含納米SiC 顆粒的鋁基復(fù)合材料半固態(tài)漿料的表觀粘度研究

（華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

液態(tài)、半固態(tài)金屬的流變性是指在外力作用下熔體的流動、變形能力，而流變性能主要表現(xiàn)為粘度或表觀粘度的變化規(guī)律，通常用粘度或表觀粘度（ηa）作為流變性的指標(biāo)[1]。粘度是熔體的一個非常重要的物理性質(zhì)，用來描述流體的流動阻力，由剪切應(yīng)力與速度梯度的比值導(dǎo)出[2—3]。目前對于液態(tài)、半固態(tài)漿料的粘度或表觀粘度研究更多集中在金屬合金，對于復(fù)合材料的研究相對較少，并且納米級增強(qiáng)顆粒對粘度的影響尚無定論。

Wang[4]研究了Al2O3/ZA22 合金的流變性能，認(rèn)為添加的微米級顆粒導(dǎo)致復(fù)合材料表觀粘度迅速提高，顆粒尺寸越小粘度越高，粘滯力的提升是復(fù)合熔體表觀粘度增加的主要原因，另一個原因是氣體隨微粒一起進(jìn)入。張楨林等[5]研究了體積分?jǐn)?shù)為10%，15%，20%的微米級SiCp對SiCp/A357 復(fù)合材料熔體半固態(tài)表觀粘度影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)隨著SiCp含量的增加，復(fù)合材料表觀粘度增大，其他條件不變時，隨著剪切速率增大，其表觀粘度降低。當(dāng)考慮SiCp所占固相率，保持復(fù)合材料的總固相分?jǐn)?shù)不變時，因?yàn)棣?Al 數(shù)目變少，所以表觀粘度低于基體合金的。Sohrabi 等[6]研究了SiC 添加量不同時（體積分?jǐn)?shù)為5%，15%，25%），A356 的流變行為，發(fā)現(xiàn)微米級SiC 含量增加時粘度增加，剪切速率增加粘度下降，并且添加高含量SiC 時流體觸變特性更加明顯。

文中研究了SiCp質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時，液相線以上高溫降至凝固區(qū)間過程中，納米SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料和納米SiCp/A356 復(fù)合材料的整體流變行為，著重分析了液相線以上液態(tài)時由納米SiCp含量帶來的表觀粘度差異。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 復(fù)合材料制備

制備了Al-5Cu 合金和A356 合金兩種基體的納米SiCp增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，基體合金的化學(xué)成分如表1 所示。外加增強(qiáng)顆粒粉末為納米級β-SiC 陶瓷顆粒，平均粒徑為40 nm，純度＞99.9%。

表1 兩種基體合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical compositions of two matrix alloys (mass fraction) %

納米SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法參考本課題組已發(fā)表的論文[7—10]，制備了納米SiC 添加量不同（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，0.5%，1%，1.5%，2%）的SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料5 種，以及納米SiC 添加量不同（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，0.5%，1%，2%）的SiCp/A356（Al-Si 合金基體）復(fù)合材料4 種。

根據(jù)相圖及相關(guān)文獻(xiàn)，Al-5Cu 的液相線溫度為650 ℃[11]，A356 合金的液相線溫度為615 ℃[12]。

1.2 表觀粘度測試

采用同軸旋轉(zhuǎn)圓筒法測試復(fù)合材料熔體的表觀粘度，粘度測試儀型號為RTW-10 型（東北大學(xué)研制），示意圖如圖1 所示。切取已制備好的納米SiC顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料圓棒試樣140～150 g，放進(jìn)特定石墨坩堝9 中，坩堝內(nèi)徑為40 mm，高度為70 mm，然后放入電阻爐7 中加熱至760 ℃熔融，打開電腦2 和控制柜1。溫度在達(dá)到200 ℃時通高純氬氣，此后全程氬氣保護(hù)，并全程通循環(huán)冷卻水保護(hù)爐體。實(shí)驗(yàn)開始后，電阻爐由計(jì)算機(jī)測量系統(tǒng)程序加熱控溫。

圖1 同軸旋轉(zhuǎn)圓筒法測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of coaxial rotating cylinder test device

通過測量系統(tǒng)程序獲得熔體漿料不同定點(diǎn)溫度下的表觀粘度或連續(xù)冷卻溫度-粘度曲線。在標(biāo)定零點(diǎn)之后，由于已獲得粘度常數(shù)，可以開始測量粘度。將懸掛在坩堝上方預(yù)熱好的鉬測頭8 插入熔體中距底部10 mm 處，通過升降機(jī)控制鉬測頭位置。在不同的選定溫度下，表觀粘度的測定按組進(jìn)行，每組包含30 個熔體表觀粘度值，記錄后20 個值，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)?shù)? 組數(shù)值出來時，計(jì)算前60 個數(shù)值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。此外，還得到了不同冷卻速度下熔體的連續(xù)冷卻溫度曲線，表明了表觀粘度與溫度之間的關(guān)系。最后，關(guān)掉程序，在300 ℃以下時關(guān)閉氬氣和冷卻水。

測試原理如下：當(dāng)剛玉桿上連接的鉬測頭在含有復(fù)合材料漿料的同軸圓筒容器中勻速旋轉(zhuǎn)時，會發(fā)生鉬測頭與容器壁之間的流體運(yùn)動。流體的運(yùn)動形成了一個速度梯度，由于流體的動態(tài)粘滯力作用，產(chǎn)生了一個力矩來平衡流體運(yùn)動所產(chǎn)生的速度梯度。利用吊絲懸掛系統(tǒng)傳感器對剛玉桿的力矩和角速度進(jìn)行了精確測量，計(jì)算出了流體的表觀粘度。

一般，當(dāng)產(chǎn)生力矩（M）的速度梯度在流體層流中保持恒定時，力矩（M）由式（1）計(jì)算：

式中：r為鉬測頭的半徑；R為石墨坩堝容器的半徑；h為鉬測頭插入石墨坩堝容器中漿料的深度；ω為鉬測頭的角速度；η為熔體漿料的表觀粘度。根據(jù)式（2）計(jì)算熔體的表觀粘度η：

式中：K是系統(tǒng)的測定粘度常數(shù)，由已知標(biāo)準(zhǔn)液測定。

文中吊絲懸掛系統(tǒng)和鉬測頭以12 r/min 的固定速度旋轉(zhuǎn)，即固定了剪切速率為13.2 s-1，且在整個測量過程中保持不變。剪切速率（）可以通過電機(jī)轉(zhuǎn)速（n）確定，計(jì)算如式（4）所示：

2 結(jié)果及討論

2.1 納米 SiCP 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的鑄態(tài)組織

選取了制備的納米SiCp質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%和1%的SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料，其不同放大倍數(shù)的鑄態(tài)組織如圖2 所示。除納米SiCp顆粒外，Al-5Cu 基體組織中主要包含α-Al，Al2Cu 及少量AlCuMn 金屬間化合物相等[7,9]。

以納米SiCp質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的SiCp/A356 復(fù)合材料為例，其不同放大倍數(shù)的鑄態(tài)組織如圖3 所示。除納米SiCp顆粒外，A356 合金（Al-Si 合金）基體組織中主要包含α-Al、共晶Si 相以及少量化合物相等[8,10]。

圖2 SiCp 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料的鑄態(tài)組織Fig.2 Microatructure of SiCp/Al-5Cu composites with different content of SiCp in as-cast state

2.2 納米SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料漿料的表觀粘度

2.2.1 不同含量納米SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料的表觀粘度

圖3 SiCp 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的SiCp/A356 復(fù)合材料的鑄態(tài)組織Fig.3 Microatructure of 2 wt.% SiCp/A356 composites in as-cast state

基體合金（納米SiCp添加量為0）和不同添加量（納米SiCp質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，1%，1.5%，2%）的納米SiCP/Al-5Cu 復(fù)合材料在不同溫度下的表觀粘度曲線見圖4。可以看出，溫度是影響復(fù)合材料表觀粘度的一個重要因素。隨著溫度的降低，同一復(fù)合材料熔體漿料的表觀粘度會迅速上升。將基體合金到添加量依次為0.5%，1%，1.5%，2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的納米SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料的每組試樣，從最高720 ℃降至640 ℃，其表觀粘度分別上升了146%，135%，64%，27%，32%，其中上升幅度最大的是基體合金，最小的1.5%和添加量為2%的SiCp漿料（二者比較接近），這是因?yàn)閺?fù)合材料在640 ℃時已經(jīng)是半固態(tài)狀態(tài)，表明：①在液態(tài)熔體中，增強(qiáng)顆粒對復(fù)合材料的表觀粘度有很大的影響；② 半固態(tài)時，基體合金和復(fù)合材料的表觀粘度差異相比液態(tài)時變小，這時表觀粘度受固相率的影響，即基體合金隨著固相率的增加，表觀粘度也會急劇增加，增強(qiáng)顆粒對表觀粘度的影響比例逐漸減弱。

圖4 基體合金和不同添加量的納米SiCp/Al-5Cu復(fù)合材料的表觀粘度與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between apparent viscosity and temperature of matrix alloys and nano-SiCp/Al-5Cu composites with different content of nano-SiCp

由圖4 可知，在同樣溫度下，隨著納米SiCp含量的增加，相比于基體合金，復(fù)合材料的表觀粘度迅速增加，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%，復(fù)合材料表觀粘度最高?；w合金與納米SiCp質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，1%，1.5%，2%的納米SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料在最高720 ℃時的表觀粘度分別為0.46，0.58，0.92，1.33，1.73 Pa·s。納米SiCp質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時，復(fù)合材料表觀粘度的提升程度如表2 所示，相比基體合金，各含量的復(fù)合材料分別提升了27%，101%，190%，279%。在納米SiCp質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時，表觀粘度提升幅度最大，這表明液態(tài)下復(fù)合材料中由于添加了納米SiCp，導(dǎo)致基體合金熔體增大了粘滯力，隨著含量的上升，粘滯力大大提高。從表2 還可看出，在640 ℃半固態(tài)時，基體合金與納米SiCp質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，1%，1.5%，2%的納米 SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料的表觀粘度分別為1.13，1.36，1.51，1.69，2.28 Pa·s，相比基體合金，各含量的復(fù)合材料分別提升了 21%，34%，50%，102%，SiCp質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時，表觀粘度提升幅度同樣最大，但是相比于同含量液態(tài)下的提升幅度值，明顯減小，這同樣說明在半固態(tài)時，α-Al 固相率的增加，增強(qiáng)顆粒影響表觀粘度的比重迅速減小。此外，Al-5Cu 基體合金的冷卻曲線斜率最大，表明溫度降低時，Al-5Cu 合金的表觀粘度上升最快。

表2 相比基體合金不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米SiCp下復(fù)合材料表觀粘度的提升程度Tab.2 Improvement of apparent viscosity of composites with different content of nano-SiCp %

使用納米SiCp的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（mSiC）來代替體積分?jǐn)?shù)φ，從而建立復(fù)合材料的表觀粘度（ηAMC）相比于基體合金（ηA）的增幅（ηAMC/ηA）模型，相關(guān)二次多項(xiàng)式模型[13]如式（5）所示：

式中：系數(shù)a、b和常數(shù)c可以通過擬合圖4 曲線計(jì)算得到，660，680，700，720 ℃這4 個溫度下的擬合見公式（6—9），依次如下：

式（6—9）4 個模型的擬合度分別是0.97，0.99，0.99，0.99，擬合度均非常高，由此可知，式（6—9）模型可以作為有效模型，用以預(yù)測評估納米SiCp含量在不同溫度下對Al-5Cu 基復(fù)合材料相比基體合金表觀粘度的增幅情況，進(jìn)而推斷Al-5Cu 基復(fù)合材料在不同條件下的表觀粘度，并且說明了納米SiCp顆粒含量對復(fù)合材料表觀粘度的影響是呈二次項(xiàng)增長的。另外，由式（6—9）可知，溫度越高的情況下，隨著SiCp含量上升，在液相線以上時對復(fù)合材料表觀粘度增幅影響越大，由此可以看出溫度對表觀粘度的影響極其重要。

綜上所述，納米SiCp含量和溫度是影響復(fù)合材料表觀粘度的兩個重要因素，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制作三維曲面圖可以更清晰地說明納米SiCp含量和溫度對表觀粘度的影響規(guī)律，如圖5 所示。

圖5 納米SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料表觀粘度與SiCp 含量及溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between apparent viscosity and SiCP content and temperature of nano-SiCP/Al-5Cu composites

2.2.2 不同含量納米SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料的觸變特性

觸變特性是半固態(tài)金屬在一定剪切速率下，表現(xiàn)出粘度的時間依賴性，是一種暫態(tài)流變行為，是當(dāng)剪切速率一定時，漿料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷被破壞，表觀粘度在一段時間內(nèi)逐漸下降的特性[14]。觸變性是研究流變行為里最重要的一個方面。本實(shí)驗(yàn)中，測試儀以12 r/min 的固定速度旋轉(zhuǎn)，即固定了剪切速率為13.2 s-1，實(shí)驗(yàn)溫度選擇700 ℃。復(fù)合材料由于納米顆粒的加入，使得其在液態(tài)時是一個復(fù)雜的動態(tài)懸浮系統(tǒng)，不同于Al-5Cu 合金的傳統(tǒng)牛頓流體熔液。半固態(tài)合金尤其接近液相線，形核晶粒在微米級以下時的狀態(tài)與復(fù)合材料很相似，具有很大的參考價值。

基體合金和不同含量納米SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料在700 ℃下的觸變性見圖6，從圖6 可知，首先當(dāng)鉬測頭開始旋轉(zhuǎn)測量時，所有基體合金和復(fù)合材料曲線的表觀粘度值均開始下降，然后Al-5Cu 合金的曲線在中間時間保持平穩(wěn)后繼續(xù)輕微下降，而其他復(fù)合材料的表觀粘度值在達(dá)到最小值后均開始上升。這種情況可以由以下原因闡釋：不同含量納米SiCp的復(fù)合材料一開始在鉬測頭以固定剪切速率攪拌時，如同基體合金表現(xiàn)的觸變特性一樣，表觀粘度值均開始下降，然后繼續(xù)下降直到達(dá)到一個熔體穩(wěn)定流動的狀態(tài)。然后，復(fù)合材料的表觀粘度值隨后開始逐漸上升，這是因?yàn)椋孩儆捎诩{米SiCp的高比表面積，容易自發(fā)在熔體中團(tuán)聚，當(dāng)團(tuán)聚變大時會嚴(yán)重影響復(fù)合材料漿料的表觀粘度；② 由于時間過長造成的一定氧化和納米SiCp與α-Al 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的熔體渣增加了固相率，提高表觀粘度；③實(shí)際操作中的坩堝杯型較小，液面張力大，在浮渣生成的情況下進(jìn)一步減小有效液面積。

圖6 基體合金和不同添加量的納米SiCp/Al-5Cu復(fù)合材料在700 ℃下的觸變性行為Fig.6 Thixotropic behavior of matrix alloy and nano-SiCp/Al-5Cu composites with different content of nano-SiCp at 700 ℃

2.3 納米SiCp/A356 復(fù)合材料漿料的表觀粘度

A356 基體合金（納米SiCp添加量為0）和不同添加量（納米SiCp質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，1%，2%）的納米SiCp/A356 復(fù)合材料在670，700，730 ℃的表觀粘度的關(guān)系，如圖7 所示?？梢钥闯?，與Al-5Cu 復(fù)合材料規(guī)律類似，隨著溫度的升高，同一復(fù)合材料熔體漿料的表觀粘度會迅速下降，并且670 ℃到700 ℃時的下降幅度明顯大于700 ℃到730 ℃的幅度。這說明，熔體過熱度越高，粘度變化越平緩，但考慮實(shí)際氧化的問題，制備復(fù)合材料一般在700 ℃左右進(jìn)行超聲等工藝處理，并全程施加高純氬氣保護(hù)。下降幅度最大的是A356 基體合金，最小的是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的納米SiCp/A356 復(fù)合材料，說明在液態(tài)時，增強(qiáng)顆粒對復(fù)合材料的表觀粘度有很大影響。從表3 可以看出，隨著納米SiCp含量上升，相比基體A356 合金，同溫度下熔體表觀粘度增加且增加幅度變大，2%時增幅最大。這表明液態(tài)下的A356 復(fù)合材料中由于添加了納米SiCp，改變了熔體的粘滯力，隨著含量的上升，納米SiCp與Al 粘滯力大大提高。綜上，納米SiCp含量和溫度同樣也是影響A356 復(fù)合材料表觀粘度的兩個重要因素。

圖7 A356 基體和納米SiCp/A356 復(fù)合材料表觀粘度與SiCp 質(zhì)量分?jǐn)?shù)及溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between apparent viscosity of A356 matrix and nano-SiCP/A356 composites with SiCp content and temperature

表3 相對于基體合金不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米SiCp/A356復(fù)合材料表觀粘度的提升幅度Tab.3 Improvement of apparent viscosity of nano-SiCp/A356 composites with different content of nano-SiCp %

建立關(guān)于納米SiCp含量與納米SiCp/A356 復(fù)合材料的表觀粘度（ηAMC）相比于基體合金（ηA）的增幅（ηAMC/ηA）模型，參考式（5）得到式（6）模型，用以擬合圖7 中3 個溫度下的曲線，670，700，730 ℃下的擬合見式（10—12）：

式（10—12）這3 個模型的擬合度分別為0.89，0.93，0.94，擬合度均非常高，由此可知，式（10—12）模型可以作為預(yù)測納米 SiCp含量在不同溫度下對A356 復(fù)合材料相比基體表觀粘度增幅情況的有效模型，并且結(jié)合前面研究納米SiCp/Al-5Cu 復(fù)合材料的結(jié)論，可以獲得納米SiCp增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料表觀粘度隨納米SiCp含量變化關(guān)系的一般規(guī)律。

比較納米SiCp/Al-5Cu 和A356 兩種復(fù)合材料在700 ℃下的表觀粘度，可以看出，在同等條件下，A356基體合金（Al-7Si）要比Al-5Cu 合金的粘度小。隨著納米SiCp的含量增加，兩種復(fù)合材料的表觀粘度均增加，但是比值逐漸變大，說明納米SiCp對Al-5Cu復(fù)合材料的表觀粘度增幅程度比A356 的增幅要大。

3 結(jié)論

研究了不同含量下納米SiCp/Al-5Cu 和納米SiCp/A356 兩種復(fù)合材料的表觀粘度受溫度和納米SiCp含量這兩個重要因素的影響。主要結(jié)論如下。

1）隨著納米SiCp含量的增加，復(fù)合材料的表觀粘度相比于基體合金會迅速增加，達(dá)到最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%時，復(fù)合材料表觀粘度最高，并且提升幅度最大。

2）隨著溫度的降低，同一復(fù)合材料熔體漿料的表觀粘度會迅速上升。在溫度處于半固態(tài)時，基體合金和復(fù)合材料的表觀粘度差異相比液態(tài)時變小，這時表觀粘度受半固態(tài)固相率的影響很大，增強(qiáng)顆粒對表觀粘度的影響比重逐漸減弱。

3）建立了納米SiCp含量與復(fù)合材料的表觀粘度（ηAMC）相比于基體合金（ηA）的增幅數(shù)學(xué)模型。

4）在同等條件下，A356 基體合金（Al-7Si）比Al-5Cu 基體合金的粘度小。隨著納米SiCp的含量增加，納米SiCp對Al-5Cu 的復(fù)合材料表觀粘度增幅程度比A356 的增幅要大。