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        低壓鑄造法制備鋁基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀

        2018-11-20 07:24:10鄭小秋謝世坤易榮喜郭秀艷
        有色金屬材料與工程 2018年5期
        關(guān)鍵詞:充型熔體基體

        鄭小秋, 謝世坤, 易榮喜, 郭秀艷

        (井岡山大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江西 吉安 343009)

        自1963年美國國家航天局(NASA)成功制備了鎢絲增強(qiáng)銅基復(fù)合材料以來,人類開辟了金屬基復(fù)合材料的新時代。經(jīng)過近50余年的發(fā)展,金屬基復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于日常生活的各個領(lǐng)域[1-9]。金屬基復(fù)合材料是利用人工加工、合成的方法,將不同尺寸、不同形態(tài)(纖維,晶須,顆粒,納米增強(qiáng)體等)的增強(qiáng)體添加或內(nèi)生到金屬基體中制成的新型材料,具有高比強(qiáng)度、高比剛度、尺寸穩(wěn)定、低膨脹、高導(dǎo)熱等優(yōu)異的性能[10-11]。這種材料具有可根據(jù)應(yīng)用背景需求對材料進(jìn)行設(shè)計的特點(diǎn),能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及日常生活對材料力學(xué)性能及功能一體化的要求[1]。鋁及鋁合金制品因具有高比強(qiáng)度、低密度而獲得廣泛應(yīng)用,尤其自19世紀(jì)70年代石油危機(jī)以來,汽車等交通工具的輕量化成為解決能源危機(jī)的重要手段。為進(jìn)一步使鋁合金類材料應(yīng)用于航空航天、汽車、鐵路運(yùn)輸及軍工裝備等領(lǐng)域,鋁基復(fù)合材料成為輕合金類材料研究的重點(diǎn)[12]。早期對鋁基復(fù)合材料的研究主要集中于利用連續(xù)纖維作為增強(qiáng)體,而由于連續(xù)纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料必須先制成復(fù)合絲或復(fù)合片等先驅(qū)體,工藝復(fù)雜且成本高。自20世紀(jì)80年代以來研究的重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向以顆粒為代表的顆粒、晶須、短纖維增強(qiáng)的非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,這就使得利用傳統(tǒng)技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行制備與二次加工的材料各向同性、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮[9,13-16]。然而,到目前為止,鋁基復(fù)合材料仍存在制備工藝復(fù)雜、復(fù)合材料成本較高的弊端,限制了這種材料的應(yīng)用。

        目前,鋁基復(fù)合材料制備方法主要分為固態(tài)法和液態(tài)法兩種[10-11]。固態(tài)法是鋁基體和增強(qiáng)體在整個制備過程中都處于固體狀態(tài)的工藝,典型的工藝有粉末冶金法、熱壓法等。固態(tài)法生產(chǎn)工藝復(fù)雜,產(chǎn)品形狀受限制,生產(chǎn)成本高。液態(tài)法是鋁基體處于熔融狀態(tài)下與固體增強(qiáng)物復(fù)合而制備成金屬基復(fù)合材料的工藝。液態(tài)法可較容易地制得性能良好的復(fù)合材料,相對于固態(tài)法具有工程消耗小,易于操作,可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和零件形狀不受限制等優(yōu)點(diǎn)。低壓鑄造技術(shù)是為解決傳統(tǒng)重力鑄造澆注系統(tǒng)中充型和補(bǔ)縮矛盾而開發(fā)并得以廣泛應(yīng)用的反重力鑄造工藝[17-21],將傳統(tǒng)的液態(tài)金屬復(fù)合材料制備工藝與低壓鑄造技術(shù)相結(jié)合,可制備出高質(zhì)量的鋁基復(fù)合材料[22]。本文介紹了低壓鑄造法制備鋁基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀,著重討論了低壓鑄造法制備鋁基復(fù)合材料的充型基本理論及其在實(shí)踐中的應(yīng)用。

        1 低壓鑄造法制備鋁基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

        傳統(tǒng)攪拌鑄造法制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料是應(yīng)用最廣泛的制備工藝,其主要難點(diǎn)在于難以獲得高體積分?jǐn)?shù)的增強(qiáng)體。增強(qiáng)體的引入及其體積分?jǐn)?shù)的增加會造成合金液熔體黏度的增大,而使成型困難。因攪拌作用而帶入大量的氣體進(jìn)入金屬熔體會使隨后制得的金屬基復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的氣孔,而且如果增強(qiáng)體顆粒與金屬基體之間缺乏良好的潤濕性,又會導(dǎo)致增強(qiáng)體顆粒在基體中產(chǎn)生大量團(tuán)聚的現(xiàn)象。采用高壓浸滲法制備金屬基復(fù)合材料,由于需要采用額外設(shè)備制備增強(qiáng)體預(yù)制體,使得最終獲得的金屬基復(fù)合材料制件成本高昂;且浸滲過程中通常需要施加150 MPa左右的高壓,會使得熔體產(chǎn)生更大的沖擊、飛濺和紊流,嚴(yán)重影響鑄件的質(zhì)量[10-14]。為解決上述不足,低壓鑄造工藝成為一種比較適宜的制備工藝,為此,國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了大量研究,取得了許多進(jìn)展。

        1.1 國外低壓鑄造法制備鋁基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

        Reilly等[18,23]研究團(tuán)隊一直專注于研究計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)在低壓鑄造鋁合金制件上的工業(yè)應(yīng)用和開發(fā)。Park等[22,24-27]長期開展低壓鑄造鋁基復(fù)合材料的研究和應(yīng)用開發(fā),他們系統(tǒng)地研究了纖維增強(qiáng)鋁合金、多孔纖維增強(qiáng)鋁合金[28-29]等鋁基復(fù)合材料的低壓鑄造工藝,并深入探索了充型基本理論在實(shí)踐中的應(yīng)用。例如,F(xiàn)eCrSif/A336復(fù)合材料活塞是以FeCrSi金屬纖維為增強(qiáng)體制成多孔預(yù)制體,以A336鋁合金作為基體金屬,采用低壓鑄造的方法將熔融鋁合金液滲入多孔預(yù)制體中制備成的鋁基復(fù)合材料。圖1(a)為Matsugi等[26]使用的低壓鑄造設(shè)備示意圖,圖1(b)為低壓鑄造工藝參數(shù)曲線示意圖。圖2為采用優(yōu)化工藝參數(shù)制備得到的活塞實(shí)物照片[25]。

        圖1 低壓鑄造設(shè)備示意圖[26]Fig.1 Schematic drawings of low-pressure casting devices[26]

        圖2 低壓鑄造FeCrSif/A336.0鋁合金復(fù)合材料活塞實(shí)物照片[25]Fig.2 FeCrSif/A336.0 aluminum alloy composite piston prepared by low-pressure casting[25]

        為探尋低壓鑄造工藝充型基本規(guī)律,Choi等[24]研究了充型時的加壓時間以及壓力大小與復(fù)合材料制件內(nèi)部孔隙率之間的相互關(guān)系(如圖3所示),確定了最佳低壓鑄造充型工藝參數(shù),并分析了金屬液在多孔預(yù)制體中的滲流行為。結(jié)果表明,隨著壓力的增大,加壓時間縮短,孔隙率逐漸降低,當(dāng)壓力為0.8 MPa,加壓時間為1 s時,復(fù)合材料制件內(nèi)部孔隙率為零;同時也基于達(dá)西公式,并利用直接差分法計算了充型過程中纖維預(yù)制體中金屬液充型壓力的分布規(guī)律(如圖4所示)。圖5為預(yù)制體內(nèi)壓力分布與預(yù)制體內(nèi)部孔隙率的關(guān)系曲線,可以看出,隨著充型壓力的增大,孔隙率逐漸降低,且在0.8 MPa時孔隙率為零。上述工藝針對低壓鑄造成型過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化,然而對纖維預(yù)制體的性能特征、預(yù)制體在模具型腔內(nèi)的位置和預(yù)制體在成型過程中對最終鑄件的性能影響并未考慮。低壓鑄造充型過程中的氣液兩相流會對預(yù)制體產(chǎn)生非常大的影響,而增強(qiáng)體直接決定復(fù)合材料的性能。

        圖3 充型壓力和時間對低壓鑄件孔隙率的影響[24]Fig.3 Influences of applied pressure and time on porosity of low-pressure castings[24]

        1.2 國內(nèi)低壓鑄造法制備鋁基復(fù)合材料基礎(chǔ)理論及制備工藝研究現(xiàn)狀

        夏振海等[30]以A356鋁合金作為金屬基體,以PANⅠ型碳纖維為增強(qiáng)體,利用低壓鑄造技術(shù)制備了碳纖維增強(qiáng)鋁基(Cf/Al)復(fù)合材料,通過理論計算及試驗(yàn),分析了液態(tài)金屬低壓鑄造條件下浸滲靜力學(xué)和動力學(xué)過程,并通過試驗(yàn)測定了滲透系數(shù),討論了Cf/Al浸滲復(fù)合過程和Cf/Al復(fù)合材料性能。實(shí)際制備過程中,液態(tài)金屬在浸滲多孔形態(tài)的纖維預(yù)制件時,會受到毛細(xì)壓力、粘滯阻力、空氣阻力、重力和端部阻力作用的影響。忽略空氣阻力、重力和端部阻力,金屬熔液的充型過程主要受到毛細(xì)壓力和粘滯阻力作用的影響。研究人員從靜力學(xué)角度分析,利用Laplace方程可以確定均勻分布纖維預(yù)制件中的毛細(xì)壓力:

        圖4 預(yù)制體中Y-Z橫截面上金屬熔體在0.4 MPa作用下的壓力分布示意圖[24]Fig. 4 Schematic diagram for the pressure distribution of molten metal under 0.4MPa in Y-Z cross section of precast[24]

        式中:df為纖維直徑;Vf為纖維體積分?jǐn)?shù);σLV為液體表面張力;θ為潤濕角。

        據(jù)式(1)可知,當(dāng)θ<90°時,金屬與纖維潤濕,浸滲可自動進(jìn)行;若θ>90°,毛細(xì)壓力阻礙浸滲,必須外加壓力才能保證金屬液的浸滲。而金屬液在預(yù)制件中以層流模型流動時的粘滯阻力可由達(dá)西定律計算:

        式中:μ為動力學(xué)粘度;u為纖維間平均流速;K為滲透系數(shù)。

        以Iberall粘性拖拽理論計算單位長度纖維受力,可利用動量守恒定律導(dǎo)出描述金屬液充型過程中浸滲動力學(xué)過程的微分方程,浸滲過程中滲透系數(shù)K可表示為:

        式中:F(s)為纖維排列形狀函數(shù);F(Vf)為體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。

        圖5 孔隙率與預(yù)制體內(nèi)部壓力之間關(guān)系[24]Fig. 5 Relationship between porosity and internal pressure of precast body[24]

        由式(3)分析可知,滲透系數(shù)與復(fù)合材料中預(yù)制件纖維分布、形態(tài)均有關(guān)系,滲透系數(shù)隨纖維體積分?jǐn)?shù)的增大而減小,而纖維直徑越大,滲透系數(shù)越大。夏振海等[30]進(jìn)一步通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),金屬熔體對纖維預(yù)制件的浸滲方式有均勻浸滲和非均勻浸滲兩種,兩種方式均與纖維分布狀態(tài)和潤濕狀況有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明,潤濕角θ<90°時,熔體屬非均勻浸滲,纖維間隙的浸滲由于粘滯阻力小而超前于纖維束內(nèi)的浸滲,又因?yàn)槿垠w潤濕纖維使得超前浸滲熔液能夠有效均勻地橫向浸滲纖維束,使金屬與纖維束復(fù)合良好。當(dāng)潤濕角θ>90°時,熔體對纖維浸滲以非均勻方式進(jìn)行,由于纖維束內(nèi)部與纖維束之間浸滲阻力的巨大差異,使得金屬液在纖維束之間流動時不但不向纖維束內(nèi)浸滲,反而從四周擠壓纖維束,使纖維束間隙更小或趨于零。此種情況下,纖維束內(nèi)無法浸滲金屬液,導(dǎo)致纖維與金屬基體復(fù)合質(zhì)量非常差,束內(nèi)出現(xiàn)孔洞。但是,若束內(nèi)纖維通過CVD沉積SiC來固定,則熔體一旦克服毛細(xì)阻力就會很快充滿纖維束內(nèi)間隙。試驗(yàn)證明用0.7 MPa的壓力就可保證Cf/Al的良好復(fù)合。可見,浸潤并不是低壓力下制備復(fù)合材料的必要條件,通過控制纖維分布狀態(tài),使纖維成束分布,在不潤濕的情況下,也可以在低壓力下(0.7 MPa)制備高質(zhì)量復(fù)合材料,用非均勻浸滲技術(shù)制備出高強(qiáng)度的Cf/Al復(fù)合材料。

        曾建民等[31-32]系統(tǒng)地研究了低壓鑄造技術(shù)制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的充型流體動力學(xué)基本原理。根據(jù)流體力學(xué)和傳熱學(xué)原理,復(fù)合材料的流動特性可表示為:

        式中:L為流動長度;U為流動速度;R為鑄件的模數(shù);h為鑄件與鑄件之間的傳熱系數(shù);f為固相體積分?jǐn)?shù);ρ為材料的密度;為澆鑄溫度與鑄型溫度之差;為材料的零流動線溫度與鑄型溫度之差;c為材料的比熱;H為材料的凝固潛熱。

        式(4)表明,對顆粒增強(qiáng)類復(fù)合材料流動性的影響因素主要分為兩類:一類為過程參數(shù)(澆鑄溫度、鑄型溫度、充型速度等);另一類為復(fù)合材料的熱物理性質(zhì)(比熱、密度、凝固潛熱),而只有改變過程參數(shù)才能有效提高充型能力。由于顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料熔體具有比基體合金大得多的粘度,在重力條件下澆注,極易產(chǎn)生澆不足的缺陷。而利用壓力差作為充型驅(qū)動力,能很好地解決這類問題。研究證明,壓力差與充型速度可表示為:

        式中:ν為充型速度;ρ為復(fù)合材料的密度;g為重力加速度;t為時間;α為衰減因子;ω,φ為頻率和初相位;Δp(t)為壓力差;m為速度修正系數(shù);A為速度振幅。

        由式(5)可知,壓力差變化率是決定充型速度的關(guān)鍵因素,它決定著充型的平均速率和速度振幅。從宏觀過程流體動力學(xué)的觀點(diǎn)來看,基體合金與復(fù)合材料的差別在于它們的粘度,在不同的粘度條件下,速度對于壓力的響應(yīng)是不同的。基體合金對于壓力變化的響應(yīng)要比復(fù)合材料敏感得多。這主要是由于復(fù)合材料熔體具有更大的粘滯阻力。在低壓充型時,基體合金與復(fù)合材料在流動形態(tài)方面有很大差別,復(fù)合材料具有更強(qiáng)的順序充填傾向,因此可用快速充型工藝制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料鑄件?;谠摮湫屠碚摚竦萚31]利用低壓鑄造技術(shù)制備了SiC顆粒增強(qiáng)鋁合金復(fù)合材料,采用浮游攪拌技術(shù)制備,SiC粉末粒徑為10 μm,加入量為15%(體積分?jǐn)?shù)),基體材料為AlSi7Mg0.3(ZL101)。首先配置好基體合金,快速熔化并壓入鎂塊,進(jìn)行除氣后,將經(jīng)預(yù)熱的潔凈SiC粉末引入熔體并進(jìn)行攪拌。制備好的材料分別在重力和低壓鑄造條件下澆入經(jīng)預(yù)熱的金屬型腔內(nèi),獲得具有一定力學(xué)性能的試棒。比較兩種加工條件下制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn),采用低壓鑄造技術(shù)制備的試棒的抗拉強(qiáng)度提高6.5%,伸長率提高75%,而孔隙率降低60%。

        提高流動速度是提高顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料熔體流動性的唯一途徑。低壓鑄造過程中,熔體充型時的流動速度主要取決于加在金屬液面上的氣體壓力,而氣體壓力又受到鑄件的結(jié)構(gòu)和使用的鑄型種類的影響,因此正確合理地設(shè)置升液和充型壓力,充型速度,結(jié)晶壓力,保壓時間等參數(shù)是至關(guān)重要的。熊斌[33]基于文獻(xiàn)[31]的研究結(jié)果,根據(jù)復(fù)合材料熔體的流動特性公式,利用低壓鑄造技術(shù)成功制備了SiCp/A357復(fù)合材料,并成功運(yùn)用SiC體積分?jǐn)?shù)為15%的SiCp/A357鋁基復(fù)合材料制備了一個薄壁圓筒件(見圖6),鑄件表面質(zhì)量較好,沒有澆不足、冷隔等鑄造缺陷。

        圖6 薄壁圓筒成型件及其原料金相組織圖[33]Fig.6 Thin-walled casting cylinder and microstructure of the raw material[33]

        2 總 結(jié)

        通過綜述低壓鑄造方法制備鋁基復(fù)合材料的研究進(jìn)展可知,該工藝充型階段流體速度能有效控制,流體充型平穩(wěn),可保證得到優(yōu)質(zhì)鑄件。將其與傳統(tǒng)的復(fù)合材料制備工藝相結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件的近凈成型。

        根據(jù)上述相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),在科學(xué)研究和工程實(shí)踐中,低壓鑄造法制備鋁基復(fù)合材料存在以下主要問題。

        (1) 首先,低壓鑄造技術(shù)制備鋁基復(fù)合材料的相關(guān)基礎(chǔ)理論還需要進(jìn)一步深入研究,尤其是含有增強(qiáng)體時的金屬熔體流動行為與無增強(qiáng)體的純金屬熔體流動行為有顯著不同。

        (2) 其次,工藝和設(shè)備還需要在實(shí)踐中不斷完善。

        (3) 此外,增強(qiáng)體材料的選擇范圍需要拓展,并對相應(yīng)的復(fù)合材料成分、制備工藝、微觀組織和性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。

        針對上述存在問題,未來可從以下兩個方面進(jìn)行探索和研究。

        (1)需深入研究并建立與實(shí)際充型過程相吻合的金屬液流模型,并從充型過程中的各項(xiàng)影響因素交互作用機(jī)理上系統(tǒng)研究,解決數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際充型過程不吻合的問題。進(jìn)一步可拓展至多孔復(fù)合材料成型工藝,構(gòu)建基于多孔鋁復(fù)合材料的理論模型。

        (2) 開發(fā)出適宜于低壓鑄造的增強(qiáng)體-金屬基體復(fù)合材料體系,并對復(fù)合材料的微觀組織演化過程及機(jī)理進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究。目前,低壓鑄造工藝制備金屬基復(fù)合材料集中于傳統(tǒng)的纖維及顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料,應(yīng)進(jìn)一步研發(fā)出更多金屬基復(fù)合材料體系,以適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的需求,結(jié)合3D打印技術(shù)、半固態(tài)技術(shù)、噴射技術(shù)等工藝拓展低壓鑄造成型工藝的應(yīng)用范圍。

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