真空壓力浸滲法制備B4C/ZL301復(fù)合材料的組織與性能

王曉東,駱 毅,胡耀政,汪志太

(1.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司,北京 100097;2.南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 南昌 330063)

0 引言

鋁合金在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但彈性模量低、耐磨性較差等缺點(diǎn),限制了其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步拓展。復(fù)合材料是改善和提高鋁合金性能的有效手段之一,復(fù)合材料通過(guò)將不同性能的基體和增強(qiáng)體復(fù)合到一起,能夠充分發(fā)揮基體和增強(qiáng)體材料的優(yōu)勢(shì)性能[1]。碳化硼(B4C)是一種重要的工程材料,其硬度僅次于金剛石和立方氮化硼,具有彈性模量高、耐磨性好、密度低(2.53 g·cm-3)、熔點(diǎn)高(2 350 ℃)等優(yōu)點(diǎn),廣泛用作防彈材料和研磨材料等。B4C強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料具有比模量高、比強(qiáng)度高、耐磨性和耐蝕性好、尺寸穩(wěn)定、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn),是一種性能優(yōu)異的鋁基復(fù)合材料,在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[2-5]。

目前,B4C增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備方法主要有無(wú)壓浸滲法和粉末冶金法。雖然無(wú)壓浸滲法制備的復(fù)合材料強(qiáng)度和韌性性能良好,但是由于成型溫度較高,存在界面反應(yīng),限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。研究人員嘗試采用各種不同的方法,如調(diào)整制備溫度、縮短保溫時(shí)間以及對(duì)增強(qiáng)相顆粒進(jìn)行表面鍍層等[6],以減少界面反應(yīng)的發(fā)生。Lee等[7]采用無(wú)壓浸滲法制備了B4C/Al復(fù)合材料,先用溶膠凝膠法在B4C顆粒表面覆蓋TiO2涂層,該涂層可有效提高鋁液與B4C顆粒之間的濕潤(rùn)性,進(jìn)而使鋁液能夠更好地滲透到B4C顆粒內(nèi)部,減少界面反應(yīng)的發(fā)生,在此基礎(chǔ)上制備出了力學(xué)性能良好的鋁基復(fù)合材料。

采用粉末冶金法制備鋁基復(fù)合材料時(shí),在空氣中形成的Al2O3薄膜會(huì)影響鋁粉的潤(rùn)濕性,從而導(dǎo)致復(fù)合材料在燒結(jié)或熱壓后的界面結(jié)合較差[8]。為解決此問(wèn)題,通常需二次加工(如鍛造、擠壓、軋制等)打破氧化物薄膜以增強(qiáng)粉末之間以及粉末與增強(qiáng)體顆粒之間的結(jié)合,形成結(jié)合良好的界面,并使增強(qiáng)體顆粒分布更加均勻,獲得性能更好的復(fù)合材料[9]。Li等[10]采用粉末冶金法制備了B4C體積分?jǐn)?shù)為26%的B4C/6061Al復(fù)合材料,在熱壓溫度為620 ℃時(shí)發(fā)現(xiàn)存在明顯的界面反應(yīng),Al3BC、Al12BC2和合金元素Mg、Si的反應(yīng)產(chǎn)物為界面反應(yīng)的生成物。

真空壓力浸滲法是一種制備近凈成型復(fù)雜形狀產(chǎn)品的技術(shù),且制備成本比粉末冶金法低。真空壓力浸滲法制備的復(fù)合材料致密度高于無(wú)壓浸滲法制備的材料,且能有效避免鋁基體熔體在空氣中氧化的問(wèn)題。真空壓力浸滲法是制備以輕金屬(Al、Mg、Ti)及其合金為基體復(fù)合材料的非常有前景的方法,但有關(guān)真空壓力浸滲法的研究還不夠充分。本文采用真空壓力浸滲法制備了B4C/ZL301復(fù)合材料,并對(duì)其結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行了分析測(cè)試,以探討此法制備近凈形B4C/ZL301復(fù)合材料的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用平均粒徑為3.0 μm 和36.5 μm的兩種B4C顆粒,按1∶1比例制備預(yù)制體,以ZL301合金為基體材料,采用真空壓力浸滲工藝制備高體積分?jǐn)?shù)B4C/ZL301復(fù)合材料。為防止B4C顆粒表面吸附雜質(zhì)對(duì)真空壓力浸滲法制備的B4C/ZL301復(fù)合材料產(chǎn)生影響,實(shí)驗(yàn)前采用無(wú)水乙醇超聲清洗B4C顆粒,再放入真空干燥箱烘干(烘干溫度為120 °C,烘干時(shí)間為3 h)。ZL301合金成分示于表1。

表1 ZL301合金的化學(xué)成分(wt%)

1.2 復(fù)合材料的制備

將預(yù)制體緊密地放入石墨模具中并用石墨模具蓋板覆蓋。將壓實(shí)的預(yù)制體和石墨模具整體裝入不銹鋼模具中,用不銹鋼模具蓋板覆蓋后焊接在一起。真空壓力浸滲封裝示意圖如圖1所示。不銹鋼模具側(cè)面開(kāi)一個(gè)孔,開(kāi)口處與圓形不銹鋼管連接作為液體提升管。完成后需進(jìn)行氣密性測(cè)試,以確保其密封性。

圖1 真空壓力浸滲封裝示意圖

ZL301合金熔化后加入精煉劑,除去其中的雜質(zhì),獲得純凈的合金液,再進(jìn)行真空壓力浸滲。真空壓力浸滲設(shè)備示意圖如圖2所示,該工藝?yán)秒p熱電偶進(jìn)行合金液與爐膛溫度的實(shí)時(shí)調(diào)控,可實(shí)現(xiàn)預(yù)熱時(shí)間、基體合金溫度、浸漬壓力與保壓時(shí)間的高效精確調(diào)控,操作簡(jiǎn)單方便,可滿足復(fù)合材料高質(zhì)量生產(chǎn)要求[11-13]。將合金液和封裝的預(yù)制體放置在真空壓力滲透設(shè)備的不同位置,升液管豎直向下,密封和抽真空后向設(shè)備內(nèi)充氬氣,升溫到設(shè)定溫度并保溫一段時(shí)間,然后排出氬氣并再次抽真空,提升坩堝,將升液管下端浸入合金液中,在充填氣體壓力作用下,合金液被壓入封裝的預(yù)制體中并與之結(jié)合。待冷卻后,除去不銹鋼和石墨模具,即得到B4C/ZL301復(fù)合材料,具體制備工藝參數(shù)示于表2。根據(jù)預(yù)制體的模具形狀和尺寸,估算B4C/ZL301復(fù)合材料中預(yù)制體體積分?jǐn)?shù)約為60%。

圖2 真空壓力浸滲設(shè)備示意圖

表2 B4C/ZL301復(fù)合材料的制備工藝參數(shù)

1.3 分析測(cè)試方法

B4C/ZL301復(fù)合材料試樣經(jīng)過(guò)打磨、拋光后,使用Keller試劑(2.5 mL硝酸,1.5 mL鹽酸,1.0 mL氫氟酸和95.0 mL去離子水)腐蝕15 s后,用去離子水沖洗并吹干。采用SU1510型掃描電子顯微鏡對(duì)試樣微觀組織及形貌進(jìn)行觀察。采用D8ADVANCE-A25 X-ray衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行定性物相分析,衍射儀靶材為Cu靶,電壓為40 kV,電流為40 mA,掃描角度范圍為20°～90°,掃描步長(zhǎng)為4 (°)·min-1。采用DureScan型維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量試樣的顯微硬度,測(cè)試載荷為50 g,加載時(shí)間為20 s,在試樣表面不同區(qū)域取8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,求平均值作為試樣的平均維氏硬度值。采用CFT-Ⅰ型材料表面性能綜合測(cè)試儀對(duì)試樣和基體材料進(jìn)行摩擦學(xué)性能測(cè)試,所用載荷為500 g,時(shí)間為120 min,轉(zhuǎn)速為200 r·min-1。采用CP225D型電子天平稱量試樣質(zhì)量,由摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前后的試樣質(zhì)量差值確定試樣的質(zhì)量損失。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織和XRD分析

圖3所示為通過(guò)真空壓力浸滲制備的B4C/ZL301復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡(SEM)像,圖3(b)為圖3(a)中間區(qū)域的放大像。由圖3(a)可見(jiàn),B4C顆粒在復(fù)合材料中分布比較均勻。由圖3(b)可見(jiàn),距離比較近的B4C顆粒也未出現(xiàn)聚集現(xiàn)象,且復(fù)合材料組織致密,未見(jiàn)有微孔等顯微缺陷。此外,由圖3還可見(jiàn),B4C顆粒結(jié)構(gòu)較為完整,增強(qiáng)體顆粒與基體材料之間結(jié)合緊密且存在淺色過(guò)渡層。

圖3 復(fù)合材料顯微組織圖

圖4所示為基體材料(ZL301合金)和B4C/ZL301復(fù)合材料X射線衍射(XRD)圖譜。由圖4可見(jiàn),基體材料的XRD圖譜僅分辨出Al的衍射峰,而制備的B4C/ZL301復(fù)合材料的組成除Al和B4C外,還有Al3BC。根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知,Al3BC為增強(qiáng)體顆粒與基體材料界面反應(yīng)的產(chǎn)物。結(jié)合前述微觀組織分析,可知Al3BC分布在增強(qiáng)體顆粒與基體材料之間的過(guò)渡層。

圖4 基體材料和復(fù)合材料的XRD圖譜

2.2 B4C/ZL301復(fù)合材料顯微硬度測(cè)試

圖5所示為基體材料和復(fù)合材料顯微硬度測(cè)試結(jié)果。由圖5可知:復(fù)合材料的顯微硬度值明顯高于基體材料;基體材料的顯微硬度值比較穩(wěn)定,而復(fù)合材料的顯微硬度值波動(dòng)范圍比較大。計(jì)算得復(fù)合材料顯微硬度平均值由ZL301的72.08 HV提高至252.00 HV,提高了249.6%。

圖5 基體材料和復(fù)合材料的硬度對(duì)比圖

復(fù)合材料平均顯微硬度值明顯高于基體材料可由以下因素導(dǎo)致:(1)ZL301合金與B4C顆粒之間的變形能力差異大,變形后在界面處形成大量位錯(cuò),殘余應(yīng)力較大,形成位錯(cuò)密度高、梯度大的顆粒變形區(qū)域(PDZ)。PDZ利于再結(jié)晶形成晶粒度小的再結(jié)晶晶粒,晶粒細(xì)化的結(jié)果使顯微硬度提高;(2)增強(qiáng)體B4C顆粒的顯微硬度明顯高于基體材料;(3)界面反應(yīng)生成物Al3BC的顯微硬度明顯高于基體材料。在上述因素的共同作用下,復(fù)合材料的顯微硬度值明顯提高。

2.3 B4C/ZL301復(fù)合材料摩擦磨損測(cè)試

圖6所示為ZL301合金和B4C/ZL301復(fù)合材料摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化。從圖6可以看出,復(fù)合材料的摩擦因數(shù)明顯小于基體材料。計(jì)算結(jié)果表明,基體材料的平均摩擦因數(shù)為0.385,而復(fù)合材料的平均摩擦因數(shù)為0.214。

圖6 ZL301合金和B4C/ZL301摩擦因數(shù)的對(duì)比

由于復(fù)合材料中B4C體積分?jǐn)?shù)較高,在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,B4C會(huì)與氧發(fā)生反應(yīng)

B4C+4O2→2B2O3+CO2

(1)

當(dāng)生成的B2O3遇到水蒸氣時(shí)又會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)

B2O3+3H2O→2H3BO2

(2)

生成的B2O3和H3BO2在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程中起固體潤(rùn)滑劑的作用,從而降低了復(fù)合材料的摩擦因數(shù)。

圖7所示為ZL301合金和B4C/ZL301復(fù)合材料在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后的質(zhì)量損失對(duì)比結(jié)果。由圖7可見(jiàn),復(fù)合材料經(jīng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后的質(zhì)量損失明顯小于基體材料。由于制備的復(fù)合材料B4C強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)較高,且其具有硬度高、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn),在摩擦磨損過(guò)程中B4C增強(qiáng)體粒子承擔(dān)了主要載荷,而基體材料主要起連接增強(qiáng)體粒子的作用,因而,制備的復(fù)合材料質(zhì)量損失明顯小于基體材料。

圖7 ZL301合金和B4C/ZL301材料質(zhì)量損失對(duì)比

圖8所示為ZL301合金和B4C/ZL301復(fù)合材料磨損表面的微觀形貌,其中,圖8(a)和(c)為ZL301鋁合金的磨損微觀形貌,圖8(b)和(d)為復(fù)合材料的磨損微觀形貌。由圖8(a)可見(jiàn),ZL301鋁合金表面的磨損較為嚴(yán)重,磨損表面布滿寬度不同、深度不同的犁溝狀條紋。由圖8(c)可見(jiàn),在犁溝的表面覆有磨屑?？芍?ZL301合金磨損是由于基體材料硬度較低塑性較好所引起的粘著磨損,并導(dǎo)致基體材料的犁削形成犁溝和磨屑。

圖8 ZL301(a、c)和B4C/ZL301復(fù)合材料(b,d)磨損表面微觀形貌

圖8(b)與圖8(a)形成鮮明的對(duì)比,由圖8(b)可見(jiàn),B4C/ZL301復(fù)合材料表面比較平整,沒(méi)有明顯的犁溝狀條紋,磨損痕跡不明顯。與圖3(b)比較,由圖8(d)可知,經(jīng)歷摩擦磨損后的B4C顆粒形貌未有明顯改變,且B4C顆粒間的基體材料未見(jiàn)磨損,表明在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,由于載荷主要由B4C增強(qiáng)體顆粒承擔(dān)載荷?；w材料未與摩擦介質(zhì)直接接觸,在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程中起連接和支撐B4C增強(qiáng)體顆粒的作用。

2.4 B4C/ZL301復(fù)合材料壓縮性能測(cè)試

圖9所示為ZL301基體材料和B4C/ZL301復(fù)合材料壓縮實(shí)驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖9可以看出,ZL301基體材料試樣的屈服強(qiáng)度約為240 MPa,抗壓強(qiáng)度約為504 MPa,斷裂應(yīng)變?yōu)?.40,而B4C/ZL301復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度約為550 MPa, 斷裂應(yīng)變?yōu)?.05。復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度相對(duì)于基體材料提升9.1%。

圖9清楚表明,復(fù)合材料的塑性變形能力較差。因復(fù)合材料中B4C體積分?jǐn)?shù)較高,當(dāng)外力作用于復(fù)合材料時(shí),金屬基體和B4C顆粒對(duì)載荷的變形響應(yīng)不同:金屬基體塑性和韌性優(yōu)于陶瓷,因此在外力作用下金屬材料發(fā)生塑性變形,而B4C顆粒則傾向于保持原來(lái)的形狀。當(dāng)外力持續(xù)增大時(shí),金屬基體和陶瓷顆粒之間的結(jié)合遭到破壞,導(dǎo)致復(fù)合材料發(fā)生脆性斷裂。此外,由于B4C顆粒的硬度比基體材料高,會(huì)在復(fù)合材料內(nèi)形成應(yīng)力集中區(qū)域。當(dāng)外力作用于這些應(yīng)力集中區(qū)域時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致材料的局部破壞,也可導(dǎo)致復(fù)合材料發(fā)生脆性斷裂。

3 結(jié)論

(1)采用真空壓力浸滲法制備了B4C體積分?jǐn)?shù)約為60%的B4C/ZL301復(fù)合材料,復(fù)合材料組織致密,B4C顆粒分散均勻,界面結(jié)合良好,未見(jiàn)明顯微孔缺陷。

(2)B4C/ZL301復(fù)合材料主要由B4C增強(qiáng)體顆粒、ZL301合金和Al3BC組成。微觀組織和XRD分析結(jié)果表明增強(qiáng)體顆粒與基體材料存在界面反應(yīng)產(chǎn)物,反應(yīng)產(chǎn)物為Al3BC。

(3)B4C/ZL301復(fù)合材料的顯微硬度較基體材料提高了249.6%,達(dá)252.00 HV;B4C/ZL301復(fù)合材料的平均摩擦因數(shù)較基體材料下降了44.4%,為0.214;B4C/ZL301復(fù)合材料的耐磨性明顯優(yōu)于基體材料;B4C/ZL301復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度較基體材料提高了9.1%,但斷裂應(yīng)變較基體材料明顯下降,為脆性斷裂。