崔 巖， 郭 順，， 趙會友

(1.北京航空材料研究院先進復(fù)合材料重點實驗室，北京100095;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機電與信息工程學(xué)院，北京100083)

高體份(≥50%)SiCp/Al復(fù)合材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)承載功能、卓越的熱控功能以及獨特的防共振功能，它的比模量可以達到鋁合金和鈦合金的三倍，熱膨脹系數(shù)比鈦合金還低，熱導(dǎo)率則遠高于鋁合金，平均諧振頻率比鋁、鈦、鋼三大金屬結(jié)構(gòu)材料高出60%以上，這種結(jié)構(gòu)/功能一體化的綜合性能優(yōu)勢使得此新型材料在航空航天精密儀器結(jié)構(gòu)件、微電子器件封裝元件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［1～3］。熔鋁無壓浸滲是制備高體份SiCp/Al復(fù)合的最有效方法，也是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸產(chǎn)品制備的工藝，同時其生產(chǎn)成本較低、易于實現(xiàn)大批量生產(chǎn)［4］。北京航空材料研究院采用無壓浸滲法制備的一系列高體份SiCp/Al復(fù)合材料產(chǎn)品已成功地用于無人機光電穩(wěn)定平臺、衛(wèi)星相機光機結(jié)構(gòu)以及微波遙感衛(wèi)星的電子元器件中［5～7］。

高體份SiCp/Al復(fù)合材料其陶瓷含量較高(SiC體份≥50%)，故加工困難，成本高、工期長，這在很大程度上限制了這種先進材料的推廣應(yīng)用。近凈成形技術(shù)是制造業(yè)中一門新興的先進技術(shù)，該技術(shù)的核心就是實現(xiàn)材料的制備-成型一體化，使材料在制備過程中盡可能地接近于其產(chǎn)品的最終形狀和輪廓，最大限度地減少后續(xù)加工步驟和加工余量。基于高體份SiCp/Al復(fù)合材料難于加工的特點和近凈成形技術(shù)的獨特優(yōu)勢，若能將近凈成形技術(shù)引入高體份SiCp/Al復(fù)合材料的制備，那將無疑會以可接受的成本獲得大尺寸、形狀復(fù)雜的高體份SiCp/Al復(fù)合材料制件，進而對推廣這種先進材料的應(yīng)用有著重要的意義。國內(nèi)外的許多學(xué)者也都對高體份SiCp/Al復(fù)合材料的近凈成形制備技術(shù)進行了研究［8，9］，但均是采用先黏結(jié)制得近凈成形的粉末預(yù)制體后無壓浸滲或壓力浸滲的方法實現(xiàn)這一目標(biāo)，黏結(jié)劑的加入容易在后續(xù)制備的復(fù)合材料中留下氣孔，并帶來導(dǎo)熱性差的雜質(zhì)相，這就為復(fù)合材料性能的劣化埋下了伏筆。另外，對大尺寸結(jié)構(gòu)件而言，陶瓷預(yù)制體成型十分困難，預(yù)燒結(jié)時幾乎不可避免地會開裂。本工作就是基于以上背景，試圖通過在SiC粉體中放置容易加工掉的型芯的方法來實現(xiàn)高體份SiCp/Al復(fù)合材料制件的無壓浸滲近凈成形制備。

1 試驗過程

1.1 原材料

基體鋁合金:將工業(yè)純鋁(純度99.7%)、純鎂(99.7%)和鋁硅合金(硅含量20%)依據(jù)成分配比進行冶煉，制得成分優(yōu)化的Al-Mg-Si-X系無壓浸滲專用鋁合金。

增強相材料:選用綠色、不規(guī)則、尖角狀的碳化硅顆粒作為復(fù)合材料的顆粒增強相，顆粒粒度約為50μm。

型芯:選用Al-Mg-Si-X基體鋁合金作為型芯基體材料，為了使型芯能在高溫下保持其外部形狀并且具有一定的抗高溫氧化能力，采用亞音速火焰噴涂工藝在基體材料表面熱噴涂約500μm厚的MgO涂層制得近凈成形技術(shù)專用鋁合金型芯，下面簡稱型芯。

1.2 高體份SiCp/Al復(fù)合材料制件的近凈成形制備工藝

(1)將表面熱噴涂MgO涂層的鋁合金型芯超聲清洗，然后取出晾干。

(2)將型芯機械固定在坩堝的底部，然后將SiC顆粒增強體放入坩堝，將粉體在壓機上壓實以確保制得的 SiCp/Al復(fù)合材料具有較高的密度。

(3)將無壓浸滲工藝專用鋁合金錠置于SiC顆粒密堆積體之上，然后將坩堝放入通有氮氣的專用無壓浸滲設(shè)備中加熱至750～900℃的溫度范圍內(nèi)并保溫數(shù)小時。

(4)將坩堝取出冷卻，待復(fù)合材料冷卻凝固后將型芯機加工去掉，從而獲得近凈成形的高體份SiCp/Al復(fù)合材料制件。

1.3 分析與測試

采用HITACHI S-3400N型掃描電子顯微鏡對復(fù)合材料與型芯界面區(qū)域的微觀組織及復(fù)合材料的彎曲斷口形貌進行觀察，并通過SEM所帶的能譜儀(EDS)分析界面區(qū)域的元素面分布;采用D8 Advance X射線衍射儀對緊貼型芯處的復(fù)合材料(復(fù)合材料表面留有薄層界面)進行物相分析;在WDW3050型微控電子萬能試驗機、PM-1型電子天平、DIL-402型熱膨脹儀、LFA型激光導(dǎo)熱性能測試儀上依據(jù)相應(yīng)的國軍標(biāo)對復(fù)合材料的彎曲強度、彈性模量、密度、線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 掃描電子顯微分析(SEM)

圖1為無壓浸滲近凈成形制備的SiCp/Al復(fù)合材料的微觀組織照片，從圖1a界面區(qū)域的SEM照片中可以發(fā)現(xiàn):鋁合金型芯表面500μm厚的MgO涂層在SiCp/Al復(fù)合材料凝固成型前已經(jīng)完全剝落或被熔鋁侵蝕掉，SiCp/Al復(fù)合材料與鋁合金型芯之間并無明顯的異質(zhì)界面存在，界面規(guī)則平整，靠近型芯處的SiCp/Al復(fù)合材料中的SiC粉體在無壓浸滲制備過程中并沒有因為型芯鋁合金的熔化而發(fā)生明顯的坍塌、潰散(EDS部分將詳細(xì)分析)。圖1b，c復(fù)合材料的SEM照片比對可以發(fā)現(xiàn):距界面500μm處的復(fù)合材料同遠離型芯的復(fù)合材料在微觀組織上并不存在明顯的差異?？傮w來說，選用熱噴涂MgO涂層的鋁合金型芯并以無壓浸滲法制備的SiCp/Al復(fù)合材料具有顆粒分布均勻、基體金屬(鋁合金)滲入充分、界面狀態(tài)好的特點，且在型芯周圍的復(fù)合材料中并未發(fā)現(xiàn)明顯的顯微氣孔。

圖1 無壓浸滲近凈成形制備的SiCp/Al復(fù)合材料的微觀組織 (a)界面區(qū)域; (b)距界面500μm處復(fù)合材料;(c)遠離型芯處復(fù)合材料Fig.1 Microstructure of SiCp/Al composite of near net-shape forming fabricated by pressureless infiltration technique (a)interfacial area;(b)composite near interface(about 500μm);(c)composite which is away from core

2.2 能譜分析(EDS)

圖2為SiCp/Al復(fù)合材料與型芯界面區(qū)域元素的面分布，從圖中可以發(fā)現(xiàn):SiCp/Al復(fù)合材料與鋁合金型芯之間并不存有明顯的異質(zhì)界面相或界面層，在靠近型芯處的SiCp/Al復(fù)合材料中，SiC顆粒沒有發(fā)生過明顯的坍塌、潰散現(xiàn)象的痕跡，顆粒分布十分均勻。

圖2 SiCp/Al復(fù)合材料與型芯界面區(qū)域元素的面分布 (a)SEM形貌;(b)Al;(c)Mg;(d)SiFig.2 Element distribution of the interfacial area between SiCp/Al composite and core (a)SEM morphology;(b)Al;(c)Mg;(d)Si

在無壓浸滲法制備SiCp/Al復(fù)合材料的過程中，當(dāng)爐溫升至鋁合金基體熔點以上后，MgO涂層內(nèi)部包裹的鋁合金型芯便開始逐漸熔化，此時鋁合金型芯表面的MgO涂層依然完好存在，熔化了的液態(tài)鋁合金便在體積膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力的驅(qū)使下通過MgO涂層中的細(xì)微孔隙向型芯外部的SiC粉體中滲入，由于鋁合金的熔化過程相對緩慢且型芯內(nèi)包裹的熔鋁對粉體可以自發(fā)浸滲，因此型芯中的熔鋁對MgO涂層向外的擴張力并不大，MgO涂層對熔鋁的約束力及周圍粉體對型芯的擠壓力足以平衡這一向外的擴張力，從而維持了型芯的外部形狀。同時，型芯熔鋁膨脹產(chǎn)生的擴張力及MgO涂層對粉體的支撐力也使得型芯周圍的SiC顆粒不至于坍塌、潰散。MgO涂層的存在使得熔鋁進入粉體的速度有所減慢，這也致使型芯鋁合金熔化時產(chǎn)生的熱應(yīng)力釋放相對較慢。隨著保溫時間的延長，放置于粉體上面的熔融的鋁合金基體逐漸向下浸滲SiC粉體，當(dāng)浸滲至坩堝底部的型芯處時，保溫過程基本結(jié)束。此時，隨著MgO涂層周圍熔鋁的增多，MgO涂層逐漸被侵蝕變薄，由于前期MgO涂層的存在使得鋁合金型芯熔化產(chǎn)生的熱應(yīng)力尚未完全釋放，殘余的熱應(yīng)力保證了型芯周圍的SiC顆粒在后續(xù)極短的保溫時間內(nèi)不會發(fā)生嚴(yán)重的坍塌、潰散，最終冷卻凝固制得含有型芯的高體份SiCp/Al復(fù)合材料。

2.3 X射線衍射分析(XRD)

圖3為緊貼型芯處的SiCp/Al復(fù)合材料(復(fù)合材料表面留有薄層界面)的XRD結(jié)果，分析結(jié)果表明:界面處除留有高體份SiCp/Al復(fù)合材料應(yīng)有的Al，Si，Mg，Mg2Si，SiC相外，并沒發(fā)現(xiàn)其他的雜質(zhì)相，這也表明SiCp/Al復(fù)合材料與鋁合金型芯并沒有存有明顯的異質(zhì)界面，表面熱噴涂MgO型芯的使用沒有給高體份SiCp/Al復(fù)合材料帶來成分污染，這也正是表面熱噴涂MgO涂層的基體鋁合金用做型芯材料時獨特的成分優(yōu)勢。

2.4 型芯的使用對SiCp/Al復(fù)合材料性能的影響

表1為無壓浸滲近凈成形制備的SiCp/Al復(fù)合材料的彎曲強度及彈性模量值，從表中可以發(fā)現(xiàn):距離型芯約500μm處的SiCp/Al復(fù)合材料同遠離型芯的SiCp/Al復(fù)合材料相比，彎曲強度及彈性模量值沒有發(fā)生明顯的變化，數(shù)值的波動均在測量誤差范圍以內(nèi)。

圖3 緊貼型芯處的SiCp/Al復(fù)合材料(帶有界面)的XRD結(jié)果Fig.3 XRD result of SiCp/Al composite (including interface)near core

圖4為無壓浸滲近凈成形制備的SiCp/Al復(fù)合材料斷口SEM形貌，圖4a，4b，4c為距離型芯約500μm處SiCp/Al復(fù)合材料斷口不同倍數(shù)的SEM形貌，圖4d，4e，4f為遠離型芯的SiCp/Al復(fù)合材料斷口不同倍數(shù)的SEM形貌。在相同的放大倍數(shù)下逐一比較斷口形貌可以發(fā)現(xiàn):距離型芯約500μm處的SiCp/Al復(fù)合材料同遠離型芯的SiCp/Al復(fù)合材料相比，斷裂機制沒有發(fā)生明顯的變化，其斷裂機制如下:由于復(fù)合材料界面結(jié)合狀態(tài)良好，界面結(jié)合強度足夠高，因此材料承受的彎曲應(yīng)力能夠有效地傳遞給SiC顆粒增強相，當(dāng)傳遞到SiC顆粒上的載荷大于它的極限強度時，SiC顆粒便發(fā)生脆性斷裂在解理面上留下明顯的河流狀花紋。在斷裂過程中，鋁合金基體產(chǎn)生了少量的塑性變形，斷裂前也吸收了一定的能量，合金基體呈明顯的韌性斷裂，從圖4c，4f可以發(fā)現(xiàn)鋁合金基體斷裂后留下的韌窩。復(fù)合材料的斷裂包括SiC顆粒的脆性斷裂與鋁合金基體的韌性斷裂兩部分，對于復(fù)合材料整體而言，復(fù)合材料的斷口平整呈現(xiàn)脆性穿晶斷裂的特征。

表2為無壓浸滲近凈成形制備的SiCp/Al復(fù)合材料的熱物理性能，從表2中可以發(fā)現(xiàn):緊貼型芯處(距型芯約500μm)的復(fù)合材料同遠離型芯處的復(fù)合材料相比，二者的密度、線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率并不存在明顯差異，數(shù)值的波動均在測量誤差范圍以內(nèi)。微觀組織的一致性(如圖1、圖2所示)也就決定了緊貼型芯處的復(fù)合材料同遠離型芯處的復(fù)合材料在密度、線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率上不會存在明顯的差異。

表1 無壓浸滲近凈成形制備的SiCp/Al復(fù)合材料的彎曲強度及彈性模量Table 1 Flexure strength and modulus of elasticity of SiCp/Al composites of near net-shape forming fabricated by pressureless infiltration technique

表2 無壓浸滲近凈成形制備的SiCp/Al復(fù)合材料的熱物理性能Table 2 Thermo-physical properties of SiCp/Al composites of near net-shape forming fabricated by pressureless infiltration technique

2.5 近凈成形制備技術(shù)的尺寸控制研究

表3為復(fù)合材料成型后型芯在復(fù)合材料中留下的型腔尺寸與型芯原始尺寸的比較，從表3中可以發(fā)現(xiàn):復(fù)合材料成型后型芯在復(fù)合材料中留下的型腔尺寸與型芯的原始尺寸基本一致，沒有發(fā)生明顯的尺寸膨脹現(xiàn)象，這也間接地印證了鋁合金型芯中的熔鋁會在體積膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力的驅(qū)使下通過MgO涂層中的細(xì)微孔隙向型芯外部的SiC粉體滲入的推斷(否則熔鋁型芯會發(fā)生明顯的膨脹，這樣復(fù)合材料成型后型芯在復(fù)合材料中留下的型腔尺寸將明顯比型芯的原始尺寸大，這顯然與實驗結(jié)果不符)，同時也說明通過對型芯尺寸的合理控制，完全能夠?qū)崿F(xiàn)高體份SiCp/Al復(fù)合材料的無壓浸滲近凈成形制備技術(shù)，即獲得尺寸較為精準(zhǔn)、形狀規(guī)則的型腔。在無壓浸滲過程中，當(dāng)基體鋁合金浸滲至坩堝底部的型芯處時，我們可以把熔融的型芯與基體鋁合金間的MgO涂層近似地看做柯肯達爾效應(yīng)的標(biāo)記面，由于基體鋁合金與型芯的成分一致，故二者之間不存在化學(xué)位梯度，因此，標(biāo)記面MgO涂層自然不存在移動的驅(qū)動力，故在后續(xù)的過程中即使MgO涂層變薄、消失，型芯的尺寸依然不會發(fā)生明顯的變化，SiC粉體也不會發(fā)生坍塌、潰散。

表3 復(fù)合材料成型后型芯在復(fù)合材料中留下的型腔尺寸與型芯的原始尺寸的比較Table 3 Comparison between the size left by core after composite forming and the original size of core

3 結(jié)論

(1)選用表面熱噴涂MgO涂層的鋁合金型芯制備了高體份的SiCp/Al復(fù)合材料，SiCp/Al復(fù)合材料與鋁合金型芯之間并無明顯的異質(zhì)界面存有，界面規(guī)則平整。

(2)距離鋁合金型芯表面約500μm處的SiCp/ Al復(fù)合材料與遠離型芯處的SiCp/Al復(fù)合材料相比，微觀組織并無明顯的差異且型芯的使用沒有給界面處的復(fù)合材料帶來明顯的成分污染，這也決定了距離型芯約500μm處的復(fù)合材料與遠離型芯處的復(fù)合材料在彎曲強度、彈性模量、密度、線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率及斷裂機制上不存在明顯的差異，從復(fù)合材料微觀組織、成分、性能的角度上講，選用表面熱噴涂MgO涂層的鋁合金型芯實現(xiàn)高體份SiCp/Al復(fù)合材料的近凈成形制備是可行的。

(3)對近凈成形制備技術(shù)中的尺寸控制進行了研究，研究結(jié)果表明:通過對型芯尺寸的合理控制，完全能夠?qū)崿F(xiàn)高體份SiCp/Al復(fù)合材料的無壓浸滲近凈成形制備。

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