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(shí)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(gè)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(duì)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及日常生活對(duì)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(duì)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(gè)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(duì)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(duì)一直專注于研究計(jì)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(shí)的加壓時(shí)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(shí)間縮短，孔隙率逐漸降低，當(dāng)壓力為0.8 MPa，加壓時(shí)間為1 s時(shí)，復(fù)合材料制件內(nèi)部孔隙率為零；同時(shí)也基于達(dá)西公式，并利用直接差分法計(jì)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(shí)孔隙率為零。上述工藝針對(duì)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(duì)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(duì)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(huì)對(duì)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(shí)間對(duì)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(jì)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(dòng)力學(xué)過程，并通過試驗(yàn)測(cè)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(shí)，會(huì)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(shí)，金屬與纖維潤濕，浸滲可自動(dòng)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(dòng)時(shí)的粘滯阻力可由達(dá)西定律計(jì)算：

式中：μ為動(dòng)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(jì)算單位長度纖維受力，可利用動(dòng)量守恒定律導(dǎo)出描述金屬液充型過程中浸滲動(dòng)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(duì)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(shí)，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(shí)，熔體對(duì)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(dòng)時(shí)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(huì)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(dòng)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(dòng)特性可表示為：

式中：L為流動(dòng)長度；U為流動(dòng)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(dòng)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(duì)顆粒增強(qiáng)類復(fù)合材料流動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(duì)于壓力的響應(yīng)是不同的?；w合金對(duì)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(shí)，基體合金與復(fù)合材料在流動(dòng)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。基于該充型理論，曾建民等[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(dòng)速度是提高顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料熔體流動(dòng)性的唯一途徑。低壓鑄造過程中，熔體充型時(shí)的流動(dòng)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(shí)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(dòng)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(gè)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(shí)的金屬熔體流動(dòng)行為與無增強(qiáng)體的純金屬熔體流動(dòng)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(duì)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(duì)上述存在問題，未來可從以下兩個(gè)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(duì)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。