高能超聲輔助制備SiCp/7050復(fù)合材料的組織均勻性

黎正華，李曉謙，李暢梓，蔣文

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高能超聲輔助制備SiCp/7050復(fù)合材料的組織均勻性

黎正華，李曉謙，李暢梓，蔣文

(中南大學(xué)機電工程學(xué)院，高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，長沙410083)

利用高能超聲輔助制備SiC顆粒增強7050鋁基復(fù)合材料，研究超聲工藝參數(shù)對SiC顆粒分布均勻性的影響規(guī)律和超聲作用機制。研究結(jié)果表明：超聲的空化效應(yīng)對顆粒的團聚有阻礙作用，超聲功率越大，SiC顆粒的分布改善效果越明顯，但是SiC顆粒在超聲場中由于駐波場中聲輻射力的作用，在一定時間內(nèi)會發(fā)生偏聚現(xiàn)象；綜合超聲的作用效果來看，熔體經(jīng)2 000 W功率超聲施加15 min后立馬澆注有利于獲得理想的SiCp/7050復(fù)合材料微觀組織。

超聲；SiC；7050；鋁基復(fù)合材料；空化效應(yīng)；均勻性

碳化硅顆粒增強鋁基(SiCp/Al)復(fù)合材料具有比強度高、比剛度大、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)異的綜合性能，使其在航空航天、武器裝備、電子工業(yè)、汽車產(chǎn)品、工程機械等重要科技領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿1?2]。其制備技術(shù)發(fā)展至今，主要有攪拌鑄造、粉末冶金、擠壓鑄造、壓力浸滲、噴射沉積、原位反應(yīng)等方法，其中攪拌鑄造法由于適應(yīng)性高、操作簡單、便于二次加工等優(yōu)點更具工業(yè)化應(yīng)用前景。然而，在攪拌鑄造的制備過程中，由于SiC顆粒與基體物理性能上的差異、以及SiC顆粒表面附帶的氣體及雜質(zhì)等嚴(yán)重阻礙了顆粒與熔體的結(jié)合，致使二者之間的潤濕性差，難以獲得顆粒分布均勻的SiCp/Al復(fù)合材料[3]。在顆粒增強鋁基復(fù)合材料(PRMMCs)制備過程中施加超聲外場是當(dāng)今復(fù)合材料制備科學(xué)領(lǐng)域的一項創(chuàng)新工藝。TJONG等[4]利用高能超聲制備SiCp/ZA27復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)SiC顆粒與基體結(jié)合緊密，邊界分明，并且發(fā)現(xiàn)10%的SiCp/ZA27的耐磨性是基體ZA合金的10倍以上。PAN等[5]以TiO2和Al-Mg合金為原料，通過高能超聲制備了Al3Ti和MgAl2O4為主要增強體的MMCs，增強顆粒分布均勻，MMCs性能穩(wěn)定。目前的研究成果表明超聲通過改善顆粒分布的均勻性及界面結(jié)合對PRMMCs的性能提升具有顯著作用，但是超聲工藝參數(shù)對顆粒分布均勻性的影響及其影響作用機理還有待進一步研究。因此，本文在液態(tài)金屬與增強相半固態(tài)混合工藝的基礎(chǔ)上，采用高能超聲處理技術(shù)作用于材料制備過程，通過分析SiCp在微觀組織中的分布規(guī)律，研究超聲處理技術(shù)在制備SiCp/7050復(fù)合材料過程中的作用效果和作用機理。

1 實驗

1.1 設(shè)備及裝置

超聲鑄造實驗裝置示意圖如圖1所示，主要由超聲波發(fā)生器、超聲振動系統(tǒng)、攪拌裝置和其它輔助設(shè)備組成。

1) 超聲波發(fā)生器：輸出功率：2 000 W(連續(xù)可調(diào))；輸出頻率：19±0.5 kHz；

2) 超聲振動系統(tǒng)，包括PZT壓電陶瓷換能器和鈦合金工具桿；

3) 其它輔助設(shè)備:電阻加熱爐；溫度控制記錄儀；計時器；坩堝：外形尺寸直徑×高×壁厚為200 mm×210 mm×18 mm；液壓式位移操作臺；熱電偶；Leica DMI 5000M型臺式金相顯微鏡；

圖1 超聲鑄造實驗裝置示意圖

1.2 實驗材料

實驗用的7050鋁合金是采用純度為99.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的工業(yè)純鋁鑄錠和各種合金母錠熔煉配制而成，成分如表1所列。增強相為市售SiC顆粒，顆粒尺寸為30 μm。

表1 實驗用7050合金成分

1.3 實驗方案

在制備復(fù)合材料前，采用超聲水洗+高溫氧化工藝對SiC顆粒進行1 000 ℃高溫預(yù)處理，高溫焙燒后采用篩網(wǎng)對SiC顆粒進行篩分，實驗前將篩分好的SiC顆粒700 ℃保溫待用。

將一定量的7050鋁合金放入坩堝中，在電阻加熱爐內(nèi)加熱至800 ℃熔化，保溫一段時間后加入鋁打渣劑除渣；熔體隨爐冷卻至625 ℃，使鋁合金熔體處于半固態(tài)，將預(yù)處理后待用的SiC顆粒加入7050鋁合金熔體中，手動攪拌5 min后隨爐升溫至800 ℃并保溫。開展對比實驗制備體積分?jǐn)?shù)為10%的SiCp/7050復(fù)合材料，設(shè)計不同的實驗對比不同工藝參數(shù)對復(fù)合材料的影響，具體實驗方案如下：

1) 熔體不施加超聲后水冷凝固；

2) 分別施加500，1 000和2 000 W功率的超聲作用15 min后，水冷凝固；

3) 施加2000 W功率的超聲分別作用5，10，15和20 min后水冷凝固；

4) 施加2000 W超聲作用15 min后，熔體分別靜置5，30，50和100 s后水冷凝固；

將實驗獲得的鑄錠進行標(biāo)記，在鑄錠上表面以下50 mm處進行切片處理，并對樣品進行打磨拋光，使用Lecia DMI 500M型金相顯微鏡觀察SiCp/7050鋁基復(fù)合材料的微觀組織形貌，通過圖像處理軟件測量SiC顆粒的數(shù)目。

1.4 表征方法

為了準(zhǔn)確地反應(yīng)SiC顆粒在復(fù)合材料組織內(nèi)的分布情況，全面地描述SiC顆粒的分布規(guī)律，使用如下方法進行定量表征。

1) 定一個區(qū)域S，此區(qū)域內(nèi)的SiC顆粒數(shù)不應(yīng)少于200個，將此區(qū)域進行拍照，并將其均勻分成12個微區(qū)域，對每個微區(qū)域內(nèi)的SiC顆粒進行統(tǒng)計，顆粒數(shù)計為z，并求出單位微區(qū)域內(nèi)SiC顆粒的平均個數(shù)，并由此計算出微區(qū)域內(nèi)SiC顆粒數(shù)量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差：

2) 從顆粒之間的最短距離出發(fā)，描述其偏聚現(xiàn)象，首先依然是將同一個區(qū)域S分成12個微區(qū)域，對于每個微區(qū)域內(nèi)的每個SiC顆粒找到與其最近鄰的SiC顆粒，并測量出兩個顆粒之間的距離x，測量出所有微區(qū)域內(nèi)SiC顆粒與其最近鄰顆粒的距離后，求出最短距離的平均值：

根據(jù)測量的SiC顆?？倲?shù)，假設(shè)當(dāng)這個顆粒均勻有序地在區(qū)域S中分布，計算出顆粒之間的距離為0，如果SiC顆粒非完全均勻的分布，最短距離的平均值肯定小于0，當(dāng)SiC顆粒分布越均勻越接近0，那么令

由此可見，越小，SiC顆粒的偏聚程度越小，其在復(fù)合材料內(nèi)的分布均勻性越好。

圖2 相同不同β值下的顆粒微區(qū)分布示意圖

圖3 不同超聲功率作用15min后SiCp/7050復(fù)合材料的組織形貌

2 實驗結(jié)果

2.1 超聲功率對SiC顆粒分布的影響

圖3所示為SiCp/7050復(fù)合材料在中心截面取樣的微觀組織示意圖。從圖3(a)中可以看出：在熔體沒有施加超聲外場的條件下，氣孔和顆粒偏聚明顯存在于鑄錠中。圖3(b)~(d)中，通過施加不同功率的超聲外場后，鑄錠中的氣孔數(shù)量和顆粒偏聚現(xiàn)象得到不同程度的改善，而且功率越大越容易獲得均勻化的微觀組織。

2.2 超聲施振時間對SiC顆粒分布的影響

圖5所示為2000 W功率超聲作用下，分別施振5，10，15和20 min制得SiCp/7050復(fù)合材料的微觀組織形貌。從圖5可以看出，隨超聲施振時間延長，SiC顆粒的分布均勻性不斷提高，在超聲施振15 min后SiC顆粒的團聚現(xiàn)象得到顯著改善，但20 min后SiC顆粒有偏聚的傾向。

圖4 超聲功率與均勻性參數(shù)和β的關(guān)系

圖5 不同超聲處理時間對SiCp/7050復(fù)合材料組織形貌的影響

圖6 超聲施振時間與均勻性參數(shù)和β的關(guān)系

2.3 靜置時間對SiC顆粒分布的影響

圖7所示為2 000 W超聲功率作用15 min后，不同靜置時間下獲得的微觀組織，由圖可以看出熔體在靜置50 s后，SiC顆粒團聚現(xiàn)象變得嚴(yán)重并逐漸趨于穩(wěn)定，圖8所示的靜置時間與和的關(guān)系曲線也反映了上述現(xiàn)象。隨靜置時間延長，均勻性參數(shù)和均明顯變大，50 s后變化趨勢減弱，因此在復(fù)合材料熔體經(jīng)超聲處理后，澆注越快越容易獲得均勻的復(fù)合材料微觀組織。

3 分析與討論

3.1 超聲空化對SiC顆粒團聚的阻礙作用

超聲空化效應(yīng)是超高頻聲波在金屬熔體內(nèi)傳播時產(chǎn)生的一系列非線性的聲學(xué)現(xiàn)象，交替變化的聲壓使金屬熔體內(nèi)部的部分質(zhì)點受拉產(chǎn)生空化泡，空化氣泡崩潰時會瞬間在極有限的體積內(nèi)產(chǎn)生很大的溫度梯度和壓力梯度，通過實驗及文獻資料[6]可以推導(dǎo)出空化泡崩潰瞬間最大壓力max和最高溫度max分別為：

圖8 靜置時間與均勻性參數(shù)和β的關(guān)系

式中：T為金屬熔體溫度(取T=904 K)；P為超聲聲壓幅值(P=2πfρcA)；P為起始空化泡內(nèi)壓力，6.8×104Pa；為空化泡內(nèi)微量氣體比熱容，由于聲空化崩潰時間極短，崩潰過程可視為絕熱過程(=4/3)。經(jīng)計算實驗所用的超聲波，空化氣泡破滅可產(chǎn)生的最高溫度為8.9×104K，產(chǎn)生的最大壓強為1.64 GPa。SiC顆粒與鋁液潤濕困難，30 μm尺寸的SiC顆粒不是單分散性顆粒，由于顆粒的尺寸差異，在熱驅(qū)動情況下，顆粒間彼此相結(jié)合使表面能降低，從而形成團聚。圖9所示為溶體超聲處理時的顆粒團聚示意圖，由圖可知，當(dāng)這樣的團聚體在鋁液中時，由于團聚體內(nèi)部的孔道復(fù)雜，鋁液很難自發(fā)地滲透進去，只有在SiC顆粒與鋁液潤濕角小于90°，其團聚體內(nèi)沒有空氣時，鋁液才會自發(fā)地浸入團聚體內(nèi)部[7]。

圖10所示為溶體超聲作用的潤濕模型。由于超聲空化效應(yīng)產(chǎn)生的除氣作用會大幅降低熔體中的氣體含量，特別是顆粒表面尖角處的氣體含量，從而大大提高SiC顆粒與熔體的潤濕性，如圖10所示。在最終的凝固組織中，具體表現(xiàn)為宏觀上氣孔數(shù)量大大減少，顆粒分布均勻，微觀上復(fù)合材料界面結(jié)合更加緊密、牢固[8]。

空化泡崩潰產(chǎn)生的微射流的流速非常大，根據(jù)相關(guān)研究，在距離空化泡中心1 mm處微射流的流速可達100 m/s[9]，這樣大的沖擊波能有效打散SiC顆粒的團聚，使SiC顆粒分散在鋁液中。另一方面，超聲在熔體中傳播，在克服液體的粘性阻力時，產(chǎn)生有限振幅衰減，超聲能量的損失使得熔體中的聲壓場產(chǎn)生梯度變化，從而使得熔體流動，也就是聲流效應(yīng)。超聲的聲流效應(yīng)會在熔體中形成環(huán)流，使得顆粒能夠在熔池中上下翻騰，反復(fù)攪拌鋁液，使得SiC顆粒宏觀均勻分散于整個熔體體系，減少SiC顆粒的集聚，還可以提供一定的剪切力并打碎SiC顆粒的團聚。而當(dāng)超聲功率越大時，超聲的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)的作用越明顯，對于SiC顆粒的分布改善效果也越明顯[10]。

3.2 超聲駐波場對SiC顆粒團聚的偏聚作用

由于SiC顆粒不溶于鋁熔體，因此可以將含有SiC顆粒的鋁熔體看作懸浮液，超聲波在熔體中會形成駐波場，懸浮液中的微粒SiC顆粒在駐波場中，會受到聲輻射力、斯托克斯阻力和有效浮升力的作用，顆粒的運動方程可表示為[11?12]：

式中：為SiC顆粒的密度；V是SiC顆粒的體積；′為SiC顆粒上附加質(zhì)量；為SiC微粒距聲壓節(jié)或聲壓腹的距離；為時間；f為聲輻射力；f為有效浮升力；f為斯托克斯阻力。式中每項的具體表達式為

圖10 熔體超聲作用下的潤濕角模型

式中：為密度；為粘度；為聲波的傳播速度；角標(biāo)1和分別代表液體和微粒；d為微粒的直徑；為波數(shù)；為時均聲能密度；為懸浮液的聲比因數(shù)。當(dāng)顆粒的運動方程在平衡條件時，顆粒將處在超聲波的聲壓節(jié)或聲壓腹處。

式中：x表示平衡狀態(tài)時微粒距離聲壓節(jié)或聲壓腹的距離。從解析解可以看出，顆粒的初始位置并不影響其最終凝聚位置，也沒有指明具體的聲壓節(jié)或聲壓腹處。得到微粒達到平衡狀態(tài)時，凝聚所經(jīng)歷時間的近似解為：

式中：x為顆粒在平衡狀態(tài)時與聲壓節(jié)的距離，0為顆粒初始位置到聲壓節(jié)的距離。SiC顆粒在超聲作用形成的駐波場中會發(fā)生偏聚現(xiàn)象。

當(dāng)去除超聲外場后，SiC顆粒為了達到新的平衡，會發(fā)生沉降或上浮現(xiàn)象，為了降低表面能，在運動的過程中顆粒接觸后彼此結(jié)合形成集聚，并且集聚的程度隨靜置時間延長變得嚴(yán)重。超聲對SiCp/Al復(fù)合材料顆粒分布改善是短暫的，熔體超聲處理后需馬上澆注，以免SiCp與基體發(fā)生脫離或重新團聚。

綜合來看，SiC顆粒在駐波場的偏聚、空化和聲流效應(yīng)的復(fù)合作用下，顆粒趨向均勻化分布，但是復(fù)合材料內(nèi)可能依然會存在受駐波場影響大于超聲攪拌的區(qū)域，從而造成一定程度的偏聚。為了提高空化和聲流的攪拌作用，減少顆粒在駐波場中的偏聚作用，在顆粒的理論凝聚時間之前調(diào)整工具頭的位置與深度，這樣有助于提高SiC顆粒分布的均勻性，更加充分合理地利用超聲外場。

4 結(jié)論

1) 超聲的空化效應(yīng)對顆粒的團聚有阻礙作用，超聲功率越大，空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)作用越強，SiC 顆粒的分布改善效果越明顯。

2) SiC顆粒在超聲作用形成的駐波場中會發(fā)生偏聚現(xiàn)象，因此超聲作用時間存在一個最佳值，熔體經(jīng)2 000 W功率超聲施加15 min后有利于獲得最佳的SiCp/7050復(fù)合材料微觀組織。

3) SiC/7050復(fù)合材料熔體經(jīng)超聲處理后，隨靜置時間增加會重新偏聚，因此在復(fù)合材料熔體經(jīng)超聲處理后，澆注越快越容易獲得均勻的復(fù)合材料微觀組織。

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(編輯 高海燕)

Microstructure uniformity in preparation of SiCp/7050 composites by using high-energy ultrasound

LI Zhenghua, LI Xiaoqian, LI Changzi, JIANG Wen

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

7050 aluminum matrix composites reinforcd with SiC particles were prepared by the high-energy ultrasound-assisted method. The effects of ultrasonic process parameters on distributing uniformity of SiC particles and mechanism of ultrasonic were researched. The results show that the effect of ultrasonic cavitation on reducing agglomeration of the particles is remarkable, and with the ultrasonic power increasing, the distribution of SiC particles is improved. However, the SiC particles in ultrasonic standing wave field will gather at some time due to the effect of acoustic radiation. Based on the influences of ultrasound process, the optimum ultrasonic power and ultrasonic treatment time were 2 000 W and 15 min, respectively.

ultrasonic; SiC; 7050; aluminum matrix composites; cavitation effect; uniformity

TG249.9; TB559

A

1673?0224(2016)06?847?08

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)項目(2010CB731706；2012CB619504)

2015?11?16；

2016?03?15

黎正華，工程師。電話：15974181925；E-mail：lizhenghua0904@163.com