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1、无压渗透法制备铝基复合材料的研究现状*王芬 林营 罗宏杰(陕西科技大学材料科学与工程学院,咸阳7 1 2 0 8 1)文摘介绍了当今国内外利用无压渗透法制备铝基复合材料的研究现状及工艺原理,详细归纳总结 了通过此种方法制备的几种典型铝基复合材料的性能、应用与具体工艺过程,并对利用无压渗透法制备铝基 复合材料的研究发展方向作 了探讨性总结。关键词无压渗透法,铝基复合材料 性能,应用,工艺过程,发展方向 Cu r r e n t S t a t u s o f Al u mi n i u m Ma t r i x C o mp o s i t e s b y P r e s s u r e l e
2、 s s I n fil t r a t i o n T e c h n i q u e Wa n g F e n L i n Y i n g L u o H o n g j i e ($h a a n x i U n i v e r s i t y 0 f S c i e n c eT e c h n o l o g y,X i a n y a n g 7 1 2 0 8 1)Al mt r a e t T h e c u r r e n t s t a t u s a n d t e c h n i q u e p r i n c i p l e o f p r e s s u r e l
3、 e s s i n fi l t r a t i o n t e c h n i q u e a t h o me a n d a b r o a d a I e r e v i e we d,a n d t h e p r o p e r t i e s,a p p l i c a t i o n s a n d a c t u a l t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s o f s e v e r a l t y p i c a l a l u mi n i u m ma t r i x c n p o s i t e s ma d e b y
4、 t h i s wa y a r e a l s o p r e s e n t e d i n d e t a i l T h e t e c h n o l o g i c a l p r o c e s s a n d d e v e l o p me n t t r e n d s o f t h i s t e c h n o l o g y a I e a l s o s 1_】l 卫 n M Ir e d Ke y wo r d s P r e s s u r e l e s s i n fi l t r a t i o n t e c h n i q u e,Al u mi
5、n i u m ma t r i x c o mp o s i t e,P r o p e r t y,A p p l i c a ti o n,T e c h n o l o g i c a l p r o c e s s,D e v e l o p me n t 1 前言 无压渗透法是美国 L tm x i d e 公司 M K A g l a i 锄ia r I 等人于 1 9 8 9 年在直接金属氧化法(D 珊0 x)工艺基础 上发展而来的又一种制备复合材料的新方法 1,该法 使用特殊的渗透气氛(如氮、氩和氢混合气等),使得 铝液能自动渗入填料预制体中而形成兼有基体和增 强体综合优良性
6、能的复合材料。无压渗透法因其具有工艺简单、成本低廉、产品 性能优良、增强体的体积可控等优点-3 J,在短短的 数年内得到了飞速的发展【4-6 ,不仅是产品系列得 到了扩展 7-9 ,制备技术也从单体材料的生长拓展 为基体与预制体的复合技术 m 3 l,即铝合金熔液 收稿日期:2 O 0 3 0 8 2 8 It 国家杰出青年科学基金资助:5 0(1 2 5 2 0 8 王芬 1 9 5 9年出生。教授,主要从事特种陶瓷的研究工作 宇航材料工艺2 O 0 4 年第 4 期 渗入到各种相容的金属及非金属颗粒、晶须和纤维 等预制件中(尤其是 S i C、A 1 2 O 3)制备出多成分的复 合材料。
7、从研究现状来看,目前利用无压渗透法所 研究的复合材料主要集中在下列几种:S i C D 复合 材料、B 4 C A 1 复合材料和 0 3 复合材料。2 无压渗透法制备铝基复合材料的工艺原理 无压渗透法充分利用了熔融金属铝液与环境气 氛之间的反应,消耗有限空间内的氧或特殊气氛,在 增强颗粒间或预制件中形成局部真空,自行生成增 强相的同时使熔融金属的润湿液面不断向未渗透的 区域推进,直至完全渗透u 4 J。实现无压渗透须具备下列条件。维普资讯 http:/ (1)反应前沿的通道是开放形的,且为毛细管 状。微观通道越大,合金熔液向界面的供应越容易,渗透也越容易进行。当合金中含有 s i 元素时有助
8、 于扩大渗透所需的微观通道。(2)要实现无压渗透状态下的自发渗透,必须克 服陶瓷颗粒与铝液间的不润湿性,并在毛细管中(或 通道内)形成局部的真空,造成吸渗的现象。M g 元 素是保证基体与增强体间的润湿与渗透过程顺利进 行的必要因素。实验证 明,M g 是一种活性元素,将 其加入铝液中,会形成界面处的局部聚集,其高的蒸 气压会破坏 0 3 层,改变界面处的氧化状态,故而 一方面可以降低熔融铝合金的表面张力,另一方面 可以降低固液表面能,使得润湿角减小,自发渗透得 以进行。另外,添加一定量的 S i 对改变陶瓷颗粒与 铝液的润湿性也起着一定作用,较高温度下,两者的 润湿角 0随 S i 含量增加
9、会逐渐减小,从非浸润向浸 润的温度也随之降低。(3)在渗透过程中,通道内的气体必须充分消耗 或推出,才能形成满渗状态 15 J。3 无压渗透法制备的几种典型铝基复合材料 3 1 S i C A I 复合材料 3 1 1 性能与应用 S i C p A 1 复合材料具有介于陶瓷和金属之间的 力学性能,它既保持了金属特有的、良好的延展性及 导电、传热等特点,又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀性 等优点,目前已成为国内外学者研究的热点之一。S i C D 复合材料因其具有上述优点而被应用 于航空航天、汽车、仪器仪表及体育用品等诸多方 面。美国在此材料的研究及应用处于世界领先地 位,已将此种复合材料在实际中得
10、以应用,如 用 3 0 3 5(体积分数)S iC p A 1 复合材料代替、T i 合金等制造的各种飞机构件,用 s c 3 5 9 4 1 复合 材料制造的已应用于福特和丰田汽车公司的汽车制 动盘等。在兵器工业上美国已用 S iC p A 1 复合材料 成功地制造了导弹壳体、轻型坦克履带板、雷达天线 等军工用品。另外基于其线膨胀系数低、密度小、导 热性能良好等优点已用来制造电子器材的封装材 料、散热片等电子器件和光学元件。3 1 2 制备方法及原理(1)预制体的制备 在预制体制备之前,首先需要利用热氧化法对 一8 一 S i C颗粒进行预处理,使其表面生成 S 层 2 0 J,即将 S i
11、C粉末放在普通箱式 电阻炉 中高温氧化几个小 时,使其表面发生如下反应:2 S i C+3 o 2 2 s i 0 2+2 C 0十 S i o 2 具有比S i C低的表面能,当S i C颗粒与熔融 铝液接触时,S i o 2 与铝液发生还原反应,生成 的 S i 熔于铝液,从而促进 了铝液向 S iC颗粒 中的渗透。S i C 增强体表面处理的方法还有镀金属涂层,硼砂、氟酸盐处理,溶胶 一 凝胶(S 0 l G e 1)处理等。由于热 氧化法较其他方法简单,故而采用此种方法-2 。预制体的成型方法有几种,可以用冷压机将混有 石蜡的S i C粉末压制成型后进行排腊、烧结,以确保 预制体在高温
12、下的强度;也可利用注浆成型法将 S iC 粉末制成上述形状,再在高温下氧化数小时而制得预 制体 2 2,另外还可以利用凝胶注膜法来成型 引。(2)基体合金的制备 基体合金所采用的原料为一级工业纯、M g、s i 粉。合金中 M g 为 1 1 0,S i 为 5 左右。熔炼 合金时,首先将氧化铝坩埚在 8 O O 左右焙烧一段 时间,除去挥发物后,首先放人 s i 粉,待其熔化后加 入 粉,当两者熔化并混合均匀后,降温至 6 5 0 左 右,加入 M g 粉,M g 粉最好用铝箔包裹后加入,这样 可以减少 M g 的挥发并降低其氧化程度;当 M g 熔人 合金后将温度升至 7 0 0 以上以确
13、保合金的均匀混 合;最后将熔炼好的合金在石墨模具中浇铸成圆柱 形合金棒。基于高纯 S i 粉 的熔点很高(1 4 1 0),熔制困 难,某些学者采用铝硅 中间合金,此合金熔点很低(约 5 6 0),易于熔制,但仍需按照实验所用合金中 各成分的比例添加其他成分进行熔炼,熔炼过程中 须考虑铝硅中间合金和 M g 的烧损量。(3)复合材料的制备 将 S i C预制体放在熔制好的铝合金锭上,将整 个装置放人瓷舟中,为了阻止材料向坩埚中生长并 防止两者粘连在一起,须在合金与坩埚之 间填充 A l 2 o 3 或 C a S 0 4 粉,实验装置原理如图 1 所示。实验选用管式炉,首先将其加热到所需温度,
14、并 调节 N 2 到适当流量,然后将装好 S iC预制体及 试 条的瓷舟推人管式炉中部的恒温区开始保温。而后 切断管式炉的电源,使其自然降温至 7 0 0(3 后取出瓷 宇航材料工艺2 O 0 4 年第 4 期 维普资讯 http:/ 舟,在空气中自然冷却,即可得到s c,a 复合材料。图 1 实验装置原理图 F i g 1 P r i n c i p l e p l o t t h e,n e n u d s e t u p 3 2 B 4 C A I 复合材料 3 2 1 性能与应用 B g C 复合材料的密度小,具有轻质、高强及 高韧的特点,主要应用于军事、电子领域,如以减重 为首要前提
15、的军事装甲系统中的首选材料、计算机 硬盘材料及信息贮存磁盘的基片等。目 前该复合材 料已在美国国家航空和宇宙航行局(N A s A)所研制 的航天飞机上作为飞机起落架等得以应用 2 5,2 6 。由于碳化硼与铝基体复合后仍具有中子吸收的 性能,可以广泛地用作核反应堆用容器填充料。此 复合材料还具有一个显著特点,即其线膨胀系数随 B 4 C 含量的增加而减小,因此调整复合材料中 B 4 C 的含量可使其与其他材料(如钢或钛)达到适宜的匹 配性,并且可采用普通铝合金的焊接技术进行方便 地焊接,焊接中 B 4 c不与熔融的铝产生粘附作用,从 而形成高强度焊接。而其他增强材料可能会与铝反 应形成脆性的
16、铝的碳化物或者与基体中的其他元素 反应形成脆性相,从而降低复合材料的性能。3 2 2 制备方法及原理 (1)碳化硼预制体的制备 首先将碳化硼粉末与 2 3(质量分数)的P V A 溶液混合,然后在4 0 M P a 下将混合物压制成块状,破 碎、过筛,将粉粒粒度控制在 6 0 1 4 0目之间。造粒后 的粉末置于冷压模具中,缓慢升压至 1 0 0 M P a 后保压 2 m m,缓慢降压出模,即得到冷压坯体。此预制体的致 密度随压力的增加和保压时间的加长而增大,但压力 超过 1 0 0 M P a、保压时间大于2 n n 时,预制体密度增加 不再明显,故而选择 匕 述最佳压制参数刀 J2 7。
17、压制好的块体还需要在含碳的氩气氛中进行高 温短时间煅烧,使之成为多孔的碳化硼陶瓷预制体。对碳化硼预制体进行预烧还可以改变碳化硼表面化 学状态,使碳化硼表面反应活性降低,以避免在渗透 过程中碳化硼与铝发生剧烈的界面反应。此过程中 宇航材料工艺2 0 0 4 年第 4 期 去除粘接剂时,要控制预烧过程的升温速率,以免引 起预制体开裂和微观缺陷的增加。(2)渗透合金的制备 利用无压渗透法制备复合材料,其合金成分的 确定也是十分重要的,既要保证合金的液态流动性 又要使金属与预制体之间具有良好的润湿。金属液 态的流动性和润湿性越好,对润湿过程越有利。硅 含量的增加是使合金的润湿角降低的主要的因素,但当硅
18、的含量高于 9 以后,硅对润湿角的降低作 用不再明显,故硅含量不必太高。一般所选合金中,M g 为 3 左右,s i 小于9,有 时含有少量的 ,其作用和 I g 一样,都是促进金属 和预制体间的渗透和润湿。其熔炼工艺与 s i c。复 合材料制备过程中的合金熔炼工艺基本一致,并且金 属粉熔化均匀后可用六氯乙烷精炼去气、静置、扒渣 后按实验需求浇制成所需尺寸的合金锭。(3)B g C 复合材料的制备 按图2 所示将装有碳化硼和浸渗金属的氧化铝 坩埚置于炉内,抽至 1 0 P a 以下真空,然后在氩气保 护下迅速 升温至 1 2 0 0 o C,保温 0 5 h后随炉冷 却L,即可得到 B 4
19、C A 1 复合材料。图2 实验装置原理图 r i g 2 P r i p l e p l o t t h e e x p e r i m e n t a l s e t-u p 3 3 A l 2 o 3 复合材料 3 3 1 性能与应用 0 3 复合材料性能优异,但其具体应用尚 未有所报道,只能从生产应用角度来综述此种复合 材料在各方面的应用。0 3 复合材料的极限强度和屈服强度高 于常用的几种铝合金,而且其弹性模量远远高于 所有的铝合金,因此适合于高比强度、高比模量的 结构部件;其次,0 3 复合材料 比一般铝合 金的耐热性好,可以在 4 0 0 a【=5 0 0 a【=的高温下长 期工
20、作,且其热导率、线膨胀系数都小于常用的铝 一9一 维普资讯 http:/ 合金,因此可以用此种复合材料代替常用的钢材 或其他金属材料作为新型的固体发动机 的喷管扩 散段等结构部件,以降低构件的结构质量 3 0,3 1;另 外因为有高硬度 的氧化铝颗粒分布于铝基体 内,使得此种复合材料的硬度较高、耐磨性很好、不易 划伤、不易变形,因而可用于发动机及各种连接 件,防止其划伤、变形等事故发生【3 2 ;除了上述几 种用途外,o 3 复合材料还可以用作梯度功能 材料及精密成型部件 3 3 。3 3 2 制备方法及原理 (1)o 3 预制体的制备 首先将增强相 A 12 o 3 颗粒在电炉中 6 0 0
21、 下保 温 3 h,除去颗粒表面污染物和吸附的气体、水分等;然后采用酸性硅溶胶作为无机粘接剂,其加入量为 o 3 颗粒的 1 O一 2 o(质量分数),用以保证预 制体的高温强度;还需用石墨粉作为此预制体的填 充剂,使预制体在高温焙烧气化时生成一定量的孔 隙。实验中采用有机粘接剂来保持常温下预制体的 湿态强度和刚度。一般采用球磨法将粘接剂和其他附加物与增强 体 o 3 颗粒混合,过筛,而后模压成型,1 5 0 C 烘干 后于电炉中 1 2 0 0 一1 3 0 0 焙烧 2 h 即成为 o 3 颗粒预制体【。预制体经焙烧后一般 A l2 o 3 颗粒所 占体积分数大约为 4 0。(2)基体合金
22、的冶炼 一般的基体合金成分为6 O 一 8 O(质量分 数)的 S i,3 左右的 M g。合金配置具体工艺过程 为:把纯、纯 s i 及 Z L 1 0 2合金(s i 二元合金)按要求 的比例放人坩埚中,然后放人炉中升温至 8 5 0 1,保温一定时间,待全部熔化后用钟罩法压人 4 的 M g(M g 有一定的烧损量),再保温一段时间,出炉浇铸即成母体合金。(3)复合材料的制备 按图 3 所示首先将 A 1 2 o 3 预制体置于 o 3 坩 埚里面,再在其上覆盖一层适量的助渗剂粉末 市购 A 1 2(S o 4)3 1 8 n 2 0在 6 0 0 C 加热处理 3 h ,然后在其 上面
23、放置 合金块,于 N 2 保护气氛下将整个装置 人炉升温到浸渗温度,保温一定时间后,随炉冷却。研究表明,采用 N 2 保护气氛制备的复合材料要比没 有保护气氛制备的材料组织致密、界面结合好。在渗透过程中,熔体在毛细管力的驱动下 自上而下 一1 O 一 自发渗入多孔预制体中,渗入前沿呈简单几何面向 前推进,预制体内的残余气体随渗入前沿合金液的 推进而不断排出。A 12(S o 4)3 粉末在铝锭熔化的同 一温度范围内分解放出大量气体冲破 o 3 膜,起 到了促进渗透的作用。图 3 实验装置原理图 3 P t i n e i l t h e曩p e 血 t t-u p 4 无压渗透法的研究发晨方向
24、 无压渗透铝基复合材料具有优良的综合性能,目 前已受到国内外材料研究者的普遍关注,但现有 资料表明,只有美国 1 a n x i d e 公司已制备出具有一定 形状且可供应用的材料,控制材料成型的关键工艺 参数及助渗剂等处于保密状态,因此对其成型方法 及工艺、渗透过程进行的机制等加以研究势在必行。综合国内外的资料来看,我们现需进行的研究工作 应着手于以下几个方面。(1)对所制备的复合材料的微观组织、界面形貌 与性能之间的关系进行详尽的分析,尤其是预制体 与增强体之间的微观界面结构和界面反应,确定出 温度、气氛等对材料最终性能的影响,优化工艺参 数。(2)改变系统的润湿性,选择合理的助渗剂。目
25、前,较佳的助渗剂有 A 1 2(S o 4)3、T i、M g、Z n 和 N tff l C 0 3 等,机理均是利用其较高的蒸气压或者分解放出的 大量气体冲破合金基体表面的氧化膜来达到促渗的 作用,研究确定高效复合助渗剂和添加剂的化学组 成、比例是改善润湿性的必要途径。(3)寻找控制增强相体积分数的工艺措施,能够 制备出增强相体积分数较小的铝基复合材料,同时 保证增强颗粒分布的均匀性。(4)设计合适的无压渗透设备及生产装置,稳定 渗透工艺,针对复合材料的不同组成,采用合理的保 护气氛以保证材料组织致密及良好的界面结合程度。参考文献 宇航材料工艺2 O 0 4 年第 4 期 维普资讯 htt
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39、 8,2 0 0 3;1 6 1(1):6 9 7 2 2 7 K棚 血 a J 1 nC h r i s t i a n,C r o n i nD u a n e,9,r o l v i c kMi c l u i e l e t -1I n fl u e n c e a t ma t e r ia l D p e 而e 8 o n t h e h i l l l J s t i c r,e r f o n a a t c e 1f a mi c 8 f o r p e r s o n a l b o d y a r mo u r S h o c k&Vi b r a t i o n 2 0
40、 0 3;1 0 (1):5 1 5 9 2 8 李青 无压浸渗法制备 B I c 复合材料工艺研究 北 京航空材料研究院研究生学位论文,2 0 0 1 2 9 桂满昌 颗粒增强铝基复合材料的制备和应用 材 料导报,1 9 9 6;(3):6 5 6 9 3 0 吴人洁 金属基复合材料的进 展 复合材料学报,1 9 9 6;4(1):1 01 5 3 1 I b r a h i m I A,lV l o h m e d F A,L a v e mi a E J P a r ti c u l a t e l i r lf o l-c e m e t a l m a t r i x e e m t
41、 e s a r e v i e w J M a l e r S e i ,1 9 9 1;2 6 (2):1 1 3 71 1 5 6 3 2 马伯信 新型铝基复合材料的研究与应用展望 固 体火箭技术,1 9 9 5;1 8(3):5 4 6 1 3 3 K o n t l a e L e e,Y o u n S u K i mk,H o o n K wo nF a b r i c a t i o n 0 f A I 一3 9,r t P e t M g m a t r i x e e n t e s l i n f o r e e d w i t h 0 3 a n d S i C c l d a t e s b y t h e p l 吼l i n f l l lml J o n t e c h n i q u e h I t 虬 a l l g ic a l a n d V l a t e r i a l s T m ma e t i o n A,1 9 9 8;2 9(4):3 0 8 73 0 9 5 3 4 颊悦,李秉哲,吴逸贵等 0 3 A 1 复合材料无压 渗透制备反应加工机制的探讨 复合材料学报,1 9 9 7;1 4(1):2 22 6 1 1 维普资讯 http:/