Aug.2006 VoL55 No 8 FOUNDRY ·817· 复合材料 金属基复合材料制备中有害界面反应的控制 和润湿性的改善工艺 崔华,郝斌,张济山 (北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京100083 摘要:介绍了液态法制备颗粒增强金属基复合材料(以SCpA1为例过程中,如何控制增强相颗粒和基体之间发生 的有害界面反应、改善增强颗粒与基体润湿性的常用方法。结果表明,添加Si素、添加Ti、Zr、Nb、V等合金元素 表面涂覆和处理以及控制工艺方法和参数都可有效地抑制有害的界面反应发生和改善基体和增强相的润湿性 关键词:金属基复合材料;增强颗粒;界面反应;润湿性 中图分类号:TB333文献标识码:A文章编号:1001-4977(2000808174 C on tro ling d trim en ta l n terface r eaction and Im proving w etness f Metall atrⅸ C om pos ite CUIHua, HAO Bi, ZHANG Jisha a S tate Key labora tory for a dvanced m etas and M aterak, U n iers ity ofs cience and Techno bgy Being, Being 100083, C hna) Abstract: durng the preparaton ofparti e re nforced m e talm atrix com pos ite by liqun m e thods, the conven tinal m e thods of con tro ling de trim en tal i terface reaction happenig and in proving the wetness betw een re nforcem ent and m atrix are n troduced The resu its nd ia ted that addng to si ebm ent; addng to ti zr nb, v etc a lby ebm ents coa tig and treating the re n forcem ent surface and con to lling the techno bgy and param eter can ntim a te the detrim ental n terface reaction and im prove the wetness be tw een re i forcem entand m a trix e ffective ly. Key words: m e ta lm atrix com posite; re n forcem entpartice; n terface reaction; wetness 金属基复合材料中,发展最快、最受人重视的是差,从制备过程方面考虑,界面反应会有效的改善二 铝基复合材料,因为铝及其合金为基体的复合材料具者的润湿性。但是,SC和A坂反应会生成有害的化学反 有高的比强度和比刚度,是颗粒增强金属基复合材料应产物,如ALC3等,是脆性相,常和水发生化学反应 中开发最早、品种和规格最多,应用最广泛的一类复对复合材料产生不利的影响,如严重损害材料的力学 合材料。在増强相的选择上,注重选择具有高模量、性能、使材料易于腐蚀、使材料基体合金的硅含量增 高强度、耐磨性好以及良好的高温性能,同时在物理加。为了控制S和AL间有害的界面反应,国内外在 化学性能上和基体适当匹配的材料。日前,常见颗粒S颗粒表面处理、基体合金化以及制备工艺的选择和 增强相有S汇、BC、WC、AQ03等 工艺参数的控制方面进行了大量的研究 应用广泛的S,A1复合材料具有较高的比强度 比 刚度、弹性模量、耐磨性和低的热膨胀系数等优良1增强粒子加入到熔化基体中的方法 的物理性能,且制造成本低,可用传统的金属加工工 金属基复合材料由基体和增强相组成,制备金属 艺进行加工,引起了材料研究者的极大兴趣,在航空、基复合材料有很多种方法,大致可以分为液态法(铸 航天、电子仪表、汽车和军事领域中显示出巨大的应造法、喷射成形法、液态浸渗法、原位反应法等和 用前景。在液相制备过程中,运用不同技术将增强粒固态法(粉末冶金法、机械合金化等即。当用液态法 子加入到熔化的基体材料中,经过混合与铸造,最终时,有许多方法可以将增强粒子加入到熔化的基体材 得到颗粒增强型金属基复合材料的成品-3。 料中,比如 在采用半固态搅拌、熔体浸渗法等液态法制备 (D用一个喷射枪将增强粒子粉末与惰性气体 SA复合材料时,SC颗粒和A1熔体之间润湿性很同注入熔化的基体中 C作名简升1华(1956黑龙汪深异峰系天订需王程师主要从事材料微观组的研死王作. Enailkxinm exe 163. om.net
· · 收稿日期: 2005- 12- 09收到初稿, 2006- 04- 04收到修订稿。 作者简介: 崔华 ( 1956-) , 女, 黑龙江齐齐哈尔人, 高级工程师, 主要从事材料微观组织的研究工作。Email: xiumeixiu@163.com 崔 华, 郝 斌, 张济山 ( 北京科技大学新金属材料国家重点实验室, 北京 100083) !!!!!" ! ! "!!!!!" " 复合材料 摘要: 介绍了液态法制备颗粒增强金属基复合材料 ( 以SiCp/Al为例) 过程中, 如何控制增强相颗粒和基体之间发生 的有害界面反应、改善增强颗粒与基体润湿性的常用方法。结果表明, 添加Si元素、添加Ti、Zr、Nb、V等合金元素、 表面涂覆和处理以及控制工艺方法和参数都可有效地抑制有害的界面反应发生和改善基体和增强相的润湿性。 关键词: 金属基复合材料; 增强颗粒; 界面反应; 润湿性 中图分类号: TB333 文献标识码: A 文章编号: 1001-4977 ( 2006) 08-0817-04 CUI Hua, HAO Bin, ZHANG Ji-shan (1 State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China) Abstract: During the preparation of particle reinforced metal matrix composite by liquid methods, the conventional methods of controlling detrimental interface reaction happening and improving the wetness between reinforcement and matrix are introduced. The results indicated that adding to Si element; adding to Ti, Zr, Nb, V etc alloy elements; coating and treating the reinforcement surface; and controlling the technology and parameter can intimate the detrimental interface reaction and improve the wetness between reinforcement and matrix effectively. Key words: metal matrix composite; reinforcement particle; interface reaction; wetness 金属基复合材料制备中有害界面反应的控制 和润湿性的改善工艺 Controlling Detrimental Interface Reaction and Improving Wetness of Metal Matrix Composite 金属基复合材料中, 发展最快、最受人重视的是 铝基复合材料, 因为铝及其合金为基体的复合材料具 有高的比强度和比刚度, 是颗粒增强金属基复合材料 中开发最早、品种和规格最多, 应用最广泛的一类复 合材料。在增强相的选择上, 注重选择具有高模量、 高强度、耐磨性好以及良好的高温性能, 同时在物理 化学性能上和基体适当匹配的材料。目前, 常见颗粒 增强相有SiC、B4C、WC、Al2O3等。 应用广泛的SiCp/Al复合材料具有较高的比强度、 比刚度、弹性模量、耐磨性和低的热膨胀系数等优良 的物理性能, 且制造成本低, 可用传统的金属加工工 艺进行加工, 引起了材料研究者的极大兴趣, 在航空、 航天、电子仪表、汽车和军事领域中显示出巨大的应 用前景。在液相制备过程中, 运用不同技术将增强粒 子加入到熔化的基体材料中, 经过混合与铸造, 最终 得到颗粒增强型金属基复合材料的成品[1- 3] 。 在采用半固态搅拌、熔体浸渗法等液态法制备 SiCp/Al复合材料时, SiC颗粒和Al熔体之间润湿性很 差, 从制备过程方面考虑, 界面反应会有效的改善二 者的润湿性。但是, SiC和Al反应会生成有害的化学反 应产物, 如Al4C3等, 是脆性相, 常和水发生化学反应, 对复合材料产生不利的影响, 如严重损害材料的力学 性能、使材料易于腐蚀、使材料基体合金的硅含量增 加。为了控制SiC和Al之间有害的界面反应, 国内外在 SiC颗粒表面处理、基体合金化以及制备工艺的选择和 工艺参数的控制方面进行了大量的研究。 1 增强粒子加入到熔化基体中的方法 金属基复合材料由基体和增强相组成, 制备金属 基复合材料有很多种方法, 大致可以分为液态法 ( 铸 造法、喷射成形法、液态浸渗法、原位反应法等) 和 固态法 ( 粉末冶金法、机械合金化等) [4] 。当用液态法 时, 有许多方法可以将增强粒子加入到熔化的基体材 料中, 比如: ( 1) 用一个喷射枪将增强粒子粉末与惰性气体一 同注入熔化的基体中; Aug. 2006 Vol.55 No.8 铸 造 FOUNDRY 817
·818· FOUNDRY Vol55 No 8 (②将熔化的基体倒入模具中时将增强粒子一同程度上可以増强二者的润湿性能,因此颗粒増强金属 加入 基复合材料的界面结合强度在很大程度上取决于界面 (③通过机械搅拌产生漩涡,将増强粒子倒入漩化学反应。反应产物的本征性能和形貌特征,如热膨 涡从而加入到熔化的基体中 胀系数、断裂韧性、摩尔体积分数、外形轮廓和连续 (4通过离心加速器将增强粒子在基体中搅拌均性等都会影响复合材料的力学性能 (5通过来回搅拌的棒将增强粒子加入到基体3抑制基体和增强相界面反应发生和 改善二者润湿性的方法 (θ通过超声波振动的原理将增强粒子均匀地加 目前采用的抑制基体和增强相界面反应发生和改 入到基体中 善二者润湿性的方法通常采用基体合金化、表面处理 (7零重力加工过程 优化制备工艺等方法,下面以SEA1基复合材料为例 (8将增强相颗粒压成块体,投入到基体熔液说明, 中 3.1加Si (9将增强相和基体的粉体混和后压块,投入到 化学反应AHS=ALC3+S迪溶解-扩散机制控制。 基体溶液中 Howe通过对SE、AO3纤维在不同的钛合金中界面化 液态法制备金属基复合材料时,如何使增强相与学反应动力学进行研究得出界面化学反应可以用一个 基体良好地结合,以便更好地满足实际应用的要求,简单的抛物线生长规律来近似地描述。上k·世式中k为 是材料工作者迫以解决的问题。 常数,t为时间。ALC3以细杆状或块状由界面向铝液中 2金属基复合材料的强化机制 生长。界面上ALC3反应层厚度1(m)满足扩散抛物 线规则。由于Si为界面反应产物,在铝中添加S诃以抑 普通多晶结构金属抵抗变形能力主要是由位错运制上述界面反应,但是添加的S含量过多,也会导致 动难易程度来决定的,所以铝及铝合金强化主要是增基体的强度和塑性降低。在实际的复合材料体系中, 加其对位错运动的抗力,强化方法可以分为液态处理界面反应的速率情况很复杂。在液相搅拌时,应该考 和固态处理 虑到制备工艺参数、基体和增强相反应产物本身的结 液态处理是通过合金化和化学反应在铝基体熔体构因素、界面反应速率、流体的特性等因素的影响。 中生成碳化物、硼化物、氮化物等弥散分布的强化相,3.2添加TiZr、Nb、V等合金元素 这种由反应生成的强化相与基体间的界面洁净、结合 添加合金元素可以改善润湿性,有三种机制 较好、颗粒细小、分布均匀,因此对合金的弥散强化(D降低金属基体液相的表面张力:(2在固液界面 效果较好。液态处理主要有合金(化学强化和异相参与界面反应;(3降低金属基体液相和增强颗粒固 强化。 相的界面能。合金元素添加到液态金属中,参与界面 铝合金的合金强化是在铝合金中添加具有很低溶反应,降低固液界面能,在界面上形成稳定的化合物 解度和扩散速率的过渡族金属和稀土金属元素,铸造稳定性依赖于化合物的生成自由能 时快速冷却,使这些元素保留在aAl溶体中,随后 以T例,T计S=Tis计Ts反应中,T诃以通 高温加热析出非常稳定的非共格第二相弥散质点;这过界面反应来改善润湿性。由图1可以看出,当Ti 些质点一旦析出,很难继续溶解或聚集,有较大的弥的含量大于0.5%(质量分数,下同的时候,Ti优先 散强化效果。弥散质点还能阻止再结晶,使加工硬化与SC反应生成TC,使AlC3难以生成,可以起到固碳 效果比较充分地发挥。异相强化是由结晶时生成难溶的作用。 结晶相产生强化,由于第二相质点硬、脆和较粗大 使合金塑性损失大。 对于液态法而言,(D基体和增强物润湿性差 -30}3cs)+r(.0%}-TC (2基体和增强物之间有高的化学反应性,容易生成 对材料有严重影响的化合物。基体和增强相之间界面 反应的发生和润湿性是影响界面结合状态及强度的主 要因素。在采用液态法制备金属基复合材料时,基体 和增强相的润湿性往往很差,难以制备界面结合良好 00012001400160018002000 的金属基复合材料,所以改善基体和增强相的润湿性 ITiC和AlC3的形成自由能△G随温度变化的曲线 C是9个迫切需要解决的问题。但界面化学反应在国)定 g Housei1 Gas a function of temperature for Tic and ALCo
· · ( 2) 将熔化的基体倒入模具中时将增强粒子一同 加入; ( 3) 通过机械搅拌产生漩涡, 将增强粒子倒入漩 涡从而加入到熔化的基体中; ( 4) 通过离心加速器将增强粒子在基体中搅拌均 匀; ( 5) 通过来回搅拌的棒将增强粒子加入到基体 中; ( 6) 通过超声波振动的原理将增强粒子均匀地加 入到基体中; ( 7) 零重力加工过程; ( 8) 将增强相颗粒压成块体, 投入到基体熔液 中; ( 9) 将增强相和基体的粉体混和后压块, 投入到 基体溶液中。 液态法制备金属基复合材料时, 如何使增强相与 基体良好地结合, 以便更好地满足实际应用的要求, 是材料工作者迫以解决的问题。 2 金属基复合材料的强化机制 普通多晶结构金属抵抗变形能力主要是由位错运 动难易程度来决定的, 所以铝及铝合金强化主要是增 加其对位错运动的抗力, 强化方法可以分为液态处理 和固态处理。 液态处理是通过合金化和化学反应在铝基体熔体 中生成碳化物、硼化物、氮化物等弥散分布的强化相, 这种由反应生成的强化相与基体间的界面洁净、结合 较好、颗粒细小、分布均匀, 因此对合金的弥散强化 效果较好。液态处理主要有合金 ( 化学) 强化和异相 强化。 铝合金的合金强化是在铝合金中添加具有很低溶 解度和扩散速率的过渡族金属和稀土金属元素, 铸造 时快速冷却, 使这些元素保留在α-Al固溶体中, 随后 高温加热析出非常稳定的非共格第二相弥散质点; 这 些质点一旦析出, 很难继续溶解或聚集, 有较大的弥 散强化效果。弥散质点还能阻止再结晶, 使加工硬化 效果比较充分地发挥。异相强化是由结晶时生成难溶 结晶相产生强化, 由于第二相质点硬、脆和较粗大, 使合金塑性损失大。 对于液态法而言, ( 1) 基体和增强物润湿性差; ( 2) 基体和增强物之间有高的化学反应性, 容易生成 对材料有严重影响的化合物。基体和增强相之间界面 反应的发生和润湿性是影响界面结合状态及强度的主 要因素。在采用液态法制备金属基复合材料时, 基体 和增强相的润湿性往往很差, 难以制备界面结合良好 的金属基复合材料, 所以改善基体和增强相的润湿性 是一个迫切需要解决的问题。但界面化学反应在一定 程度上可以增强二者的润湿性能, 因此颗粒增强金属 基复合材料的界面结合强度在很大程度上取决于界面 化学反应。反应产物的本征性能和形貌特征, 如热膨 胀系数、断裂韧性、摩尔体积分数、外形轮廓和连续 性等都会影响复合材料的力学性能。 3 抑制基体和增强相界面反应发生和 改善二者润湿性的方法 目前采用的抑制基体和增强相界面反应发生和改 善二者润湿性的方法通常采用基体合金化、表面处理、 优化制备工艺等方法, 下面以SiC/Al基复合材料为例 说明。 3.1 加Si 化学反应Al+SiC=Al4C3+Si由溶解- 扩散机制控制。 Howe[7] 通过对SiC、Al2O3纤维在不同的钛合金中界面化 学反应动力学进行研究得出界面化学反应可以用一个 简单的抛物线生长规律来近似地描述。l=k·t 1/2 式中k为 常数, t为时间。Al4C3以细杆状或块状由界面向铝液中 生长。界面上Al4C3反应层厚度l ( nm) 满足扩散抛物 线规则。由于Si为界面反应产物, 在铝中添加Si可以抑 制上述界面反应, 但是添加的Si含量过多, 也会导致 基体的强度和塑性降低。在实际的复合材料体系中, 界面反应的速率情况很复杂。在液相搅拌时, 应该考 虑到制备工艺参数、基体和增强相反应产物本身的结 构因素、界面反应速率、流体的特性等因素的影响。 3.2 添加Ti、Zr、Nb、V等合金元素 添 加 合 金 元 素 可 以 改 善 润 湿 性 , 有 三 种 机 制 : ( 1) 降低金属基体液相的表面张力; ( 2) 在固液界面 参与界面反应; ( 3) 降低金属基体液相和增强颗粒固 相的界面能。合金元素添加到液态金属中, 参与界面 反应, 降低固液界面能, 在界面上形成稳定的化合物, 稳定性依赖于化合物的生成自由能。 以Ti为例, Ti+SiC(s)=TixSiy+TiC(s)反应中, Ti可以通 过界面反应来改善润湿性[9- 11] 。由图1[8] 可以看出, 当Ti 的含量大于0.5% ( 质量分数, 下同) 的时候, Ti优先 与SiC反应生成TiC, 使Al4C3难以生成, 可以起到固碳 的作用。 图1 TiC和Al4C3的形成自由能△G随温度变化的曲线 Fig. 1 △G as a function of temperature for TiC and Al4C3 formation FOUNDRY Aug. 2006 818 Vol.55 No.8
崔华等:金属基复合材料制备中有害界面反应的控制和润湿性的改善工艺 ·819 添加合金元素到液态金属作为提高金属/陶瓷润湿 界面反应与制备温度、保温及冷却过程的时间等 性的有效方法,在生产中有着广泛的应用前景。目前因素有关。如果制备温度越高,停留时间越长,界面 能够有效地提高润湿性的合金元素并不多,并且有的反应及作用就会越严重。因此,在选择制备方法和工 会和金属基体反应,生成脆性的金属间化合物,从而艺参数的时候,首先要考虑制备的温度、高温停留的 影响材料的使用性能。 时间和冷却速度。在保证复合完好的前提下,尽可能 3.3用NiCu、Ag、KZr。等表面涂覆Sc颗粒 地选择低的制备温度,短的高温停留时间,低于反应 选择合适的屏障涂层,保护增强相不受基体合金温度后应该减小冷却速度,以避免造成大的残余应力, 元素的剥蚀对抑制界面反应是有利的。表面涂覆的目从而影响材料的综合性能 的是为了避免AC3的生成,但同时也要考虑S颗粒涂 提高温度是改善金属基体和增强相颗粒润湿性的 覆以后与基体铝溶液的润湿性问题。通常表面涂覆S 种相对比较简单的方法。因为在一定温度内,液态 常采用电镀和化学镀的方法在Sc颗粒表面上镀Ni、金属的表面能会随着温度的升高而呈线性下降,金属 Cu、Ag等,N徐层用于铝基复合材料效果比较明显,基体和陶瓷的润湿角就会随着温度的升高而降低。 Ni可以和A1反应形成稳定的金属间化合物Ni1和但是另一方面会带来负面影响,如提高温度会引起某 NA等。Cu可以和A坂应形成稳定的金属间化合物些金属在高温下蒸发,造成原材料的浪费,从而提高 CuAL。虽然这些表面涂覆处理物质能够有效地改善生产成本;提高温度要求模具的高温强度高,造成ˉ sAL之间的润湿性,但是同时也会产生一些脆性相,部分不必要的能量损失;提高温度会使金属和陶瓷颗 如Ni1,CuAL回等。Ag也可以制作涂层,因为Ag可粒发生反应,生成层状的生成物,为二者的结合产生 以浸润于陶瓷表面形成胶状溶体而形成涂层,并且Ag不利的影响;提高温度对于非反应性润湿效果不明显, 和A直很好的润湿性不会形成脆性的金属间化合物 升高温度1000℃,接触角仅仅降低5~10℃。 另外,Sc颗粒表面还可以涂覆氟化物KZr。采 用氟化物K。的溶液处理石墨,可以显著地提高SC4结束语 表面和A确湿的能力。因为K2fF6和A拨生反应,生成 用液态的方法制备金属基复合材料必然面对颗粒 KAI6KAF4Akr等化合物,并且可以溶解氧化层和基体之间润湿性和二者是否发生有害反应的问题 A103e 关于改善金属基复合材料的基体和增强相润湿性和抑 虽然使用表面涂覆在一定程度上可以改善基体和制二者有害反应的方法虽然很多,可每种方法都存在 增强相的润湿性,但仍然存在一定的问题,如:金属着它自身的优点和缺陷,应按照实际应用的要求选择 基体的熔点比涂层的熔点高,那么涂层就会先熔化和合适的方法 金属基体形成合金,从而降低了润湿的效果;涂层材 目前,国外金属基复合材料已经在航空、航天和 料可能与基体金属发生反应,生成类似N↓和CuAL的交通运输等领域得到广泛的应用,而国内许多的研究 脆性相,从而降低金属基复合材料的力学性能;制作工作还停留在实验室阶段,没有真正的投入到实际生 涂层时多采用电镀、化学镀或激光处理,工艺复杂,产中去,在研究的广度和深度上也存在局限性 而且成本高,严重限制了涂层的应用。 3.4表面氧化处理S颗粒 参考文献 ]刘茜,高濂,严东生,等无团聚S粒子复合Sibn陶瓷几无 对S颗粒进行表面氧化处理是因为S颗粒在使 机材料学报,1996,11(2:281-285 用之前容易吸附水分,或者被有机物污染,不利于复2] BORSA C E,JAOD, TODDR I etal Processing and poperties 合过程的混和、润湿并增加金属熔体中的含氢量。在 of A 103Sc nanocom posites [I. J M icroscopy, 1995, 177(3 制备SA1复合材料之前,表面氧化处理S颗粒一方 面可以除去有害的吸附物,另一方面还可以在SC颗粒3]焦绥隆, BORSA C E.氧化铝化硅纳米复合材料的力学性能和 表面形成S2表面膜,它可以改善SCAL之间的润湿 增强机理[材料导报,1996增刊:89-93. 性。这种表面处理的方法虽然很简便,但对大量的微 4]郝斌,王洪斌。蔡元华,等颗粒增强金属基复合材料制备工艺 米级S颗粒进行氧化处理,还要考虑到SC的高温烧 评述[热加工工艺,2005,4:62-66. 5] LEE Jae-Pyoung, SH M JacK yeok, SH IZhong liang, et al Control 结和S02层的均匀性问题。另外,如果基体中含有Mg, of the nterface in SIAl com posites [n. Script M atrialia 就会在SCA1界面上生成Mg0或MgA104等颗粒,导致 1999,41(8:895-900 基体中硅含量显著增加,使基体和增强相界面结合很61] LeE Jac-chul ahn Jac-p young. SH ZHongliang, etal M ethodo logy 强;对复合材料整体的力学性能产生的影响,有待进 to design the interfaces in SCAlcom posites [I]. M etallrgical and 一步进行研究。 M aterial Transactions A, 2001, 32A(6: 1541-1550 C354-优化制备正艺方法和参数 hal Electronic Publishing Holse. HA:Nt.5智限em
· · 添加合金元素到液态金属作为提高金属/陶瓷润湿 性的有效方法, 在生产中有着广泛的应用前景。目前 能够有效地提高润湿性的合金元素并不多, 并且有的 会和金属基体反应, 生成脆性的金属间化合物, 从而 影响材料的使用性能。 3.3 用Ni、Cu、Ag、K2ZrF6等表面涂覆SiC颗粒 选择合适的屏障涂层, 保护增强相不受基体合金 元素的剥蚀对抑制界面反应是有利的。表面涂覆的目 的是为了避免Al4C3的生成, 但同时也要考虑SiC颗粒涂 覆以后与基体铝溶液的润湿性问题。通常表面涂覆SiC 常采用电镀和化学镀的方法在SiC颗粒表面上镀Ni、 Cu、Ag等, Ni涂层用于铝基复合材料效果比较明显, Ni可 以 和Al反 应 形 成 稳 定 的 金 属 间 化 合 物 NiAl3和 Ni2Al3等。Cu可以和Al反应形成稳定的金属间化合物 CuAl2。虽然这些表面涂覆处理物质能够有效地改善 SiC/Al之间的润湿性, 但是同时也会产生一些脆性相, 如NiAl3, CuAl2 [12] 等。Ag也可以制作涂层, 因为Ag可 以浸润于陶瓷表面形成胶状溶体而形成涂层, 并且Ag 和Al有很好的润湿性不会形成脆性的金属间化合物。 另外, SiC颗粒表面还可以涂覆氟化物K2ZrF6。采 用氟化物K2ZrF6的溶液处理石墨, 可以显著地提高SiC 表面和Al润湿的能力。因为K2ZrF6和Al发生反应, 生成 K3AlF6、KAlF4、Al3Zr等化合物, 并且可以溶解氧化层 Al2O3。 虽然使用表面涂覆在一定程度上可以改善基体和 增强相的润湿性, 但仍然存在一定的问题, 如: 金属 基体的熔点比涂层的熔点高, 那么涂层就会先熔化和 金属基体形成合金, 从而降低了润湿的效果; 涂层材 料可能与基体金属发生反应, 生成类似NiAl3和CuAl2的 脆性相, 从而降低金属基复合材料的力学性能; 制作 涂层时多采用电镀、化学镀或激光处理, 工艺复杂, 而且成本高, 严重限制了涂层的应用。 3.4 表面氧化处理SiC颗粒 对SiC颗粒进行表面氧化处理是因为SiC颗粒在使 用之前容易吸附水分, 或者被有机物污染, 不利于复 合过程的混和、润湿并增加金属熔体中的含氢量。在 制备SiC/Al复合材料之前, 表面氧化处理SiC颗粒一方 面可以除去有害的吸附物, 另一方面还可以在SiC颗粒 表面形成SiO2表面膜, 它可以改善SiC/Al之间的润湿 性。这种表面处理的方法虽然很简便, 但对大量的微 米级SiC颗粒进行氧化处理, 还要考虑到SiC的高温烧 结和SiO2层的均匀性问题。另外, 如果基体中含有Mg, 就会在SiC/Al界面上生成MgO或MgAl2O4等颗粒, 导致 基体中硅含量显著增加, 使基体和增强相界面结合很 强; 对复合材料整体的力学性能产生的影响, 有待进 一步进行研究。 3.5 优化制备工艺方法和参数 界面反应与制备温度、保温及冷却过程的时间等 因素有关。如果制备温度越高, 停留时间越长, 界面 反应及作用就会越严重。因此, 在选择制备方法和工 艺参数的时候, 首先要考虑制备的温度、高温停留的 时间和冷却速度。在保证复合完好的前提下, 尽可能 地选择低的制备温度, 短的高温停留时间, 低于反应 温度后应该减小冷却速度, 以避免造成大的残余应力, 从而影响材料的综合性能。 提高温度是改善金属基体和增强相颗粒润湿性的 一种相对比较简单的方法。因为在一定温度内, 液态 金属的表面能会随着温度的升高而呈线性下降, 金属 基体和陶瓷的润湿角就会随着温度的升高而降低[13] 。 但是另一方面会带来负面影响, 如提高温度会引起某 些金属在高温下蒸发, 造成原材料的浪费, 从而提高 生产成本; 提高温度要求模具的高温强度高, 造成一 部分不必要的能量损失; 提高温度会使金属和陶瓷颗 粒发生反应, 生成层状的生成物, 为二者的结合产生 不利的影响; 提高温度对于非反应性润湿效果不明显, 升高温度1 000 ℃, 接触角仅仅降低5～10 ℃。 4 结束语 用液态的方法制备金属基复合材料必然面对颗粒 和基体之间润湿性和二者是否发生有害反应的问题。 关于改善金属基复合材料的基体和增强相润湿性和抑 制二者有害反应的方法虽然很多, 可每种方法都存在 着它自身的优点和缺陷, 应按照实际应用的要求选择 合适的方法。 目前, 国外金属基复合材料已经在航空、航天和 交通运输等领域得到广泛的应用, 而国内许多的研究 工作还停留在实验室阶段, 没有真正的投入到实际生 产中去, 在研究的广度和深度上也存在局限性。 参考文献: [1] 刘茜, 高濂, 严东生, 等. 无团聚SiC粒子复合Sialon陶瓷 [J]. 无 机材料学报, 1996, 11 ( 2) : 281- 285. [2] BORSA C E, JIAO D, TODD R I, et al. Processing and properties of Al2O3/SiC nanocomposites [J]. J. Microscopy, 1995, 177 ( 3) : 305- 312. [3] 焦绥隆, BORSA C E . 氧化铝/碳化硅纳米复合材料的力学性能和 增强机理 [J]. 材料导报, 1996增刊: 89- 93. [4] 郝斌, 王洪斌, 蔡元华, 等. 颗粒增强金属基复合材料制备工艺 评述 [J]. 热加工工艺, 2005, 4: 62- 66. [5] LEE Jae-Pyoung, SHIM Jac-Kyeok, SHI Zhongliang, et al. Control of the interface in SiC/Al composites [J]. Script Materialia, 1999, 41 ( 8) : 895- 900. [6] LEEJac-chul, AHNJac-Pyoung, SHIZhongliang, et al.Methodology to design the interfaces in SiC/Al composites [J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2001, 32A ( 6) : 1541- 1550. [7] HOWE J M. BONDING, Structure and properties of metal/ceramic 铸造 崔华等: 金属基复合材料制备中有害界面反应的控制和润湿性的改善工艺 819
·820· FOUNDRY Vol55 No 8 interface: part I chem ical bonding, chem ical reaction and interfacial 响[.材料科学与工程,1994,12(216-23. structure [I]. Intemational aterials Reviews, 1993, 38(5:233 [II] KOBASH IM, CHOH T. The w ettability and the reaction for Sr particle/A lally system [I M ater. Sci, 1993 8] NATCIO, CORDVILLA C G,L0UBE. Reactiv ity of therm allyⅡ2]郭建,沈宁福.S颗粒增强Al复合材料中有害界面反应的控制 oxidized and unox dized si particu late com posites produced by ]材料科学与工程,2002,20(4 casting m ethod [l M aterials Science and Engineering A, [13] HOW E JM. Bongding, structure, and properties of m etalceram ic 1989,107:73-80. interfaces [I In temationalM aterials Review s, 1993, 38(5 257 l9]马晓春,吴锦波.AHS℃系润湿性与界面现象的研究[几材料科学 与工程,1994,12(D:37-41 0]张永俐,MLⅢSDL, AKSAY IA.S讨S1系统润湿行为的影 (编辑:曲学良,gxl@foundryorld.com) 节能型中性合(成炉料 节能型中性合成炉料是我公司多年研究开发的成果,适用于中频感应电炉熔炼各种碳钢、 合金钢、铸铁和有色金属合金。该炉料采用部分进口原料及优质国产原料,所制成的炉衬使用 寿命长,炉龄达100炉以上。已批量出口至泰国和马来西亚,深受客户好评 我公司备有部分水冷金属型离心铸管用冷芯盒工艺承口芯芯盒,愿低价出售。 免费 新客品。歐量有圆。测为 公司炮址:天津市华苑产业区海泰火炬创业国B座521室 电话:022-88690170 手机:1380218062713902033849 T天津市中机电技术有限公司, 0一阿尔法 铸造专用淀粉 理化指标 指标 糊化性能 能在冷水中溶胀成半透明糊状物 ◆日本技术,可替代进口产品 水分 ◆防止铸件夹砂、结疤、冲砂 细度(90目筛通过率)% 粘度(5%溶液25℃) mPa·s|>500 的优质材料 H值(1%溶液) ◆国内10多家企业正在使用本 灰分 蛋白质含量 ≤0.4 产品 白度 ◆免费提供试验小样 包装 25kg双层防水塑编袋 联系人:王力13789522520 销售公司电话:0222521060传真:022-25211006 【详细资料样品备索】
· · interface: part 1 chemical bonding, chemical reaction and interfacial structure [J]. International Materials Reviews, 1993, 38 ( 5) : 233- 256. [8] NATCISO, CORDVILLA C G, LOUIS E. Reactivity of thermally oxidized and unoxidized SiC particulate composites produced by casting method [J]. Materials Science and Engineering A, 1989, 107: 73- 80. [9] 马晓春, 吴锦波. Al-SiC系润湿性与界面现象的研究 [J]. 材料科学 与工程, 1994, 12 ( 1) : 37- 41. [10] 张永俐, MILIUS D L, AKSAY I A. Si对SiC-Al系统润湿行为的影 响 [J]. 材料科学与工程, 1994, 12 ( 2) 16- 23. [11] KOBASHI M, CHOH T. The wettability and the reaction for SiC particle/Al alloy system [J]. Mater. Sci, 1993, 28: 684- 690. [12] 郭建, 沈宁福. SiC颗粒增强Al基复合材料中有害界面反应的控制 [J]. 材料科学与工程, 2002, 20 ( 4) : 605- 608. [13] HOWE J M. Bongding, structure, and properties of metal/ceramic interfaces [J]. International Materials Reviews, 1993, 38 ( 5) 257- 271. ( 编辑: 曲学良, qxl@foundryworld.com) FOUNDRY Aug. 2006 820 Vol.55 No.8
