （） ， ： ， ， ， ） ，（ ： 唐 安 清 ， 铜 材 料 和 紫 铜 及 铬 青 铜 的热 等 静 压 扩 散 等 钨 连 接 粉 末 冶 金技 术 ， （ ） ， ； ， ， ， （ ） ： ， ： ， （） 黄 伯 云 ， 米 钨 合 金 材 料 的 研 究 与 应 用 中 国 钨 等 纳 业 ， （ ， ）： 风 仪 ， 纤维强化金属基复
13、合材料 及应 用 机械 等 工 程 材 料 ， （ ） ， ： 第34卷第2期V o l .34N o .2材料科学与工程学报J o u r n a l o f M a t e r i a l s S c i e n c e &E n g i n e e r i n g 总第160期A pr .2021文章编号:1673-2812(202102-0338-08喷射共沉积颗粒增强金属基复合材料的研究现状与进展贺毅强,周海生,李俊杰,冯立超(淮海工学院机械工程学院,江苏连云港222005【摘要】作为一种综合了铸造与粉末冶金优点制备近成形颗粒增强金属基复合材料的方法,喷射共沉积技术及其应用受到了广泛
14、的关注。本文综述了喷射沉积颗粒增强金属基复合材料的发展现状;介绍了喷射共沉积技术的原理;讨论了喷射共沉积过程中金属液体对增强相的捕获机理和凝固前沿对颗粒的捕获问题;介绍了喷射沉积颗粒增强金属基复合材料的装置及工艺参数的控制;着重介绍了喷射沉积材料的组织性能及致密化工艺,提出通过旋球同步预致密后再分别进行往复镦-挤和等径角挤压实现沉积坯的大塑性变形达到完全致密与冶金结合;指出了喷射沉积金属基复合材料将向组织均匀化、韧性化、完全致密化方向发展。【关键词】喷射共沉积;金属基复合材料;增强颗粒;致密化中图分类号:TB 331文献标识码:A D O I :10.14136/jD e p o s i t
15、e d M e t a l M a t r i x C o m po s i t e R e i n f o r c e d w i t h P a r t i c l e H E Y i -q i a n g ,Z H O U H a i -s h e n g ,L I J u n -ji e ,F E N G L i -c h a o (C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,H u a i h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,L i a n y
16、u n g a n g 222005,C h i n a 【A b s t r a c t 】S p r a y d e p o s i t i o n t e c h n i q u e a n d i t s a p p l i c a t i o n h a v e a t t r a c t e d e x t e n s i v e i n t e r e s t i n r e c e n t y e a r s a s a p r o c e s s i n g m e t h o d o f p a r t i c l e r e i n f o r c e d m e t a
17、 l m a t r i x c o m p o s i t e c o m b i n e d w i t h t h e a d v a n t a g e s o f c a s t i n g a n d p o w d e r m e t a l l u r g y .S t a t u s a n d d e v e l o p m e n t o f t h e s p r a y d e p o s i t e d m e t a l m a t r i x c o m p o s i t e r e i n f o r c e d w i t h p a r t i c l
18、e a r e s u m m a r i z e d ;R e i n f o r c e d p a r t i c l e c a p t u r e d b y m e t a l l i q u i d a n d f r o n t o f s o l i d i f i c a t i o n a r e d i s c u s s e d ;D e v i c e s a n d p r o c e s s p a r a m e t e r s o f t h e s p r a y d e p o s i t e d m e t a l m a t r i x c o m
19、p o s i t e r e i n f o r c e d w i t h p a r t i c l e a r e i n t r o d u c e d ;M i c r o s t r u c t u r e a n d p e r f o r m a n c e a s w e l l a s d e n s i f i c a t i o n t e c h n o l o g i e s o f t h e s p r a y d e p o s i t e d a r e b r i e f l y s u m m a r i z e d ;R o t a r y b a
20、l l s y n c h r o n o u s d e n s i f i c a t i o n c o m b i n e d w i t h R e p e t i t i v e U p s e t t i n g a n d E x t r u s i o n a n d m u l t i -p a s s E q u a l C h a n n e l A n g u l a r P r e s s i n g c a n b e e m p l o y e d t o o b t a i n f u l l m e t a l l u r g i c a l b o n d
21、 i n g b e t w e e n d e p o s i t e d p a r t ic l e s ;D e v e l o p m e n t t r e nd s o f me t a l m a t r i x c o m p o s i t e b y s p r a y d e p o s i t i o n i s i n v e n t e d t o t h e d i r e c t i o n of m i c r o s t r u c t u r e w i t h u n i f o r m m i c r o s t r u c t u r e ,e x
22、 c e l l e n t t o u gh n e s s a n d f u l l d e n s i f i c a t i o n .【K e y w o r d s 】s p r a y d e p o s i t i o n ;m e t a l m a t r i x c o m p o s i t e ;p a r t i c l e r e i n f o r c e d ;d e n s i f i c a t i o n 收稿日期:2021-01-29;修订日期:2021-04-28基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(B K 20211250;江苏省高校自然科学研究
23、面上资助项目(14K J B 430005;国家自然科学基金资助项目(51004050;江苏高校优势学科建设工程资助项目;连云港市科技计划项目(C G 1418,C X Y 1404;江苏高校品牌专业建设工程项目;2021年度江苏“青蓝工程”人才资助项目作者简介:贺毅强,副教授,博士,研究方向为喷射沉积金属基复合材料。E -m a i l :a n t 210126.c o m 。通讯作者:周海生,硕士,研究方向为喷射沉积铝基复合材料。E -m a i l :z h o u s h 91126.c o m 。1引言金属基复合材料具有优良的强度、刚度、耐磨性、低密度、可控膨胀性等优点而受到世界工
24、业发达国家的极大重视,在汽车、电子、高速列车、航空航天、国防军工等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景,在世界范围内得到了广泛的研发1-2。颗粒增强金属基复合材料是近年来高技术新材料研究开发的一个重要领域和发展方向。增强颗粒的加入使复合材料的有效载荷增加,提高复合材料的力学性能,增强颗粒主要有S i C、T i C、A l2O3。目前制备颗粒增强金属基复合材料的方法主要有铸造法、粉末冶金法、喷射沉积法等。铸造法由于制备温度高,易发生界面反应,造成金属液体氧化、吸入气体及增强颗粒偏析等缺陷。粉末冶金工艺可以实现增强相颗粒体积分数根据需要随意调整,基体合金组织微细,材料性能优异,界面反应不严
25、重,但粉末制取和储运过程中容易氧化,成形工艺复杂,生产效率较低,技术难度大,成本高。喷射沉积工艺综合了粉末冶金和铸造冶金的特点,由于快速凝固特性可以细化基体合金的晶粒尺寸,避免宏观偏析,且惰性气体保护环境下可以降低合金的氧化污染,沉积时凝固时间很短,可以提高增强相颗粒在基体中的分布均匀性,降低界面反应发生的概率,提高了界面结合强度,因此喷射成形作为一种高效的材料快速凝固成形工艺在颗粒增强金属基复合材料制备领域具有广阔的应用前景和发展前途3。喷射沉积最早的概念和原理是由英国S w a n s e a 大学的A.S i n g e r教授于1968年提出来的。1970年首次公开报导4。当时S i
26、n g e r等人把熔融金属离心雾化,雾化液粒喷在一个旋转的沉积载体上,形成沉积坯料,并直接轧制得到坯料。这种方法存在的主要问题是带坯的厚度不均匀。1974年R.B r o o k s等人成功地将S i n g e r喷射沉积原理应用于锻造毛坯的生产,发展了著名的O s p r e y工艺5。国内喷射沉积金属基复合材料研究始于20世纪80年代后期,研究单位主要有沈阳金属所、哈尔滨工业大学、西北工业大学、北京科技大学等,在复合材料的制备、组织与性能方面进行了系统深入的研究。湖南大学6-8在大尺寸复合材料的开发应用上做了大量工作。2喷射共沉积制备金属基复合材料过程的原理喷射共沉积工艺的基本原理是在
27、喷射沉积过程中,把具有一定动能的颗粒增强相强制喷入雾化液流中,使熔融金属和颗粒增强相在雾化焦点处发生碰撞后共同沉积到基体上,制备近成形颗粒增强金属基复合材料沉积坯9-10。随着喷射沉积技术的不断发展与应用,人们开始对喷射共沉积的过程原理与规律进行了研究探讨。研究表明,增强颗粒的捕获及在材料中的分布直接影响材料的组织与性能。在喷射共沉积制备颗粒增强复合材料过程中,首先应考虑增强相颗粒如何进入液态金属,即被液相捕获问题,然后才是凝固前沿对颗粒的捕获问题。液相对增强颗粒的捕获尤为重要,而凝固前沿对颗粒的最终分布有着重要的影响。已有研究结果表明在喷射共沉积工艺中增强颗粒与雾化液滴之间有三种插入机制11
28、-12:增强颗粒在沉积表面被液滴捕获;液滴碰撞过程中增强颗粒被机械作用力捕获;增强颗粒在喷射过程中插入液滴。增强颗粒主要分布在沉积颗粒的表面处,即增强颗粒动能较小使得其大部分粘附在液滴表面或半嵌于液滴中。在凝固时,一般凝固前沿对颗粒都会产生排斥,不会主动捕获增强颗粒13,对增强颗粒的最终分布影响不是很大。但是,由于具有快速凝固的特点,颗粒插入液滴后引起的温度梯度,使形核率很大,在颗粒周围发生大量的凝固核心,来自各个方向的凝固界面推力推动颗粒在凝固形成的毛细管中运动,增强颗粒无法自由移动与其他颗粒汇聚,周围凝固液滴相互接触后增强颗粒大部分分布在最后凝固处。3喷射共沉积制备工艺参数的控制对多层喷射
29、共沉积工艺影响较大的工艺参数主要有金属熔体的过热温度、雾化气体与金属液流的质量比、喷射高度、沉积基体的转速、雾化器运行的速率和行程、增强颗粒的输送压力等。3.1金属熔体的过热温度过热度太低则粘度大,导液管易阻塞,金属熔体难以通过喷嘴喷出。温度太高则使氧化加剧且粘度无太大改善,从而使成本提高,且在喷射过程中气体对流传热与热辐射以及在沉积过程中液滴与基底的传导传热有限,雾化液滴在到达沉积基底时大部分为液态或全液态,沉积表面热量逐渐积累,金属在沉积后的凝固行为类似铸造,沉积坯组织恶化。合理的金属熔体过热温度能避免较多固态雾化颗粒混杂其中造成低密度沉积。3.2雾化气体与金属液流的质量比雾化气体与金属液
30、体的质量比取决于液流直径和雾化气体压力,在过热金属熔体顺利通过喷嘴喷出时,若液流直径太小,喷射过程中因固相比例过大,粉末收得率低,过喷粉末太多,生产效率低,沉积坯生长速度慢;同时容易发生堵嘴现象,喷射过程不连续,造成锭坯分层严重14。若液流直径过大,则喷射出的金属液流量大,沉积坯的冷却速率下降,其组织容易恶化为铸造组织。当雾化器结构不变,液流直径一定时,雾化气体压力越大,雾化液滴直径减小,液滴冷却速率越快,933第34卷第2期贺毅强,等.喷射共沉积颗粒增强金属基复合材料的研究现状与进展有利于沉积坯组织细化,但雾化压力过大将增加气体消耗,金属液滴的收得率下降,沉积坯孔隙率高。雾化压力过小,液流直
31、径减小,喷嘴易堵塞,且沉积组织晶粒粗大。3.3喷射高度喷射高度过大,液滴在到达基底前已大部分凝固,只能获得疏松的粉末堆聚体,粘结效果差,材料的收得率明显下降。喷射高度过小,金属颗粒在与基底碰撞时大部分保持液相,沉积坯表面形成液层,从而恶化成铸造组织,且由于液滴液相分数过高,在沉积表面液相飞溅,收得率也将明显降低,最理想的喷射高度应使得与基底碰撞时的液相量足以填充已凝固颗粒中的孔隙且颗粒粘结在沉积表面不发生飞溅,使得材料的收得率最高。3.4基体的运动速率由于喷射沉积的不断进行,沉积厚度逐渐增加,为保证沉积组织的均匀性,基底应不断地下降,下降速率应与沉积坯的增长速率保持一致。3.5雾化器的运行速率
32、和行程雾化器在整个沉积过程中作往复扫描运动,则会导致喷射沉积流沉积不均匀。扫描中心位置对沉积坯的形状影响很大,中心位置偏于边缘,容易形成凹坑;若位于沉积坯中心,则易形成锥形。因此,扫描速度应该与位移成反比,扫描至边缘时速度减慢,而至中心时速度加快,以获得形状良好的沉积坯15。3.6增强颗粒的输送压力颗粒的输送压力对增强颗粒的捕获及其在沉积坯中的含量和分散性有决定性影响。颗粒输送压力过小,则粒子流易被雾化流吹偏,输送压力过大则可能将雾化流吹偏,二者均得不到均匀分布的粒子,且颗粒插入所需的驱动力及颗粒插入时的动能由输送压力得来,增加输送压力,颗粒的动能增加,颗粒在雾化破碎初始阶段插入金属液滴越容易
33、,对颗粒的捕获越有利16。同时,采用双环缝复合雾化器利用螺杆给料负压引流来输送颗粒,能实现增强颗粒的连续定量输送,获得增强相均匀分布的沉积坯。4喷射共沉积装置由于传统的喷射沉积装置存在雾化锥与基底的单向直线运动模式制约了大尺寸坯件及厚坯的制备的问题,陈振华等17发明了多层喷射沉积技术,利用喷嘴随旋转的加热坩埚一起运动,其装置示意图如图1。通过雾化器随加热坩埚做移动式扫描运动,使得沉积表面单位面积上的金属沉积量可大大降低,每一扫描面积上沉积间隔一定时间,可获得充分冷却而显著降低沉积表层的温度,同时在基底上沉积的范围扩大,在制备大尺寸、厚度要求高的坯件上具有独特的优势,而且冷速更高,沉积坯组织细小
34、,增强颗粒在基体中分布均匀,所得材料性能优异 。图1传统喷射共沉积装置(a 和坩埚移动式喷射共沉积装置(bF i g .1T r a d i t i o n a l s p r a y c o -d e p o s i t i o n u n i t (a a n d t h e s p r a y c o -d e p o s i t i o n u n i t w i t h m o v i n g c r u c i b l e (b 5喷射共沉积颗粒增强复合材料的显微组织与力学性能在喷射沉积态坯中,通过显微镜的观察可发现存在不同大小的孔隙,增强相颗粒之间、增强相颗粒与基体之间未实现完全
35、冶金结合,增强颗粒整体分布均匀但局部存在颗粒的偏聚或贫乏,增强颗粒主要分布在沉积颗粒表面,部分半嵌于基体金属中,造成颗粒为层状分布,在沉积坯中出现带状组织特征18。喷射共沉积制备的颗粒增强复合材料经后续加工、致密与塑性变形后具有较高的力学性能。徐政坤等人19研究了喷射沉积-热压-轧制S i C P/F V S 1212复合材料的微观结构以及退火对该材料硬度的影响,对其微观组织进行了分析研究,表明制备的复合材料具有优良的高温力学性能和热稳定性能。陈振华等人20对S i C P /F V S 0612薄板显微组织及其力学性能进行了研究,并分析了其性能强化机制。苏斌等人21043材料科学与工程学报2016年4月研究了喷射共沉积S i C P/