SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料制備工藝及彈性模量研究進展

盧才璇，王利民，何 衛(wèi)，湯 超，吳 昊，陳勝男，吳細毛

（1.南瑞集團有限公司，南京 211106；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽 110004）

引言

鋁合金材料具備重量輕、強度高、導(dǎo)電性好等優(yōu)點，因此在航空航天、汽車工業(yè)、電力、建筑等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用。在軍工和汽車領(lǐng)域，以鋁代鋼能夠起到輕量化的作用；在電力行業(yè)，鋁合金材料在導(dǎo)電性能、防腐性能、節(jié)能等方面都優(yōu)于鋼鐵材料，目前已廣泛替代鋼鐵材料進行使用。與鋼鐵材料相比，鋁合金在強度方面可達到Q345 鋼的水平，但是彈性模量卻只有鋼的1/3，作為結(jié)構(gòu)材料剛度遠不如鋼鐵，這也是限制其作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的瓶頸。目前鋁合金材料（包括鋁基復(fù)合材料）研究的重點主要在于提升材料的強度，對于材料模量的提升關(guān)注相對較少，一種既具備高強度又有高模量的鋁合金材料在工業(yè)領(lǐng)域勢必會更受歡迎。

提升鋁合金材料強度的方法主要是添加增強相，包括原位生成的增強相和外加的增強相。添加合金元素雖然能夠生成第二相對材料起到強化作用，能夠顯著提升材料的強度，但對材料彈性模量提升并不明顯。表1列出了幾種典型鋁合金材料強度與彈性模量值[1]，可以看出，不同系列鋁合金材料雖然強度有差異，但是彈性模量均在70 GPa 左右。添加顆?；蚶w維等增強相形成鋁基復(fù)合材料不僅能明顯提升材料強度，而且對彈性模量的提高也有顯著作用，表2 列出了幾種鋁基復(fù)合材料的抗拉強度與彈性模量等力學(xué)性能[2-4]，添加增強相對材料彈性模量的提升較為明顯。在這之中，SiC 顆粒增強鋁基復(fù)合材料是研究最為廣泛也是效果最為顯著的一種高模量鋁合金材料，本文將探討高模量SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的研究進展。

表1 幾種常用鋁合金材料的力學(xué)性能

表2 鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能

1 SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料制備工藝

目前制備SiC 顆粒增強鋁基復(fù)合材料的工藝主要有粉末冶金、攪拌鑄造、無壓浸滲等。表3為國內(nèi)外研究機構(gòu)采用不同工藝制備SiC 顆粒增強鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能[5-10]。

表3 不同工藝制備SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能

1.1 粉末冶金

粉末冶金法是先將增強體顆粒與鋁合金基體用球磨等機械方式混合均勻并壓制成坯料，隨后在模具中進行模壓或冷等靜壓及真空除氣，接著進行熱壓燒結(jié)，最后通過塑性變形加工成所需部件。粉末冶金法的優(yōu)點在于增強體顆粒和鋁合金基體的配比控制準確、方便，工藝成熟且成型溫度低，因此不存在界面反應(yīng)，質(zhì)量穩(wěn)定。缺點是工藝程序復(fù)雜、要求嚴格、成本高，制備的零件結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸都受到限制，難以大規(guī)模應(yīng)用。

程南璞等[6]采用粉末冶金加熱擠壓工藝制備了12%SiCp/Al復(fù)合材料，在熱壓燒結(jié)前先對碳化硅顆粒進行表面氧化酸洗處理來改善碳化硅顆粒與鋁合金基體的界面潤濕性，以此制備的復(fù)合材料增強相分布均勻，屈服強度和抗拉強度分別為472.4 MPa、525.7 MPa，伸長率為6.5%，彈性模量為97.2 GPa。游江等[7]利用粉末熱擠壓工藝制備了SiCp/2024 鋁基復(fù)合材料，分析測試了復(fù)合材料擠壓態(tài)和熱處理態(tài)的顯微組織及力學(xué)性能，結(jié)果表明，SiC 顆粒和析出的細小第二相粒子均勻地分布在鋁合金基體中，部分區(qū)域存在輕微團聚的SiC 顆粒，晶粒沿擠壓方向被顯著拉長，剛性的SiC 顆粒長軸平行于擠壓方向分布，形成熱加工纖維組織。將復(fù)合材料進行T6 熱處理后，復(fù)合材料的晶粒比較細小，其抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為479 MPa、425 MPa、3.55%～4.08%。復(fù)合材料熱處理后的斷裂方式主要有3 種：SiC 顆粒的脆性斷裂、SiC 顆粒與基體合金的剝離和基體合金的韌性斷裂。

1.2 攪拌鑄造

攪拌鑄造法是將SiC 顆粒加入到熔融的鋁合金液中，使用機械或電磁或超聲作用對其進行攪拌，將增強相均勻分布到鋁合金液中，隨后澆鑄得到復(fù)合材料鑄錠的方法。該方法的優(yōu)點是工藝簡單、設(shè)備投資少、生產(chǎn)效率高、制造成本低、可規(guī)?；a(chǎn)。缺點是加入的增強體顆粒不能太小，否則與基體金屬液的浸潤性差，不易進入金屬液或在金屬液中容易團聚或上浮并氧化成浮渣。同時顆粒與鋁合金基體存在界面反應(yīng)，強烈的攪拌容易造成鋁合金液氧化，形成大量夾雜及氣泡。顆粒加入的體積分數(shù)也受到一定限制，只能制成鑄錠，后續(xù)還需要進行二次加工。

K M Shorowordi 等[8]分別以顆粒狀B4C、SiC 和Al2O3為增強相，采用攪拌鑄造法制備了鋁基復(fù)合材料。研究表明，當攪拌時間超過30 min 時在Al-SiC界面處發(fā)生了界面反應(yīng)，而在其他兩種增強相界面處沒有發(fā)現(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物。Yong Yang 等[9]在攪拌鑄造過程中采用超聲分散技術(shù)實現(xiàn)了納米級SiC 顆粒在A356鋁合金基體中的均勻分散，微觀組織分析表明部分SiC 顆粒表面發(fā)生了氧化生成SiO2，即便在納米級SiC 顆粒添加量很少的情況下，復(fù)合材料也表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，當SiC 顆粒添加量為2.0%時，復(fù)合材料的屈服強度較基體提升了50%。郝世明等[10]采用液態(tài)攪拌鑄造工藝制備了SiCp含量分別為15%和20%的SiCp/ZL108 鋁基復(fù)合材料，在基體中加入不同體積分數(shù)的SiC 顆粒后，顆粒分布均勻、組織致密，增加了復(fù)合材料中的位錯密度，抗拉強度、彈性模量得到提高，材料的磨損性能也有大幅度的改善。

1.3 無壓浸滲

無壓浸滲是先將增強體制成預(yù)制件，再將預(yù)制件放入模具內(nèi)，以惰性氣體或機械裝置為壓力將金屬液壓入預(yù)制件的間隙，凝固后形成復(fù)合材料的方法。無壓浸滲法優(yōu)點是技術(shù)工藝簡單、成本低，不需要復(fù)雜的設(shè)備。缺點是增強體顆粒與鋁合金基體之間的潤濕性差，容易產(chǎn)生有害界面反應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能和熱性能較差，且制備時間較長。

劉秋元等[11]以SiC 粉體及兩種不同Mg 含量的鋁合金為主要原料，采用無壓浸滲工藝制備得到了兩種SiC/Al 復(fù)合材料。制備得到的SiC/Al 復(fù)合材料的主晶相均為SiC、Al，同時含有少量的Si、Mg2Si和MgAl2O4等相。10%Mg 樣品顯微結(jié)構(gòu)中存在氣孔，7%Mg 樣品則相對致密。通過對比，7%Mg 樣品性能更優(yōu)，氣孔率為0.15%，抗彎強度為373 MPa，界面反應(yīng)區(qū)的顯微硬度為2230 MPa。

2 SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料彈性模量影響因素

2.1 彈性模量的理論計算

顆粒增強金屬基復(fù)合材料的增強通常指彈性模量E、屈服強度σyc、抗拉強度σb和加工硬化率θ的提高。理想狀態(tài)下的復(fù)合材料彈性模量為組成相性能的算術(shù)平均值，即：

式中，Ec、Ep和Em分別為復(fù)合材料、顆粒和基體的彈性模量；Vp和Vm分別為顆粒和基體的體積分數(shù)。

對于顆粒增強金屬基復(fù)合材料的彈性模量而言，用簡單的混合法計算誤差較大，此時需要用Halpin-Tsai公式[12,13]：

式中，E、Ep和Em分別代表復(fù)合材料、增強體顆粒和基體的彈性模量；s和Vp分別為增強顆粒的長徑比和體積分數(shù)。顆粒形狀越規(guī)則、分布越均勻，s值越容易確定，計算值就更為準確。

2.2 細觀結(jié)構(gòu)的影響

（1）SiC顆粒尺寸

從理論分析來看，SiC 顆粒的尺寸不會對制備的復(fù)合材料彈性模量有影響，但實際制備過程中，SiC 顆粒尺寸對增強相在基體中的分布均勻程度有著較大的影響，最后也對制備的復(fù)合材料力學(xué)性能有一定的影響。

A O Ιnegbenebor 等[14]研究了SiC 顆粒尺寸對通過攪拌鑄造法制備的鋁基復(fù)合材料力學(xué)和電學(xué)性能的影響規(guī)律，所添加SiC 顆粒粒徑分別為3 μm、9 μm、29 μm、45 μm，結(jié)果表明，隨著添加SiC顆粒粒徑的減小，材料的彈性模量、屈服強度和硬度都有所增加。

（2）SiC顆粒體積分數(shù)

鋁合金基體的彈性模量約為70 GPa，而SiC 顆粒的彈性模量約為450 GPa，根據(jù)理論分析，添加SiC 顆粒的體積分數(shù)越高，復(fù)合材料的彈性模量也越高。研究表明，當SiC 顆粒體積分數(shù)在30%以內(nèi)時，復(fù)合材料的彈性模量幾乎隨著SiC 顆粒的添加量呈線性增長，當SiC 顆粒體積分數(shù)過高時，反而由于增強相顆粒的團聚和難以分散等原因使得復(fù)合材料力學(xué)性能有所降低。

原國森等[15]采用粉末冶金法制備了SiC 體積分數(shù)分別為5%、15%和25%的SiCp/6061Al復(fù)合材料，隨著SiC體積分數(shù)的增大，SiC在基體中的分布越來越不均勻，當SiC體積分數(shù)達到25%時，顆粒發(fā)生團聚，其抗拉強度和耐磨性都最高。

（3）界面性能的影響

界面是復(fù)合材料十分重要的細觀結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料強化效果的大小取決于應(yīng)力是否能夠有效從基體相轉(zhuǎn)移到增強相，而界面就是這種應(yīng)力轉(zhuǎn)移的連接紐帶[16]。黃綃詠等[17]研究了界面性能對原位SiCp/7075 復(fù)合材料彈性模量的影響規(guī)律，界面性能可以顯著影響原位鋁基復(fù)合材料的彈性模量，隨著界面結(jié)合力的增加，從基體到增強顆粒的應(yīng)力傳遞效果越好，復(fù)合材料彈性模量值越大，這也表明界面把載荷從基體傳遞到增強體是復(fù)合材料彈性變形階段重要的強化機制。界面模量呈現(xiàn)梯度變化時，原位鋁基復(fù)合材料彈性模量隨界面第一層彈性模量的增大而增大。

3 高模量SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用

從國內(nèi)外的研究情況來看，美國和日本在SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料方面的研究取得了較大的進展，在很多領(lǐng)域都已經(jīng)進入了應(yīng)用階段，而國內(nèi)由于起步較晚，目前還處于實驗室研究階段。

加拿大鋁業(yè)公司Dural 鋁基復(fù)合材料公司用攪拌鑄造法制成的SiC 顆粒增強A356（A357）鋁基復(fù)合材料，已廣泛用于制造人造衛(wèi)星部件、飛機的液壓管、直升機起落架和閥門、三叉戟導(dǎo)彈零部件、汽車制動盤、發(fā)動機活塞和齒輪箱等。

美國杜雷耳鋁基復(fù)合材料公司開發(fā)的10%～20% SiC 顆粒增強A359 鋁基復(fù)合材料在室溫和高溫下都具有很好的強度、剛度、耐磨性能、抗蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性能，用于制造汽車零部件如剎車部件、汽缸襯套、離合器壓力板、動力傳遞部件等。該公司同時以SiC或Al2O3顆粒作增強體，6061或2014變形鋁合金作基體，采用真空攪拌鑄造法制成復(fù)合材料坯錠，再用熱壓力加工方法制成材料，用來作裝甲防護材料，在相同試驗條件下，它的防護效果分別為均質(zhì)裝甲鋼的3.09 倍和3.36 倍。SiCp/6061復(fù)合材料可取代7075 鋁合金制造飛機結(jié)構(gòu)的導(dǎo)槽和角材。

美國先進復(fù)合材料公司（ACAM）開發(fā)的SiC 顆粒增強鋁基復(fù)合材料系列以2009、2024、6061、6013、7475、7075 等為基體，以細小的SiC 顆粒作增強體，用粉末冶金法制成坯錠后，用常規(guī)設(shè)備和技術(shù)擠壓、鍛造和軋制成材，并且可以進一步加工成零部件，也可以進行黏結(jié)、鉚接、陽極氧化處理和電鍍處理。它們除了具有好的力學(xué)性能之外，還有很好的尺寸穩(wěn)定性、耐磨性能和抗腐蝕性能，縱向和橫向的性能相差很小?？蓮V泛地用于要求強度和剛度高，要求輕量化的場合。用它們制造的零部件其重量可比常規(guī)鋁合金制造的減輕30%左右。SiCp/2024 復(fù)合材料可取代傳統(tǒng)鋁合金和鈦合金制造直升機的起落架、機翼前緣加強筋和大的通用正弦形梁等。

4 展望

SiC 顆粒增強鋁基復(fù)合材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性能，已經(jīng)在軍工、汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)的研究還處于早期階段，離批量生產(chǎn)及成熟應(yīng)用還有很長一段路要走。通過攪拌鑄造的工藝是較為可行的批量化制備鋁基復(fù)合材料的方法，但要解決SiC 顆粒與鋁合金基體的潤濕及實現(xiàn)增強體顆粒在鋁合金基體中的均勻分布是需要重點解決的問題。在民用領(lǐng)域，特別是電力行業(yè)，如果能夠?qū)iC 顆粒增強鋁基復(fù)合材料用到結(jié)構(gòu)件如電線桿、橫擔(dān)、各種工器具上，用以替代傳統(tǒng)鑄鐵及鋼件，具備很大的優(yōu)勢及前景。