宋龍飛,周賢良,崔霞,華小珍,鄒愛華,唐龍書

（南昌航空大學材料科學與工程學院,南昌330063）

SiCp/Al復合材料作為一種新型金屬基復合材料,因具有比強度高、比剛度高、耐高溫、耐磨性好、低熱膨脹系數(shù)、高熱導率等優(yōu)良性能,在航空航天、汽車行業(yè)、電子元件等方面有巨大的應用潛力［1］。近年來,對SiCp/Al復合材料研究不斷深入,應用日趨廣泛,而專家學者多致力于制備工藝與其力學性能的研究,對其耐蝕性研究相對較少。

目前,顆粒表面改性的方法有很多,包括采用鍍銅或鍍鎳在顆粒表面形成金屬層、用溶膠凝膠法在顆粒表面形成SiO2層、高溫氧化形成氧化層等［2-4］。表面改性的方法多應用于研究SiCp/Al潤濕性與界面結(jié)合強度,而表面改性對復合材料耐蝕性的影響卻鮮有報道,其中SiC顆粒（SiCp）高溫氧化,操作簡單,易于推廣。本工作通過控制高溫氧化時間,獲得具有不同氧化程度的SiCp,并制備復合材料,通過化學浸泡試驗和電化學方法,研究高溫氧化處理SiC顆粒（SiCp）對SiCp/Al復合材料耐蝕性的影響。

1 試驗

SiCp/Al復合材料采用空氣氣氛下陶模無壓浸滲工藝制備［3］,SiC顆粒自由堆積于陶瓷模具中,隨爐加熱到850℃,保溫10min后,澆入鋁液,隨后繼續(xù)升溫至950℃并保溫2h,隨爐冷卻后取出?；w為工業(yè)純鋁,增強體顆粒為氧化處理后SiC顆粒。

試驗顆粒為α-SiC,平均粒度為100μm,顆粒經(jīng)氫氟酸酸洗24h后干燥48h,置于電阻爐中經(jīng)1 100℃分別氧化2h、6h和10h。顆粒表面形貌利用QUANTA200F型掃描電鏡進行觀察。腐蝕化學浸泡試驗試樣尺寸為30mm×15mm×3mm,試驗參照GB/T 19746-2005國家標準進行,試驗溶液為3.5%NaCl溶液,試驗溫度為25℃,取樣周期分別為6,24,72,168h。腐蝕產(chǎn)物的清除按照GB 10124-1988國家標準進行,浸泡試樣置于80g/L鉻酐（CrO3）和200mL/L磷酸（H3PO4）混合溶液并在80℃下保溫10min,試樣經(jīng)上述溶液清除腐蝕產(chǎn)物后,在流動冷水中用毛刷輕刷,最后將試樣漂洗干凈,并在無水乙醇溶液中擺動,然后放在干凈濾紙上用熱風吹干,然后進行稱量,采用失重法計算材料腐蝕率。

電化學測試試樣尺寸為10mm×10mm×1mm,采用電化學測試儀器為CHI-660C,參比電極為飽和甘汞電極（SCE）,輔助電極為鉑電極,文中電位若無特指,均相對于SCE。電化學測試的溶液為3.5%NaCl溶液,試驗溫度為25℃。動電位極化曲線測試的掃描速率為0.000 3V/s,試樣測試面積為100mm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 SiC顆粒表面形貌

圖1為SiC顆粒經(jīng)不同氧化時間后的表面形貌。由圖1可見,經(jīng)氧化處理后SiC顆粒的棱角出現(xiàn)"鈍化"現(xiàn)象。這是由于氧化中,顆粒棱角處表面能相對于平直表面能高,棱角處優(yōu)先發(fā)生氧化反應。比較圖1（b）、（c）和（d）,氧化處理2,6,10h后,顆粒棱角都發(fā)生鈍化,但氧化6h和10h的SiCp鈍化效果更加明顯。同時兩者顆粒表面形貌也有所不同,圖1（b）顆粒表面較平直、有少量的白色小粒凸起,而圖1（c）和（d）顆粒表面有較多的白色小粒凸起,這些凸起被認為是SiO2［5］,且圖1（d）中顆粒表面出現(xiàn)明顯凹凸。圖2是SiCp氧化后XRD分析圖,從中也可證明氧化處理后顆粒表面存在SiO2。SiCp進行高溫氧化,不僅改善顆粒表面狀態(tài),而且改變顆粒表面形貌［6］。

圖1 SiC顆粒經(jīng)不同氧化時候后的表面形貌Fig.1 SEM morphology of SiCp with different oxidiation times

圖2 SiC顆粒氧化不同時間的XRD分析Fig.2 XRD of SiCpoxidized for different times

2.2 浸泡試驗

SiC顆粒的加入影響了SiCp/Al復合材料的耐蝕性。圖3為SiCp/Al復合材料在3.5%NaCl溶液浸泡10h后的表面形貌圖。由圖3可見,氧化處理對SiCp/Al復合材料腐蝕形貌影響不大。但由未氧化處理的SiC顆粒制備的復合材料出現(xiàn)少量點蝕坑,而由氧化態(tài)SiC顆粒制備的復合材料未發(fā)現(xiàn)點蝕。這為SiC氧化預處理,降低SiCp/Al復合材料的點蝕敏感性提供了依據(jù)。

圖3 SiCp氧化不同時間的SiCp/Al復合材料在3.5%NaCl溶液浸泡10h后表面形貌Fig.3 SEM morphology of SiCp/Al composites with ifferent oxidation times immersed in 3.5%NaCl soulation for 10h

圖4為SiCp氧化不同時間的SiCp/Al復合材料在3.5%NaCl溶液中的腐蝕失重曲線。其中未氧化處理顆粒制備的復合材料為1號試樣,顆粒氧化處理2h、6h和10h制備的復合材料分別為2號、3號和4號試樣。由圖4可見,隨著SiC氧化時間增加,SiCp/Al復合材料的耐蝕性有不同程度的提高。由于850℃左右,SiCp直接和鋁液接觸,SiC分解成硅離子和碳離子進入鋁液,并和鋁反應生成易發(fā)生水解作用的Al4C3和單質(zhì)硅聚集在復合材料界面處［7］。

而Al4C3極易發(fā)生水解反應：

Al4C3水解是SiCp/Al復合材料腐蝕的重要原因之一。SiC經(jīng)氧化處理后,表面生成一層SiO2膜,可避免SiC和鋁液的直接接觸,阻礙鋁液對SiC顆粒的侵蝕,從而避免Al4C3的生成。

由圖4可見,氧化6h的SiC顆粒制備的SiCp/Al復合材料耐蝕性優(yōu)于氧化2h的。筆者認為這是由于經(jīng)1 100℃氧化2h的SiC顆粒表面氧化膜較薄且不均勻,在高溫下,根據(jù)反應熱力學可知SiO2和鋁會發(fā)生反應［8］：

由于氧化2h時間較短,氧化程度較低,在制備復合材料的過程中,與鋁液反應消耗部分SiO2,使SiC顆粒局部重新與鋁液接觸,并生成水解相Al4C3,降低復合材料的耐蝕性。而經(jīng)1 100℃氧化6h后,SiC顆粒表面出現(xiàn)較厚的SiO2層,氧化程度較高,即使界面反應消耗部分SiO2,SiC顆粒仍被SiO2層保護,SiC未能和鋁液直接接觸,阻礙有害界面反應的發(fā)生。

2.3 極化曲線

圖4 預氧化不同時間的顆粒復合材料腐蝕失重曲線Fig.4 Corrosion mass loss curves of SiCp/Al with SiCp oxidized for different times

SiC顆粒氧化不同時間的SiCp/Al復合材料在3.5%NaCl水溶液中的陽極極化曲線如圖5所示,表1為其相關電化學參數(shù)擬合。由表1可見,1號試樣的點蝕電位與自腐蝕電位低于2,3,4號樣,但2,3,4號試樣的點蝕電位并沒有明顯區(qū)別。腐蝕形貌分析發(fā)現(xiàn)1號樣出現(xiàn)明顯點蝕坑,而其他試樣未見明顯點蝕,這都說明,經(jīng)氧化處理的SiC顆粒制備的復合材料的點蝕電位有所提高；顆粒氧化處理降低了SiCp/Al復合材料的點蝕敏感性,但氧化時間并沒有影響復合材料的點蝕敏感性。1號的Jcorr大于2,3,4號樣,說明由未氧化顆粒制備的復合材料最易發(fā)生腐蝕且腐蝕速率比顆粒氧化后的快；2號樣的Jcorr大于3號和4號樣,說明隨著顆粒氧化時間的延長,腐蝕速率下降。復合材料的化學浸泡試驗結(jié)果與電化學試驗結(jié)果一致。

圖5 不同氧化時間的SiC的鋁基復合材料的極化曲線Fig.5 Polarization curves of SiCp/Al composites with SiCpoxidized for different times

表1 從極化曲線計算出的電化學參數(shù)Tab.1 Electrochemical parametes of SiCp/Al composites with SiCpoxidized for different times

3 結(jié)論

（1）SiC顆粒氧化處理,顆粒的棱角發(fā)生“鈍化”,顆粒表面形成SiO2層,SiC顆粒氧化時間不同呈現(xiàn)出不同的表面形態(tài)。

（2）SiC顆粒高溫氧化處理,降低SiCp/Al復合材料的腐蝕速率,提高SiCp/Al復合材料的耐蝕性。

（3）隨著SiC顆粒氧化時間的延長,SiCp/Al復合材料耐蝕性有一定提高。

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