ZL101/SiCp復(fù)合材料制備及其缺陷分析

俞應(yīng)煒，徐平安，李智勇

（昌河飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 景德鎮(zhèn) 333002）

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料需要有高強(qiáng)度，高剛度等優(yōu)異性能從而作為優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)材料而在航空領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。英國(guó)航天金屬基復(fù)合材料公司（AMC）的結(jié)構(gòu)材料采用粉末冶金的方法成功制備出結(jié)構(gòu)輕巧同時(shí)性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，作為飛機(jī)起落架的結(jié)構(gòu)材料得到廣泛的應(yīng)用[1]。與鋁合金相比，其剛度提高約30%，提高了5%的使用壽命[2]；與鈦合金相比，其整體構(gòu)建材料重量減少25%[3]。作為粉末冶金法屬于固相工藝的一種，粉末冶金法制做金屬基復(fù)合材料，按照增強(qiáng)相與金屬粉預(yù)算的比例稱(chēng)量好放入研缽摻雜后研磨充分，然后倒入模具壓制成坯，再燒結(jié)成形，或直接對(duì)混合料熱軋、熱壓、熱擠等，由此獲得復(fù)合材料制件。采用粉末冶金法制做的SiCp/Al復(fù)合材料第二相的體積分?jǐn)?shù)范圍可調(diào)，并且可被適當(dāng)?shù)恼{(diào)控，體積分?jǐn)?shù)能高至70%[4]。在混料工藝可取的情況下，組織可以混合的非常均勻[5]。由于成型溫度低，增強(qiáng)相和基體之間的界面反應(yīng)微弱甚至不反應(yīng)，解決了陶瓷顆粒與熔融鋁液間不潤(rùn)濕的困難，力學(xué)性能好，易成型，應(yīng)且能夠?qū)崿F(xiàn)凈成形，有廣闊的發(fā)展前景[6]。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料組成

鋁基復(fù)合材料，其基體合金為ZL101，具體成分見(jiàn)表1所示；增強(qiáng)體顆粒為320#α-SiC和180#α-SiC顆粒，體積分?jǐn)?shù)為20%。

表1 ZL101合金化學(xué)成分

圖1 SiCp/ZL101復(fù)合材料所用粉末典型掃描照片（a）Al粉 （b）SiC粉

1.2 實(shí)驗(yàn)材料的制備

本實(shí)驗(yàn)采用冷等靜壓結(jié)合熱等靜壓的方式，首先將增強(qiáng)體碳化硅顆粒和基體金屬粉末按照一定比例進(jìn)行成分配比，同時(shí)加入一定比例的混料介質(zhì)(鋼球)進(jìn)行機(jī)械混合，混合后的鋁基復(fù)合材料掃描電鏡照片如圖2所示。從圖中可以看出，經(jīng)混合后碳化硅粉末均勻分散在金屬粉末中，不存在偏聚現(xiàn)象。

圖2 混合粉末掃描電鏡照片

通過(guò)冷等靜壓使復(fù)合粉末致密化，成形為有一定強(qiáng)度的復(fù)合材料坯錠，使得冷壓坯致密度達(dá)到理論密度的70%以上后采用真空除氣體，利用真空泵機(jī)組將鋁基復(fù)合材料冷等靜壓坯錠抽真空，隨著加熱爐的加熱使坯錠粉末表面吸附的各種氣體逐步釋放出來(lái)，最終坯錠達(dá)到高真空狀態(tài)，為下一步熱等靜壓做準(zhǔn)備,后最終采用熱等靜壓的方法制備試樣，通過(guò)冷等靜壓使復(fù)合粉末致密化，成形為有一定強(qiáng)度的復(fù)合材料坯錠，使得冷壓坯致密度達(dá)到理論密度的70%以上。試樣制備后的金相照片如圖3所示。

圖3 ZL101+180#SiCp/Al

2 結(jié)果與分析

2.1 材料微觀分析

由圖4可見(jiàn)，復(fù)合材料SiC增強(qiáng)顆粒分布較均勻，復(fù)合材料組織較致密，存在極少微小的孔洞和缺陷。SiC顆粒為光亮的黃色，形狀為多邊形，帶有一定的棱角，基體鋁合金為黃黑色，呈連續(xù)分布；SiC顆粒在鋁基體中分布均勻，極少顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，滲入較完全。

2.2 復(fù)合材料微缺陷分析

圖4 180#+ZL101，100倍金相照片

由圖5可見(jiàn)，該點(diǎn)所處位置為鋁基體處，Al含量極高，隨著碳化硅顆粒尺寸減小，斷口中撕裂棱和韌窩的數(shù)量增多，表現(xiàn)出韌性斷裂。圖中顯示細(xì)顆粒區(qū)出現(xiàn)細(xì)小顆粒被“拔出”痕跡及拔出留下的黑色凹坑。

圖5 180#SiCp/Al SEM形貌和能譜

碳化硅顆粒相互搭接處是界面結(jié)合最薄弱和微裂紋極易萌生之處，所以易產(chǎn)生缺陷。碳化硅顆粒除了與碳化硅相互搭接處外全部被鋁液包裹，即除了碳化硅周?chē)渴卿X相[7]。因?yàn)殇X的塑性比碳化硅好（碳化硅是脆性材料），材料一旦受力發(fā)生塑性變形，塑性好的鋁相一方優(yōu)先發(fā)生微小變形。當(dāng)受力方向與缺陷處垂直時(shí)，缺陷處就會(huì)出現(xiàn)微裂紋最終形成微孔，導(dǎo)致裂紋沿著晶界撕裂。當(dāng)應(yīng)力與缺陷處界面平行時(shí)，碳化硅顆粒間受到拉應(yīng)力時(shí)，同樣微裂紋會(huì)在缺陷處萌生；碳化硅顆粒間受到壓應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力就通過(guò)缺陷處相互傳遞，由于碳化硅顆粒既硬又脆難以發(fā)生屈服變形，致使碳化硅顆粒在缺陷處發(fā)生應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致其在缺陷處出現(xiàn)脆性斷裂即解理斷裂。

基于上述認(rèn)識(shí)可以認(rèn)為，在外力作用下連續(xù)相Al作為承載相首先發(fā)生彈性變形，應(yīng)力通過(guò)SiCp/Al界面?zhèn)鬟f到SiC顆粒上，但此時(shí)整體材料表現(xiàn)出較低的彈性模量[8]。隨后，Al發(fā)生塑性變形并得到強(qiáng)化，由于SiC顆粒的存在，強(qiáng)化過(guò)程比較迅速[9]。與此同時(shí)，位錯(cuò)在相界面上堆積并最終形成裂紋。大量形成的裂紋、SiC顆粒搭接缺陷處和原始材料中存在的氣孔使材料的有效承載面積減小，最終導(dǎo)致材料破斷。

2.3 復(fù)合材料微缺陷分析

適當(dāng)?shù)慕缑娣磻?yīng)能改善增強(qiáng)體SiC與基體鋁合金的潤(rùn)濕性，加強(qiáng)增強(qiáng)體與基體的結(jié)合，但過(guò)量的界面反應(yīng)將生成Al4C3或MgA12O4等產(chǎn)物，造成增強(qiáng)體的損失與界面結(jié)合的惡化[10]。

對(duì)于SiCp/Al復(fù)合材料，主要存在以下界面反應(yīng)[11]：

上述SiC與熔融Al間的反應(yīng)系溶解-擴(kuò)散機(jī)制控制。其過(guò)程按以下步驟進(jìn)行：

SiC的高溫溶解，即SiC的表面與熔融Al接觸時(shí)緩慢溶解過(guò)程[12]

Si、C擴(kuò)散，遠(yuǎn)離SiC與Al的界面，進(jìn)入液態(tài)金屬；當(dāng)C在熔融Al中的溶解度過(guò)飽和時(shí)，析出Al4C3并長(zhǎng)大。為了延緩上述界面反應(yīng)的發(fā)生并改善增強(qiáng)體與基體的浸潤(rùn)性，常常對(duì)SiC表面進(jìn)行高溫氧化處理。由于高溫氧化的SiC顆粒表面生成Si02薄層，該薄層與Al之間的反應(yīng)如下[13]：

不論發(fā)生上述何種反應(yīng)，都有Si生成，因此，Si含量的變化常常成為判斷界面反應(yīng)程度的有效方法[14]。碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的界面分析如圖6所示。

由于在配料中沒(méi)有引入金屬硅，所以，在EDS中發(fā)現(xiàn)的金屬硅只可能是來(lái)自加熱過(guò)程中物料之間的反應(yīng)所致。即

圖6 SiCp/Al復(fù)合材料界面SEM形貌及能譜

由于分析用的能譜儀不能將SiC和Si加以區(qū)分（主要是對(duì)C難以判斷），以能譜分析過(guò)程難以定性表征出 Si，有反應(yīng)式（6）存在。除了反應(yīng)式（6）外，基質(zhì)中熔化的鋁鎂合金會(huì)氧化生成鎂鋁尖晶石，該反應(yīng)過(guò)程和結(jié)果對(duì)于降低試樣的氣孔率、提高致密度和改善熱穩(wěn)定性能是有益的。同時(shí)氧化的碳化硅和金屬鋁粉之間也會(huì)相應(yīng)生成2Al2O3·3SiO2，這對(duì)改善顆粒間的結(jié)合狀況和材料的熱震穩(wěn)定性能也是有益的[15]。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)金相觀察、斷面SEM形貌、能譜,其缺陷主要是SiC粒子分布不均勻以及材料中存在氣孔。過(guò)對(duì)微缺陷產(chǎn)生的機(jī)理分析，可以得出對(duì)SiC進(jìn)行加熱預(yù)處理、合適的顆粒配比尺寸和體積分?jǐn)?shù)、延長(zhǎng)保溫時(shí)間、提高浸滲溫度、降低冷卻速度、減少殘余應(yīng)力將有可能減少微缺陷的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

本文通過(guò)研究SiCp/A1復(fù)合材料的制備工藝，分析比較SiCp/Al復(fù)合材料金相、微缺陷SEM形貌、界面等，結(jié)合微缺陷產(chǎn)生的基本特征，得到如下結(jié)論：

（1）使用320#和180#的碳化硅顆粒作為增強(qiáng)體，同時(shí)采用ZL101作為基體制備出的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有致密性良好，顆粒分布均勻，無(wú)明顯的聚集現(xiàn)象。

（2）同時(shí)結(jié)合SEM和EDS對(duì)界面的分析表明碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料產(chǎn)生的缺陷主要是碳化硅顆粒分布不均勻以及材料中存在氣孔，使材料的有效承載面積減小，最終導(dǎo)致材料破斷。

（3）解釋了碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在界面反應(yīng)中產(chǎn)生鎂鋁尖晶石和Si元素產(chǎn)生的原因。