简介概要

压力下浸渗-半固态致密法制备Al₂O_3sf·SiC_p/Al复合材料

来源期刊：中国有色金属学报2004年第12期

论文作者：杜之明程远胜罗守靖

文章页码：2079 - 2084

关键词：金属基复合材料；浸渗；半固态致密

Key words：metal matrix composites; infiltration; semi-solid densification

摘要：在分析了各种传统金属基复合材料制备方法的基础上，提出了金属基复合材料压力下浸渗-半固态致密制备的新工艺，并利用该工艺成功地制备了Al₂O_3sf·SiC_p/Al复合材料。结果表明：新工艺制备的复合材料的界面结合良好、组织致密、性能优异；新工艺为金属基复合材料压力下浸渗半固态模锻成形一体化工艺奠定了研究基础。

Abstract: A new technology for metal matrix composites-infiltration-semi-solid densification under pressure based on the analyses of kinds of conventional metal matrix composites preparation methods was proposed. Al₂O_3sf·SiC_p/Al was prepared successfully by this new technology. The results show that the interface bonding is very good, the structure is very dense and the performance is excellent. It establishes the study foundation for metal matrix composites prepared by infiltration-stamp forging in semi-solid state integral technology.

中国有色金属学报 2004,(12),2079-2084 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.12.018

压力下浸渗半固态致密法制备Al₂O_3sf·SiC_p/Al复合材料

杜之明程远胜罗守靖

哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨工业大学材料科学与工程学院哈尔滨150001 ,哈尔滨150001 ,哈尔滨150001

摘要：

在分析了各种传统金属基复合材料制备方法的基础上 ,提出了金属基复合材料压力下浸渗半固态致密制备的新工艺 ,并利用该工艺成功地制备了Al2 O3sf·SiCp/Al复合材料。结果表明 :新工艺制备的复合材料的界面结合良好、组织致密、性能优异 ;新工艺为金属基复合材料压力下浸渗半固态模锻成形一体化工艺奠定了研究基础。

关键词：

金属基复合材料;浸渗;半固态致密;

中图分类号： TB331

作者简介：杜之明(1963),男,副教授,工学博士.;电话:045186418723;Email:duzm@263.net;

收稿日期：2004-05-13

基金：国家自然科学基金资助项目 ( 5 9675 0 5 0 );

Preparation of Al₂O_3sf·SiC_p/Al composites by infiltration-semi-solid densification under pressure

Abstract：

A new technology for metal matrix composites-infiltration-semi-solid densification under pressure based on the analyses of kinds of conventional metal matrix composites preparation methods was proposed. (Al₂O_3sf·SiC_p/Al)was prepared successfully by this new technology. The results show that the interface bonding is very good, the structure is very dense and the performance is excellent. It establishes the study foundation for metal matrix composites prepared by infiltration-stamp forging in semi-solid state integral technology.

Keyword：

metal matrix composites; infiltration; semi-solid densification;

Received： 2004-05-13

随着对金属基复合材料的研究, 基于各种不同增强材料、基体合金和材料的应用背景, 发展了多种多样的金属基复合材料的制备与成形方法, 例如喷射共沉积法 ^{[1,2,3,4,5,6]} , 粉末法, 扩散连接 ^[7,8,9] , 搅拌铸造 ^{[10,11,12,13]} , 自浸渗法, 原位反应法 ^{[14,15,16,17]} 等。各种方法不仅有其自身的特点, 而且也各自具有一定适用范围。

本文作者在总结上述金属基复合材料各种制备与成形方法的优缺点和纤维与颗粒混杂增强的优点的基础上, 提出了压力下浸渗-半固态致密法制备混杂增强Al₂O_3sf·SiC_p/Al复合材料。压力下浸渗-半固态致密制备复合材料的方法是在压力下液态浸渗制备基础上提出的一种新的复合材料制备方法, 是对压力下液态浸渗制备后仍处于固-液区间的复合材料继续施加大的压力, 进行半固态加压, 提高复合材料的致密度, 从而改善其组织和力学性能。该工艺方法主要分为2个阶段: 1)在压力下液态金属向非连续物预制体的浸渗过程; 2)对固-液区间的坯料进行半固态加压致密。

1实验

1.1材料

实验所用基体金属材料为2A14, 其化学成分列于表1。增强颗粒为碳化硅, 尺寸分别为4、 7、 14 μm, 增强纤维为多晶氧化铝短纤维, 其性能指标分别列于表2和3。

1.2方法

1.2.1 Al2O3sf·SiCp预制增强体的制作

预制增强体的制作是制备复合材料的关键工序。预制体中增强体的分布是否均匀, 直接决定浸渗能否顺利完成和复合材料的性能。其制作过程分2个阶段, 即湿混、定型; 烧结。

1) 湿混、定型

①根据增强体体积分数和混杂比例确定SiC_p和Al₂O_3sf的质量;

②配置溶液, 即将蒸馏水、室温粘结剂、高温粘结剂和悬浮液按一定比例放入容器中并搅拌均匀;

③把配置好的胶倒入容器, 分多次加入Al₂O_3sf纤维, 以一定的速度(本实验用900 r/min)充分搅拌后, 加入SiC_p再搅拌大约0.5 h, 使其均匀分散于纤维之间;

④搅拌完毕后, 将其倒入模具(图1)中渗水, 渗水一定量后, 再用压头加压, 以保证预定高度, (本实验预制体尺寸为φ 58 mm×40 mm);

⑤干燥, 定型。

2) 预制体的烧结

低温烧结阶段:

① 加热到50 ℃, 保温10 min;

② 加热到70 ℃, 保温10 min;

③ 加热到90 ℃, 保温5 min。

高温烧结阶段:

① 从90 ℃缓慢加热到300 ℃, 保温30 min;

② 从300 ℃缓慢加热到500 ℃, 保温30 min;

③ 从500 ℃缓慢加热到800 ℃, 保温60 min。

低温烧结的目的是烧掉有机酸。高温烧结的目的有2个: 1)高温胶固化, 使增强预制体具备一定的强度; 2)可以去除SiC_p表面吸附的O₂、 CO₂、 CO等气体, 改善SiC_p和Al液的润湿性。高温烧结可使SiC_p和O₂反应, 在SiC_p表面生成一层SiO₂薄膜, 当SiC_p和Al液接触时, 实际上是SiO₂和Al液接触。一般情形下, SiO₂在高温下与液态合金中的Al、 Mg元素发生反应生成镁铝尖晶石MgAl₂O₄, 改善了SiC_p和与液相基体合金的润湿性, 同时, 可防止SiC_p和Al液直接接触生成脆性相Al₄C₃。

1.2.2 装置

复合材料压力下浸渗-半固态致密的实验装置如图2所示, 该装置的主要特点是可由调压弹簧调整压力, 弹簧根据所需浸渗压力选取。在液态浸渗阶段, 浸渗压力随着弹簧压缩的行程而线性增加, 当浸渗完成时,弹簧力达到所需浸渗压力最大值。弹簧的作用: 1) 保证浸渗压力和浸渗速度的匹配; 2) 避免加压速度过快造成浸渗过程的紊流和压力过大使预制体变形。浸渗阶段结束时, 内、外冲头合成一体, 继续施压完成半固态致密。

表1 2A14的化学成分

Table 1 Composition of 2A14(mass fraction, %)

Cu	Mg	Si	Mn	Ti	Fe	Zn	Impurities	Balance
3.9～4.8	0.4～0.8	0.6～1.2	0.4～1.0	≤0.15	≤0.7	≤0.3	≤0.1	Al

表2 SiCp的性能指标

Table 2 Performance indexes of SiC_p

Elastic ratio/GPa	Density/(g·cm^-3)	Linear expansibility/K^-1	Poisson ratio
400～500	3.18～3.20	4.30×10^-6	0.17

表3 Al2O3sf的性能指标

Table 3 Performance indexes of Al₂O_3sf short fiber

Composition		Physical characteristics
w(Al₂O₃)/%	w(SiO₂)/%	Diameter/μm	Density/(g·cm^-3)	Tensile strength/MPa	E/GPa	Main phases
72.3	27.7	5～8	3.4	600	240	α-Al₂O₃, Al₂O₃·2SiO₂

图1 预制体压制模

Fig.1 Pressing dies for precasts

1—Squeeze head; 2—Lower die; 3—Multihole lower head; 4—Precast

图2 复合材料制备的实验装置

Fig.2 Experimental devices of composite preparation

1—Upper die; 2—External punch; 3—Pressure regulation spring; 4—Inner punch; 5—Lower die; 6—External form; 7—Roof bar; 8—Precast; 9—Molten Al; 10—Resistance wire

1.2.3 过程

实验在2000kN液压机上进行, 将Al₂O_3sf·SiC_p颗粒和纤维混杂预制体置于金属模腔中, 并随模具预热到250～450 ℃。然后在预制体上方浇入液态金属, 借助冲头的下行, 对液态金属施加压力, 液态金属在压力下渗入预制体中, 继续加大压力完成半固态致密。压力下浸渗-半固态致密的工艺参数的确定原则为: 1)保证液态基体金属在半固态致密前完全渗入预制体中; 2)液态浸渗完成后, 复合材料变形区内的金属始终处于半固态区间或部分凝固, 其主要工艺参数如表4所示。图3所示为Al₂O_3sf·SiC_p/Al压力下浸渗-半固态致密件照片。

2结果与讨论

图4所示为Al₂O_3sf·SiC_p/Al复合材料的微观组织。图5所示为压力下浸渗-半固态致密制备的Al₂O_3sf·SiC_p/Al复合材料的背散射电子像和硅元素面扫描像。从图4和5可以看到, 制备的复合材料其基体组织致密, 无任何显微孔洞和其它铸造缺陷存在, SiC_p和Al₂O_3sf分布均匀, 不存在纤维间的搭桥呈束和颗粒堆积现象, 且纤维和颗粒呈三维随机分布。 SiC_p颗粒将Al₂O_3sf纤维有效地隔开, 防止了纤维的粘结。

图3 Al2O3sf·SiCp/Al压力下浸渗-半固态致密件照片

Fig.3 Photograph of Al₂O_3sf·SiC_p/Al by infiltration-semi-solid densification under pressure

图4 压力下浸渗-半固态致密制备的Al2O3sf·SiCp/Al 复合材料的微观组织

Fig.4 Microstructure of Al₂O_3sf·SiC_p/Al composites prepared by infiltration-semi-solid densification under pressure

图6(a)所示为通过TEM观察到的SiC_p和Al基体形成的复合材料的界面形貌。由图可见, 界面较为干净、平直, 无析出相, 几乎观察不到化学反应物。采用压力下浸渗-半固态致密法制备的Al₂O_3sf·SiC_p/Al, 由于冷却速度快, 反应时间短, 正常情况下保温时间小于1 min。另外, 增强预制体经过高温预处理, 在SiC_p表面氧化生成SiO₂, 在制备过程中避免了SiC_p和Al的直接接触。因此, 在SiC_p同Al基体的界面上见不到Al₄C₃, 即使在材料制备后的一段冷却过程中可能有一定量的Al₄C₃生成, 在界面上也是轻微反应, 有利于界面结合。图6(b)所示为通过TEM观察到的Al₂O_3sf和Al基体形成的复合材料的界面形貌。从图中可以看到Al₂O_3sf和Al亦是比较干净、平直, 在界面上能够看到很薄的反应层, 应是镁铝尖晶石MgAl₂O₄, 但由于反应层太薄, 无法进行能谱分析。

通过密度和力学性能比较(表5)可知, 压力下浸渗-半固态致密制件比仅进行压力下液态浸渗制件更加致密且具有更好的力学性能。

图5 压力下浸渗-半固态致密制备的Al2O3sf·SiCp/Al复合材料的背散射电子像(a)和硅元素面扫描像

Fig.5 Backscattered electron image(BEI)(a) and element surface scanning image of Si(b) of Al₂O_3sf·SiC_p/Al composites prepared by infiltration-semi-solid densification under pressure

表4 压力下浸渗-半固态致密的主要工艺参数

Table 4 Main technological parameters ofinfiltration-semi-solid stamp forging under pressure

Preheat temperature of dies/℃	Infiltration temperature/℃	Infiltration pressure/MPa	Pressure of semi solid densification/MPa	Depressed velocity/(mm·s^-1)	Dwell time/s
200～300	780～800	2～5	70～100	2～3	30～40

表5 压力下浸渗-半固态致密制备的复合材料的密度和室温力学性能

Table 5 Density and mechanical properties at room temperature ofcomposites fabricated by infiltration and direct semi-solid densification under pressure

Material	Infiltration pressure/MPa	Semi-solid specific pressure/MPa	Heat treatment	Density/ (g·cm^-3)	Tensile strength/MPa	Specific elongation/%
15%Al₂O_3sf· SiC_p(1∶1)/2A14	4.5	0	T6	2.778 59	475	2.9
15%Al₂O_3sf· SiC_p(1∶1)/2A14	4.5	70	T6	2.837 25	510	4.1

图6 Al2O3sf·SiCp/Al复合材料的界面形貌

Fig.6 Interface morphologies of Al₂O_3sf·SiC_p/Al composites

(a)—Interface between SiC_pand Al;(b)—Interface between Al₂O_3fand Al

3结论

1) 压力下浸渗-半固态致密制备的Al₂O_3sf·SiC_p/Al复合材料, 增强体分布均匀, Al₂O_3sf纤维没有明显的方向性, 基体致密, 无显微孔洞。该法制备的Al₂O_3sf·SiC_p/Al复合材料具有良好的界面结合, SiC_p和Al的界面没有发现不稳定相Al₄C₃的生成, Al₂O_3sf和Al有轻微的界面反应物可能是镁铝尖晶石MgAl₂O₄, 但有待进一步探查。

2) 压力下浸渗-半固态致密法制备的复合材料较压力下液态浸渗法制备的复合材料有更加致密和更好的力学性能。该制备方法不仅具有生产效率高、质量稳定、成本低等优点, 而且既可制备整体复合材料又可和常规的液态模锻(挤压铸造)工艺、压铸工艺结合制备局部增强复合材料, 这一工艺特点对于国防装备和汽车行业中耐磨零部件采用局部增强金属基复合材料轻质合金有着重要意义, 具有广阔的应用前景。