張 波但文德吳廣新
(1.貴陽(yáng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院、貴陽(yáng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司、貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州貴陽(yáng)550081;2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海200072)
燒結(jié)溫度對(duì)SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料組織和性能的影響
張 波1但文德2吳廣新2
(1.貴陽(yáng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院、貴陽(yáng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司、貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州貴陽(yáng)550081;2.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海200072)
SiC/ZL109復(fù)合材料中增強(qiáng)體SiC分別在不同的氧化溫度(800、900、1 000、1 100℃)下高溫氧化5 h,并通過(guò)攪拌鑄造法制備復(fù)合材料。結(jié)果表明,SiC氧化溫度在800℃時(shí),SiC顆粒氧化層基本形成;在800℃以上,SiC顆粒被氧化層全部覆蓋。在800~1 100℃,SiO2層厚度的變化范圍在0.096~0.542 5μm,其中在1 000℃時(shí),SiC增厚0.383μm。在1 000℃氧化5 h條件下,SiC/ZL109復(fù)合材料的界面存在MgAl2O4相,但無(wú)脆性相Al4C3存在,這有利于界面結(jié)合,且此條件下材料的密度最大,孔隙率和磨損率最小。
SiC/ZL109復(fù)合材料 燒結(jié)溫度 攪拌鑄造法 組織 性能
從20世紀(jì)60年代出現(xiàn)金屬基復(fù)合材料以來(lái),研究最多的是鋁基復(fù)合材料,尤其是顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。1979年,美國(guó)政府下令對(duì)鋁金屬基復(fù)合材料的技術(shù)進(jìn)行封鎖,至今尚未開(kāi)禁,可見(jiàn)其對(duì)該材料研究重要戰(zhàn)略意義的高度重視。
國(guó)內(nèi)研究發(fā)現(xiàn),金屬基復(fù)合材料MMCs(Metal Matrix Composites)既有金屬的塑性、韌性,又有陶瓷的高強(qiáng)度、高耐磨性;其中顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料,尤其是碳化硅顆粒增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料(SiCp/ZL109),具有增強(qiáng)體和基體成本低、微觀結(jié)構(gòu)均勻、材料性能各向同性、制造成本低、可大規(guī)模生產(chǎn)、并可借用傳統(tǒng)的工藝進(jìn)行加工等諸多優(yōu)點(diǎn),而成為MMCs發(fā)展的主要方向之一[1-4]。因此目前對(duì)于SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究較多[5-7]。
研究表明,SiC顆粒與Al的接觸角θ=118o(>90o)[8],兩者之間的潤(rùn)濕性很差。并且SiC顆粒具有自發(fā)團(tuán)聚的傾向,從而造成顆粒與基體之間結(jié)合困難。高溫下,SiC與Al發(fā)生反應(yīng):4Al(l)+3SiC(s)=Al4C3(s)+3Si(s),生成的Al4C3是易分解的脆性相,影響復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱性能。為了改善Al與SiC的潤(rùn)濕性,同時(shí)減少Al4C3脆性相的生成,可采取以下幾種常用方法:(1)基體材料中含有Si,例如A356、A359等,Si在基體中能夠改善滲透通道并阻止界面反應(yīng)[9-10];(2)在基體中添加Mg、Ti、Li、Ca等合金元素,可提高顆粒與基體間的潤(rùn)濕性,如Mg主要可以提高增強(qiáng)物表面能量、減少液態(tài)合金基體的表面張力和減少增強(qiáng)體與基體界面的固/液界面能量,因而是一種很好的潤(rùn)濕劑[11];(3)顆粒表面處理,例如表面氧化、PVD、CVD等。近幾年來(lái),大量研究集中在SiC表面氧化和復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)特性上。盡管很多研究表明[12-14],氧化后的SiC可以阻止有害脆性相Al4C3的生成,提高潤(rùn)濕性。但很少有人注意到SiC氧化層對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,不同的氧化溫度就有不同的氧化層厚度,這對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱物性有重要的意義。因此本文主要研究了不同燒結(jié)溫度下,SiC形貌的變化以及SiCp/ZL109復(fù)合材料物理性能的變化。
試驗(yàn)原料為綠碳化硅(純度98.5%,38μm)、ZL109(華中鋁業(yè))。對(duì)SiC顆粒進(jìn)行超聲波清洗(2次堿洗、2次蒸餾水),烘干后備用。將SiC均分成4組放入電阻爐中800、900、1 000、1 100℃高溫氧化5 h,獲得預(yù)處理的SiC顆粒,并稱重計(jì)算SiC顆粒的氧化層厚度。將ZL109鋁合金放入箱式電阻爐內(nèi)于780℃加熱熔化(坩堝及器皿涂層保護(hù)),隨后加0.8%六氯乙烷精煉除氣、除渣并通入氬氣保護(hù)。降低溫度至半固態(tài),安裝攪拌設(shè)備如圖1所示。邊攪拌邊添加預(yù)處理的SiC顆粒,添加比例為ZL109鋁合金質(zhì)量的10%,SiC顆粒添加前需預(yù)熱至300℃。待SiC完全進(jìn)入鋁合金熔體中升高溫度至780℃。保溫30 min后,采用液態(tài)攪拌使得SiC顆粒分散均勻,然后保溫一段時(shí)間后進(jìn)行澆鑄,得到復(fù)合材料。最后,對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析和物理性能分析。
圖1 攪拌設(shè)備示意圖Fig.1 Sketch of themixing equipment
2.1 SiC氧化分析
不同燒結(jié)溫度下,SiC表面生成的SiO2形貌如圖2所示。由圖2可知,隨著氧化溫度的升高,SiC表面的氧化程度增加,SiO2的生成量增加,且SiC表面的棱角出現(xiàn)了“鈍化”現(xiàn)象。值得注意的是,在800℃時(shí),SiC表面才生成一層SiO2層。在400℃到800℃之間,SiC顆粒表面僅生成星星點(diǎn)點(diǎn)的SiO2,未完全覆蓋表面。故氧化溫度應(yīng)選擇在800℃以上。圖3是SiC氧化層的XRD分析結(jié)果。
2.2 SiC厚度分析
采用電子稱稱量三組10 g SiC,平鋪在剛玉基板上,分別放入800、900、1 000、1 100℃電阻爐中高溫氧化5 h,然后計(jì)算重量,再根據(jù)反應(yīng)方程式(1)和(2)計(jì)算SiC氧化層厚度。
圖2 不同溫度氧化后SiC的形貌Fig.2 Morphologies of SiC after oxidiging at different temperatures
圖3 SiC氧化層的XRD譜Fig.3 XRD patterns of oxide on the SiC
由反應(yīng)方程式可知,1 mol SiC轉(zhuǎn)變?yōu)? mol SiO2,質(zhì)量增加了20 g。若SiC質(zhì)量為W1,反應(yīng)得到的SiO2質(zhì)量為W2,則可以得出W2=1.5W1,且增加的質(zhì)量△W=W2-W1,將W1及W2分別用△W表示:W1=2△W,W2=3△W。
由文獻(xiàn)得到,ρSiC=3.16×103kg/m3,ρα-SiO2=3.515×103kg/m3。
假設(shè)每粒SiC都是球形如圖4所示,氧化前的質(zhì)量是W,半徑為R1,氧化后的質(zhì)量增加△W,氧化后表面生成SiO2后的半徑為R2。
SiO2的體積分?jǐn)?shù):
半徑與質(zhì)量的關(guān)系:
SiO2的厚度d為R2-R1,則根據(jù)以上公式得到:
通過(guò)上述公式,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。
圖4 SiC顆粒燒結(jié)前后的半徑示意圖Fig.4 Schematic diagram of SiC particle radius before and after sintering
圖5 不同溫度氧化后SiC質(zhì)量和SiO2厚度的增加量Fig.5 Increments of SiC mass and SiO2thickness after oxidiging at different temperatures
由圖5可知,隨著氧化溫度的升高,SiC質(zhì)量和SiO2厚度均增加,且增加量越來(lái)越大。SiO2層厚的變化范圍為0.096~0.542 5μm,在1 000℃時(shí),SiC增厚d=0.383μm。
2.3 不同溫度下SiC氧化層對(duì)復(fù)合材料的影響
2.3.1 界面微觀結(jié)構(gòu)分析
氧化后的SiC與ZL109合金通過(guò)半固態(tài)—液態(tài)攪拌鑄造技術(shù)生成復(fù)合材料,其微觀結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 復(fù)合材料的截面微觀結(jié)構(gòu)Fig.6 Microstructure of composites section
界面反應(yīng)由Al基-SiC到Al基-SiO2-SiC,研究表明[15],SiO2層能夠減小Al與SiC潤(rùn)濕角,且Mg的添加能夠提高潤(rùn)濕性。合金界面發(fā)生一系列反應(yīng):4Al+3SiC=Al4C3+3Si,SiO2+2Mg=2MgO+Si,3SiO2+4Al=2Al2O3+3Si,2SiO2+Mg+2Al=MgAl2O4+2Si和2Mg+Si=Mg2Si,氧化后的SiC與合金反應(yīng)生成新相,對(duì)復(fù)合材料的性能有利。
圖7為SiC/ZL109復(fù)合材料在不同氧化溫度下SiC顆粒的微觀形貌??梢钥闯?,在800~1 000℃,界面反應(yīng)的程度逐漸增加,這對(duì)復(fù)合材料的性能有利。但在1 100℃下,SiC顆粒被分解成小塊,這是由于SiC氧化層太厚,導(dǎo)致內(nèi)部SiC與基體發(fā)生反應(yīng),SiC顆粒被分解,從而對(duì)材料的性能不利。進(jìn)一步對(duì)反應(yīng)層進(jìn)行線掃描,如圖8所示,從掃描結(jié)果可以看出,反應(yīng)層的C含量幾乎為零,說(shuō)明沒(méi)有脆性相Al4C3生成。點(diǎn)掃描結(jié)果如圖9所示,生成的新相有MgAl2O4,但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Al4C3相。圖10為SiC/ZL109復(fù)合材料的XRD分析結(jié)果。
2.3.2 物理性能及力學(xué)性能分析
(1)密度分析
根據(jù)阿基米德原理計(jì)算SiC/ZL109復(fù)合材料的密度和孔隙率,結(jié)果如圖11所示。由圖可見(jiàn),密度曲線先上升后下降,在1 000℃達(dá)到最大值;隨著氧化溫度的升高,SiC與基體的界面反應(yīng)層厚增加,界面的孔隙率減小,同時(shí)復(fù)合材料的密度也增加。但在1 100℃時(shí),密度下降,孔隙率增加,這是因?yàn)樵谠摐囟认耂iC顆粒被分解,產(chǎn)生空隙,顆粒的總表面積增大,吸附在顆粒表面的氣體量就越大,并且產(chǎn)生縮孔,導(dǎo)致密度下降,孔隙率增加。
(2)耐磨性分析
不同氧化溫度下SiC/ZL109復(fù)合材料的磨損率如圖12所示。隨著氧化溫度的升高,SiC氧化層厚度增加,且界面結(jié)合能高,阻礙SiC的脫落,減少磨粒磨損,因而磨損率逐漸下降。但在1 100℃下,SiC與基體的反應(yīng)劇烈,SiC大部分被分解。在摩擦磨損過(guò)程中,SiC顆粒容易脫落,形成磨粒磨損,不僅未起到顆粒增強(qiáng)作用,而且增大了磨損。
圖7 SiC/ZL109復(fù)合材料在不同溫度氧化后SiC顆粒的微觀形貌Fig.7 Micrographs of SiC particles in SiC/ZL109 composites after oxidiging at different temperatures
圖8 SiC/ZL109復(fù)合材料界面反應(yīng)層的線掃描結(jié)果Fig.8 Line scan results of interface reaction layer for SiC/ZL109 composites
圖9 SiC界面的點(diǎn)掃描結(jié)果Fig.9 Point scan results of the SiC interface
圖10 SiC/ZL109復(fù)合材料的XRD圖譜Fig.10 XRD patterns of SiC/ZL109 composites
圖11 氧化溫度對(duì)復(fù)合材料的密度和孔隙率的影響Fig.11 Effect of oxidation temperatures on the density and porosity of the composites
(1)SiC氧化溫度在800℃時(shí),SiC顆粒氧化層基本形成;在800℃以上,可形成完整的SiO2氧化膜。
圖12 氧化溫度對(duì)復(fù)合材料磨損率的影響Fig.12 Effectof oxidation temperatures on thewear rate of the composites
(2)在800~1 100℃,SiO2層厚的變化范圍在0.096~0.542 5μm,其中在1 000℃時(shí),SiC增厚d=0.383μm。
(3)在1 000℃氧化5 h得到的SiC/ZL109復(fù)合材料,在微觀結(jié)構(gòu)上,沒(méi)有脆性相Al4C3生成,并生成新相MgAl2O4,有利于界面結(jié)合。在物理性能上,其密度最大,孔隙率和磨損率最小。
[1]王華鈺,嚴(yán)彪,王宇鑫,等.噴射成形Al-Si系合金的研究進(jìn)展[J].上海金屬,2010,32(4):33-37.
[2]ZHANG Z H,WANG F C,LUO J,et al.Microstructures and mechanical propertiesof spark plasma sintered Al-SiC composites containing high volume fraction of SiC[J].Materials Science and Engineering A,2010,527(27-28):7235-7240.
[3]LEE JM,LEE S K,HONG S J,et al.Microstructures and thermal properties of A356/SiCp composites fabricated by liquid pressingmethod[J].Materials&Design,2012,37:313-316.
[4]HWU B K,LIN S J,JAHN MT.Effects of process parameters on the properties of squeeze-cast SiCp-6061 Al metal-matrix composite[J].Materials Science and Engineering A,1996,207(1):135-141.
[5]ZWEBEN C.Advanced composites for aerospace applications:a review of current status and future prospects[J].Composites,1981,12(4):235-240.
[6]QU X H,ZHANG L,WU M,et al.Review of metal matrix composites with high thermal conductivity for thermal management applications[J].Progress in Natural Science,2011,21(3):189-197.
[7]LEE H S,YEO JS,HONG SH,et al.The fabrication process and mechanical properties of SiCp/Al-Simetalmatrix composites for automobile air-conditioner compressor pistons[J].Journal of Materials Processing Technology,2001,113(1-3):202-208.
[8]吳潔君,王殿斌,桂滿昌,等.SiCp增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的鑄造缺陷分析[J].金屬學(xué)報(bào),1999,35(1):103-108.
[9]PECH-CANULMI,KATZR N,MAKHLOUFMM.The role of silicon in wetting and pressureless infiltration of SiCp/Al composites[J].Acta Mater,1998,46(5):1771-1780.
[10]LEE J C,BYUN J Y,PARK S B,et al.Prediction of Si contents to suppress the formation of Al4C3in the SiCp/Al composites[J].Acta Mater,1998,46(5):1771-1780.
[11]SANGGHALEH A,HALALIM.Effect ofmagnesium addition on the wetting of alumina by aluminium[J].Appl Surf Sci,2009,255(19):8202-8206.
[12]LUTHRA K L,PARK H D.Oxidation of silicon carbide reinforced oxidematrix composites at1 375℃to 1 575℃[J].J.Am.Ceram.Soc,1990,73(4):1014-1023.
[13]LEE JC,AHN JP,SHIMJH,et al.Control of the interface in SiCp/Al composites[J].Script Materialia,1999,41(8):895-900.
[14]URENA A,MARTINEZ E E,RODRIGO P,et al.Oxidation treatments for SiC particles used as reinforcement in aluminium matrix composites[J].Composites Science&Technology,2004,64(12):1843-1854.
[15]LAURENT V,CHATAIN D,EUSTATHOPOULOS N.Wettability of SiO2and oxidized SiC by aluminium[J].Materials Science and Engineering A,1991,135(1-2):89-94
收修改稿日期:2016-05-18
Effect of Sintering Tem peratures on the Microstructure and Properties of SiC Reinforced A lum inum Matrix Composites
Zhang Bo1Dan Wende2Wu Guangxin2
(1.Guiyang Industrial Technology Institute,Guiyang Industrial Technology Institute Co.,Ltd.,Guiyang Vocational and Technical College,Guiyang Guizhou 550081,China;2.State Key Laboratory of Advanced Special Steel&Shanghai Key Laboratory of Advanced Ferrometallurgy&School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai200072,China)
SiC/ZL109 composites were prepared by SiC particles oxidation at different temperatures of800,900,1 000,1 100℃for 5 h with stirring casting technology.Results indicated that at the temperature of800℃,the oxidation layer of SiC particleswas basically formed;and above 800℃,the SiC particleswas completely covered with the oxide layer.At the temperatures between 800℃and 1 100℃,the SiO2layer thickness ranged from 0.096 to 0.542 5μm,and at1 000℃,the SiC thickened to 0.383μm.When oxidation at 1 000℃for 5 h,the new phase MgAl2O4was formed at the interfaces of SiC/ZL109,no harmful brittle phase Al4C3existed,which was beneficial to the interface combination,and the density of the material was the highest,the porosity and wear rate were the least in this condition.
SiC/ZL109 composites,sintering temperature,stirring casting,microstructure,mechanical property
貴陽(yáng)國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)管理委員會(huì)科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(No.GXCX2015-017)
張波,男,博士,高級(jí)工程師,從事鋼鐵冶金方向研究,Email:598064993@qq.com
吳廣新,男,副教授,Email:gxwu@t.shu.edu.cn,電話:021-56337920