B₄C／Al復(fù)合材料的組織、力學(xué)性能和制備研究進展

石細橋　柏興旺　俞雪奇　何鵬

摘要：B₄C顆粒增強鋁基復(fù)合材料不僅比強度高、耐磨性能優(yōu)異，還兼具多種功能特性，是核工業(yè)、航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域中不可缺少的結(jié)構(gòu)材料和功能材料。綜述了B4C/Al復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了攪拌鑄造法、粉末冶金法和冷噴涂增材制造法等各種方法的優(yōu)缺點，對比了不同工藝下制備的B₄C顆粒增強鋁基復(fù)合材料的硬度、拉伸強度、屈服強度、抗壓強度等力學(xué)性能方面及顯微組織的表現(xiàn)，并展望了其發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：B₄C/Al復(fù)合材料;顯微組織;力學(xué)性能

中圖分類號：TB333 文獻標志碼：A

文章編號：1009—9492（2021）03—0076—03

0引言

B₄C顆粒增強鋁基復(fù)合材料（AMC），因其具有高比強度、高比剛度、良好的力學(xué)性能以及出色的導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，成為航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域中不可缺少的結(jié)構(gòu)材料和功能材料。B₄C/Al復(fù)合材料還是一種有效的中子屏蔽材料，例如：國外的Boral和Metamic品牌中子吸收材料，常在核電站中被用于制造乏核燃料的運輸容器和儲存桶，B₄C顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有低密度和高強度，DWA-USA公司將B₄C/A16061復(fù)合材料應(yīng)用到燃油口蓋等器件上。

本文主要對B₄C/Al金屬基復(fù)合材料的制備方法、組織、力學(xué)性能等方面進行了詳細的綜述，并討論了B₄C增強鋁基復(fù)合材料制備方法的優(yōu)缺點。

1顯微組織和力學(xué)性能

1.1攪拌鑄造法

攪拌鑄造法是將B₄C顆粒通過機械攪拌的方式加入到熔融鋁合金液中均勻混合，是制備B4C/A1復(fù)合材料最常用的方法。B₄C增強相顆粒含量（質(zhì)量分數(shù)和體積分數(shù)）對B₄C/Al復(fù)合材料的力學(xué)性能具有較大的影響。當加入適當?shù)腂₄C顆粒時，B₄C顆粒均勻彌散在鋁基體上，B₄C/Al復(fù)合材料的綜合性能可以顯著提高。其優(yōu)點是制備工藝簡單，成本低，可批量工業(yè)化生產(chǎn)。缺點是由于制備過程中溫度高，增強體與基體極易發(fā)生界面反應(yīng)，影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。攪拌鑄造法僅適用于制備增強相顆粒含量（質(zhì)量分數(shù)和體積分數(shù)）低的鋁基復(fù)合材料，一般不超過20%，這是由于B₄C顆粒含量的增加，熔體的濃度過高，在界面處易發(fā)生團聚現(xiàn)象，影響增強顆粒與基體的潤濕性。

Ravi B等采用改進的攪拌鑄造法研究了不同質(zhì)量分數(shù)功C/Al復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)：B₄C顆粒均勻地分布在基體上，在界面結(jié)合良好的情況下，隨著B₄C質(zhì)量分數(shù)的增加，復(fù)合材料的硬度從62 HV增加到68 HV，拉伸強度從117 MPa增加到145 MPa;復(fù)合材料的顯微硬度由51.3 HV提高到80.8 HV，宏觀硬度由34.4 BHN提高到58.6 BHN，拉伸強度由185 MPa提高到215 MPa。Dixit等采用攪拌鑄造工藝制備了質(zhì)量分數(shù)0～12的B₄C/Al復(fù)合材料，研究表明，在攪拌鑄造過程中，B₄C顆粒與鋁基體均勻混合，且在鋁基復(fù)合材料中無孔隙。楊氏模量、拉伸強度隨著B4C的質(zhì)量分數(shù)從0增加到6 wt.%，從9wt.%下降到12wt.%。復(fù)合材料的硬度隨著B₄C質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，這是由于像碳化硼陶瓷顆粒作為硬質(zhì)材料添加到基體中會增加硬度。Baradeswaran等采用攪拌鑄造工藝制備了體積分數(shù)5～20 vpl.%且顆粒尺寸為16～20μm的B₄C/Al7075復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，B₄C/Al7075復(fù)合材料的硬度、極限拉伸強度、抗壓強度和抗彎強度隨B₄C含量的增加而增加，且顯著高于基體合金的強度。隨著B₄C顆粒含量的增加，復(fù)合材料的耐磨性能提高，摩擦因數(shù)逐漸減小，在10 vol.%B₄C時摩擦因數(shù)最小，為0.32。

1.2粉末冶金法

粉末冶金法是制備金屬基復(fù)合材料常用的固態(tài)方法之一。粉末冶金法優(yōu)勢是制備顆粒增強鋁基復(fù)合材料加熱溫度低，極大減弱了增強顆粒與鋁合金基體的界面反應(yīng)。能夠大范圍有效控制B₄C顆粒含量（體積分數(shù)和質(zhì)量分數(shù)），有利于避免顆粒的聚集和團聚現(xiàn)象，增強相均勻分布在基體上，從而提高鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能。其劣勢是，由于粉末冶金模具和燒結(jié)爐尺寸的限制無法制備大尺寸產(chǎn)品，產(chǎn)品內(nèi)部孔洞率高，需對制備的產(chǎn)品進行二次加工，因此，在工業(yè)上應(yīng)用的要求還遠遠達不到。

Karimzadeh等采用MA和熱壓法制備了質(zhì)量分數(shù)分別為5～15wt.%的B，C納米顆粒增強的大塊鋁基復(fù)合材料。研究表明，隨著B₄C納米顆粒含量的增加，材料的極限抗壓強度、硬度增加，塑性降低。當B₄C質(zhì)量分數(shù)為15wt.%時，復(fù)合材料的極限抗壓強度為485 MPa，遠高于純Al（130 MPa），復(fù)合材料最大硬度為164 HV，明顯高于純鋁（33 HV）。Karabulu等采用粉末冶金和熱擠壓法制備了質(zhì)量分數(shù)為5～20wt.%的B4C/M6061復(fù)合材料。研究表明，B₄C顆粒在6061 Al基體中均勻分布，與基體界面結(jié)合良好。由于B₄C顆粒的潤濕性差，在10wt.%的B₄C試樣中觀察到一些團聚顆粒，以及界面的一側(cè)觀察到一些界面孔隙。隨著B₄C質(zhì)量分數(shù)的增加，硬度增加，斷裂韌性降低，當B₄C質(zhì)量分數(shù)為20wt.%時，復(fù)合材料具有最大的硬度。當B₄C質(zhì)量分數(shù)為10wt.%時，斷裂韌性最大。當B4C質(zhì)量分數(shù)為15wt.%時，拉伸強度和橫向斷裂強度最大。Gao等采用粉末冶金法，制備0～15wt.%B₄C_p6061Al中子吸收復(fù)合材料。研究表明，不同增強量的B，CJ6061M復(fù)合材料軋制后，復(fù)合材料中B₄C顆粒分布均勻，基體界面未見明顯裂紋或氣孔，界面結(jié)合良好。B₄C含量從0wt.%增加到15wt.%，復(fù)合材料的相對密度從99.7%下降到99.47%，屈服強度從31.6 MPa增加到3815 MPa，硬度從133.5±2.7 HV增加到168.9±2.9 HV，極限拉伸強度從342.4±9.1 MPa增加到451.0+7.7 MPa。不同含量下力學(xué)性能如表1所示。

1.3冷噴涂增材制造

冷噴涂增材制造技術(shù)（CSAM）是一種很有前途的非熱加工的固態(tài)材料沉積技術(shù)，用于生產(chǎn)純金屬（Ca、Al、Ti等）、合金（316、304L、Ti64、7075Al、6061Al、A380）和復(fù)合材料的厚鍍層。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，冷噴涂增材制造的優(yōu)勢是沉積速率高，能夠靈活制備各種各樣的多功能材料和功能梯度材料。冷噴涂增材制造制備的B₄C/Al復(fù)合材料涂層的力學(xué)性能與溫度和涂層厚度有關(guān)，隨著溫度的升高，復(fù)合材料涂層的孔隙率、硬度和屈服強度降低，極限拉伸強度和延伸率升高。隨著涂層厚度的降低，屈服強度、極限拉伸強度和延伸率升高。

Xiong等采用冷噴涂增材制造技術(shù)，成功在6061-T6圓柱形基板上沉積6mm厚的中子屏蔽B₄C/Al基復(fù)合材料。研究了在200℃、300℃、400℃和500℃不同熱處理條件下，獨立涂層的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和中子屏蔽性能。顯微組織檢查表明，在基體上沉積了6mm厚的B₄C/Al復(fù)合材料，沒有任何明顯的表面缺陷或界面脫落。隨著熱處理溫度從200℃升高，涂層逐漸恢復(fù)了延展性，并且由于通過恢復(fù)和再結(jié)晶機制逐漸改善了板間晶界的結(jié)合，從而提高了強度。在500℃熱處理的涂層表現(xiàn)出最大的延展性（1.4%）和強度（60 MPa），最小孔隙度為1.9%。中子屏蔽結(jié)果表明，中子隨厚度的增加而衰減。Tariq等通過將冷噴涂制備的B4C/Al復(fù)合材料涂層在約500℃的加熱爐中加熱2h，然后對選取的3個試樣進行單向軋制熱機械處理（TMT），3個試樣厚度分別降低20%、40%和60%。顯微組織研究表明，隨著厚度減少從20%增加到60%，復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)逐步細化，B₄C顆粒間的距離逐漸減小，增強顆粒在基體上分布越均勻，顯著改善了Al/Al板與B₄C/Al界面之間的結(jié)合。噴涂后的B₄C/Al復(fù)合材料表現(xiàn)出最大的孔隙率（3.90±0.03%），厚度減小從20%增加到60%的B₄C/Al復(fù)合材料涂層，孔隙率從1.45±0.03%逐漸減小到0.53±0.03%。其中TMT-20、TMT-40、TMT-60分別表示厚度減小20%、40%和60%的B₄C/M基復(fù)合材料。力學(xué)性能研究表明，復(fù)合材料的YS、UTS和EL同時得到了增強。與B₄C/Al復(fù)合材料涂層和傳統(tǒng)熱處理B₄C/Al復(fù)合材料涂層相比，厚度減小60%TMT制備B₄/Al復(fù)合材料涂層的極限拉伸強度和延伸率最大，約132 MPa和5.2%。傳統(tǒng)熱處理B4C/Al復(fù)合材料涂層相比，厚度減小20%TMT制備的B₄C/Al復(fù)合材料涂層的屈服強度和極限拉伸強度增加了2倍以上，延伸率增加了3倍。不同條件下復(fù)合材料涂層的孔隙率與力學(xué)性能如表2所示。

2結(jié)束語

B～C/M復(fù)合材料由于其具有良好的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、抗腐蝕性和中子屏蔽性能越來越受到關(guān)注。但B₄C顆粒在基體上分布均勻性是影響復(fù)合材料綜合性能的關(guān)鍵性因素。然而，從以上綜述的制備方法來看，每種方法都存在一定的缺陷，由于制備成本高，工藝復(fù)雜等因素，制約了大塊制品和大面積防護裝置的應(yīng)用。因此，需將以上各種制備方法的優(yōu)勢加以融合來開發(fā)新的制備技術(shù)。AMC表現(xiàn)出改善的硬度、耐磨性、抗拉強度、壓縮強度和降低的摩擦系數(shù)，并且隨著增強含量的增加而進一步提高。

攪拌鑄造法和粉末冶金法制備B₄C/M復(fù)合材料，B₄C顆粒在基體上分布均勻，且界面結(jié)合良好。隨著B4C顆粒含量（質(zhì)量分數(shù)和體積分數(shù)）的增加，硬度、拉伸強度、屈服強度和耐磨f生提高，塑性降低。攪拌鑄造法存在氣孔、團聚和金屬間化合物等缺點，一般制備B₄C顆粒含量不超過20%，而粉末冶金法將這些缺陷降至最低。冷噴涂增材制造制備的B₄C/Al復(fù)合材料涂層的力學(xué)性能與溫度和涂層厚度有關(guān)，隨著溫度的升高，復(fù)合材料涂層的孔隙率、硬度和屈服強度降低，極限拉伸強度和延伸率升高。隨著涂層厚度的降低，屈服強度、極限拉伸強度和延伸率升高。