混料工藝對SiCp/Al復合材料SiC顆粒分布均勻性的影響

劉 越,王保勇,張雅靜,路春宇

(東北大學 材料與冶金學院,遼寧 沈陽 110004)

鋁基復合材料由于具有質(zhì)量輕,比強度、比剛度高,優(yōu)良的耐磨性和良好的導熱性、導電性及尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點,被普遍認為是一種較理想的結(jié)構(gòu)材料。其中,顆粒增強鋁基復合材料因制造成本低、材料各向同性、可采用傳統(tǒng)的常規(guī)方法加工成形、易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)而引起人們廣泛的關注[1]。目前顆粒增強A l基復合材料已在航空航天、軍事領域及汽車、電子儀表、體育器械等行業(yè)中顯示出了巨大的應用潛力[2]。

SiCp/A l復合材料的主要制備方法有噴射沉積法、鑄造法和粉末冶金法。其中粉末冶金法以其制備的材料SiC顆粒分布較均勻、具有高強度、較好的塑性等特點成為制備復合材料結(jié)構(gòu)件的重要方法。通常采用粉末冶金法制備SiCp/Al復合材料時,都是采用合金粉末原料,合金粉末不僅價格貴,而且粒度大,不利于材料力學性能的提高[3]。近年來,隨著各種元素粉末產(chǎn)品的商品化,采用元素粉末做原料已成為可能。采用元素粉末法制備SiCp/A l復合材料不僅組織均勻細小、生產(chǎn)成本低,而且可以方便地根據(jù)性能需求進行成分設計[4-5]。

對于粉末冶金法制備工藝,SiC顆粒在基體中的分布均勻性是影響材料力學性能的重要因素,通過混料工藝獲得SiC顆粒在基體中均勻分布的混合粉末是粉末冶金法制備出高性能SiCp/A l復合材料的關鍵,也是從源頭上來解決SiC顆粒分布均勻性的問題[6]。高能球磨法可以實現(xiàn)SiC顆粒的均勻分布,對SiC顆粒在基體中均勻分布的影響已有大量報道[7-8]。但高能球磨法不易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),容易引入污染,致使材料的塑性和韌性有所降低。機械混合法具有設備簡單,易于實現(xiàn),易于標準化,不易引入雜質(zhì)等優(yōu)點,但SiC顆粒的分布均勻性受混料工藝參數(shù)的影響很大[7]。本文采用元素粉末法制備體積分數(shù)為12%的SiCp/2024A l復合材料,研究了球料比、混料時間和SiC顆粒尺寸對SiC顆粒分布均勻性的影響。

1 實驗材料和實驗方法

復合材料的增強體選用平均粒度為0.8μm和3.5μm的多角形SiC顆粒,體積分數(shù)為12%;基體材料選用2024鋁合金,化學成分為Al-4.5%Cu-1.6%Mg,由市售純金屬元素粉末配制而成,各元素粉末的特性如表1所示。

表1 元素粉末的特性Table 1 Characteristics of differentelementpowders

復合材料的制備采用元素粉末法。元素粉末法就是基體合金由純元素粉末配制,然后與SiC顆粒均勻混合,通過冷壓成形、燒結(jié)、二次加工等工藝制備出復合材料。不同混料工藝制備的復合材料分別標記為1#,2#,3#,4#,5#,6#,每一編號復合材料的具體混料工藝參數(shù)如表2所示。

在混料過程中,在不同混料時間取少量粉末,用SHIMADZU SSX550掃描電鏡觀察復合粉末的形貌。金相試樣從熱壓坯料中部截取,先用400#至2000#SiC砂紙粗磨,然后用粒度2.5～1.0的金剛石研磨膏拋光,采用OLYMPUS GX51倒置高倍金相顯微鏡觀察復合材料的顯微組織。

表2 SiCp/Al復合材料的制備工藝參數(shù)Table 2 Process parameters o f SiCp/Al composites

2 實驗結(jié)果及分析

SiC顆粒在基體中的分布均勻性是影響SiCp/A l復合材料力學性能的重要因素,因此通過混料工藝獲得SiC顆粒在基體中均勻分布的混合粉末是制備高性能SiCp/A l復合材料的關鍵。采用機械法混料時,影響混合粉末均勻性的因素很多,包括混料機類型和轉(zhuǎn)速、混料介質(zhì)和時間、各粉末組元的粒度分布、顆粒形狀、粉末流動性等[9]。其中,球料比、混料時間和SiC顆粒粒度是影響混合粉末均勻性的重要因素。

2.1 球料比的影響

球料比對混料效果有重要影響。一般情況下,球料比過小,球與料的作用力小,球?qū)α系姆稚?、破碎作用?混料效率低;球料比過大,則球與球、球與料罐之間的碰撞增多,磨損嚴重,產(chǎn)物雜質(zhì)增多,同時還會產(chǎn)生大量的熱量,加劇粉末的氧化。

圖1a和1b分別是球料比1∶2和5∶1,機械混合8 h制備復合材料的金相照片。從圖1中可以看出,球料比對顆粒分布均勻性有重要影響,不同球料比制備復合材料中SiC顆粒的分布有很大差別。當球料比為1∶2時,復合材料中鋁粉末基本沒有發(fā)生變形,SiC顆粒聚集在鋁粉末之間,存在嚴重的偏聚現(xiàn)象(見圖 1a)。當球料比為 5∶1時,偏聚現(xiàn)象得到了明顯改善,鋁基體粉末發(fā)生了一定變形,部分SiC顆粒鑲嵌在基體之上(如圖1b所示)。這是由于隨著球料比的增加,混合粉末與鋼球的碰撞幾率增加,粉體的運動加劇,團聚SiC顆粒得到破碎與分散,SiC顆粒偏聚現(xiàn)象得到改善;同時,由于鋁粉與鋼球和罐壁的撞擊作用,使得鋁粉發(fā)生塑性變形,部分SiC顆粒開始被碾入鋁基體之中。

圖1 不同球料比制備SiCp/Al復合材料的金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographs of SiCp/Al composite fabricated with different ball/charge weight ratio(a)—1∶2;(b)—5∶1。

2.2 混料時間的影響

一般情況下,混料時間越長,混料效果越好,但由于粉末在粒度、密度等方面存在差別,混料過程由粉末混合和偏聚組成,當粉末混合和偏聚達到“平衡”后,繼續(xù)延長時間,混合粉末的均勻度并不會繼續(xù)提高。

圖2為球料比5∶1,不同混料時間復合粉末的SEM 形貌。由圖可見,混料時間為8 h時,基體A l顆粒發(fā)生微量變形,有少量SiC顆粒分布于A l顆粒表面(圖2a)。隨著混料時間的增加,基體鋁顆粒變形量逐漸增加,表面上SiC顆粒量也逐漸增加。當混料時間達到20 h時,A l顆粒發(fā)生大的塑性變形,呈現(xiàn)扁形,表面分布有大量SiC顆粒,部分SiC顆粒被砸入或鑲嵌在Al顆粒表面(圖2c)。

圖2 球料比5∶1,不同混料時間復合粉末的SEM形貌Fig.2 SEM images ofmorphology of composite powderm ixed for different time w ith the ball/charge w eight ratio=5∶1(a)—8 h;(b)—16 h;(c)—20 h。

圖3 為球料比5∶1,不同混料時間制備SiCp/A l復合材料的金相照片。當混料時間為8 h時,如圖3a所示,SiC顆粒已經(jīng)相當均勻地分布于基體之中,但仍然存在SiC顆?！柏汃^(qū)”和SiC顆粒團聚現(xiàn)象,部分A l顆粒發(fā)生塑性變形。隨著時間的延長,當混料時間為16 h時,SiC顆粒在基體中的分布均勻度得到進一步的提高。仔細觀察圖3b發(fā)現(xiàn),鋁顆粒都發(fā)生了或大或小的塑性變形,基體顆粒間的SiC顆粒積聚團明顯減小。當混料時間達到20 h時,已實現(xiàn)SiC顆粒在基體中的均勻分布,基體粉末在鋼球的長時間輾壓、沖擊作用下發(fā)生形變,SiC顆粒被機械地鑲嵌在基體之中且彌散分布,如圖3c所示。繼續(xù)延長混料時間,當混料時間為24 h時,SiC顆粒分布均勻性并沒有明顯提高,如圖3d所示。

圖3 不同混料時間制備SiCp/Al復合材料的金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographs o f SiCp/Al composite w ith differentm ixing time(a)—8 h;(b)—16h;(c)—20 h;(d)—24 h。

2.3 SiC顆粒尺寸的影響

對于機械混料工藝,粉末混合物的均勻性受增強體顆粒和基體粉末的粒度、密度、形貌等因素的影響。研究表明[10]∶粒度小的顆粒易于聚集于大顆粒之間的空隙中,密度小的顆粒傾向于聚集于混合物的上部,不規(guī)則形狀的顆粒較球形顆粒難以混合均勻。本實驗所用增強顆粒分別是0.8和3.5μm的多角形SiC顆粒,由于二者的粒度相差很大,SiC顆粒尺寸是影響其在基體中分布均勻性的重要因素。

圖4為球料比5∶1,混料時間20 h,兩種不同尺寸SiC顆粒增強鋁基復合材料的金相照片。由圖4a可見,SiC顆?；旧显诨w中均勻分布,但仍然存在明顯的增強顆?！柏汃^(qū)”和“富集區(qū)”,并且SiC顆粒傾向分布于基體顆粒之間;而3.5μm SiC顆粒在基體中則均勻彌散分布。根據(jù)幾何配置關系,只有當 rSiC/RAl≥0.225時,SiC顆粒才可能均勻分布于基體中[9]。因此,容易實現(xiàn)0.8μm SiC顆粒在基體中的宏觀均勻分布,而微觀上則存在顆粒團聚現(xiàn)象。

圖4 不同尺寸SiC顆粒增強鋁基復合材料的金相照片F(xiàn)ig.4 Metallographs of a lum inium matrix composite reinforced by different SiC particle sizes(a)—0.8μm;(b)-3.5μm。

3 討 論

采用三維高效混料機混料時,混合粉末在料罐內(nèi)沿筒體作環(huán)向、徑向和軸向的復合三維運動,從而使粉料自身發(fā)生相互流動、擴散、積聚。在擴散機制的作用下,顆粒作無規(guī)則運動,導致顆粒的再分布;在對流和剪切作用下,使成團的顆粒群從一個位置移動到另一個位置,并在顆粒群中產(chǎn)生剪切面;鋼球的運動和撞擊使顆粒團聚得到破碎和分散?？傊?在上述三種混料機制的共同作用下,使粉末混合物最終達到混合均勻的目的。

在混料過程中,混料初期主要是實現(xiàn)不同顆粒在幾何位置上的變化,在形狀和尺寸上無明顯變化。由于鋼球的加入,鋼球和筒壁對鋁粉有很大的撞擊作用,使得鋁粉發(fā)生一定量的塑性變形。同時,由于鋼球與SiC顆粒之間的沖擊碰撞作用,部分SiC顆粒被砸入或鑲嵌在A l表面?？傊?隨著混料時間的進行,Al顆粒開始發(fā)生塑性變形,呈現(xiàn)扁形,部分SiC顆粒被砸入或鑲嵌在Al顆粒表面,混合粉末的均勻度不斷提高。

4 結(jié) 論

1)機械混料法容易實現(xiàn)SiC顆粒在基體中的宏觀均勻分布,但微觀上的均勻分布難于實現(xiàn),混合均勻度很大程度上取決于原料尺寸大小和具體的工藝參數(shù)。

2)本實驗條件下,當球料比5∶1,混料時間20 h時,3.5μm SiC顆粒在基體中彌散均勻分布,制備的復合材料組織均勻細小,繼續(xù)延長混料時間,增強顆粒的分布均勻性并未得到改善。

3)由于受增強顆粒大小的影響,球料比5∶1,混料時間20 h,可以實現(xiàn)3.5μm SiC顆粒在基體中的均勻分布,而0.8μm SiC顆粒在基體中的分布則存在微觀上的顆粒團聚現(xiàn)象。

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