王坤等：超声外场对SiC/7085复合材料颗粒微观团聚与界面结合的作用机理 ·239· 团聚、气孔夹杂等问题[4-].超声波在金属熔体中传播PUS DSX500光学显微镜和TESCAN扫描电镜观察分 时形成的空化、声流、谐振、异质活化等诸多特殊效应， 析：通过自制电化学腐蚀装置（电解液为体积分数 同时具有除气除杂、传热传质、形核细晶的作用6，基70%~80%的H,P0,电压和电流密度分别为24V和 于在高能超声的各种有益的非线性效应，在颗粒增强20~80A·dm2,时间4~20min),对颗粒进行萃取，清 铝基复合材料制备过程中施加超声外场是当今复合材洗干燥后采用TESCAN扫描电镜和EDS-OXFORD能 料制备科学领域的一项创新工艺).施加超声波外场 谱分析仪分析：将块样研磨成粉末后，用325目钢筛过 为提高复合材料的成形质量、降低生产成本带来了前 筛，在Riga/KuD/max2500型X射线衍射分析，扫描 所未有的机遇，同时对制造理论和方法也提出了新的 角度为10°~90°，扫面速度为8°mim 挑战[s-o].在前人的研究中，缺乏超声对颗粒微观分 散与界面润湿深层次的机理分析，对于界面反应环境 的调控也是急需解决的问题).本研究将围绕超声 外场作用前后复合材料微观结构的演变与界面表征等 共性基础科学问题开展系统、深人研究. 研究中采用的铝合金基体材料定位为高强高韧铝 超声波发生器 定位平台 合金(7085)，此类材料具有高的强度、断裂韧性和抗 变幅杆 应力腐蚀性能，以及良好的热加工性、优良的焊接性 能，是制造现代航空航天装备主承力结构件的重要材 电阻炉 料之一[]：通过大量实验验证并且揭示了制备过程中 的微观组织的演变及其作用机理，成功实现7085合金 坩埚 与SiC颗粒的优良结合，以此为航空航天运载装备服 役性能的跨越式发展提供研究基础. 图1超声铸造实验装置图 1实验材料与方法 Fig.I Schematic diagram of ultrasonic casting experimental appara- 1.1实验材料 tus 以航空航天用高强7085铝合金为基体（成分见表 表2工况编号 1),市售400目磨料级绿SiC颗粒为增强体.SiC颗粒 Table 2 Number of working conditions 经过质量分数为5%的氢氟酸酸洗、超声水洗、1000℃ 工况 机械搅拌时间/min 超声施振时间/mim 高温焙烧后（颗粒表面生成Si0,层），预热至600℃ 0 0 备用 B 20 0 表1实验用7085铝合金成分（质量分数） C 20 10 Table 1 Composition of aluminum alloy 7085 cfo D 20 30 Zn Cu Mg Zr Fe Si Ti Mn Al 7.361.751.320.110.070.060.030.02Bal. 2实验结果 1.2实验方法 2.1复合材料的颗粒分布 本研究预设定复合材料增强颗粒的体积分数为 图2为不同工况下颗粒分布情况：图2(a)为未 10%.将基体融化后，将熔体冷却至625℃左右（半固 经机械搅拌，颗粒加入熔体中，颗粒机械堆积在一 态，固相分数为45%)，加入预热的SiC颗粒，并搅拌， 起，形成了较大的团聚体并夹杂大量气孔：图2(b) 待颗粒混合均匀后，将温度保持在700~750℃，开启 为机械搅拌20min后，团聚得到一定的改善，但是仍 机械搅拌器，持续搅拌20min,将预热的变幅杆插入铝 然存在较多的颗粒团簇：图2(c)为超声施振10min, 熔体中心位置，插入深度25mm,施振30min(图1为超 仅有少量的团聚存在，气孔等缺陷显著减少；图2 声铸造实验简图).在不同工况下分别钢模取样并水 (d)为超声施振30min,颗粒在基体中分布均匀，基 淬至室温（取样工况见表2），得到中20mm×50mm的 本无气孔等缺陷. 棒状样，棒状样品按国标加工成拉伸试样，并在-2.2复合材料界面演变 stron3.369万能试验机上拉伸，拉伸速度为1mm· 图3是颗粒与熔体结合过程：未经过机械搅拌，较 min';在棒样中心处取中20mm×30mm块样，块样在 厚的气体层会吸附在颗粒表面，使得熔体无法直接与 Automet250型自动研磨机粗磨、精磨、抛光，用OLYM- 颗粒接触（如图3(a)):图3(b)是机械搅拌后的结合王 坤等: 超声外场对 SiCp / 7085 复合材料颗粒微观团聚与界面结合的作用机理 团聚、气孔夹杂等问题[4鄄鄄5] . 超声波在金属熔体中传播 时形成的空化、声流、谐振、异质活化等诸多特殊效应, 同时具有除气除杂、传热传质、形核细晶的作用[6] ,基 于在高能超声的各种有益的非线性效应,在颗粒增强 铝基复合材料制备过程中施加超声外场是当今复合材 料制备科学领域的一项创新工艺[7] . 施加超声波外场 为提高复合材料的成形质量、降低生产成本带来了前 所未有的机遇,同时对制造理论和方法也提出了新的 挑战[8鄄鄄10] . 在前人的研究中,缺乏超声对颗粒微观分 散与界面润湿深层次的机理分析,对于界面反应环境 的调控也是急需解决的问题[11] . 本研究将围绕超声 外场作用前后复合材料微观结构的演变与界面表征等 共性基础科学问题开展系统、深入研究. 研究中采用的铝合金基体材料定位为高强高韧铝 合金(7085),此类材料具有高的强度、断裂韧性和抗 应力腐蚀性能,以及良好的热加工性、优良的焊接性 能,是制造现代航空航天装备主承力结构件的重要材 料之一[12] ;通过大量实验验证并且揭示了制备过程中 的微观组织的演变及其作用机理,成功实现 7085 合金 与 SiC 颗粒的优良结合,以此为航空航天运载装备服 役性能的跨越式发展提供研究基础. 1 实验材料与方法 1郾 1 实验材料 以航空航天用高强 7085 铝合金为基体(成分见表 1),市售 400 目磨料级绿 SiC 颗粒为增强体. SiC 颗粒 经过质量分数为 5% 的氢氟酸酸洗、超声水洗、1000 益 高温焙烧后(颗粒表面生成 SiO2 层),预热至 600 益 备用. 表 1 实验用 7085 铝合金成分(质量分数) Table 1 Composition of aluminum alloy 7085 % Zn Cu Mg Zr Fe Si Ti Mn Al 7郾 36 1郾 75 1郾 32 0郾 11 0郾 07 0郾 06 0郾 03 0郾 02 Bal. 1郾 2 实验方法 本研究预设定复合材料增强颗粒的体积分数为 10% . 将基体融化后,将熔体冷却至 625 益 左右(半固 态,固相分数为 45% ),加入预热的 SiC 颗粒,并搅拌, 待颗粒混合均匀后,将温度保持在 700 ~ 750 益 ,开启 机械搅拌器,持续搅拌 20 min,将预热的变幅杆插入铝 熔体中心位置,插入深度 25 mm,施振 30 min(图 1 为超 声铸造实验简图). 在不同工况下分别钢模取样并水 淬至室温(取样工况见表 2),得到 准20 mm 伊 50 mm 的 棒状样,棒状样品按国标加工成拉伸试样,并在 In鄄 stron3369 万 能 试 验 机 上 拉 伸, 拉 伸 速 度 为 1 mm· min - 1 ;在棒样中心处取 准20 mm 伊 30 mm 块样,块样在 Automet250 型自动研磨机粗磨、精磨、抛光,用 OLYM鄄 PUS DSX500 光学显微镜和 TESCAN 扫描电镜观察分 析;通过自制电化学腐蚀装置( 电解液为体积分数 70% ~ 80% 的 H3 PO4 ,电压和电流密度分别为 24 V 和 20 ~ 80 A·dm - 2 ,时间 4 ~ 20 min),对颗粒进行萃取,清 洗干燥后采用 TESCAN 扫描电镜和 EDS鄄鄄 OXFORD 能 谱分析仪分析;将块样研磨成粉末后,用 325 目钢筛过 筛,在 Riga / Ku D/ max 2500 型 X 射线衍射分析,扫描 角度为 10毅 ~ 90毅,扫面速度为 8毅·min - 1 . 图 1 超声铸造实验装置图 Fig. 1 Schematic diagram of ultrasonic casting experimental appara鄄 tus 表 2 工况编号 Table 2 Number of working conditions 工况 机械搅拌时间/ min 超声施振时间/ min A 0 0 B 20 0 C 20 10 D 20 30 2 实验结果 2郾 1 复合材料的颗粒分布 图 2 为不同工况下颗粒分布情况:图 2 ( a) 为未 经机械搅拌,颗粒加入熔体中,颗粒机械堆积在一 起,形成了较大的团聚体并夹杂大量气孔;图 2 ( b) 为机械搅拌 20 min 后,团聚得到一定的改善,但是仍 然存在较多的颗粒团簇;图 2( c)为超声施振 10 min, 仅有少量的团聚存在,气孔等缺陷显著减少;图 2 ( d)为超声施振 30 min,颗粒在基体中分布均匀,基 本无气孔等缺陷. 2郾 2 复合材料界面演变 图 3 是颗粒与熔体结合过程:未经过机械搅拌,较 厚的气体层会吸附在颗粒表面,使得熔体无法直接与 颗粒接触(如图 3( a));图 3( b)是机械搅拌后的结合 ·239·