目录结构

The SiC particle reinforced aluminum foam matrix composite produced by the melt route foam process was studied. The factors such as the wettability between SiC P and liquid aluminum, control of foaming process and temperature to have influence on the technological process for preparation were discussed. The results show that the foaming process is controlled easily without adding the viscosity increasing agents, and the spatial distribution of SiC P being treat and distribution of closed cells can be improved.

Keyword：

melting foaming; SiC particles reinforced; aluminum foam matrix composite; wettability;

Received： 2003-10-08

泡沫金属材料尤其是泡沫铝是近几十年内发展起来的一种新型功能材料, 由于其多孔结构和金属特征, 具有优良的特殊性质, 如轻质、渗透、能量吸收、热性能、高电阻、电磁屏蔽性能等, 在航空、航天、运输、建筑等领域有广泛的应用前景。利用减振特性, 可用于制作精密仪器的基底和防护罩、运输包装箱内衬; 利用吸音特性, 制作高速列车发动机室的隔音墙、汽车发动机消音器以及用做新型的防火、隔音建筑装饰材料; 也可作为轻质结构材料, 如飞机夹层材料、空心支撑体的增强添料。而颗粒增强金属基复合材料也是近年来发展的一种新的金属材料, 具有高比强度、高比模量、耐磨损、耐高温、疲劳性能好等优良性能 ^[1,1] , 如将二者结合形成泡沫金属基复合材料, 则应用范围还在不断扩大, 在当今节约能源和资源、对产品要求轻量化、高能化的年代, 新型泡沫金属基复合材料的研究和开发具有十分重要和深远的意义。

在泡沫金属材料的制备方法中, 以发泡法、渗流铸造法最为普遍, 也是最有工业前景的方法。一般的泡沫铝及泡沫铝合金材料的强度和刚度低, 因而限制了其应用范围。目前对于提高泡沫铝的强度, 已经采取的措施有: (1) 使用某些含氧的增稠剂, 使胞状铝中形成金属氧化物, 增加其强度或在发泡时添加一些废的发泡铝; (2) 对于含Cu, Mg的泡沫铝, 通过热处理强化; (3) 在泡沫铝中添加玻璃或金属增强纤维等; (4) 加工成三明治式泡沫铝板 ^[2] 。泡沫铝基复合材料具有更好的抗变形力和抗拉与抗压强度, 可用于减振器、吸音器、夹层材料和新型建筑材料等。

本研究采用熔体直接发泡法制备SiC_P增强泡沫铝基复合材料, 将复合材料的制备与金属发泡技术结合起来, 具有低成本、制备一体化的特点。

1 熔体发泡工艺

试验基体用材为纯Al, Si, Mg, 增强颗粒为10～14 μm的W14绿碳化硅颗粒 (α-SiC_P) , 发泡剂为200目的TiH₂粉末。试验装置如图1所示。熔体发泡法制备SiC_P增强泡沫铝基复合材料工艺流程为: 首先将金属铝锭在高温箱形电炉熔化后, 在一定温度条件下加入10%～12% (质量分数) 的Si作为添加剂和1%～1.5% (质量分数) 的Mg作为助渗剂, 经调速电机驱动的搅拌器高速搅拌均匀, 升温后倒入预处理过的SiC颗粒保温坩埚中, 再高速搅拌均匀, 冷却到固液两相区加入预处理过的发泡剂TiH₂, 高速搅拌均匀后, 保温一段时间, 使发泡剂充分分解释放气体 (H₂) , 气体滞留在熔体内冷却凝固后即产生大量孔洞。均匀分布的 (H₂) 使金属发泡成为所需的结构和形状, 同时SiC颗粒分布于金属基体中起到强化作用。

2 结果与分析

图1 试验装置

Fig.1 Test equipment

2.1 碳化硅颗粒与铝液的润湿性影响因素

在700～800 ℃区间, SiC_P 和铝液的接触角θ为120 ℃左右, 说明SiC_P和铝液润湿性不好, 产生自我团聚现象, 这将造成复合困难, 晶间易形成显微空洞, 力学性能下降 ^[3] 。当S=W_a-W_c= (γ_SV-γ_SL) -γ_LV>0 (S为液体在固体表面的铺开系数, W_a为粘着功, W_c为内聚能, γ_SV, γ_SL, γ_LV分别为固-汽、固-液、液-气表面张力) 时, 发生浸润现象, 故所有增大固体的表面张力和减小固-液界面张力的措施都可以用来改善金属基体与增强颗粒之间的润湿性。

2.1.1 合金元素复合材料的性质不仅取决于基体和增强体方面的性能, 很大程度上依赖于基体和增强体的相容性, 即界面结合形状。加入合金元素Si能降低铝的熔点, 当基体合金中Si含量在10%以上时可有效防止界面反应: t>620 ℃, 3SiC+4Al=Al₄C₃+3Si, 避免生成Al₄C₃脆性相而影响复合材料强度并改善相容性。在制备过程中加入少量Mg粉作为助渗剂也会使泡沫铝的强度大大提高, 同时也扩大了纯Al的两相区范围, 有利于对搅拌温度和发泡温度的控制。在温度较低时, Si和Mg的表面活性很强, 富集在界面上, 使表面张力大大降低, 提高Al与SiC的润湿性。并且由于Mg与氧的的亲和力大于Al与氧的亲和力, 产生3Mg+Al₂O₃=3MgO+2Al, 这个反应造成氧化铝膜破裂, 促使Al与SiC的润湿性得到较大改善, 有利于两者的复合 ^[4] 。试验结果表明加入10%～12% (质量分数) 的Si和1%～1.5% (质量分数) 的Mg可以有效的改进SiC_P 和铝液的润湿性。

2.1.2 碳化硅的预处理预处理的目的主要是清除碳化硅表面吸附的有机物、杂质、水蒸气和其它气体, 以及改变SiC_P表面的性能等。预处理的好坏直接关系到SiC_P与Al液的浸润性以及在金属中分布的均匀性 ^[5,6,7] 。本试验采用一套特殊的热处理工序, 一方面去除有害吸附物; 另一方面在SiC_P表面形成极薄的SiO₂层, 与未处理的相比, 改善了SiC_P的分散性及其与铝液的浸润性。

2.1.3 碳化硅加入方式由于将预处理过的碳化硅直接加入到铝液中容易氧化生成絮状物质, 有时会造成大部分或全部铝液转化生成这类蓬松状物质, 甚至不能形成复合材料。故改进工艺将碳化硅加热到一定温度后保温1 h, 再将含有合金元素Si, Mg的熔融铝倒入装有SiC_P的特制坩埚中, 铝液将SiC_P与外界空气隔绝, 保温后再强力搅拌实现SiC_P在铝液中的均匀分布。

2.2 熔体发泡工艺的影响因素

熔体发泡法的主要问题是发泡过程和孔洞均匀分布控制比较困难, 采取的措施: (1) 为延长发泡剂的滞留时间, 向熔体中加入增粘剂如Ca, MnO₂等以提高熔体粘度; (2) 为使发泡剂均匀分布在熔体中, 采用高速搅拌 ^[7,8] 。由于本试验加入SiC_P颗粒形成复合材料, 熔体自身粘度较大, 故不需采用任何增粘措施, 简化了发泡工艺。

2.2.1 发泡剂的预处理由于TiH₂在高温热分解速度快, 往往还未充分分散到铝液中就分解完毕, 可通过一定的热处理工艺使TiH₂粉末表面生成氧化膜 ^[9] , 提高其在高温停留的时间, 使其在搅拌均匀后才开始发泡。本试验采用预处理工艺为: 400 ℃下保温30 h, 再在500 ℃下保温2 h后随炉冷却, 干燥保存。

2.2.2 SiC_P 与TiH₂分布的均匀性 SiC_P 与TiH₂分布的均匀性对复合材料的性能有较大影响, 所以搅拌器形状、搅拌速度和搅拌时间就显得非常重要。而且早期SiC_P搅拌的均匀性对后期发泡也有较大影响, 一般TiH₂受热分解的H₂更易于以SiC_P为形核核心。发泡过程半固态搅拌时, 既要提高搅拌器的剪切速度, 达到利用旋涡区的抽吸作用将颗粒卷入熔体中; 又不致由于大的旋涡在金属内形成气孔、缩松。如果搅拌不均匀, 冷却后会出现SiC_P的团聚和大气孔、孔洞不均匀。搅拌时控制不好, 会有氢气泡在搅拌过程中沿搅拌杆上升而跑掉。分次加入发泡剂会产生大小不均的孔洞。与单层、二层叶片相比, 三层搅拌器上层叶片产生下压力, 下层叶片产生上吸力, 有利于颗粒分布的均匀性。本试验搅拌头采用同轴三层螺旋浆形, 对SiC_P加入后搅拌15 min, 再加入TiH₂后搅拌20 s, 转速为3000～4000 r·min^-1, 保温一段时间后快速冷却成型, 通过控制搅拌时间和加入的TiH₂含量可以获得所需孔洞大小及不同孔隙率的SiC_P增强泡沫铝基复合材料。图2为试样横断面图 (直径为70 mm左右) , 局部孔洞分布情况如图3和图4所示。

图2 试样横断面

Fig.2 Cross section of sample

图3 试样中小孔洞分布情况 (×4)

Fig.3 Distribution of small pore (×4)

图4 试样中较大孔洞分布情况 (×4)

Fig.4 Distribution of bigger pore (×4)

2.3 温度控制

熔体发泡法制备SiC_P增强泡沫铝基复合材料工艺过程中, 温度的控制特别重要。如果搅拌SiC_P时温度低于熔体熔化温度, 则会生成颗粒絮状物质: Al为15.5%, Al_3.21Si_0.47为63.6%, SiC为20.8% (X射线衍射结果如图5所示) 。熔体温度的提高一方面有利于改善SiC_P与铝液的润湿性, 但降低粘度; 另一方面有利于发泡, 但不利于泡沫的稳定, 而温度过低又不利于TiH₂的分解, 最合适的发泡温度应该是在该温度范围内同时满足发泡剂的分解压大于气泡核长大的内压力和熔融金属有较高粘度的要求 ^[10] 。本试验条件下, 700 ℃进行SiC_P高速搅拌; 加入TiH₂发泡初始温度为700 ℃, 终了温度为670 ℃, 可获得SiC_P和孔洞均匀分布的SiC_P颗粒增强泡沫铝基复合材料。