張博文 ，王揚(yáng)衛(wèi) ,2，朱靜波 ，范亞斌

(1． 北京理工大學(xué)材料學(xué)院，北京 100081；2． 沖擊環(huán)境材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引 言

金屬基復(fù)合材料(MMCs)由于其材料來源廣，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挘亲钤缱顝V泛應(yīng)用的復(fù)合材料之一。其中骨架增強(qiáng)型復(fù)合材料由于能夠克服顆粒增強(qiáng)及纖維增強(qiáng)的偏聚現(xiàn)象使復(fù)合材料更為均勻并保持各向同性，被廣泛地關(guān)注[1,2]，同時(shí)骨架增強(qiáng)型復(fù)合材料也使得更高的增強(qiáng)相含量成為可能，這給復(fù)合材料帶來更為優(yōu)越的物理性能[3]。在陶瓷增強(qiáng)金屬復(fù)合材料制備領(lǐng)域，擠壓鑄造技術(shù)作為一種新興的高效率近凈成型技術(shù)，因其成型壓力大、材料質(zhì)量高、復(fù)合速度快，具有重要應(yīng)用潛力[4-10]。

擠壓鑄造工藝制備金屬基復(fù)合材料需要在金屬熔體上加載較高壓力，會(huì)引起復(fù)合材料預(yù)制體的局部甚至整體破壞，導(dǎo)致所制復(fù)合材料的均勻程度下降，因此在擠壓鑄造過程中對(duì)預(yù)制體進(jìn)行合理保護(hù)是必要的，出于上述目的進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的輔助性模具即為輔助模具。在已經(jīng)進(jìn)行的擠壓鑄造工藝制備復(fù)合材料的研究中，研究人員使用多孔鋼管和圓形套筒等作為輔助模具使用，并取得了良好的保護(hù)效果[11-12]。目前針對(duì)這類輔助模具的設(shè)計(jì)研究尚未系統(tǒng)性地進(jìn)行，本文將針對(duì)間接擠壓鑄造工藝制備SiC3D/Al復(fù)合材料的輔助模具設(shè)計(jì)進(jìn)行研究及討論。

1 實(shí)驗(yàn)方法

使用江蘇三基公司的SCH-350型臥式間接擠壓鑄造設(shè)備進(jìn)行復(fù)合材料制備，預(yù)制體預(yù)熱溫度為700 ℃，模具預(yù)熱溫度為200 ℃，鋁液溫度為750 ℃，壓射壓力為100 MPa，壓射速度為1米每秒。選用自制預(yù)制體陶瓷骨架，形狀為正方形板狀，陶瓷體積分?jǐn)?shù)＞ 85vol%，壓縮強(qiáng)度300 MPa。輔助模具制備材料均為A3鋼。

設(shè)計(jì)四種不同形式的輔助模具面板，其設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。通過阿基米德排水法測(cè)量復(fù)合材料密度并與理論值對(duì)比計(jì)算得到復(fù)合材料致密度，從而得到輔助模具面板設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)合材料致密度的影響規(guī)律。通過對(duì)I型面板和II型面板進(jìn)行分析可以得到面板開孔孔徑對(duì)復(fù)合材料致密度的影響規(guī)律，對(duì)I型面板、III型面板和IV型面板進(jìn)行分析可以得到不同開孔方式對(duì)復(fù)合材料致密度的影響規(guī)律。

設(shè)計(jì)了三種不同形式輔助模具面板與背板之間連接方式，研究輔助模具面板與背板之間連接強(qiáng)度對(duì)浸滲過程中輔助模具開裂現(xiàn)象的影響規(guī)律。三種連接方式分別為螺釘連接，焊接連接和整體制備：螺釘連接制備輔助模具的成本最低，制造方式最為靈活；焊接輔助模具加工成本中等，加工靈活性較高，可以制備成多種復(fù)雜形狀；整體輔助模具成本最高，且只能制備簡單形狀。

2 結(jié)果與討論

四種面板形式的輔助模具所制備的復(fù)合材料致密度如表1所示。結(jié)果表明當(dāng)面板開孔面積比達(dá)到20%以上時(shí)，面板開孔方式對(duì)復(fù)合材料的致密度影響不顯著，多種開孔方式下復(fù)合材料致密度均可以達(dá)到95%以上；面板開孔孔徑對(duì)復(fù)合材料的致密度影響顯著，使用面板孔徑在12 mm以上的輔助模具制備的復(fù)合材料致密度均在95%以上，使用面板孔徑為1 mm輔助模具制備的復(fù)合材料致密度則下降到75%以下。

對(duì)于面板開孔方式對(duì)所制備復(fù)合材料致密度影響規(guī)律，本文認(rèn)為由于輔助模具的熱膨脹系數(shù)大于預(yù)制體的熱膨脹系數(shù)，這使得常溫下緊密配合的輔助模具與預(yù)制體之間在高溫下形成了一定的狹縫，可以在熔體充型過程中容納部分熔體，使擠壓鑄造加壓的過程中熔體與預(yù)制體得以充分接觸，保證了壓力的充分傳遞，因此面板開孔方式對(duì)復(fù)合材料影響不顯著。

圖1 輔助模具及面板開孔特征Fig.1 assistive moulds and face plates

表1 不同面板的輔助模具制備復(fù)合材料致密度Tab.1 Density of composites prepared by assistive moulds with different faceplates

表2 不同連接方式的輔助模具制備復(fù)合材料結(jié)果Tab.2 Results of composites preparated by using assistive moulds joined in different ways

圖2 輔助模具失效示意圖Fig.2 The failures of assistive moulds

對(duì)面板開孔孔徑對(duì)所制備復(fù)合材料致密度的影響規(guī)律進(jìn)行分析，認(rèn)為面板開孔直徑為12 mm時(shí)，根據(jù)圓管的壓力損失公式其對(duì)高溫熔體造成較大的壓力損失較小，最終熔體施加在預(yù)制體上的壓力滿足浸滲條件，可以達(dá)到均勻致密的結(jié)果；而II號(hào)面板的孔徑約為1 mm，造成的壓力損失遠(yuǎn)大于其余面板，使制備的復(fù)合材料致密度下降。

三種連接方式的輔助模具制備結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用整體輔助模具和焊接輔助模具所制備出的復(fù)合材料都能保持很好的完整性，而使用螺釘連接的輔助模具制備則會(huì)發(fā)生開裂，并導(dǎo)致其保護(hù)的復(fù)合材料也發(fā)生相應(yīng)開裂。

通過分析連接方式對(duì)所制備復(fù)合材料制備結(jié)果的影響規(guī)律，本文建立了輔助模具厚度方向臨界強(qiáng)度計(jì)算方法，其計(jì)算方法如下：鋁合金的熱膨脹系數(shù)約為23．5×10-6K-1，碳鋼的熱膨脹系數(shù)約為12．1×10-6K-1，因此從同樣溫度降溫，鋁合金的收縮量是碳鋼的一倍。而從鋁合金相凝固溫度873 K開始凝固到室溫298 K進(jìn)行定性計(jì)算，大致尺寸為90 mm×90 mm × 30 mm的鋁合金內(nèi)澆口的收縮量將達(dá)到1．2 mm，說明內(nèi)澆口和輔助模具之間有0．6 mm的收縮差值?？紤]到碳鋼對(duì)給鋁合金提供一定的變形抗力，A3鋼彈性模量為205．8 GPa，A356鋁合金彈性模量為72．4 GPa，收縮差值依靠鋼的彈性壓縮和鋁合金的彈性拉伸平衡，而兩相的變形量應(yīng)與彈性模量和截面積乘積成反比，計(jì)算得鋁合金相需變形0．19 mm，A3鋼則需要變形0．41 mm。這一變形量下，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度為937．5 MPa，A3鋼在這一應(yīng)力條件下已經(jīng)屈服，在近似計(jì)算中使用其拉伸強(qiáng)度500 MPa進(jìn)行計(jì)算。500 MPa應(yīng)力在5 mm×90 mm截面積上對(duì)應(yīng)的收縮力值為225 KN，基于背板未變形的假設(shè)，輔助模具圍板會(huì)和面板產(chǎn)生角度變化，即圖2中所示θ角。依據(jù)此角可以計(jì)算出為了維持輔助模具的整體性，其連接位置需提供的拉伸力，F(xiàn)開裂=F收縮tanθ約為4．82 KN。

通過上述計(jì)算，可知螺釘連接的輔助模具強(qiáng)度不夠，不足以抵抗內(nèi)澆口內(nèi)的熔體在凝固及后續(xù)冷卻過程中因收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，導(dǎo)致輔助模具變形開裂，而輔助模具和熔體與復(fù)合材料的較好結(jié)合使裂紋傳遞到了復(fù)合材料進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料的斷裂。整體輔助模具和焊接輔助模具的強(qiáng)度都能滿足制備要求，而焊接輔助模具的制作成本較低。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)開孔面積比大于20%時(shí)，擠壓鑄造用輔助模具面板布孔形式對(duì)浸滲致密度影響不顯著；無論是面板中心位置開孔、四周位置開孔還是全位置均布開孔，其浸滲致密度均在95%以上；

(2)擠壓鑄造用輔助模具面板開孔孔徑增大減小了熔體浸滲過程中沿程壓力損失，從而提高熔體充型能力。當(dāng)開孔面積比大于20%時(shí),開孔孔徑大于12 mm時(shí)復(fù)合材料浸滲率均在95%以上；

(3)擠壓鑄造工藝制備復(fù)合材料時(shí)，輔助模具的面/背板之間連接強(qiáng)度對(duì)其保護(hù)預(yù)制體的能力影響顯著。