電磁攪拌法制備SiCp/Al復合材料

耿德軍，王承志，2，劉鳳國

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

電磁攪拌法制備SiCp/Al復合材料

耿德軍1，王承志1，2，劉鳳國1

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

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

SiCp/Al；熱壓燒結；電磁攪拌

SiCp/Al復合材料因其具有密度小、比強度和比模量高、良好的熱學性能及優(yōu)良的耐磨、減磨性能，因而成為理想的新型結構或功能材料。SiCp/Al復合材料在軍用裝備、航空航天、汽車制造、電子封裝和體育器材等行業(yè)中具有良好的應用前景[1-2]，受到國內外的廣泛關注。但由于原始陶瓷增強體顆粒與基體合金潤濕性較差，導致SiC顆粒不能與基體合金致密結合，使得復合材料性能較差；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[3]，生成含有脆性相Al4C3的界面層，該脆性相會在材料受力變形過程中成為缺陷源，使SiCp/Al復合材料的性能惡化，限制了SiCp/Al復合材料進行規(guī)?；a。

目前SiCp/Al復合材料的制備主要采用壓力浸滲、粉末冶金和攪拌鑄造法。壓力浸滲法對模具的要求比較高，要求模具材料耐強度、耐高溫；攪拌鑄造法設備成本低，工藝簡單，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，目前復合材料存在氧化夾雜多、氣孔率高、顆粒團聚嚴重及有害的界面反應等問題。

本文通過真空熱壓燒結的工藝制備出預制復合坯塊，然后在重熔過程施加電磁攪拌制備復合材料，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性，減少了氣孔和團聚。

1 SiC顆粒的預處理

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，因此在還原產物中會含有一定量殘留的游離碳和其它雜質，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吸附在SiC顆粒的表面，使顆粒間相互作用而發(fā)生團聚，無法均勻地分散影響復合材料的性能。因此SiC顆粒處理工藝顯得非常重要。

1.1 SiC顆粒表面處理

在試驗中選用稀氫氟酸，在超聲條件下進行浸泡清洗，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，由于氫氟酸對陶瓷顆粒表面強烈的腐蝕作用，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，用時只為原來一半。

圖1 未經處理SiC顆粒表面

圖2 稀氫氟酸清洗后SiC顆粒表面

通過對處理前與處理后顆粒表面的EDS(能譜)分析，經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復合材料的界面控制是成功制備高性能復合材料關鍵因素之一，通過控制界面反應的進行來實現對復合材料性能的設計。SiC與基體合金的潤濕性不好，因此需對其進行氧化處理來改善潤濕性[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雜、涂層厚度不易控制、生產成本較高、污染大等問題，所以本試驗采用相對簡單、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，而且經過6h的氧化處理后SiC顆粒表面會形成一層氧化層，圖4表明不同的氧化溫度對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，但溫度過高會因SiC顆粒表面自由能高而使顆粒相互氧化結板，因此，試驗選擇900℃氧化6h。

圖4 不同氧化溫度的增重效果

2 復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，試驗首先采用三維高效混料機將處理后的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，在真空熱壓爐內進行熱壓燒結，制成復合坯塊。通過此項工藝，達到增強體顆粒預分散的目的。

2.1 混粉的工藝研究

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

(a)1h

(b)1.5h

(c)2h

(d)2.5h

(e)3h

2.2 預制混合粉塊的攪拌重熔及結果分析

為解決機械攪拌存在攪拌死區(qū)和減少機械攪拌對鋁液帶來的金屬污染，試驗采用電磁場對復合漿料進行電磁攪拌重熔復合。攪拌過程中為避免氧化夾雜造成增強體顆粒團聚，攪拌復合時在熔體液面上方通氬氣進行保護，其結構如圖6。

圖6 電磁攪拌爐結構示意圖

為對界面反應進行控制，試驗中基體合金選擇含Mg的7系合金，試驗中首先對基體合金進行精煉、除渣、靜置、轉包到攪拌坩堝內。待攪拌爐內鋁液的溫度上升到720℃的時候開始攪拌復合。試驗中采用三種不同SiC顆粒含量的復合坯塊，通過重熔試驗觀察其重熔效果。把預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。

試驗選定三種不同體積分數的復合坯塊，分別為50%SiC、40%SiC、30%SiC。將不同體積份數的復合坯塊分別加入到720℃的合金熔液中進行1h的攪拌重熔，然后對未熔解的部分進行稱重，結果見圖7。

圖7 復合坯塊的剩余量

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

圖8 30Vol%SiC的復合坯塊重熔后SiC

圖9 SiC顆粒與基體合金結合圖

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SiC顆粒分散均勻性較好，經過酸洗氧化處理的增強體顆粒與基體合金結合非常致密，復合材料中沒有明顯的氣孔和夾雜物，復合效果良好。

3 結論

采用稀釋氫氟酸在超聲輔助條件下對SiC顆粒進行酸洗，并對酸洗處理的顆粒進行900℃氧化6h，氧化處理可明顯改善SiC顆粒與基體合金的潤濕性。選定中位徑為20μm的增強體、體積分數為30vol%、球料比為3∶1、混料時間為2h時，SiC顆粒在復合坯塊分散均勻性最好；在熔體溫度720℃條件下攪拌1h，復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，顆粒與基體合金結合致密，沒有顆粒脫落發(fā)生。

[1]薛陽，宋旼，肖代紅.顆粒增強鋁基復合材料的制備及力學性能[J].自然雜志，2015，37(1)：41-48.

[2]顏陸軍，唐鑫，高經，等.超聲波處理顆粒增強鋁基復合材料的研究[J].熱加工工藝，2014，43(12)：33-39.

[3]益小蘇，杜善義，張立同.中國材料工程大典第10卷(復合材料工程)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

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[5]董晟全，郭永春.納米AlN顆粒增強鋁基復合材料的制備與力學性能研究[J].熱加工工藝，2002，(3)：43-44.

[6]郝斌，崔華.納米SiC顆粒增強鋁基復合材料制備工藝進展[J].材料導報，2006，20(7)：206-207.

[7]Brone D，Muzzio F J.Enhanced mixing in double-cone blenders[J].Powder Technology，2000，110(2)：179-189.

(責任編輯：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(1978—)，工程師，研究方向：陶瓷顆粒增強金屬基復合材料、特種鑄造.

1003-1251(2015)03-0041-05

TG146.2

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