攪拌法制備SiC粒子增強Al-Si基復合材料的工藝研究

竇宜宏 （天津艾斯騰節(jié)水技術有限公司 天津300384）

攪拌法制備SiC粒子增強Al-Si基復合材料的工藝研究

竇宜宏 （天津艾斯騰節(jié)水技術有限公司 天津300384）

根據(jù)半固態(tài)攪拌法制備顆粒增強鋁基復合材料的基本原理，自行設計了一套集熔煉、攪拌等為一體的制備裝置，采用機械攪拌法在半固態(tài)條件下制備SiC粒子增強ADC12合金復合材料，重點探討了SiC粒度、添加量等參數(shù)對復合材料顯微組織與性能的影響。

SiC粒子 ADC12合金 復合材料 半固態(tài) 機械攪拌

0 引言

顆粒增強金屬基復合材料由于具有優(yōu)良的綜合性能，如高比強度、高耐磨性、高彈性模量、熱穩(wěn)定性好等，在航空、航天、汽車、儀器儀表等領域有著廣闊的應用前景。其中SiC粒子增強鋁基復合材料因其低廉的價格、良好的加工和使用性能在近20年內(nèi)得到了很快的發(fā)展。半固態(tài)成形技術是近年來金屬成形技術的熱點，可以獲得高強度、高質量的金屬零件。采用半固態(tài)攪拌法制備粒子增強鋁基復合材料在20世紀80年代開始研究，它主要是針對液態(tài)攪拌鑄造法的缺點而提出，其原理是在半固態(tài)熔體中進行攪拌，即金屬熔體的攪拌溫度控制在液相線與固相線之間。在攪拌過程中，將增強粒子加入半固態(tài)金屬熔體。但由于SiC粒子與鋁合金基體的潤濕性差，SiC粒子與鋁液在高溫時發(fā)生界面反應生成脆性的Al4C3影響性能，ADC12合金的半固態(tài)溫度區(qū)間較窄等問題都制約著制備SiC粒子增強Al-Si基復合材料的發(fā)展。本論文將利用半固態(tài)技術采用機械攪拌法來探討不同含量的SiC粒子增強Al-Si基復合材料的制備工藝。

在國外，鋁基復合材料作為結構材料，已被大規(guī)模應用于直升飛機旋翼系統(tǒng)上；作為儀表材料，應用于航天飛機、導彈和衛(wèi)星等航天器的零部件上；作為光學材料，用來制作輕量化光學反射鏡；作為電子材料，曾被用來制作IRIDI-MMO的系統(tǒng)部件，應用于Motorola公司發(fā)射的衛(wèi)星上；作為耐磨材料，廣泛用于汽車剎車片、活塞等。表1、表2為鋁基復合材料在汽車上和航天航空上的應用情況。

國內(nèi)從20世紀80年代中期開始在863計劃的支持下，經(jīng)過二十幾年的不斷努力，在粒子增強鋁基復合材料的研究方面已有了很大的提高，在材料的組織性能、復合材料界面等方面的研究工作已接近國際先進水平。但是國內(nèi)這方面的研究相對來說起步較晚，大都仍處于實驗室階段，還沒有得到廣泛的推廣與應用。

表1 鋁基復合材料在汽車上的應用狀況

表2 鋁基復合材料在航天航空上的應用情況

1 試驗條件與方法

1.1 試驗材料

本試驗制備SiC粒子增強Al-Si基復合材料的基體為綜合性能良好的Al-Si系ADC12合金，增強材料選用140目（粒徑尺寸105 μm）的SiC粒子。

1.1.1 基體材料 材料ADC12是日本的鋁合金牌號，又稱12號鋁料，屬于Al-Si-Cu系合金，相當于中國國產(chǎn)的壓鑄鋁合金代號YL113，合金牌號是YZAlSi11Cu3。

合金中主要的合金元素如Si主要是提高合金的鑄造性能，使合金具有很好的流動性、氣密性，提高耐磨性、耐蝕性和強度，降低熱膨脹系數(shù)。Cu是強化元素，使合金具有較高的強度和硬度，提高流動性。合金中含有微量的Fe，在鑄造過程中可以不粘模。ADC12合金化學成分如表3所示。

表3 ADC12鋁合金的化學成分

Al-Si系二元相圖如圖1所示：

圖1 Al-Si系二元相圖

從Al-Si系二元相圖可以看出，室溫下只有α（Al）和Si兩種相，α（Al）的性能和純鋁相似，Si的性能和純硅相似。共晶成分在12.6%Si處，亞共晶合金的組織由α（Al）+共晶體（α+Si）所成，過共晶合金的組織由Si+共晶體（α+Si）所組成。ADC12合金在常溫下主要組織為初生相和共晶組織，具有常規(guī)鑄造鋁合金的組織特征。

1.1.2 增強材料 本試驗選用的增強相顆粒為SiC粒子。SiC為強共價鍵化合物，其晶體結構由Si-C四面體組成，Si原子處于四面體的中心，C原子處于四面體的頂角，四面體排列形成六方層狀。六方層狀排列方式的多樣性形成了SiC的多形體。SiC的硬度僅僅次于金剛石和碳化硼，排在第3位。

本次試驗所用的SiC粒子是由60目（粒徑約為250 μm）SiC粒子經(jīng)研磨、過篩所得到140目（粒徑約為100 μm）的SiC粒子，密度3.2 g/cm3，熔點2 700℃，膨脹系數(shù)4×10-6/℃，彈性模量450 GPa，彎曲強度400～500 MPa。SiC的比剛度大，則單位載荷引起結構的變形小，尺寸穩(wěn)定性好。SiC具有良好的熱傳導性能，當環(huán)境溫度變化時，SiC粒子內(nèi)部很容易達到溫度的平衡，不會引起很大的內(nèi)應力，對環(huán)境適應能力強，壽命長。所以作為增強體材料，能夠與基體組織緊密結合并提高它的硬度等綜合性能（見圖2）。

圖2 不同粒度的SiC粒子

1.2 試驗設備

為實現(xiàn)在半固態(tài)狀態(tài)下對SiC粒子增強ADC12合金充分攪拌以達到增強粒子均勻分布的目的，結合實驗室現(xiàn)有實驗條件，自行設計了溫控系統(tǒng)、專用大鐵坩堝、特殊的攪拌器和攪拌頭、顆粒添加裝置及相應的保護措施，并設定一些合適的工藝參數(shù)。高溫下鋁合金在攪拌過程中與空氣接觸發(fā)生氧化，所以每次熔煉時都加高效排雜熔劑覆蓋在上面，進行精煉保護。攪拌時鋁液會產(chǎn)生漩渦容易卷入氣體，所以澆鑄成型后需用自制的鐘罩進行壓實。加入SiC粒子時為防止冷卻過快，固相率太高，需要SiC粒子在較高溫度時分多次加入。經(jīng)過多種方式的探索，最終決定用手直接加入方便簡單，而且每次加入量容易控制。用鐵皮和硅酸鋁纖維制成一夾具，作為手持坩堝的隔熱層，以防止燙傷。試驗裝置示意圖和實物圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 試驗裝置示意圖

圖4 實驗裝置實物圖

1.3 半固態(tài)Al-Si合金的制備

在制備復合材料之前，先制備一半固態(tài)Al-Si合金，研究其組織形態(tài)，并確定后面制備復合材料SiC粒子加入時的固相率。

實驗步驟：設定控溫儀的溫度為720℃，熔煉ADC12合金；待合金完全熔化時加入適量的精煉劑覆蓋在上面，以防止鋁液與空氣接觸而過分氧化；用熱電偶測溫儀測定熔液溫度為670℃時扒渣，澆鑄原始坯料，后面再澆注合金液到石墨小坩堝（φ10 mm×20 mm）的2/3處，即將攪拌器的鐵棒插入到鋁液的正中間，并保證垂直于鋁液的液面，制得鋁錠攪拌頭；待鋁錠攪拌頭冷卻凝固后，把攪拌頭安裝到攪拌器上，調試攪拌速度；測得鋁液溫度為650℃時，設定攪拌器的轉速為200 r/min，用鋁錠攪拌頭進行攪拌，攪拌5 min后鋁錠熔化。繼續(xù)攪拌至合金液呈半固態(tài)，取樣。

1.4 SiC粒子增強Al-Si基復合材料的制備

設定目標復合材料的質量為500 g，根據(jù)含量配比分別制備 10%SiC/Al-Si復合材料、15%SiC/Al-Si復合材料、20%SiC/Al-Si復合材料。

1.5 金相試樣的制備與顯微組織觀察

試驗結束后，首先用QG-3金相試樣切割機取樣，然后用MPJ-35金相試樣磨平機進行預磨并倒角，以防止后道工序拋光時試樣刮破拋光布。再通過各個型號的水磨砂紙進行粗磨、細磨，細磨結束后再在PG-2D拋光機上進行拋光，最后用0.5%HF水溶液浸蝕。拋光時每隔15 s左右從拋光布的中心加入適量的Al2O3拋光液，拋光結束時需用水使勁沖洗試樣表面，以防止拋光液滯留在試樣上面，然后再用酒精擦拭掉試樣表面的水漬，用電吹風吹干后再進一步用0.5%HF水溶液浸蝕。浸蝕完畢后再次用水沖掉試樣表面殘留的浸蝕液，滴幾滴無水酒精排開水漬，再次吹干。最后在XJZ-6A型金相顯微鏡下觀察試樣的組織。

復合材料的宏觀組織用JSZ6S立體顯微鏡進行觀察，由于其自帶的拍攝軟件拍出的照片效果不夠理想，清晰度不高，所以采用相機在其目鏡上直接進行拍照，以觀察粒子分布的均勻性。

1.6 硬度的測量

由于SiC粒子增強Al-Si基復合材料試樣基體硬度比較低，而且微觀組織各處硬度差距比較大，所以選擇測量面積比較大的布氏硬度。

本試驗所用的布氏硬度計的型號為HB-3000型，鋼球直徑為10 mm，負荷為1 000 kgf，加載時間30 s。每個樣在不同的位置測定5個點，卸載后采用JC10型讀數(shù)顯微鏡測出壓痕直徑 d1、d2、d3、d4、d5，去掉最大值和最小值，剩余 3 個值取平均值d，查布氏硬度表得復合材料的布氏硬度值。

2 試驗結果與分析

2.1 原始坯料與半固態(tài)材料的微觀組織與分析

在制備半固態(tài)合金之前，先在石墨坩堝中澆鑄ADC12鋁錠，觀察其金相組織。復合材料基體坯料的顯微組織如圖5所示，半固態(tài)Al-Si合金的顯微組織如圖6所示。

圖5 復合材料基體坯料的顯微組織

圖6 半固態(tài)ADC12合金的顯微組織

2.2 復合材料制備前期探索試驗結果與分析

本試驗在獲得較為成熟的制備工藝之前，進行了大量的探索工作。涉及的問題主要有：攪拌頭的設計、熔體溫度的控制、攪拌器轉速的確定、SiC粒子粒徑、SiC粒子的加入方式、SiC粒子加入時液相率的控制等。

起初采用石墨棒制成的攪拌頭，經(jīng)試驗嘗試后，石墨攪拌頭攪拌范圍太小無法充分攪拌，存在一定的死角。后來重新設計鐵棒狀特殊攪拌頭，攪拌范圍加大，能很好地控制半固態(tài)漿料的制備進程。

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，攪拌器的轉速過快，鋁液會產(chǎn)生飛濺并卷入過多的氣體，基體合金也會被大量氧化；轉速過低，很難將SiC粒子攪拌均勻并彌散分布。結果表明，攪拌器的轉速為200 r/min為最佳轉速，能夠在液體中產(chǎn)生一定的漩渦，便于SiC粒子的加入，又不至于導致熔液飛濺出來。攪拌時間為5 min左右，攪拌時間太短無法攪拌均勻；攪拌時間太長，熔液固相率太高，導致最后凝固，成型效果不好。

2.3 復合材料的顯微組織與分析（見圖7～12）

圖7 10%SiC/Al-Si基復合材料的宏觀組織

圖8 10%SiC/Al-Si基復合材料的顯微組織

圖9 15%SiC/Al-Si基復合材料的宏觀組織

圖10 15%SiC/Al-Si基復合材料的顯微組織

根據(jù)前章講述的復合材料制備工藝流程，制備出不同SiC含量的粒子增強Al-Si基復合材料，顯微組織和宏觀組織如圖7至12所示。

圖11 20%SiC/Al-Si基復合材料的宏觀組織

圖12 20%SiC/Al-Si基復合材料的顯微組織

2.4 硬度測試結果與分析

根據(jù)前章講述的布氏硬度測定方法，測得ADC12合金和不同SiC含量的復合材料的布氏硬度值如表4所示：

表4 ADC12合金和不同SiC含量的復合材料布氏硬度值

根據(jù)所測ADC12合金和不同SiC含量的復合材料布氏硬度值繪制的變化曲線如圖13所示：

圖13 ADC12合金不同SiC含量的復合材料布氏硬度值的變化曲線

3 結論

本試驗根據(jù)自己設計的一套集熔煉、攪拌等為一體的制備裝置，成功制備出10%、15%、20%等不同SiC含量的粒子增強Al-Si基復合材料，研制出分布均勻、界面結合相對良好的半固態(tài)復合材料制備工藝。研究了SiC粒子粒徑大小及含量對復合材料硬度的影響。本論文的主要結論如下：①通過設計特殊攪拌頭，成功制備出半固態(tài)合金漿料，操作方便、工藝簡單，有效的解決半固態(tài)漿料制備工藝復雜等難題。②對SiC粒子進行高溫預處理，能有效除去粒子表面的雜質，一定程度地改善粒子與Al-Si基體的潤濕性，操作簡單，效果明顯，是一種方便可行的粒子預處理方法。③SiC粒子粒徑太大，與基體結合時達不到彌散強化效果；SiC粒子粒徑太小，與基體的潤濕性很差，而且易發(fā)生團聚。④隨著SiC粒子含量的增加，復合材料的硬度先上升后下降，15%SiC粒子含量的復合材料硬度值最高，達54.5 HBS。■

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2011-11-09