·242· 工程科学学报，第39卷，第2期 200 包裹层夹杂气体 毛细作用下熔体 空化泡崩溃 857 进人团巢体 180 160 140 135.6 空化泡( 熔体 100 90.4 图8熔体超声处理时的颗粒团聚示意图 Fig.8 Schematic diagram of reunion particles influenced by ultra- sonic in the melt 60 容易形成熔点较基体高的氧化膜，包裹在吸附着气体 工况 的颗粒表层，严重阻碍熔体对颗粒的润湿，最终在颗粒 图7不同工况下SiCp/7085复合材料抗拉强度 与基体之间会形SiO,-Air-Oxide-Melt润湿体系 Fig.7 Tensile strength of SiCp/7085 composites under different 未经搅拌和机械搅拌的工况下，由于在颗粒与熔 working conditions 体之间氧化膜与气体层的存在，熔体并未在颗粒表面 空气，铝液才会自发地浸入团聚体内部.如图8所示， 展开.超声施振后，如图9所示，超声空化效应在颗粒 当较小的团聚分散在熔体中，由于团聚体内部存在的 附近的熔体中形成大量的微射流和瞬时高温高压，瞬 气体和外层的包裹，铝液很难自发的渗透进去：在熔体 时的强烈冲击能够有效破除氧化膜，其形成的微区湍 中直接施加超声振动，通过导波工具杆直接耦合到金 流将氧化膜卷入熔体，所夹气体层不断转变成微气泡 属熔体中.超声振动所产生的空化泡在崩溃的过程 逸散至熔体中.无氧化膜和气体层阻碍，熔体与颗粒 中，瞬间会在有限的空间内产生很大的压力梯度，产生 直接接触，并不断在颗粒表面铺展开.卷人熔体中的 各种特殊的物理、化学等非线性效应.根据本课题组 氧化膜在超声持续施振下破碎成颗粒状，散入熔体中. 之前的研究，由Noltlingk-Neppiras方程导出超声波作 也就是说仅仅是通过传统的机械方法，熔体对颗粒的 用下空化泡壁的运动方程，通过计算，在频率为20 完全润湿存在很大难度，超声对颗粒润湿的关键是空 kHz,功率为1kW的超声波作用下，空化泡破灭能产 化作用能够破除氧化膜，使气体层逸散至熔体.熔体 生的最大压强约为1.1GPa:最高温度约为4.8×104 开始与颗粒直接接触，进而与颗粒化学反应润湿 K.空化泡崩溃产生的微射流的流速非常大，根据相关 气体层 微气泡 空化泡 研究，在距离空化泡中心1mm处微射流的流速可达到 100m·s[.当空化泡运动到团聚体周围崩遗，这样 强的冲击能够瞬间突破包裹层，熔体在超声毛细现象 的作用下进入颗粒之间，将颗粒冲散，使颗粒在熔体中 氧化层 4 分散开：超声波在传递过程中，从工具杆端面沿声波传 破碎氧化膜 播方向形成一定的压力梯度，因此顺着压力梯度方向 图9超声润湿界面示意图 引发了熔体的环向流动[]，使得铝液能够在坩埚熔池 Fig.9 Schematic diagram of ultrasonic wetting interface 上下翻腾，冲散后的颗粒逐渐均匀分散熔体，实现宏观 当熔体与颗粒表面直接接触后，熔体中有镁元素 的均布.颗粒在持续的超声施振下与熔体发生化学反 将起到至关重要的作用，镁使得熔体与颗粒的初始黏 应结合.因此随着超声施振，颗粒分布均匀，熔体中的 着功提高[).接触后镁元素和铝元素由熔体向颗粒 气体也在超声除气的作用下逸出熔体，最终得到颗粒 表层的扩散，并与颗粒表面氧化生成的SO,共同作用， 均布无明显气孔的复合材料（如图2(c)2(d)). 发生化学反应，反应方程式如下： 3.2界面结合分析 Mg +2Al +2Si0,MgAl,O +2Si. 通过对颗粒进行酸洗、超声清洗，消除颗粒表面油 最终在界面处生成致密MgAL,O,层.MgA,0,是 污等杂质，高温预氧化处理使颗粒表面生成二氧化硅 一种界面强化相，能够阻止铝元素进一步向颗粒内部 层，加人前对颗粒进行预热减少气体和水分的吸附 扩散，防止铝与SiC反应生成易水解的脆性相Al: 一方面提高颗粒表面能，改善润湿初始条件，另一方面 C,[1):在X射线衍射的检测中，也没有检测到A山，C,的 减少了脆性界面产物的生成[).由于本实验是在大 存在：同时正是由于MgA山，O,的生成，形成了更优的界 气环境中，颗粒表面易吸附气体，加入高温铝熔体中很 面结合，因此超声施振30min后材料的拉伸性能有了工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 图 7 不同工况下 SiCp / 7085 复合材料抗拉强度 Fig. 7 Tensile strength of SiCp / 7085 composites under different working conditions 空气,铝液才会自发地浸入团聚体内部. 如图 8 所示, 当较小的团聚分散在熔体中,由于团聚体内部存在的 气体和外层的包裹,铝液很难自发的渗透进去;在熔体 中直接施加超声振动,通过导波工具杆直接耦合到金 属熔体中. 超声振动所产生的空化泡在崩溃的过程 中,瞬间会在有限的空间内产生很大的压力梯度,产生 各种特殊的物理、化学等非线性效应. 根据本课题组 之前的研究,由 Noltlingk鄄鄄Neppiras 方程导出超声波作 用下空化泡壁的运动方程,通过计算,在频率为 20 kHz, 功率为 1 kW 的超声波作用下,空化泡破灭能产 生的最大压强约为 1郾 1 GPa;最高温度约为 4郾 8 伊 10 4 K. 空化泡崩溃产生的微射流的流速非常大,根据相关 研究,在距离空化泡中心 1 mm 处微射流的流速可达到 100 m·s - 1[14] . 当空化泡运动到团聚体周围崩溃,这样 强的冲击能够瞬间突破包裹层,熔体在超声毛细现象 的作用下进入颗粒之间,将颗粒冲散,使颗粒在熔体中 分散开;超声波在传递过程中,从工具杆端面沿声波传 播方向形成一定的压力梯度,因此顺着压力梯度方向 引发了熔体的环向流动[15] ,使得铝液能够在坩埚熔池 上下翻腾,冲散后的颗粒逐渐均匀分散熔体,实现宏观 的均布. 颗粒在持续的超声施振下与熔体发生化学反 应结合. 因此随着超声施振,颗粒分布均匀,熔体中的 气体也在超声除气的作用下逸出熔体,最终得到颗粒 均布无明显气孔的复合材料(如图 2(c)、2(d)). 3郾 2 界面结合分析 通过对颗粒进行酸洗、超声清洗,消除颗粒表面油 污等杂质,高温预氧化处理使颗粒表面生成二氧化硅 层,加入前对颗粒进行预热减少气体和水分的吸附. 一方面提高颗粒表面能,改善润湿初始条件,另一方面 减少了脆性界面产物的生成[16] . 由于本实验是在大 气环境中,颗粒表面易吸附气体,加入高温铝熔体中很 图 8 熔体超声处理时的颗粒团聚示意图 Fig. 8 Schematic diagram of reunion particles influenced by ultra鄄 sonic in the melt 容易形成熔点较基体高的氧化膜,包裹在吸附着气体 的颗粒表层,严重阻碍熔体对颗粒的润湿,最终在颗粒 与基体之间会形 SiO2 鄄鄄Air鄄鄄Oxide鄄鄄Melt 润湿体系. 未经搅拌和机械搅拌的工况下,由于在颗粒与熔 体之间氧化膜与气体层的存在,熔体并未在颗粒表面 展开. 超声施振后,如图 9 所示,超声空化效应在颗粒 附近的熔体中形成大量的微射流和瞬时高温高压,瞬 时的强烈冲击能够有效破除氧化膜,其形成的微区湍 流将氧化膜卷入熔体,所夹气体层不断转变成微气泡 逸散至熔体中. 无氧化膜和气体层阻碍,熔体与颗粒 直接接触,并不断在颗粒表面铺展开. 卷入熔体中的 氧化膜在超声持续施振下破碎成颗粒状,散入熔体中. 也就是说仅仅是通过传统的机械方法,熔体对颗粒的 完全润湿存在很大难度,超声对颗粒润湿的关键是空 化作用能够破除氧化膜,使气体层逸散至熔体. 熔体 开始与颗粒直接接触,进而与颗粒化学反应润湿. 图 9 超声润湿界面示意图 Fig. 9 Schematic diagram of ultrasonic wetting interface 当熔体与颗粒表面直接接触后,熔体中有镁元素 将起到至关重要的作用,镁使得熔体与颗粒的初始黏 着功提高[17] . 接触后镁元素和铝元素由熔体向颗粒 表层的扩散,并与颗粒表面氧化生成的 SiO2共同作用, 发生化学反应,反应方程式如下: Mg + 2Al + 2SiO2 = MgAl 2O4 + 2Si. 最终在界面处生成致密 MgAl 2 O4 层. MgAl 2 O4 是 一种界面强化相,能够阻止铝元素进一步向颗粒内部 扩散,防止铝与 SiC 反应生成易水解的脆性相 Al 4 C3 [18] ;在 X 射线衍射的检测中,也没有检测到 Al 4C3的 存在;同时正是由于 MgAl 2O4的生成,形成了更优的界 面结合,因此超声施振 30 min 后材料的拉伸性能有了 ·242·