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