SiCp/7090Al復合材料的兩步復合及半固態壓鑄成型

王承志 ，袁學良 ，劉鳳國 ，李玉海 ，黃 勇 ，袁曉光

（1 沈陽理工大學材料科學與工程學院，沈陽 110159；2 沈陽工業大學材料科學與工程學院，沈陽 110870）

SiC顆粒增強鋁基復合材料因其質量輕、比模量和比強度高，還具有良好的熱學及耐磨損性能，因而，成為理想的新型結構材料。在軍事、航空航天、汽車、電子封裝和體育器材等領域顯示出巨大的應用潛力[1-2]。

目前SiCp/Al合金復合材料的制備主要有粉末冶金法和鑄造法。粉末冶金法工藝復雜，成本較高，不便生產復雜形狀零件，且零件尺寸受到限制；而鑄造法成本低，工藝簡單，可以制作復雜形狀零件，因此成為研究的熱點之一[3]。但由于SiC顆粒與基體合金熔體的潤濕性差，所以即便是采用機械攪拌或電磁攪拌，SiC顆粒也較難進入基體合金熔體實現復合；而且已經進入熔體的顆粒，也存在顆粒團聚，與基體結合差等問題。同時，對于攪拌復合，長時間的攪拌會產生氧化夾雜、氣體卷入以及SiC顆粒與高溫基體合金熔體發生有害界面反應而生成脆性相[4]，使得SiCp/Al合金界面成為材料破壞的起始點，導致復合材料的力學性能明顯下降等問題。

本文的試驗表明，采用固態復合法制備出預復合塊，然后通過將其溶解分散在貧鋁7090Al合金液中（二次復合）制備復合漿料，有效地解決了SiC顆粒與基體合金的潤濕性差不易復合的問題，可使SiC顆粒順利進入基體合金熔體中并實現均勻分布，還可減少氧化夾雜和氣孔缺陷。二次復合后的復合漿料采用鑄造成型（如壓鑄、擠壓鑄造等），則可以克服粉末冶金法不便制作復雜零件和大尺寸零件的問題。

1 固態復合的概念

對于分散型強化復合材料，在其被具體應用之前，一般都必須經歷“復合”和“成形（成型）”兩個過程。其中“復合”過程又包括增強顆粒“進入基體”（原位復合除外）并“獲得所需分布”（均勻分布或梯度分布）兩個方面。根據增強體進入基體時基體的物態對復合材料制備的復合方式進行劃分，有液態復合和半固態復合兩種方式。作為這種劃分的一種自然延伸，本文提出了固態復合的概念。所謂復合材料的固態復合，就是兩種或兩種以上固態顆粒組元經過混合，使增強相組元（如SiC顆粒）均勻分布到基體組元（可以是基體合金元素粉末或者基體合金粉末）當中，然后經過冷壓或再進行真空熱壓，則復合過程結束。其后的二次加工，如擠壓、軋制、模鍛、重熔后鑄造等則屬于“成形”（獲得一定形狀、尺寸和性能）過程。順便說明，即使在復合過程中進行熱壓，使基體粉末表層瞬間出現少量液相，就粉末整體而言，也屬于“近固態”，這與半固態復合時基體處于“近液態”有明顯不同。作為固態復合的具體應用可以有以下幾種方式：

1）增強顆粒與基體合金粉末（如SiC顆粒與7090Al粉末）固態復合；

2）增強顆粒與基體元素粉末（如SiC顆粒與Al、Zn、Mg、Cu 等元素粉末）固態復合；

3）增強顆粒與金屬粉末（如SiC顆粒與Al粉末）固態復合。

上述第二種方式可稱為“多元素固態復合”，而第三種方式可稱為“單元素固態復合”。因而第三種方式，也可以看作第二種方式的特例。

作為固態復合的應用，本文采用上述第三種方式，首先制得SiCp/Al預復合塊（圖1），然后通過二次復合制備SiCp/7090Al復合漿料，并采用壓鑄工藝，制作了SiCp/7090Al復合材料鑄件。

圖1 固態復合制備預復合塊工藝流程

2 實驗結果及分析

2.1 SiC顆粒的預處理

SiC顆粒的主要制備方法是在電爐中用石英砂和焦炭高溫焙燒還原而成，因此，顆粒表面會有一定量未完全反應而殘留的游離碳，其含量一般約為0.1%～1%。此外，還存在少量的游離硅、二氧化硅、氧化鐵等雜質，SiC顆粒表面還吸附有亞微米級的SiC和SiO2小顆粒，使顆粒易于發生團聚，無法均勻地分散到基體合金熔體中而影響復合材料的性能。因此，在使用前對SiC顆粒進行了表面清洗處理。

圖2為用稀氫氟酸和稀鹽酸清洗后的顆粒表面的SEM照片。從清洗后顆粒的表面狀態看，氫氟酸要比鹽酸理想，但用氫氟酸酸洗會使SiC顆粒粒徑減小而造成浪費，因此綜合考慮后決定在試驗中采用稀鹽酸對SiC顆粒進行處理。

另外，為了便于進行預復合以及避免二次復合時SiC顆粒與鋁合金液直接接觸而生成Al4C3等脆性反應物，所以還對SiC顆粒進行了高溫氧化處理（1000℃/6 h）。

圖2 SiC顆粒酸洗后表面形貌

2.2 混料工藝研究

為了使SiC顆粒與純鋁顆粒實現預復合（固態復合），其前提條件是必須通過一定的方法使前者在宏觀上均勻分布于后者當中（即均化過程，對于固體的均化叫混合或混料）。粉體均化的機理主要有移動均化（對流）、擴散均化（組元間互相摻合、滲透）和剪切均化三種[5]。但實際的混合過程往往是幾種混合機制的共同作用，且不同的粉體在不同的混合設備中，在不同的旋轉速度和不同的填充率下，粉體的混合運動形態不同，混合的效果也就不同。本實驗所用的V型混料機由無錫市鑫燕粉體機械有限公司設計制造（圖3）。該類混料機的均化機理以對移動均化（對流）為主。

混料筒轉速25r/min，攪拌葉片轉速1390r/min。混料時先把經過酸洗氧化處理的SiC顆粒（中位徑為15 μm）與純鋁粉（鞍鋼實業微細鋁粉有限公司產，直徑為20μm）共500g裝入混料筒內，接通電源即可進行混料。為避免鋁粉發生氧化，在混料過程中通入氬氣進行保護。由于裝填量、顆粒種類、粒徑和轉速等已經固定，所以混料的工藝參數只有混料時間。

混料時間分別選擇0.5h、1h和2h。混料達到預定時間后停機，稱取100g混合粉通過冷壓、熱壓制備預復合塊，并切取試樣，進行磨樣、拋光和腐蝕，之后在顯微鏡下進行組織觀察，結果示于圖4。由圖可見，經過2 h混料，SiC顆粒的宏觀分布已足夠均勻（這個時間僅是球磨混料的1/10～1/15）。所以在試驗中混料時間采用2 h，這樣既可以提高混料效率，還可減少混料過程中混料筒和攪拌葉片對粉末的污染。

圖3 混料機結構圖

圖4 混料時間對混合粉末均勻性的影響

2.3 預復合塊的制備

預復合塊的制備主要包括：混料、冷壓和熱壓。在試驗中分別選取了SiC的體積分數為：30%、40%和50%的混合粉進行壓制試驗。三種不同含量的混合粉各取100g，放入模具內（其結構示如圖5所示），并把模具放到四立柱萬能液壓機上進行冷壓（壓力 7MPa，保壓時間 30s，密度 2.23g/cm3）。

為了避免使用大噸位壓機，利用鋁粉的高溫塑性，降低壓制阻力，把冷壓后的復合塊及模具，同時放到ZM-6-8Y型真空鉬絲熱壓爐（上海晨華電爐有限公司）內進行熱壓。通過試驗確定熱壓工藝為：溫度600℃，保溫0.5h。溫度的設定主要考慮，既能充分利用高溫塑性、降低壓制阻力，使得用較小的壓力就能實現鋁粉與SiC顆粒的緊密結合，獲得致密的預復合塊；又能保證鋁粉不致熔化而從縫隙溢出。試驗發現僅4 MPa的壓力就能夠使預復合塊的密度達到2.8g/cm3。制備好的預復合塊如圖6所示。

圖5 冷壓模具結構示意圖

圖6 制備的SiCp/Al預復合塊

2.4 二次復合

將通過固態復合制備的預復合塊，加入到貧鋁7097Al合金熔體中，并通過攪拌制備復合漿料（SiCp+貧鋁 7097Al合金熔體）的過程，本文稱之為二次復合（液態復合）。所謂貧鋁7097Al合金，是指所配合金成分的鋁含量較正常7090Al合金少，當加入預復合塊后，使鋁含量恰好達到標準7090Al合金所要求的成分。

試驗中首先對基體合金進行熔煉、精煉、除渣和靜置，然后轉包到攪拌坩堝，再置入攪拌爐內。待攪拌爐內鋁液的溫度上升到700℃的時候開始電磁攪拌，攪拌過程中逐步將分割成一定質量的（比如每塊約25g）預復合塊小塊加入到攪拌坩堝內，觀察二次復合的時間（預復合塊完全溶解，其中所含SiC顆粒完全進入鋁液中）和復合效果（SiC顆粒在復合漿料中的分布，是否上浮或下沉）。在攪拌前先通入氬氣，防止基體合金表面氧化。

在試驗中采用三種不同SiC顆粒含量的預復合塊，通過上述實驗觀察固態復合和二次復合的效果。實驗結果表明，SiC=50%的預復合塊，經過1 h的攪拌以后，其溶解量不大（如圖7a），只少量的外邊緣部分溶于鋁液中；SiC=50%復合塊，經過1 h的攪拌以后，其溶解程度相對于SiC=50%的預復合塊有很大增加，但是仍有部分存留（圖7b）；而SiC=30%預復合塊，經過30min攪拌以后，則全部溶解。由此可見SiC=30%預復合塊的溶解效果較好。隨著預復合塊中SiC顆粒含量的增大，其潰散性變差（具體原因有待進一步研究）。

2.5 壓鑄成型試驗

為觀察復合漿料的成型性，進行了半固態壓鑄試驗。在模溫300℃～350℃、壓射比壓132 MPa、保壓時間7 s和沖頭速度2 m/s～3 m/s的條件下，獲得了表面光潔，成形完整的有色金屬標準試樣鑄件，如圖10所示。

圖7 不同SiCp體積分數預復合塊溶解1 h后的狀態

圖8 SiC顆粒在基體中的分布

圖9 試樣中SiC顆粒的SEM照片

3 結論

1）“固態復合”的概念更符合對復合材料“復合-成形”工藝過程的描述；通過高能球磨使SiC顆粒嵌入鋁或鋁合金顆粒當中的粉末冶金法，也可以納入“固態復合”的范疇，更有利于對復合材料制備方法的分類。

2）兩步復合法（固態預復合和液態二次復合）較好地解決了攪拌鑄造法中SiC顆粒與鋁液潤濕性差、復合困難，SiC顆粒易偏聚，以及陶瓷/金屬界面結合狀態不佳的問題，具有進一步深入研究的價值。

圖10 復合材料壓鑄件（帶澆注系統和排溢系統）

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［2］Miracle D.B.Metal Matrix Composite-Form Science to Technological Significance［J］.Composites Science and Technology，2005 （5）：2506-2540.

［3］俞劍，王文龍.稀釋中間復合材料法制備SiCp/356Al的研究［J］.復合材料學報，1996（1）：40-45.

［4］趙渠森.先進復合材料手冊［M］.北京：機械工業出版社，2003：379-403.

［5］張長森.粉體技術及裝備［M］.上海：華東理工大學出版社，2007：254.