張 波但文德吳廣新
(1.貴陽產業(yè)技術研究院、貴陽產業(yè)技術研究院有限公司、貴陽職業(yè)技術學院,貴州貴陽550081;2.省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發(fā)應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院,上海200072)
燒結溫度對SiC增強鋁基復合材料組織和性能的影響
張 波1但文德2吳廣新2
(1.貴陽產業(yè)技術研究院、貴陽產業(yè)技術研究院有限公司、貴陽職業(yè)技術學院,貴州貴陽550081;2.省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室、上海市鋼鐵冶金新技術開發(fā)應用重點實驗室和上海大學材料科學與工程學院,上海200072)
SiC/ZL109復合材料中增強體SiC分別在不同的氧化溫度(800、900、1 000、1 100℃)下高溫氧化5 h,并通過攪拌鑄造法制備復合材料。結果表明,SiC氧化溫度在800℃時,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,SiC增厚0.383μm。在1 000℃氧化5 h條件下,SiC/ZL109復合材料的界面存在MgAl2O4相,但無脆性相Al4C3存在,這有利于界面結合,且此條件下材料的密度最大,孔隙率和磨損率最小。
SiC/ZL109復合材料 燒結溫度 攪拌鑄造法 組織 性能
從20世紀60年代出現(xiàn)金屬基復合材料以來,研究最多的是鋁基復合材料,尤其是顆粒增強鋁基復合材料。1979年,美國政府下令對鋁金屬基復合材料的技術進行封鎖,至今尚未開禁,可見其對該材料研究重要戰(zhàn)略意義的高度重視。
國內研究發(fā)現(xiàn),金屬基復合材料MMCs(Metal Matrix Composites)既有金屬的塑性、韌性,又有陶瓷的高強度、高耐磨性;其中顆粒增強的金屬基復合材料,尤其是碳化硅顆粒增強的鋁基復合材料(SiCp/ZL109),具有增強體和基體成本低、微觀結構均勻、材料性能各向同性、制造成本低、可大規(guī)模生產、并可借用傳統(tǒng)的工藝進行加工等諸多優(yōu)點,而成為MMCs發(fā)展的主要方向之一[1-4]。因此目前對于SiC顆粒增強鋁基復合材料的研究較多[5-7]。
研究表明,SiC顆粒與Al的接觸角θ=118o(>90o)[8],兩者之間的潤濕性很差。并且SiC顆粒具有自發(fā)團聚的傾向,從而造成顆粒與基體之間結合困難。高溫下,SiC與Al發(fā)生反應:4Al(l)+3SiC(s)=Al4C3(s)+3Si(s),生成的Al4C3是易分解的脆性相,影響復合材料的力學性能和熱性能。為了改善Al與SiC的潤濕性,同時減少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[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濕性,如Mg主要可以提高增強物表面能量、減少液態(tài)合金基體的表面張力和減少增強體與基體界面的固/液界面能量,因而是一種很好的潤濕劑[11];(3)顆粒表面處理,例如表面氧化、PVD、CVD等。近幾年來,大量研究集中在SiC表面氧化和復合材料的微觀結構特性上。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,提高潤濕性。但很少有人注意到SiC氧化層對試驗結果的影響,不同的氧化溫度就有不同的氧化層厚度,這對復合材料的力學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溫度下,SiC形貌的變化以及SiCp/ZL109復合材料物理性能的變化。
試驗原料為綠碳化硅(純度98.5%,38μm)、ZL109(華中鋁業(yè))。對SiC顆粒進行超聲波清洗(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,獲得預處理的SiC顆粒,并稱重計算SiC顆粒的氧化層厚度。將ZL109鋁合金放入箱式電阻爐內于780℃加熱熔化(坩堝及器皿涂層保護),隨后加0.8%六氯乙烷精煉除氣、除渣并通入氬氣保護。降低溫度至半固態(tài),安裝攪拌設備如圖1所示。邊攪拌邊添加預處理的SiC顆粒,添加比例為ZL109鋁合金質量的10%,SiC顆粒添加前需預熱至300℃。待SiC完全進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,然后保溫一段時間后進行澆鑄,得到復合材料。最后,對復合材料進行微觀結構分析和物理性能分析。
圖1 攪拌設備示意圖Fig.1 Sketch of themixing equipment
2.1 SiC氧化分析
不同燒結溫度下,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,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點的SiO2,未完全覆蓋表面。故氧化溫度應選擇在800℃以上。圖3是SiC氧化層的XRD分析結果。
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,然后計算重量,再根據(jù)反應方程式(1)和(2)計算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
由反應方程式可知,1 mol SiC轉變?yōu)? mol SiO2,質量增加了20 g。若SiC質量為W1,反應得到的SiO2質量為W2,則可以得出W2=1.5W1,且增加的質量△W=W2-W1,將W1及W2分別用△W表示:W1=2△W,W2=3△W。
由文獻得到,ρSiC=3.16×103kg/m3,ρα-SiO2=3.515×103kg/m3。
假設每粒SiC都是球形如圖4所示,氧化前的質量是W,半徑為R1,氧化后的質量增加△W,氧化后表面生成SiO2后的半徑為R2。
SiO2的體積分數(shù):
半徑與質量的關系:
SiO2的厚度d為R2-R1,則根據(jù)以上公式得到:
通過上述公式,計算結果如圖5所示。
圖4 SiC顆粒燒結前后的半徑示意圖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質量和SiO2厚度均增加,且增加量越來越大。SiO2層厚的變化范圍為0.096~0.542 5μm,在1 000℃時,SiC增厚d=0.383μm。
2.3 不同溫度下SiC氧化層對復合材料的影響
2.3.1 界面微觀結構分析
氧化后的SiC與ZL109合金通過半固態(tài)—液態(tài)攪拌鑄造技術生成復合材料,其微觀結構如圖6所示。
圖6 復合材料的截面微觀結構Fig.6 Microstructure of composites section
界面反應由Al基-SiC到Al基-SiO2-SiC,研究表明[15],SiO2層能夠減小Al與SiC潤濕角,且Mg的添加能夠提高潤濕性。合金界面發(fā)生一系列反應: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與合金反應生成新相,對復合材料的性能有利。
圖7為SiC/ZL109復合材料在不同氧化溫度下SiC顆粒的微觀形貌??梢钥闯觯?00~1 000℃,界面反應的程度逐漸增加,這對復合材料的性能有利。但在1 100℃下,SiC顆粒被分解成小塊,這是由于SiC氧化層太厚,導致內部SiC與基體發(fā)生反應,SiC顆粒被分解,從而對材料的性能不利。進一步對反應層進行線掃描,如圖8所示,從掃描結果可以看出,反應層的C含量幾乎為零,說明沒有脆性相Al4C3生成。點掃描結果如圖9所示,生成的新相有MgAl2O4,但沒有發(fā)現(xiàn)Al4C3相。圖10為SiC/ZL109復合材料的XRD分析結果。
2.3.2 物理性能及力學性能分析
(1)密度分析
根據(jù)阿基米德原理計算SiC/ZL109復合材料的密度和孔隙率,結果如圖11所示。由圖可見,密度曲線先上升后下降,在1 000℃達到最大值;隨著氧化溫度的升高,SiC與基體的界面反應層厚增加,界面的孔隙率減小,同時復合材料的密度也增加。但在1 100℃時,密度下降,孔隙率增加,這是因為在該溫度下SiC顆粒被分解,產生空隙,顆粒的總表面積增大,吸附在顆粒表面的氣體量就越大,并且產生縮孔,導致密度下降,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與基體的反應劇烈,SiC大部分被分解。在摩擦磨損過程中,SiC顆粒容易脫落,形成磨粒磨損,不僅未起到顆粒增強作用,而且增大了磨損。
圖7 SiC/ZL109復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復合材料界面反應層的線掃描結果Fig.8 Line scan results of interface reaction layer for SiC/ZL109 composites
圖9 SiC界面的點掃描結果Fig.9 Point scan results of the SiC interface
圖10 SiC/ZL109復合材料的XRD圖譜Fig.10 XRD patterns of SiC/ZL109 composites
圖11 氧化溫度對復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,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 氧化溫度對復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,SiC增厚d=0.383μm。
(3)在1 000℃氧化5 h得到的SiC/ZL109復合材料,在微觀結構上,沒有脆性相Al4C3生成,并生成新相MgAl2O4,有利于界面結合。在物理性能上,其密度最大,孔隙率和磨損率最小。
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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
貴陽國家高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)管理委員會科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新項目(No.GXCX2015-017)
張波,男,博士,高級工程師,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