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6、完善和进一步研究的方向。关键词:金属基复合材料;SiCp颗粒增强铝基复合材料;制备方法;综述中图分类号:TB333;文献标识码:A 文章编号:100124977(2000)0120017204The Fabrication and Development of SiCp/Al Metal2matrix CompositesOUY ANGLiu2zhang,LUO Cheng2ping,SUI Xian2dong,LUO Zhuo2xuan(South China University of Technology,Guangdong Guangzhou 510641,China)Abstract
7、:The particle reinforced Al2matrix composites is one of more extensive development and appli2cation in the metal matrix composites,and the SiCp/Al metal matrix composite is one of the particle rein2forced Al2matrix composites.The development situation,fabrication methods and existing problems ofSiCp
8、/Al metal matrix composites are reviewed,the future research and improvement are also proposed inthis paper.Key words:metal matrix composites;SiCp2particle reinforced aluminum matrix composites;fabricationprocess;reviewSiCp/Al复合材料的制备比较容易、成本低,并可用热压、热挤压、热轧等常规热加工工艺加工成型,而且增强相在基体内弥散分布且具有各向同性,适用于复杂应力状态1,所
9、以,80年代中期以来,SiCp/Al复合材料得到迅速的发展。美国DWA复合材料专业公司从70年代就开始研制用粉末冶金法生产SiCp增强6061或2124铝合金基复合材料,现已达到商品化2。同时美国的ARCO化学公司3先进复合材料分厂(ACMC)和NORamet公司,英国的英国石油研究中心(British Petroleum Research Center)收稿日期:1999208220收到初稿,1999210228收到修订稿。作者简介:欧阳柳章(1972-),男,湖南省双峰县人,华南理工大学机电系教师,硕士在职研读博士生,主要研究方向:金属基复合材料制备及材料的电子显微分析。71Vol149N
10、o11Jan2000铸 造 FOUNDRY也都研究和发展了粉末冶金法制造铝基复合材料。我国在70年代初4,沈阳金属研究所、北京航空材料研究所开始研制,目前正处在实验室研试和进行有关材料的结构与性能的研究阶段。SiCp/Al复合材料是研究较多,比较成熟的一类金属基复合材料,应用最广泛。SiC是一种人造矿物5,6,自19世纪末由美国的Acaheson投入工业化生产以来,人们不仅认识到利用其高硬度性能作为磨削材料,利用其导电性能制造电阻发热体,利用其主要成分C和Si的还原性作为铸造业的增碳剂、炼钢的精炼剂和脱氧剂等等;同时人们认识到SiC材料具有优异的高温机械性能、耐火性能、抗热震性能以及高导热性和
11、低热膨胀性等,用它作为高温材料。从1891年人们发明了SiC的工业生产以来,它作为一种耐高温、耐腐蚀耐磨削材料在工业上得到了广泛的应用。碳化硅颗粒和铝有良好的界面结合强度,铝基体经SiC颗粒增强后以显著提高材料的弹性模量、拉伸强度。SiCp/Al复合材料因为重量轻、比强度比刚度高、有高的剪切强度、热膨胀系数低、良好的导热性和导电性、热稳定性高、卓越的抗磨耐磨性、能耐有机液体如燃料和溶剂的侵蚀、可用常规工艺和设备进行成形和处理等而越来越受到重视7。1SiCp/Al复合材料制备SiCp/Al复合材料成形技术,按增强颗粒与铝合金混合方式及成型工艺不同,可分为挤压铸造、离心铸造、熔体浸渗、粉末冶金及喷
12、射沉积。111 挤压铸造法挤压铸造法8,9,10被认为是金属基复合材料最有效的制造方法之一。这种方法就是在用搅棒高速搅动的铝熔液中逐渐加入SiC颗粒增强物,待SiC颗粒得到润湿、分散均匀后将熔体浇入金属型,用挤压铸造的方法加压成形。欧阳柳章及隋贤栋等用此方法成功地浇铸了铝基复合材料活塞,台架实验正在进行中。因为通常非金属增强物与金属液是不润湿的,所以用普通搅拌法制造时因相互排斥而使增强物分散不均匀11,12,13。对这种搅拌方法进行一种变化和改良,将金属液温度控制在液相线和固相线之间14进行搅拌,这时熔液含有一定组份的固相粒子,增强物加进去,即使润湿不好,由于固相粒子的阻挡和滞留,增强物也不会
13、结集和偏聚,仍能得到较均匀的颗粒分散。同样,将分散均匀的熔体浇入金属型,用挤压铸造的方法加压成形。但是半固态浆液中气体和夹杂物不便排出,缺陷较多,搅拌过程中SiCp颗粒的偏聚、颗粒在液体中有界面反应等。112 离心铸造法一种方法是在离心力作用下将金属液体挤入增强材料间隙形成复合材料的一种铸造方法,液体的离心力比重力至少大120倍。另一种方法就是在用搅棒高速搅动的铝熔液中逐渐加入SiC颗粒,待SiCp得到润湿,将分散均匀的熔体浇入金属型,用离心铸造方法成形。隋贤栋15等利用这一方法成功地制备了表层富SiCp的铝基复合材料。113 熔体浸渗这种方法16,17,18,19是预先把颗粒增强材料用适当的
14、粘结剂粘结,做成预制件,放入压型,浇入铝熔液后立即加压,使铝液渗入预制件的间隙,这样在凝固后就得到要求的铝基复合材料。1983年日本丰田汽车公司用这方法制成铝基复合材料局部增强活塞20。114 粉末冶金法铝基复合材料最初是采用粉末冶金法制造的21。粉末冶金法的优点是增强体的加入量可以任意调节,成分比例准确,体积份数控制方便。缺点是原材料和设备成本高,制造出的复合材料的内部组织出现不均匀现象,孔洞率较大,因此必须对复合材料进行二次塑性加工,以提高其综合机械性能;工艺比较复杂,而且都必须在密封、真空或保护气氛下进行,设备及生产成本较高;所制零件的结构和尺寸均受限制。据美国DWA公司1988年的报道
15、,他们用粉末冶金法生产的SiC/铝基颗粒增强复合材料,产品价格为每454克50100美元,比基体合金约高10倍左右,所以还只能用于航空航天和军事用途,不能在民用工业推广应用。115 喷射沉积可控喷雾共沉积技术是一种80年代逐渐成熟的新的粉末冶金技术,其具体工艺过程如下:将铝合金在坩埚中熔化,加压流经雾化器后被高速气体分散成极其细小的微滴,微滴高速冷却后沉积到基板上,便可得到理想的快凝材料;若同时通过一个或几个喷嘴射入增强相SiC粒子并使之与雾化液滴一起沉积在基板上,这样便制得了SiCp/Al复合材料。这种方法 是以氩氮等非活性气体作为载体,将颗粒增强物喷射分散在铝液中,形成铝基复合材料。这方法
16、早在1969年就已有人提出,一种22是喷射分散法,是日本长谷川正义等人提出的,把以氩气携带的颗粒等增强物喷射在金属液流上,并随着液流的翻滚流动而分散。另一方法是英国J.White等23人提出的,称喷射沉积法,是将熔化的铝基体金属通惰性气体雾化,再将雾化的金属液滴与带有颗粒等物的惰性气流混合,喷射在安置于保护气氛密封容器内的铸型或底板上,在那里沉积成所要求的铸锭或铸件。81Jan2000FOUNDRYVol149No112SiCp/Al复合材料技术难点及研究方向211 进一步完善和开发各种工艺方法现有工艺方法虽然成功制造了复合材料,但距离实际应用还有一定的差距24,25,仅处于实验室阶段。SiC
17、p存在26铝液中,使熔液粘度提高,流动性能降低,铸造时充填性能变差,当颗粒含量增加至20%或在较低温度(730)时,流动性急剧降低以至无法正常浇注。SiCp具有很大表面积,表面能大,易吸附很多气体,带入金属液中。此外熔液粘度大易卷入空气并难以排出,气体进入金属液为产生夹杂营造了条件。212 复合材料的凝固铸造SiCp颗粒复合材料制造过程中,由于颗粒的存在,使冷却和凝固时的温度分布、晶体生长的热力学、动力学过程等发生变化,相应地,复合材料的凝固特性、溶质再分配规律、组织特征以及一二次枝晶间距、偏析等也要发生变化。颗粒被固溶界面所排斥和推移,聚集在界面前方的液相中27,28。这些是材料工作者十分感
18、兴趣的问题,目前的研究还不充分,有必要深入开展工作。213SiCp/铝基复合材料的界面界面与材料的各种性能的关系是复合材料研究的前沿领域29,30,当前界面研究的重点是界面润湿、界面结构、界面结合机制和界面稳定性。尽管界面润湿性是界面相容性的一个方面,但对于铸造法来说,它对颗粒的分布往往起着决定性的作用。因此,有关润湿机理、改善途径31及影响因素仍是今后界面研究的重要课题。目前有许多问题尚待解决,首先是它的力学性能特别是强度尚离理论值有较大差距,这主要是由于SiCp/铝基复合材料极易发生界面反应32,33,34,从而对强度有较大的影响。寻找保护性好又与金属浸润的涂层是十分迫切的。碳化硅颗粒增强
19、铝是很有发展前途的材料,特别是其界面间需要适当的粘接力才能有最佳的强度的现象,还缺乏从理论上加以定量地说明35,36,37。复合材料具有丰富的微观结构组合方式,其与宏观力学的对应性也亟待研究3841。由于合金化工艺与变质处理改善界面结合状况,材料的浸润性及化学反应方面存在较大的问题42,43,增强材料SiC与铝的润湿角大于90,因此,在液态成形中,金属液很难浸入到增强材料SiC之间,结果使材料内部形成大量孔洞缺陷。另外,增强材料和基体材料往往在物理性能(热膨胀性、密度)、化学性能(如电化学势、组元扩散能力)及力学性能(如强度及韧性)方面存在较大差异,这将影响复合材料的质量。在基体中加入合金元素
20、44,以增加金属液的粘度降低表面张力和改善润湿性及结晶形态的改变,均有利于形成结合良好的界面。变质处理后的基体材料性能的提高可以弥补复合化以后塑性的降低,从而使所制备材料具有优异的综合性能。214SiCp/铝基复合材料降价问题以颗粒增强的金属基复合材料是金属基复合材料的发展趋势。目前主要用于航天航空领域,而在民用结构上用得很少,这与其成本太高有关。复合材料的成本居高不下,一直是阻碍其进一步发展应用,特别是民用领域应用的一个关键问题45。提高加工工艺的效率和减少辅助设施,复合材料的回收利用,重熔处理,胶结等都是值得进一步深入探讨的课题。215SiCp/铝基复合材料加工性能SiCp/铝基复合材料含
21、有硬而脆的SiC颗粒,属于难切削材料,其主要表现之一是刀具磨损迅速。现代精密机器零件绝大多数仍需依靠机加工获得最终形状和精度,切削加工问题的解决是刻不容缓的。3 结束语复合材料是一门涉及到物理、化学、物理化学、传热学、金属学、力学等多学科的典型的边缘学科46,目前的基础理论研究,特别是化学分析和处理,大多是针对纤维复合材料的,对颗粒复合材料的研究很少,各项数据和基础理论有待完善。SiCp/Al复合材料性能优良,制造工艺比较简单,成本较低,作为工程材料,可望在机械、冶金、建材、电力等工业部门得到广泛的应用,取得巨大的经济效益和社会效益。铝基复合材料的时代正在到来,它将在更广泛的领域得到应用,在现
22、代化建设中发挥更大作用。中国复合材料的研究发展在世界上已占有举足轻重的一席之地,2001年在中国举办ICCM21347也将对中国复合材料的研究应用、产业发展起到积极的促进作用,是我们一次难得的机遇。参 考 文 献1 CUI Yan,GENG Lin and YAO Zhong2kai.A New Advance inthe Development of Highperformance SiCp/Al CompositeJ.J.Mater.Sci.Technol,1997,13:2272 何湘平编译.Al2SiC复合材料铸造发展概况 J.特种铸造及有色合金,1991(5):283 朱和祥,黎砟坚
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