·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