鎳包覆碳化硅顆粒增強(qiáng)Al2519復(fù)合材料的制備和性能研究

崔 蕊，王日初，彭超群，董翠鴿

（中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083）

0 前言

2519鋁合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能，SiC顆粒是理想的結(jié)構(gòu)材料，SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料將SiC和鋁結(jié)合，可以發(fā)揮二者最大的優(yōu)異性能，具有較高的強(qiáng)度、硬度、模量、優(yōu)良的耐磨性、耐腐蝕性和良好的耐高溫性能，廣泛應(yīng)用于航空航天軍事、汽車工業(yè)和電子等領(lǐng)域[1]。但在高溫下SiC與Al易發(fā)生反應(yīng)，生成脆性界面產(chǎn)物Al4C3，降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。且SiC以共價鍵結(jié)合，Al以金屬鍵結(jié)合。SiC與Al的潤濕角為150°，潤濕性很差，導(dǎo)致SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料存在很多微孔，致密度低，限制了復(fù)合材料的應(yīng)用[2]。

本文采用粉末冶金法制備SiCp增強(qiáng)Al2519復(fù)合材料，燒結(jié)溫度相對較低，可避免脆性相Al4C3的產(chǎn)生。根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知，Ni與SiC潤濕角為12.2°，兩者之間有較好的潤濕性，同時Ni與Al能發(fā)生反應(yīng)，生成穩(wěn)定性較好的金屬間化合物Al3Ni。因此本文采用化學(xué)鍍方法在SiC顆粒表面均勻鍍覆一層鎳鍍層，利用Ni與Al之間良好的潤濕性，提高SiCp增強(qiáng)Al2519復(fù)合材料的力學(xué)性能。采用真空熱壓燒結(jié)出不同體積分?jǐn)?shù)的鍍鎳SiCp增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（Ni-SiCp/Al2519）和未鍍覆SiCp增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（SiCp/Al2519），對復(fù)合材料進(jìn)行熱擠壓和熱處理，研究鎳鍍層對SiCp表面形貌、SiCp在鋁基體中的分散性和SiCp增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 實驗

1.1 原料

實驗采用的增強(qiáng)體為α-SiC粉體（純度99.999%，平均粒度14μm，由華榮公司提供），基體為Al2519（純度99.9%，平均粒度75μm，由博朗思達(dá)公司提供）。SiCp鍍前預(yù)處理及化學(xué)鍍鎳所用試劑見表1。

1.2 化學(xué)鍍鎳工藝流程

SiC粉末鍍覆前需要進(jìn)行鍍前預(yù)處理，具體工藝是：（1）粗化：將SiC粉末倒入粗化液中（10%HF）進(jìn)行10 min粗化處理，形成粗糙的表面，便于施鍍，將粗化后的粉末用去離子水洗凈；（2）敏化：采用敏化液SnCl2·2H2O處理30 min；（3）活化：采用活化液（PdCl20.5 g/L、HCl 10 mL/L）處理30 min，并用去離子水洗凈，放入烘干箱烘干備用。

化學(xué)鍍鎳工藝：先將NiCl2·6H2O溶液、Na3C6H5O7·2H2O溶液、H3BO3溶液混合均勻，采用NaOH調(diào)節(jié)溶液pH至9。將預(yù)處理后的SiCp置于剛才配置好的鍍液中，鍍液中粉末裝載量為23 g/L。將含有粉末的鍍液放在80℃的水浴鍋中施鍍，勻速滴加NaH2PO2·H2O溶液，快速冷卻并用去離子水清洗三次，放入干燥箱中干燥得到鍍Ni的SiCp（Ni-SiCp）。

表1預(yù)處理SiC粉末所用試劑

1.3 SiCp/Al2519復(fù)合材料的制備

使用球磨機(jī)將Al2519與SiCp兩種粉末混合均勻，球料比為10∶1，轉(zhuǎn)速為190 r/min，球磨時間為9 h。將混合好的粉末裝入直徑為32 mm的硬質(zhì)合金模具中，在液壓機(jī)上冷壓成型，壓力為57 MPa，保壓時間為2 min，得到相對密度為70%的冷壓試樣。再將冷壓試樣放入直徑為32 mm的石墨模具中，在真空條件下進(jìn)行熱壓燒結(jié)，以10℃/min升溫速度升到550℃，壓力為13 MPa，保溫1h，制備出體積分?jǐn)?shù)為5%～20%的Ni-SiCp/Al2519和SiCp/Al2519復(fù)合材料。采用200 t液壓機(jī)將燒結(jié)好的樣品進(jìn)行熱擠壓，擠壓溫度為400℃，擠壓比為9∶1。最后將擠壓出來的樣品進(jìn)行雙級時效熱處理，將樣品在525℃溫度下保溫1h進(jìn)行固溶處理，再進(jìn)行雙級時效，分別在190℃下保溫3h、150℃下保溫24 h。

1.4 組織觀察與性能測試

采用阿基米德排水法測量SiCp/Al2519復(fù)合材料的密度。采用D/max-vb 2500衍射儀表征Ni-SiCp/Al2519復(fù)合材料相組成。測試條件為：Cu作為靶材，加速電壓為50 V，電流為100 mA，掃描速度為4（°)/min。采用Quanta-200型環(huán)境掃描電鏡分別對化學(xué)鍍鎳SiC、未鍍覆SiC及SiCp/Al2519復(fù)合材料進(jìn)行顯微組織觀察，并進(jìn)行能譜（EDS）分析。將SiCp/Al2519復(fù)合材料在Instron MTS 810拉伸實驗機(jī)上進(jìn)行拉伸實驗，加載速率為0.2 mm/min。采用HBS-62.5型布維洛硬度計測量材料的硬度，選用直徑為5 mm的鋼球，載荷為250kg/f，保壓時間為30 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiC表面鍍鎳的微觀形貌

圖1所示為SiCp、Ni-SiCp掃描圖及其對應(yīng)的能譜圖。由圖1（a）可看出，原始SiCp表面光滑，無明顯雜質(zhì)附著，SiCp形狀棱角分明，其對應(yīng)的能譜圖為圖1（c）。由圖可見，原始SiCp僅有C和Si元素存在。由圖1（b）可以看出，Ni-SiCp表面變得粗糙，棱角處鈍化，從放大圖能看出，Ni-SiCp表面的Ni鍍層均勻且密集，其對應(yīng)的能譜圖為圖1（d）。由圖可見，Ni-SiCp表面除了C和Si元素外，還有Ni元素存在，這是由于在施鍍過程中，在鍍液中被還原成Ni單質(zhì)，而預(yù)處理過的SiCp表面有Pb沉積，可作為Ni的形核點，使鍍液中被還原的Ni顆粒沉積在這些形核點上，形成Ni鍍層。

圖1 SiC顆粒SEM照片及能譜圖

2.2 SiCp/Al2519復(fù)合材料的微觀組織

圖2（a）、（b）所示為SiCp含量10%的SiCp/Al2519和Ni-SiCp/Al2519復(fù)合材料的掃描圖。由圖可見，SiCp/Al2519復(fù)合材料中的SiCp分散性較差，易團(tuán)聚，而Ni-SiCp/Al2519復(fù)合材料中Ni-SiCp分布較均勻。圖2（c）所示為原始SiC熱壓燒結(jié)樣品的局部放大圖。由圖可見，SiC與基體間結(jié)合不緊密，存在裂紋和孔洞，說明原始SiCp與Al基體潤濕性差，結(jié)合強(qiáng)度低。圖2（d）所示為Ni-SiCp/Al2519熱壓燒結(jié)樣品局部放大圖。由圖可見，鍍鎳SiC與基體結(jié)合緊密，鎳鍍層均勻致密地包裹SiCp表面，提高SiCp和基體的潤濕性，且SiC與基體界面處無明顯的縫隙或孔洞，從而提高結(jié)合強(qiáng)度和致密度。

圖2 SiCp/Al2519復(fù)合材料微觀組織圖

為進(jìn)一步確定是否發(fā)生界面反應(yīng)，對Ni-SiCp/Al2519復(fù)合材料進(jìn)行XRD檢測，結(jié)果如圖3所示。除了有Al相、Al-Cu相、SiC相外，還有新生成的Al3Ni相，這證實在試樣燒結(jié)過程中，SiCp表面包覆的Ni元素和基體中的Al元素相互擴(kuò)散，發(fā)生反應(yīng)。

圖3 Ni-SiCp/Al2519復(fù)合材料XRD物相分析圖譜

2.3 SiCp/Al2519復(fù)合材料的性能

陶瓷顆粒的分散性和界面結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的機(jī)械性能影響很大，圖4所示為SiCp/Al2519和Ni-SiCp/Al2519復(fù)合材料的致密度、硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率隨SiCp體積分?jǐn)?shù)變化的性能曲線。由圖4（a）可見，SiCp/Al2519復(fù)合材料致密度隨SiCp體積分?jǐn)?shù)升高而降低，因為SiCp體積分?jǐn)?shù)增大，分散性降低，易產(chǎn)生孔洞，因此致密度降低；由圖4（b）可見，隨著SiCp含量增加，復(fù)合材料的硬度不斷增加。這是由于載荷由基體傳到SiCp，SiCp阻止基體發(fā)生塑性變形，從而使硬度增加；由圖4（c）可見，SiCp/Al復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度隨著SiCp體積分?jǐn)?shù)的增多先增大后減小，因為SiCp體積分?jǐn)?shù)增大到一定值時，SiCp易發(fā)生團(tuán)聚，孔洞數(shù)量增加，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低SiCp/Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度[4，5]。

在SiCp體積分?jǐn)?shù)相同的情況下，Ni-SiCp/Al2519復(fù)合材料的致密度、硬度和抗拉強(qiáng)度均比SiCp/Al2519復(fù)合材料高，這是因為Al和Ni的潤濕性比Al和SiC的潤濕性好，基體與增強(qiáng)顆粒結(jié)合越緊密，裂紋和孔洞越少。并且當(dāng)增強(qiáng)相SiCp經(jīng)鍍鎳處理后，Ni鍍層起到至關(guān)重要的作用，其在燒結(jié)過程中發(fā)生軟化，與基體發(fā)生互擴(kuò)散形成一種雙層界面的結(jié)合模式[6]，即SiC/Ni單質(zhì)/Al2519基體，促進(jìn)SiC與Al2519接觸處燒結(jié)頸的形成和長大[7]，減少孔洞數(shù)量，從而提高燒結(jié)體的致密度、硬度和抗拉強(qiáng)度。

由圖4（d）可見，Ni-SiCp/Al2519復(fù)合材料的延伸率比SiCp/Al2519復(fù)合材料顯著提高。SiCp含量越高，增加越明顯，在SiCp含量為15%時，延伸率提高30.8%。這是因為SiCp含量越高，越容易發(fā)生團(tuán)聚，造成SiCp直接接觸。未鍍覆的SiCp直接接觸造成試樣拉伸過程形成裂紋源，微裂紋延兩個顆粒的接觸面擴(kuò)展，形成斷口，降低了材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率。而Ni-SiCp接觸時，鎳鍍層的直接接觸取代了SiCp的直接接觸，SiCp牢固地鑲嵌在基體中，降低裂紋源出現(xiàn)的可能性。

圖4 SiCp/Al2519和Ni-SiCp/Al2519復(fù)合材料性能隨SiCP體積分?jǐn)?shù)變化曲線

3 結(jié)論

（1）通過化學(xué)鍍鎳的方法，在SiCp表面鍍上一層連續(xù)均勻的鎳鍍層，原始SiCp表面光滑、棱角分明，鍍鎳SiCp表面粗糙、棱角鈍化，成功對SiCp表面進(jìn)行改性。

（2）鎳鍍層的存在提高了SiCp和基體的潤濕性。與未鍍覆SiCp相比，Ni-SiCp在基體中的分散性更好，基體與增強(qiáng)相顆粒結(jié)合更緊密，這可有效減少裂紋和孔洞，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。且在真空燒結(jié)過程中，鎳鍍層與Al基體發(fā)生互擴(kuò)散，形成穩(wěn)定性較好的中間相Al3Ni。

（3）Ni-SiCp/Al2519復(fù)合材料的致密度、硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率均比SiCp/Al2519高。在SiCp體積分?jǐn)?shù)為15%時，Ni-SiCp/Al2519復(fù)合材料獲得最佳的力學(xué)性能，其硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為122.4 HB、415.47 MPa和3.95%。