《热加工工艺》2005年第4期 综述 见图2)。通过这种方法制备颗粒增强金属基复合材 (1)加Si因下列反应由溶解扩散机制控制, 料,特别是纳米颗粒增强金属基复合材料文献中还没 Al+SC→AlC3+Si 有报道过。利用块体分散法制备复合材料时,成本低,AkC3以细杆状或块状由界面向铝液中生长。界面上 工艺简单,基本没有发现界面反应发生。但是增强相AC3反应层厚度1m)满足扩散抛物线规则:|=k12 颗粒的体积分数不易控制,另外就是纳米颗粒易团聚(式中k为常数,t为时间)。由于Si为界面反应产 (见图3),在混粉的阶段应该注意选择合适的混粉工物,在铝中添加Si可以拟制上述界面反应,但是添加 具和混粉的时间 的S含量过多,也会导致基体的强度和塑性降低。 (2)添加TZ;Nb、V等合金元素现以Ti为 例 Ti+Sc(s→TSy+Tc(s 在上述反应中,Ti可以通过界面反应来改善润湿性。 的含量(量分数)大于05%时,Ti优先与SC反 应生成TC,使AlC3难以生成,可以起到固碳的作用 (3)SC颗粒表面涂覆表面涂覆的目的是避免 200um AlC3的生成,但同时也要考虑SC颗粒涂覆以后与基 图3混粉后A和SC的SHM照片 体铝溶液的润湿性问题。SC表面涂覆通常选择Ni CuAg等,但是这些表面涂覆处理物质虽然能够有效 3制备金属基复合材料时存在的问题的改善SCA之间的润湿性但是同时也会产生一些 及解决方法 脆性相,如Nk、Cu△b2l 金属基复合材料发展至今,一直存在着两个重要 (4)SC颗粒表面氧化处理对SC颗粒进行表 的问题,就是有害的界面反应和颗粒的偏聚问题。这面氧化处理是因为SC颗粒在使用之前容易吸附水 两个问题给复合材料的制备带来很多不利,人们一直分,或者被有机物污染。在制备SC/A复合材料之 在努力寻求解决这两类问题的办法 前,SC颗粒表面氧化处理一方面可以除去有害的吸附 31有害的界面反应问题 物,另一方面还可以在SC颗粒表面形成SD2表面膜, 目前,控制有害界面反应,普遍采取的措施有:它可以改善SC/AL之间的润湿性。这种表面处理的 (1)根据界面反应热力学,选择合适的基体合金成分,方法很简便,但要考虑到SC的高温烧结和SO2层的 避免有害的界面反应发生;(2)选择合适的涂层,保护均匀性问题 增强相颗粒不受基体合金元素的剥蚀;(3)通过可控 (5)优化制备工艺方法和参数界面反应与制备 方式预沉积获得对界面层形貌的某些控制;(4)选择温度、保温及冷却过程的时间等因素有关。如果制备 合适的制备工艺与温度;(5)尽量减少基体和增强相温度越高,停留时间越长,界面反应及作用就会越严 的热接触时间。下面以SC增强A1为例介绍几种常重。因此,在选择制备方法和工艺参数的时候,首先要 用的控制界面反应的方法 考虑制备的温度、高温停留的时间和冷却速度。在保 在采用熔体浸渗、液态及半固态搅拌等低成本工证复合完好的前提下,尽可能的选择低的制备温度,短 艺制备SC颗粒增强AI基复合材料过程中,SC颗粒的高温停留时间,低于反应温度后应该减小冷却速度, 与Al合金熔体之间容易发生界面化学反应。从影响以避免造成大的残余应力,从而影响材料的综合性能。 制备过程方面来看,SC与铝液的润湿性很差,界面化32颗粒偏聚问题 学反应常常能有效的改善润湿性,因而能被用来改进 制备金属基复合材料存在的另一个问题就是颗粒 制备工艺。但是SC颗粒和Al合金熔体之间的界面偏聚的问题。通常采用的常规混合法,混料机的转速 化学反应产物是A↓C3,常对金属基复合材料的性能产极低,约50r/min,输出的能量不足以使粉末发生较大 生不利的影响。因为A↓C3是脆性相,和水可以发生的变形,只是机械的混合在一起,无法实现陶瓷增强相 化学反应,同时严重损害材料的力学性能,使材料易于颗粒进入到基体的粉末中。粉末混合物的均匀性与以 腐蚀,并使基体合金的Si含量增加。为了控制上述有下因素有关:(1)形貌:球形颗粒比其它形状的颗粒易 害化学反应的进行,国内外已经在基体合金化、SC颗混均匀;(2)密度:密度小的颗粒易分布于混合物的上 粒表面处理以及工艺选择参数控制方面都进行了大量部,密度大的颗粒易分布于混合物的下部;(3)粒度 的研究工作。下面介绍几种防止有害界面反应发生的小粒度的颗粒容易分布在大粒度颗粒的间隙中。采用 常用的方法 髙能球磨法可以克服常规混合法的缺陷。髙能球磨法 201994-2010ChinaAcademicJournaleLectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net(见图 2)。. 通过这种方法制备颗粒增强金属基复合材 料 ,特别是纳米颗粒增强金属基复合材料文献中还没 有报道过。利用块体分散法制备复合材料时 ,成本低 , 工艺简单 ,基本没有发现界面反应发生。但是增强相 颗粒的体积分数不易控制 ,另外就是纳米颗粒易团聚 (见图 3) ,在混粉的阶段应该注意选择合适的混粉工 具和混粉的时间。 图 3 混粉后 A l和 SiC的 SEM照片 3 制备金属基复合材料时存在的问题 及解决方法 金属基复合材料发展至今 ,一直存在着两个重要 的问题 ,就是有害的界面反应和颗粒的偏聚问题。这 两个问题给复合材料的制备带来很多不利 ,人们一直 在努力寻求解决这两类问题的办法。 3. 1 有害的界面反应问题 目前 ,控制有害界面反应 ,普遍采取的措施有 : (1)根据界面反应热力学 ,选择合适的基体合金成分 , 避免有害的界面反应发生 ; (2)选择合适的涂层 ,保护 增强相颗粒不受基体合金元素的剥蚀 ; ( 3)通过可控 方式预沉积获得对界面层形貌的某些控制 ; ( 4)选择 合适的制备工艺与温度 ; ( 5)尽量减少基体和增强相 的热接触时间。下面以 SiC增强 A l为例介绍几种常 用的控制界面反应的方法。 在采用熔体浸渗、液态及半固态搅拌等低成本工 艺制备 SiC颗粒增强 A l基复合材料过程中 , SiC颗粒 与 A l合金熔体之间容易发生界面化学反应。从影响 制备过程方面来看 , SiC与铝液的润湿性很差 ,界面化 学反应常常能有效的改善润湿性 ,因而能被用来改进 制备工艺。但是 SiC颗粒和 A l合金熔体之间的界面 化学反应产物是 A l4 C3 ,常对金属基复合材料的性能产 生不利的影响。因为 A l4 C3 是脆性相 ,和水可以发生 化学反应 ,同时严重损害材料的力学性能 ,使材料易于 腐蚀 ,并使基体合金的 Si含量增加。为了控制上述有 害化学反应的进行 ,国内外已经在基体合金化、SiC颗 粒表面处理以及工艺选择参数控制方面都进行了大量 的研究工作。下面介绍几种防止有害界面反应发生的 常用的方法 : ( 1 )加 Si 因下列反应由溶解 2扩散机制控制 , A l + SiC→A l4C3 + Si A l4 C3 以细杆状或块状由界面向铝液中生长。界面上 A l4 C3 反应层厚度 l( nm)满足扩散抛物线规则 : l = kt 1 /2 ( 式中 k为常数 , t为时间 ) 。由于 Si为界面反应产 物 ,在铝中添加 Si可以拟制上述界面反应 ,但是添加 的 Si含量过多 ,也会导致基体的强度和塑性降低。 (2) 添加 Ti、Zr、Nb、V 等合金元素 现以 Ti为 例 , Ti + SiC( s) →TixSiy + TiC( s) 在上述反应中 , Ti可以通过界面反应来改善润湿性。 Ti的含量 (质量分数 )大于 0. 5%时 , Ti优先与 SiC反 应生成 TiC,使 A l4 C3 难以生成 ,可以起到固碳的作用。 (3) SiC颗粒表面涂覆 表面涂覆的目的是避免 A l4 C3 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。SiC表面涂覆通常选择 N i、 Cu、Ag等 ,但是这些表面涂覆处理物质虽然能够有效 的改善 SiC /A l之间的润湿性 ,但是同时也会产生一些 脆性相 ,如 N iA l3、CuA l2 [ 12 ]。 (4) SiC颗粒表面氧化处理 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。在制备 SiC /A l复合材料之 前 , SiC颗粒表面氧化处理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 /A l之间的润湿性。这种表面处理的 方法很简便 ,但要考虑到 SiC的高温烧结和 SiO2 层的 均匀性问题。 (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 ,尽可能的选择低的制备温度 ,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。 3. 2 颗粒偏聚问题 制备金属基复合材料存在的另一个问题就是颗粒 偏聚的问题。通常采用的常规混合法 ,混料机的转速 极低 ,约 50 r/m in,输出的能量不足以使粉末发生较大 的变形 ,只是机械的混合在一起 ,无法实现陶瓷增强相 颗粒进入到基体的粉末中。粉末混合物的均匀性与以 下因素有关 : (1)形貌 :球形颗粒比其它形状的颗粒易 混均匀 ; (2)密度 :密度小的颗粒易分布于混合物的上 部 ,密度大的颗粒易分布于混合物的下部 ; ( 3)粒度 : 小粒度的颗粒容易分布在大粒度颗粒的间隙中。采用 高能球磨法可以克服常规混合法的缺陷。高能球磨法 《热加工工艺 》 2005年第 4期 综 述 65