鄭小秋， 謝世坤， 易榮喜， 郭秀艷

（井岡山大學 機電工程學院，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銅基復合材料以來，人類開辟了金屬基復合材料的新時代。經(jīng)過近50余年的發(fā)展，金屬基復合材料已被廣泛應用于日常生活的各個領(lǐng)域[1-9]。金屬基復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，納米增強體等)的增強體添加或內(nèi)生到金屬基體中制成的新型材料，具有高比強度、高比剛度、尺寸穩(wěn)定、低膨脹、高導熱等優(yōu)異的性能[10-11]。這種材料具有可根據(jù)應用背景需求對材料進行設(shè)計的特點，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及日常生活對材料力學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度、低密度而獲得廣泛應用，尤其自19世紀70年代石油危機以來，汽車等交通工具的輕量化成為解決能源危機的重要手段。為進一步使鋁合金類材料應用于航空航天、汽車、鐵路運輸及軍工裝備等領(lǐng)域，鋁基復合材料成為輕合金類材料研究的重點[12]。早期對鋁基復合材料的研究主要集中于利用連續(xù)纖維作為增強體，而由于連續(xù)纖維增強的金屬基復合材料必須先制成復合絲或復合片等先驅(qū)體，工藝復雜且成本高。自20世紀80年代以來研究的重點逐漸轉(zhuǎn)向以顆粒為代表的顆粒、晶須、短纖維增強的非連續(xù)增強鋁基復合材料，這就使得利用傳統(tǒng)技術(shù)和設(shè)備進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)點得以充分發(fā)揮[9,13-16]。然而，到目前為止，鋁基復合材料仍存在制備工藝復雜、復合材料成本較高的弊端，限制了這種材料的應用。

目前，鋁基復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)下與固體增強物復合而制備成金屬基復合材料的工藝。液態(tài)法可較容易地制得性能良好的復合材料，相對于固態(tài)法具有工程消耗小，易于操作，可以實現(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。低壓鑄造技術(shù)是為解決傳統(tǒng)重力鑄造澆注系統(tǒng)中充型和補縮矛盾而開發(fā)并得以廣泛應用的反重力鑄造工藝[17-21]，將傳統(tǒng)的液態(tài)金屬復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)量的鋁基復合材料[22]。本文介紹了低壓鑄造法制備鋁基復合材料的發(fā)展現(xiàn)狀，著重討論了低壓鑄造法制備鋁基復合材料的充型基本理論及其在實踐中的應用。

1 低壓鑄造法制備鋁基復合材料的研究進展

傳統(tǒng)攪拌鑄造法制備顆粒增強金屬基復合材料是應用最廣泛的制備工藝，其主要難點在于難以獲得高體積分數(shù)的增強體。增強體的引入及其體積分數(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入金屬熔體會使隨后制得的金屬基復合材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的氣孔，而且如果增強體顆粒與金屬基體之間缺乏良好的潤濕性，又會導致增強體顆粒在基體中產(chǎn)生大量團聚的現(xiàn)象。采用高壓浸滲法制備金屬基復合材料，由于需要采用額外設(shè)備制備增強體預制體，使得最終獲得的金屬基復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)外眾多學者開展了大量研究，取得了許多進展。

1.1 國外低壓鑄造法制備鋁基復合材料研究現(xiàn)狀

Reilly等[18,23]研究團隊一直專注于研究計算機數(shù)值模擬技術(shù)在低壓鑄造鋁合金制件上的工業(yè)應用和開發(fā)。Park等[22,24-27]長期開展低壓鑄造鋁基復合材料的研究和應用開發(fā)，他們系統(tǒng)地研究了纖維增強鋁合金、多孔纖維增強鋁合金[28-29]等鋁基復合材料的低壓鑄造工藝，并深入探索了充型基本理論在實踐中的應用。例如，F(xiàn)eCrSif/A336復合材料活塞是以FeCrSi金屬纖維為增強體制成多孔預制體，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制體中制備成的鋁基復合材料。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鋁合金復合材料活塞實物照片[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，當壓力為0.8 MPa，加壓時間為1 s時，復合材料制件內(nèi)部孔隙率為零；同時也基于達西公式，并利用直接差分法計算了充型過程中纖維預制體中金屬液充型壓力的分布規(guī)律(如圖4所示)。圖5為預制體內(nèi)壓力分布與預制體內(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)進行了系統(tǒng)優(yōu)化，然而對纖維預制體的性能特征、預制體在模具型腔內(nèi)的位置和預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制體產(chǎn)生非常大的影響，而增強體直接決定復合材料的性能。

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型碳纖維為增強體，利用低壓鑄造技術(shù)制備了碳纖維增強鋁基(Cf/Al)復合材料，通過理論計算及試驗，分析了液態(tài)金屬低壓鑄造條件下浸滲靜力學和動力學過程，并通過試驗測定了滲透系數(shù)，討論了Cf/Al浸滲復合過程和Cf/Al復合材料性能。實際制備過程中，液態(tài)金屬在浸滲多孔形態(tài)的纖維預制件時，會受到毛細壓力、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壓力和粘滯阻力作用的影響。研究人員從靜力學角度分析，利用Laplace方程可以確定均勻分布纖維預制件中的毛細壓力：

圖4 預制體中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為纖維體積分數(shù)；σLV為液體表面張力；θ為潤濕角。

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

式中：μ為動力學粘度；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出描述金屬液充型過程中浸滲動力學過程的微分方程，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)為體積分數(shù)的函數(shù)。

圖5 孔隙率與預制體內(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)與復合材料中預制件纖維分布、形態(tài)均有關(guān)系，滲透系數(shù)隨纖維體積分數(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]進一步通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，金屬熔體對纖維預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，又因為熔體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，使金屬與纖維束復合良好。當潤濕角θ＞90°時，熔體對纖維浸滲以非均勻方式進行，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，導致纖維與金屬基體復合質(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阻力就會很快充滿纖維束內(nèi)間隙。試驗證明用0.7 MPa的壓力就可保證Cf/Al的良好復合。可見，浸潤并不是低壓力下制備復合材料的必要條件，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)量復合材料，用非均勻浸滲技術(shù)制備出高強度的Cf/Al復合材料。

曾建民等[31-32]系統(tǒng)地研究了低壓鑄造技術(shù)制備顆粒增強鋁基復合材料的充型流體動力學基本原理。根據(jù)流體力學和傳熱學原理，復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為固相體積分數(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，對顆粒增強類復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。由于顆粒增強復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的觀點來看，基體合金與復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是不同的?；w合金對于壓力變化的響應要比復合材料敏感得多。這主要是由于復合材料熔體具有更大的粘滯阻力。在低壓充型時，基體合金與復合材料在流動形態(tài)方面有很大差別，復合材料具有更強的順序充填傾向，因此可用快速充型工藝制備顆粒增強鋁基復合材料鑄件。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顆粒增強鋁合金復合材料，采用浮游攪拌技術(shù)制備，SiC粉末粒徑為10 μm，加入量為15%(體積分數(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，進行除氣后，將經(jīng)預熱的潔凈SiC粉末引入熔體并進行攪拌。制備好的材料分別在重力和低壓鑄造條件下澆入經(jīng)預熱的金屬型腔內(nèi)，獲得具有一定力學性能的試棒。比較兩種加工條件下制備的復合材料的力學性能，發(fā)現(xiàn)，采用低壓鑄造技術(shù)制備的試棒的抗拉強度提高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復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[31]的研究結(jié)果，根據(jù)復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復合材料，并成功運用SiC體積分數(shù)為15%的SiCp/A357鋁基復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合材料的研究進展可知，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)的復合材料制備工藝相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)大型復雜構(gòu)件的近凈成型。

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

(1) 首先，低壓鑄造技術(shù)制備鋁基復合材料的相關(guān)基礎(chǔ)理論還需要進一步深入研究，尤其是含有增強體時的金屬熔體流動行為與無增強體的純金屬熔體流動行為有顯著不同。

(2) 其次，工藝和設(shè)備還需要在實踐中不斷完善。

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

針對上述存在問題，未來可從以下兩個方面進行探索和研究。

(1)需深入研究并建立與實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影響因素交互作用機理上系統(tǒng)研究，解決數(shù)值模擬結(jié)果與實際充型過程不吻合的問題。進一步可拓展至多孔復合材料成型工藝，構(gòu)建基于多孔鋁復合材料的理論模型。

(2) 開發(fā)出適宜于低壓鑄造的增強體-金屬基體復合材料體系，并對復合材料的微觀組織演化過程及機理進行深入系統(tǒng)地研究。目前，低壓鑄造工藝制備金屬基復合材料集中于傳統(tǒng)的纖維及顆粒增強鋁基復合材料，應進一步研發(fā)出更多金屬基復合材料體系，以適應工業(yè)應用的需求，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用范圍。