节能、环保、安全、舒适、智能和网络是汽车技术发展的总趋势，尤其是节能和环保更是关系人类可持续发展的重大问题。因此，降低燃耗、减少向大气排出CO2和有害气体及颗粒已成为汽车工程界主攻的方向。人们现已熟知的美国PNGV计划，预计到2004年或2005年，美国轿车将达到每升汽油可行驶约34km（3倍燃料效率）。
减小汽车自重是汽车降低燃耗及减少排放的最有效措施之一。美国的PNGV计划要求轿车自身质量减小40％。
1 材料技术在轻量化汽车中的作用
福特汽车公司负责人在一次国际材料学会议上强调指出，21世纪的汽车将发生巨大的变化，而材料技术是推动汽车技术进步的关键，轻量化是今后汽车发展的关键。
RNGV:计划中明确提出选用新材料（包括高强度钢、铝、镁、钛合金、塑料及复合材料等）来实现减小汽车自身质量的目的，并把先进的轻质材料作为急需开发的技术领域。
铝、镁合金的优越性与竞争力迫使钢铁企业迅速发展高强度材料，于是引发了一场“金属材料之战”。钢铁业、铝业、镁业都纷纷制定出为汽车减小质量的计划。国际钢铁协会（International Iron and steel Institute）首先开展了超轻钢汽车车身（Ultra Light Steel Auto Body）项目，简称UISAB。参加该项目的有来自5大洲18个国家的35家国际著名钢铁企业。该项目于1994年启动，1998年结束。该项目的主要目标是减小车身质量、提高结构强度、提高安全性、简化制造工艺及降低生产成本。
与UISAB相关的项目还有UISAC（Ultra Light Steel Auto Closures）和UISAS（Ultra Light Steel Auto Suspension）两项目，前者是将高强度钢应用在汽车车身覆盖件上，后一项目是采用高强度和超高强度钢板、钢管、棒材以及一些先进的制造技术来生产轻量、廉价和性能良好的悬架系统。其目标是通过采用新的钢材及设计，将悬架质量减小20%，不增加成本，达到铝材的减小质量标准，而成本与铝相比下降20％。
UISAB计划后，钢铁企业又于1998年3月开始在全球实施UISAB－AVC计划，即先进的汽车概念项目（Advanced Vehicle Concept）。该项目是从整体上研究开发新一代钢铁材料汽车结构（车身、覆盖件、悬架系统、发动机支架及所有与结构、安全相关的部件），于2004年可研制出概念车并满足2004年汽车碰撞安全标准要求，明显改善燃油效率，材料可回收，排放减少并能降低成本，可大批量生产。
与此同时，世界各大铝业公司也结成了汽车铝材联盟（Auto Aluminum Alliance），其中包括铝协的汽车及轻卡集团、美国汽车材料合作伙伴（US Automotive Materials Partnership，简称USAMP）。
2 轻量化汽车材料技术的发展趋势
由于钢铁材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优越，其在汽车材料中的主导地位仍是不可动摇的。但高强度钢和超高强度钢的应用，如汽车车身、底盘、悬架、转向等零部件上，将有较大增长。
铝镁合金在汽车上的用量将明显增加。
工程塑料、复合材料所占比例将有明显增长。
德国Paderbom大学O. Habn等人提到“多材料轻量化结构”（Lightweight Construction by multi material）及“合适的材料用在合适的部位”（The right material in the right place）两概念。认为多材料结构设计代表了今后汽车车身结构的发展趋势。通过对多材料结构进行优化，既能改进汽车性能，又能显著减小质量。当前材料的组合仍以高强度钢、铝、镁和塑料为主。要实现多材料轻量化结构设计，必须强调“合适的材料用在合适的部位”。
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1 高强度钢板
1） ULSAB项目
ULSAB项目的创新点如下：
高强度钢和超高强度钢在车身结构上的应用大于90％；车身50％采用激光拼焊板；使用液压板成型技术；使用复合夹层钢板；车身组装广泛采用激光焊接。
与ULSAB相关性的ULSAC的创新成果有如下3个方面：
采用无框架车门结构；
采用高强度钢制造车门外板，其厚度0.6mm、0.7mm。钢种有烘烤硬化钢（BH：210MPa、260MPa）、双相钢（DP：500MPa、600MPa）、含磷钢（260MPa）、各向同性钢（260MPa）；
用超高强度钢制造车门杆件，其厚度1.0mm，采用双相钢（DP：650、840MPa）。
2） ULSAB－AVC项目
ULSAB－AVC项目的目标如下：
——安全：满足2004年汽车碰撞安全标准要求；
——减重：明显改善燃油效率，降低油耗；
——环保：减少排放，改善材料的回收再利用；
——经济：降低成本，便于大批量生产。
我国宝钢公司参加了ULSAB－AVC项目。
3） 高强度钢板的定义与分类
ULSAB－AVC联合会认为对钢种分类的规范化非常重要。按习惯定义屈服强度（YS）和抗拉强度（UTS）。将钢种标记为XXaaa/bbb，XX为钢种类型、aaa为最低屈服强度（MPa）、bbb为最低抗拉强度（MPa）。钢种的标志符号统一如下：
传统钢种：低碳钢、无间隙原子钢（IF——Interstitial-free）、各向同性钢（IS——Isotropic）、烘烤硬化钢（BH——Bake hardenable）、碳－锰钢、低合金高强度钢（HSLA）。
先进高强度钢（AHSS）钢种：双相钢（DP——Dual Phase）、复相钢（或多相钢）（CP——Complex Phase）、相变诱发塑性钢（TRIP——Transformation-induced Plasticity）、马氏体钢（Mart——Martensite）。
按照ULSAB所采用的术语，将屈服强度为210-550MPa的钢定义为高强度钢（HSS），屈服强度超过550MPa的钢定义为超高强度钢（UHSS）；而先进高强度钢（AHSS）的屈服强度覆盖于HSS和UHSS之间的强度范围。
2 其它轻量化材料
铝具有高的导电性和导热性，密度小，塑性好，易成型，易回收利用。铸、锻、冲压工艺均适合于其零件制造，在汽车上的用量将明显增加。
镁的密度为铝的2/3、钢的1/4。镁具有较高的比强度和比弹性模量、良好的刚性和抗电磁干扰屏蔽性、高的阻尼性能和减震抗冲击能力，其切削加工性和尺寸稳定性优于铝。镁合金易于回收利用，其应用极为广泛，也是汽车工业中最有发展前景的轻金属结构材料。
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为了达到进一步减小质量及降低成本的目的，除了开发高强度钢、铝、镁轻合金材料外，近年来还将一系列新工艺应用于高强度钢和轻质材料的开发，如激光拼焊、液压成形、半固态金属成形、注射成形和喷射成形技术等。
下面将简单介绍半固态金属成形技术和喷射成形技术。
1 半固态成形技术
1） 半固态金属成形技术的产生与发展
20世纪70年代初．以Flemings教授为首的美国麻省理工学院的研究小组偶然发现了机械搅拌下的半固态金属组织和流变性特点。随后，Flemings教授及其助手在此方面进行了深入、系统的基础和技术研究，提出了半固态金属成形或加工技术（Semi-Solid Forming or Processing of metals，简称SSF或SSP）的概念，开创了金属材料成形加工技术的新领域。
与过热液态金属铸造相比，半固态金属（Semi-solid metal）含有一定体积分数的球状初生固相，半固态金属成形零件致密性好、力学性能高、机加工量少、模具寿命长；与固态金属锻造相比，半固态金属含有一定体积分数的液相，半固态金属成形零件形状复杂、易于近终成形、变形抗力低，因此，半固态金属成形技术研究及应用引起世界各国的高度重视。
2） 半固态金属成形技术及其分类
所谓金属半固态成形或半固态加工，就是在金属凝固过程中，对其施加以剧烈的搅拌或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固，即改变初生固相的形核和长大过程，得到一种液态金属母液中均匀的悬浮一定体积分数的类球状初生固相的固—液混合浆料，利用这种固—液混合浆料直接进行成形加工，或将这种固—液混合浆料完全凝固成坯，根据需要将坯料切分，再将切分的坯料重新加热至固液两相区，利用这种半固态坯料进行成形加工，这两种方法均称之为金属的半固态加工。相反，在金属凝固过程中，若不对其施以强烈的搅拌或扰动，此时析出的初生固相将是树枝状晶体，它们互相搭接，形变阻力很大，在半固态下加压成形时固液相容易分离，造成严重的宏观偏析，成形件也容易开裂。
目前，半固态金属成形技术主要分为两类：流变成形和触变成形。
半固态金屑的流变成形。利用剧烈搅拌等方法制备出预定固相分数的半固态金属浆料，井对半固态金属浆料进行保温，将该半浆料直接送往成形设备进行铸造或锻造成形，这种成形过程称为半固态金属的流变成形。根据成形设备的种类，半固态金属又可分为流变压铸、流变锻造、流变轧制、流变挤压等。
半固态金属的触变成形。利用剧烈搅拌等方法制备出球状晶浆料，将该半固态金属浆料进一步凝固成锭或坯料；再按要求将金属坯料切分成一定大小，把这种切分的固态坯料重新加热到两相区，然后利用机械搬运将该半固态坯料送往成形设备进行铸造或锻造成形，这种成形过程称为半固态金属的触变成形。根据成形设备的种类，半固态金属又可分为触变压铸、触变锻造、触变轧制、触变挤压等。
3） 金属半固态非枝晶组织形成机理
金属凝固过程中结晶体的形貌取决于晶体的长大方式，以及固液界面前沿温度梯度、溶质浓度梯度、热流方向和散热强度等。如果固液界面前沿温度梯度为负，且传热无方向性，晶粒一般生长为等轴树枝晶。如果对其施加强烈搅拌，传统的树枝状初生晶粒最终会转变为花瓣状、椭球状甚至球状。许多学者提出了描述这种转化机制的假设，但尚未得出统一确定的理论。
正常熟化引起的枝晶根部熔断假说认为，正常熟化引起枝晶臂根部熔化，而搅动引起的流变改变或促使了熟化时溶质的扩散，并带离熔断的枝晶，而这些熔断的初生枝晶臂进一步枝晶化，并随着持续的搅拌剪切，熔断的初生枝晶臂之间以及液相间的摩擦和冲刷，和自身的熟化，熔断的枝晶臂渐变为蔷薇状，并逐渐密实，当搅拌剪切速率较高而冷却速率较低，初生枝晶臂就会转化为椭球状或球状。
枝晶臂机械折断假说认为机械搅拌引起的流体粘性力使金属熔体的枝晶臂折断，出现晶粒细化和增值，因此需要强烈的机械搅拌。
枝晶臂塑性弯曲和晶界浸润假说假设初生枝晶臂具有一定的塑性，使其在搅拌的紊流中只产生塑性弯曲，当弯曲角度达到一定程度，弯曲部位的附加位错经过回复和再结晶形成晶界，由于大角晶界能高于固液界面能，弯曲枝晶臂的这种大角晶界终会被液相薄膜完全浸润而逐步剥离。
此外，现有的假说还有电磁搅拌下的枝晶臂根部熔断机制、电磁搅拌下的枝晶循环熔断机制、高剪切速率下的球状晶形成机制和重结晶机制等。
4） 半固态金属浆料或坯料的制备技术
电磁搅拌制备技术在连铸过程中利用单相或多相线圈绕组通过交流电流产生的感应旋转电磁场搅拌金属液，加速液相流动，可以改善杂质分布，从而得到具有圆整性较好的固相颗粒的半固态金属浆料。根据旋转磁场的产生，电磁搅拌可分为交流感应电磁搅拌、交流感应行波电磁搅拌、交流无芯感应器法搅拌和永久磁铁旋转法搅拌。在目前的半固态金属浆料或坯料制备技术中，电磁搅拌是最成功的一种，在实际应用中也占主导地位。
分为连续搅拌和非连续搅拌，其中非连续机械搅拌是最早应用于半固态金属浆料制备的方法，利用机械旋转的叶片、搅拌棒等改变凝固中金属初生晶粒的生长，获得球状或类球状的初生晶粒的半固态浆料。该方法设备简单、造价低、操作方便，但产量小，浆料易被搅拌装置污染，例如铝合金浆料的制备就不能用铁质的搅拌棒或叶片。
变形诱导激活方法，即Strain-induced Melt Activation Process，简称SIMA，利用传统连铸方法预先连铸出晶粒细小的金属坯料，将坯料在回复再结晶温度范围内进行大变形量的挤压变形，破碎铸态组织，而后再对坯料进行小量的冷变形，最后按照需要将坯料切成一定大小，快速加热到固液两相区并适当保温，即可获得具有触变性的半固态坯料。且坯料纯净，生产效率高。除了制备铸造铝合金外，还可制备变形铝合金、铜合金以及黑色金属的半固态坯料。
利用超声机械振动波扰动金属的凝固过程，细化金属晶粒，获得球状初生晶粒的半固态金属浆料。该方法一般有两种：一是振动器直接作用于金属熔体；二是振动器先作用在铸型上，通过铸型再作用到金属熔体上。超声振动方法简单，易于实施，成本低，但在金属熔体中，其衰竭过强，作用距离有限。
利用一个机械旋转的辊轮把静止的弧状结晶壁上生长的初晶不断碾下、破碎，并与剩余液相混和，形成流变金属浆料。
晶粒细化及半固态重熔方法技术思路是：首先利用化学晶粒细化剂制备晶粒细小的金属坯料，再将该坯料重新加热到固液两相区温度范围内进行适当时间的保温处理，即可获得非枝晶的流变组织。其关键是晶粒细化剂的适当选择。
喷射沉积方法首先运用喷射沉积工艺将金属液雾化、喷射沉积到基板上，制成组织非常细小的棒状固态坯料，而后将坯料重新加热到金属的半固态区域，得到半固态触变坯料。该方法制备的半固态坯料质量好，但成本过高，只适用于制备高级或难熔合金坯料和成形高级零件毛坯。
粉末冶金方法首先制备金属粉末，而后将不同种类的金属粉末混合，并进行粉末预成形，再将预成形坯料重新加热到半固态区并适当保温，即可获得半固态金属坯料。
低过热度浇注方法通过控制合金浇注温度和凝固冷却速度来制备半固态金属浆料或坯料，一般不采用任何搅拌，制备工艺简单。
紊流效应方法（Turbulent method），也称为被动搅拌法（Passive stirring），迫使过热金属通过一个特制的冷却装置，该装置有许多迂回曲折的通道，或是装满耐火材料小球的钢管，当该金属通过此装置时，不断受到激烈剪切作用或处于激烈的紊流终，使凝固析出的初生相呈球形，从而得到半固态金属浆料或坯料。
金属熔体混合方法（Melt mixing approach）将一定温度下的两种相同或不同种类的合金熔体相互混合，当混合后的合金熔体凝固时就可以制备出等轴晶或非枝晶的半固态合金浆料或坯料。
5） 半固态金属成形技术的特点
半固态金属浆料或坯料预传统过热的液态金属相比，具有一半左右体积分数的初生固相，而与固态金属相比，又有约一半体积分数的液相，且固相为非枝晶态，因而，金属半固态成形技术具有一系列的优点：
——重熔加热后的半固态金属坯料的粘度很高，可以方便地机械搬运，也便于实现自动化操作；在高速剪切作用下，半固态金属坯料的粘度又可迅速降低，便于成形。
——半固态成形时，金属在充型过程中，不易发生喷溅，减轻了合金的氧化和裹气，提高了铸件的致密性。因此．可以通过热处理来进一步提高铸件的力学性能。
——金属浆料或坯料在充型前已析出一半左右的初生固相，减少了凝固收缩，铸件具有更少的收缩孔洞。
——半固态金属浆料或坯料不存在宏观偏析，其性能更均匀。
——半固态金属浆料或坯料的固相分数可以在一定范围内调整，借此改变半固态金属浆料或坯料的表观粘度，以适应不同铸件的成形要求。
——利用半固态金属可以进行机械零件的近终化成形，可大幅度减少零件毛坯的机械加工量，降低生产成本。
——半固态金属浆料或坯料的充型温度低，减轻了模具的热冲击，提高了模具的寿命。尤其是压铸高熔点合金。
——半固态金属成形车间不需处理液态金属，工艺操作更安全，工作环境更优良。
——半固态金属的粘度较高，可以方便地加入增强材料（颗粒或纤维），为复合材料的廉价生产开辟了一条新途径。
——半固态金属的成形应力显著降低，因此半固态金属可以成形复杂的零件毛坯，降低成本，且铸件性能与固态金属锻件相当。
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6） 半固态金属成形技术的研究和应用发展趋势
汽车的轻量化发展，会采用越来越多的轻质合金材料，如铝合金、镁合金等，但要求这些零件必须具有很高的内在质量，才能保证行车安全。汽车的用材趋势必然会促进半固态金属成形技术在汽车制造行业的应用。因为半固态金属成形技术非常适合制造高质量的轻合金零件，在电子信息产品及消费类电子消费品、航空飞行器等零件制造上的应用也逐渐增多。
目前，我国的经济正处于高速发展阶段，汽车、电子等工业均是我国的支柱产业，对我国国民经济的发展将产生重大影响。为了提高我国汽车、电子信息等行业的技术水平，提高我国汽车、电子仪器等在国际市场上的竞争能力，应该推动半固态金属成形技术的应用，所以，我国半固态金属成形技术的应用前景是比较广阔的。
但是，现有的半固态金属成形技术主要以触变为主，且存在着一些问题，比如：传统电磁搅拌功串大、效率低、能耗高，因此，半金坯料成本高；传统电磁感应重熔加热能耗高，坯料表面氧化严重；坯料的液相分数不能太高，成形复杂零件毛坯困难；锯屑等废品不能马上回用；牛固态触变成形的合金种类少，比较常见的主要是A356、A357、6262锻造铝合金，377、642铜合金，AZ91D等镁合金，还有少量高熔点合金。
为了更好地促进和推动半固态合金成形技术的推广应用，还需要重点解决以下几个方面的问题：
（1）继续探索半固态合金球状组织的形成机理，加深对半固态合金成形技术的认识。
（2）努力降低半固态合金坯料的制备成本，发明新的低成本坯料制备技术或降低现有坯料制备技术的专利使用费，从而从根本上降低半固态合金触变成形件的生产成本，扩大其应用领域。
（3）开发和扩大适合半固态成形的合金种类，提高半固态合金成形件的性价比，才可能灵活地选用材料以成形合适的零件，也可降低生产成本。
（4）缩短半固态合金成形技术的工艺流程，即采用流变成术，可以大幅度降低生产成本，将会有利地促进半固态合金成形的应用。
（5）继续开展半固态金属流变性能的研究和建立更准确的数学模型，以便更科学地掌握和模拟半固态金属的成形过程，为生产高质量的零件服务。
（6）摸具寿命短是限制高熔点半固态合金成形应用的瓶颈，必须设法研究出适合高熔点半固态合金成形的模具材料，才可能显著降低高熔点半固态合金成形的成本，这对于铁合金的高质量近终成形尤其重要。
2 喷射沉积成形技术
1） 喷射沉积快速凝固技术的产生和发展
喷射沉积(Spray Atomization and Deposition)也称为雾化成形(Spray Forming)、雾化铸造(Spray Casting)、奥斯普瑞工艺(Osprey Process)和液体动压紧实(Liquid Dynamics Compaction)。喷射沉积的概念最早是由英国Swansea大学的A. R. E. Singer 教授等人于1967年提出的，他们在改进Reynolds金属公司离心雾化和热轧生产铝板工艺的研究中，提出用气体将铝液雾化成液滴，直接沉积到冷却基体板上后热轧成铝板的设想。后来他们的研究生创立了应用此工艺的Osprey 金属公司，并成功地将该技术应用于生产中，喷射沉积也称为Osprey工艺。随后英国的Brooks、Leatham和Combs等人对喷射沉积进行了大量的研究和开发工作，并且首次将注意力转向了快速凝固毛坯的成型性方面。
1980年英国Aurora钢铁公司又将喷射沉积原理应用到高合金工具钢和高速钢，发展了一种受控喷射沉积（Controlled Spray Deposition）工艺，它是以Osprey工艺为基础，采用较大雾滴，液滴直径为0.5-1.5毫米，由于撞击作用，仍可以获得103K/s的冷速。
美国麻省理工学院的N.J. Grant等将该技术发展为液体动压紧实技术LDC，应用高压雾化气体，得到细小、快速淬冷的液滴。1988年，美国加州大学Irrine分校的Lavernia等在喷射沉积技术基础上开发出制备金属基复合材料的“雾化共沉积技术（Spray Co-Deposition）”，随后Lawley等率先提出了“反应雾化成形技术（Reactive Spray Forming ）”，该技术将雾化成形工艺和化学反应法制备复合材料技术结合在一起，用以生产性能更好的金属基自生复合材料。
进入90年代，喷射沉积技术进一步发展，制备的新材料的性能不断提高，成本进一步降低，吸引了国际上越来越多知名企业的注意力，受到工业界的广泛重视，并由实验室研究阶段迈向工业应用阶段，在世界范围内，已有几十条Osprey生产线，其产品有管、环、板材、棒材等。
九十年代初我国开展喷射沉积的研究工作，列入国家863高新技术研究计划和自然基金重大研究项目。北京科技大学、北京航空材料研究院、北京有色金属研究总院、中科院金属研究所、哈尔滨工业大学、中南工业大学、西北工业大学和上海钢铁研究所等单位都已开展了这方面的研究。
2） 喷射沉积技术特点
——具有细小的等轴晶组织：喷射沉积材料的组织是细小的等轴晶，其晶粒大小一般在10－100μm。这种组织的形成，一方面是由于高压高速气流与熔体强烈的对流换热而使喷射沉积材料凝固时获得很高的冷却速度，一般冷速为103－104K/s，另一方面由于雾滴与雾化气体的动量交换，雾滴获得很高的运动速度，根据模拟计算结果表明其速度为50－100m/s，在沉积时刻雾滴具有较高的动能，在雾滴高速撞击基板或沉积体表面时，其冲击动能产生足够大的剪切应力和剪切速度，将已经结晶出来的固相打碎，形成非枝晶的组织。
——工序简单，成本低：喷射沉积将熔体的雾化和沉积成形两个过程合为一体，可直接由液体金属制取快速凝固预成形的毛坯，而一般的快速凝固工艺制取的粉末状材料，难以直接加工成产品，通常需经粉末冶金工艺成型，必须经过制粉、储存、运输、筛分、压制烧结，甚至轧制、锻造等工序，与其它快速凝固工艺相比，喷射沉积工艺大幅度地简化了快凝材料的加工制备工序，缩短了生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本。
——氧化程度小：喷射沉积过程是在惰性气氛中瞬时完成，金属氧化程度较小，而且由于液体金属一次成形，避免了一般粉末冶金工艺中因储存、运输等工序带来的氧化，减轻了材料的受污染程度。
——高密度：喷射沉积工艺过程中，半固态金属雾滴高速撞击到沉积表面半固态层，与沉积层良好地结合在一起，直接沉积后的密度可以达到理论的95％，如果工艺控制合理则可达到99％，经冷加工或热加工很容易达到完全致密化。
——过程复杂，工艺参数多：喷射沉积过程是一个众多参数共同作用的复杂过程，喷射沉积的可控参数有近十个，过程参数有数十个，而且各参数之间相互制约，相互影响，给工艺参数的选择和优化带来一定的困难。如何准确地选择合适的工艺参数是目前该工艺所必须解决的问题。
3） 喷射沉积成形技术的进展
多层喷射沉积技术。与传统喷射沉积技术的区别在于：沉积坯为多次合成构成，因此其冷凝速度高于传统喷射沉积坯；沉积坯为金属喷嘴多次往返移动喷射沉积而成，因此管坯尺寸可以做得很厚且冷却速度不受影响，而且板坯的宽度和长度都可以很大；沉积坯的尺寸精度高；制备的复合材料均匀性非常好。
利用多层喷射沉积技术已经制备出了耐磨铝合金材料、耐热铝合金材料、颗粒增强型铝基复合材料，高强铝合金材料、自蔓延铝基复合材料以及双金属材料等。
原位反应雾化喷射沉积成形技术。有研究者提出将增强相的生成置于熔化室合金熔体中完成(而不是现行通常的在雾化室中进行)，然后再进行后续的雾化喷射沉积成形步骤。成功地开发出了一种熔铸—原位反应喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备新技术，该技术的突出优点是：颗粒在熔体内部原位反应生成，不存在颗粒损失问题，材料制备成本降低；颗粒在基体中分布均匀；可沿用现行喷射沉积成形制备金属材料的各项工艺参数，设备无需做任何改动。并已成功制备出TiC/Al-20Si-5Fe复合材料。
