耿德軍，王承志，2，劉鳳國(guó)

(1.沈陽理工大學(xué) 材料學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034)

電磁攪拌法制備SiCp/Al復(fù)合材料

耿德軍1，王承志1，2，劉鳳國(guó)1

(1.沈陽理工大學(xué) 材料學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034)

采用電磁攪拌重熔制備SiCp/Al復(fù)合材料，研究SiC顆粒的預(yù)處理、SiC增強(qiáng)體顆粒與基體金屬鋁粉的混合及熱壓復(fù)合坯塊的重熔工藝，并以該工藝制備10Vol%SiCp/Al復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過顯微觀察和SEM分析，所制備的復(fù)合材料氣孔率顯著降低，SiC顆粒與基體合金結(jié)合良好。

SiCp/Al；熱壓燒結(jié)；電磁攪拌

SiCp/Al復(fù)合材料因其具有密度小、比強(qiáng)度和比模量高、良好的熱學(xué)性能及優(yōu)良的耐磨、減磨性能，因而成為理想的新型結(jié)構(gòu)或功能材料。SiCp/Al復(fù)合材料在軍用裝備、航空航天、汽車制造、電子封裝和體育器材等行業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景[1-2]，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。但由于原始陶瓷增強(qiáng)體顆粒與基體合金潤(rùn)濕性較差，導(dǎo)致SiC顆粒不能與基體合金致密結(jié)合，使得復(fù)合材料性能較差；另外在高溫下，SiC顆粒容易與基體合金發(fā)生有害界面反應(yīng)[3]，生成含有脆性相Al4C3的界面層，該脆性相會(huì)在材料受力變形過程中成為缺陷源，使SiCp/Al復(fù)合材料的性能惡化，限制了SiCp/Al復(fù)合材料進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)。

目前SiCp/Al復(fù)合材料的制備主要采用壓力浸滲、粉末冶金和攪拌鑄造法。壓力浸滲法對(duì)模具的要求比較高，要求模具材料耐強(qiáng)度、耐高溫；攪拌鑄造法設(shè)備成本低，工藝簡(jiǎn)單，因此用的較多[4]，但受到SiC顆粒加入方式和攪拌方式的限制，目前復(fù)合材料存在氧化夾雜多、氣孔率高、顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重及有害的界面反應(yīng)等問題。

本文通過真空熱壓燒結(jié)的工藝制備出預(yù)制復(fù)合坯塊，然后在重熔過程施加電磁攪拌制備復(fù)合材料，能夠有效的解決SiC顆粒加入困難，并且改善其與基體合金的浸潤(rùn)性，減少了氣孔和團(tuán)聚。

1 SiC顆粒的預(yù)處理

工業(yè)上通常采用在電爐中用石英砂和焦炭高溫焙燒，高溫還原制備SiC顆粒，因此在還原產(chǎn)物中會(huì)含有一定量殘留的游離碳和其它雜質(zhì)，一般為少量游離的硅、石英砂、氧化鐵等。這些微小的殘留顆粒會(huì)吸附在SiC顆粒的表面，使顆粒間相互作用而發(fā)生團(tuán)聚，無法均勻地分散影響復(fù)合材料的性能。因此SiC顆粒處理工藝顯得非常重要。

1.1 SiC顆粒表面處理

在試驗(yàn)中選用稀氫氟酸，在超聲條件下進(jìn)行浸泡清洗，圖1、圖2是未處理和用稀氫氟酸清洗后的顆粒表面的掃描電鏡照片。由圖1、圖2可以觀察到，由于氫氟酸對(duì)陶瓷顆粒表面強(qiáng)烈的腐蝕作用，氫氟酸清洗的SiC顆粒表面的殘余顆粒比未經(jīng)處理的顆粒表面明顯減少，且用氫氟酸清洗過的顆粒邊緣也變得圓滑；僅從顆粒清洗的表面狀態(tài)看，氫氟酸清洗效果比較理想，而且采用超聲輔助處理，清洗效率明顯提高，用時(shí)只為原來一半。

圖1 未經(jīng)處理SiC顆粒表面

圖2 稀氫氟酸清洗后SiC顆粒表面

通過對(duì)處理前與處理后顆粒表面的EDS(能譜)分析，經(jīng)過氫氟酸清洗處理后顆粒表面主要有害元素Fe明顯減少(見圖3)，表明酸洗處理對(duì)顆粒表面作用效果明顯。

(a)稀氫氟酸處理前顆粒表面元素情況

(b)稀氫氟酸處理后顆粒表面元素情況

1.2 SiC顆粒的氧化處理

SiCp/Al復(fù)合材料的界面控制是成功制備高性能復(fù)合材料關(guān)鍵因素之一，通過控制界面反應(yīng)的進(jìn)行來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料性能的設(shè)計(jì)。SiC與基體合金的潤(rùn)濕性不好，因此需對(duì)其進(jìn)行氧化處理來改善潤(rùn)濕性[5-6]。SiC顆粒的處理工藝主要為表面涂覆和高溫氧化，表面涂覆工藝過程復(fù)雜、涂層厚度不易控制、生產(chǎn)成本較高、污染大等問題，所以本試驗(yàn)采用相對(duì)簡(jiǎn)單、低成本、無害的氧化處理。高溫處理不但可以除去顆粒表面吸附氣體，而且經(jīng)過6h的氧化處理后SiC顆粒表面會(huì)形成一層氧化層，圖4表明不同的氧化溫度對(duì)氧化增重效果的影響，由圖4可知增重量隨氧化溫度升高而增加，但溫度過高會(huì)因SiC顆粒表面自由能高而使顆粒相互氧化結(jié)板，因此，試驗(yàn)選擇900℃氧化6h。

圖4 不同氧化溫度的增重效果

2 復(fù)合坯塊制備及重熔工藝

為解決SiC顆粒攪拌分散性均勻性差的問題，試驗(yàn)首先采用三維高效混料機(jī)將處理后的SiC顆粒與高純鋁粉混合[7]；然后，將混合均勻粉體冷壓成形；最后，在真空熱壓爐內(nèi)進(jìn)行熱壓燒結(jié)，制成復(fù)合坯塊。通過此項(xiàng)工藝，達(dá)到增強(qiáng)體顆粒預(yù)分散的目的。

2.1 混粉的工藝研究

本實(shí)驗(yàn)所采用的SiC顆粒尺寸為15μm，純鋁粉為20μm的微球形鋁粉，把經(jīng)過酸洗氧化處理的SiC顆粒與純鋁粉按一定的配比在混料機(jī)上進(jìn)行混合。結(jié)果表明，在球料比為3∶1時(shí)，SiC顆粒的分布均勻性隨時(shí)間的延長(zhǎng)經(jīng)歷宏觀混合、微觀偏聚，微觀均勻，微觀再偏聚三個(gè)過程。把SiC顆粒與鋁粉各50Vol%的混合粉200g放入混料器內(nèi)，按1、1.5、2、2.5、3h進(jìn)行混料，圖5為1、1.5、2、2.5、3h取樣熱壓燒結(jié)后的金相照片，五種不同混料時(shí)間的混合粉均隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸發(fā)生變化。由圖可知，混料1h時(shí)，粉體微觀均勻性較差顆粒間相互作用易發(fā)生團(tuán)聚；混料時(shí)間為1.5h時(shí)顆粒開始逐漸分散，團(tuán)聚現(xiàn)象減少；混料時(shí)間達(dá)到2h時(shí)顆粒分布均勻性有明顯改善，團(tuán)聚現(xiàn)象消失，團(tuán)聚的消失有利于復(fù)合坯塊的重熔；隨混料時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)顆粒又重新發(fā)生微觀偏聚，均勻性反而開始惡化，如圖5d所示;混料時(shí)間3h時(shí)，顆粒再一次發(fā)生團(tuán)聚，均勻性恢復(fù)到開始1h的狀態(tài)。因此，試驗(yàn)選擇混料時(shí)間為2h，既保證了良好的顆粒均勻化效果又避免了長(zhǎng)時(shí)間混料對(duì)粉體的污染。

(a)1h

(b)1.5h

(c)2h

(d)2.5h

(e)3h

2.2 預(yù)制混合粉塊的攪拌重熔及結(jié)果分析

為解決機(jī)械攪拌存在攪拌死區(qū)和減少機(jī)械攪拌對(duì)鋁液帶來的金屬污染，試驗(yàn)采用電磁場(chǎng)對(duì)復(fù)合漿料進(jìn)行電磁攪拌重熔復(fù)合。攪拌過程中為避免氧化夾雜造成增強(qiáng)體顆粒團(tuán)聚，攪拌復(fù)合時(shí)在熔體液面上方通氬氣進(jìn)行保護(hù)，其結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 電磁攪拌爐結(jié)構(gòu)示意圖

為對(duì)界面反應(yīng)進(jìn)行控制，試驗(yàn)中基體合金選擇含Mg的7系合金，試驗(yàn)中首先對(duì)基體合金進(jìn)行精煉、除渣、靜置、轉(zhuǎn)包到攪拌坩堝內(nèi)。待攪拌爐內(nèi)鋁液的溫度上升到720℃的時(shí)候開始攪拌復(fù)合。試驗(yàn)中采用三種不同SiC顆粒含量的復(fù)合坯塊，通過重熔試驗(yàn)觀察其重熔效果。把預(yù)制的混合粉塊切割成每塊約20～25g，在攪拌的過程中加入到坩堝內(nèi)。

試驗(yàn)選定三種不同體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合坯塊，分別為50%SiC、40%SiC、30%SiC。將不同體積份數(shù)的復(fù)合坯塊分別加入到720℃的合金熔液中進(jìn)行1h的攪拌重熔，然后對(duì)未熔解的部分進(jìn)行稱重，結(jié)果見圖7。

圖7 復(fù)合坯塊的剩余量

由圖7可知，經(jīng)過1h 720℃的攪拌后，50Vol%SiC的復(fù)合坯塊只有表面部分發(fā)生重熔且SiC顆?；緵]有進(jìn)入基體合金中；40Vol%SiC的復(fù)合坯塊重熔后質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為70%；而30Vol%SiC的復(fù)合坯塊已經(jīng)完全重熔，效果非常理想。試驗(yàn)結(jié)果表明，SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合坯塊的重熔影響很大。其原因主要是當(dāng)SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)過高時(shí)，增強(qiáng)體顆粒在冷壓和熱壓過程中受力較大，顆粒間相互機(jī)械契合緊密，而電磁攪拌重熔時(shí)金屬熔體的流動(dòng)剪切力較弱，無法將顆粒沖擊并剝離坯塊表面，只有表層Al熔化后進(jìn)入合金。當(dāng)增強(qiáng)體顆粒體積分?jǐn)?shù)下降后，顆粒之間的接觸相對(duì)減少，相互作用減弱，剪切力可將SiC顆粒帶入熔融基體合金中，但用時(shí)較長(zhǎng)會(huì)造成鋁合金的氧化。當(dāng)SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)降低到30Vol%時(shí)，增強(qiáng)體SiC顆粒相互接觸機(jī)會(huì)很少，相互作用力減少，金屬熔體的流動(dòng)剪切力會(huì)比較容易將其帶入基體合金中，如圖8所示。圖9為SiC顆粒與基體合金結(jié)合情況的SEM(掃描電鏡)照片。

圖8 30Vol%SiC的復(fù)合坯塊重熔后SiC

圖9 SiC顆粒與基體合金結(jié)合圖

由圖8、圖9還可觀察到，采用電磁攪拌重熔工藝，SiC顆粒的加入變得非常容易，同時(shí)SiC顆粒分散均勻性較好，經(jīng)過酸洗氧化處理的增強(qiáng)體顆粒與基體合金結(jié)合非常致密，復(fù)合材料中沒有明顯的氣孔和夾雜物，復(fù)合效果良好。

3 結(jié)論

采用稀釋氫氟酸在超聲輔助條件下對(duì)SiC顆粒進(jìn)行酸洗，并對(duì)酸洗處理的顆粒進(jìn)行900℃氧化6h，氧化處理可明顯改善SiC顆粒與基體合金的潤(rùn)濕性。選定中位徑為20μm的增強(qiáng)體、體積分?jǐn)?shù)為30vol%、球料比為3∶1、混料時(shí)間為2h時(shí)，SiC顆粒在復(fù)合坯塊分散均勻性最好；在熔體溫度720℃條件下攪拌1h，復(fù)合坯塊可以完全重熔，通過金相和SEM觀察，顆粒整體分布均勻，無明顯的氣孔和夾雜，顆粒與基體合金結(jié)合致密，沒有顆粒脫落發(fā)生。

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

SiCp/Al Composites Synthesized by Electromagentic Stirring Technology

GENG Dejun1, WANG Chengzhi1,2, LIU Fengguo1

(1.Shenyang Ligong Univversity,Shenyang 110159,China;2.Shandong Huayu University of Technology,Dezhou 253034,China)

The SiCp/Al composites were synthesized by electromagentic technology in the experiment.The SiCp pretreatment,mixture of reinforced SiCp and matrix aluminium alloy powder,hot pressing composites billet remelting process were mainly studied.And the 10Vol%SiCp/Al composites were produced by using this technology.With analysis by SEM,it showed that the composites porosity was decreased obviously and the SiCp was combined with matix alloy well.

SiCp/Al;hotpressing;electromagentic stirring

2015-01-07

耿德軍(1955—)，男，工程師；研究方向：鋁合金鑄造；通訊作者：劉鳳國(guó)(1978—)，工程師，研究方向：陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、特種鑄造.

1003-1251(2015)03-0041-05

TG146.2

A