盧健，吳卿永，張鷺，楊天

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

1 前言

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料使用了SiCp陶瓷增強(qiáng)體，使其在具具備鋁合金塑性特性的同時(shí)，也具有了高剛度、高耐磨性的特點(diǎn)，通常具有高的比強(qiáng)度比剛度高，以及導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)低的特性[1]。這使得鋁基復(fù)合材料在航空航天工業(yè)中有著更廣闊的應(yīng)用前景。例如ARCO化學(xué)公司所屬的先進(jìn)復(fù)合材料分公司ACMC生產(chǎn)的2024/(30～35%)SiCp復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到800MPa、屈服強(qiáng)度達(dá)到690MPa、彈性模量則大于150GPa，其性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于基體鋁合金，并且復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)較低，可替代鋁合金、鈦合金等制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。如液壓制動(dòng)氣缸體、直升機(jī)起落架、翼前緣加強(qiáng)筋以及大型弦形梁等。

現(xiàn)階段，制備SiCp顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料主要有兩種方法：熔鑄法和噴射沉積法。但兩種方法各有優(yōu)點(diǎn)：熔鑄法制備2024/SiCp復(fù)合材料可以使用傳統(tǒng)的熔煉鑄造設(shè)備，具有成本較低，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，但另外與增強(qiáng)體與基體之間存在相容性也是熔鑄法必須解決的問題；噴射沉積工藝制備鋁基復(fù)合材料坯料雖然設(shè)備成本高，但由于綜合了粉末冶金與快速凝固技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)制粉及材料復(fù)合一步完成，冷卻速度高，可達(dá)103～106K/S，能夠形成極細(xì)小的等軸晶組織，也在很大程度上避免了增強(qiáng)體與基體間的界面反應(yīng)及常規(guī)鑄造過程中普遍存在的宏觀偏析。

2 熔鑄法制備2024/SiCp鋁基復(fù)合材料鑄錠

熔鑄法制備鋁基復(fù)合材料雖然能夠在最大程度上利用現(xiàn)有的設(shè)備能力，但無法照搬使用鋁合金鑄錠的熔煉鑄造方法，在生產(chǎn)上還需要突破的工藝瓶頸有以下兩方面：

一方面SiCp顆粒增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)受到熔體的限制，比例難以突破20%[2]，當(dāng)SiCp顆粒增強(qiáng)體比例更高時(shí)容易產(chǎn)生不均勻現(xiàn)象；

圖1 經(jīng)過鍍銅的碳化硅顆粒增強(qiáng)體

圖2 制備的2024/SiCp鋁基復(fù)合材料鑄錠

20世紀(jì)末，在加拿大魁北克建成了一座年產(chǎn)能11000t的顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工廠，在鋁基復(fù)合材料的熔鑄階段，使用了多級(jí)傾斜葉片組成的攪拌器，轉(zhuǎn)速為2500r/min，產(chǎn)生較大剪切力的同時(shí)抑制旋渦的形成，不產(chǎn)生氣泡，從而避免了氣體和氧化膜及夾渣的卷入。據(jù)報(bào)道：用此法制成的鋁基復(fù)合材料，其中增強(qiáng)體SiCp的體積分?jǐn)?shù)達(dá)10%～30%，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都比基體合金提高15%以上，彈性模量提高20%～35%，產(chǎn)品商標(biāo)為Duralcan。

針對(duì)這種情況，課題組同樣使用了機(jī)械攪拌的方法，通過合理控制攪拌速度和時(shí)間，在碳化硅顆粒加入時(shí)，較好地控制了卷氣和鑄錠不勻的問題。

另一方面由于熔鑄法需要SiCp顆粒增強(qiáng)體在基體合金熔融狀態(tài)下加入，熔體表面存在氧化鋁膜阻礙了碳化硅顆粒增強(qiáng)體的進(jìn)入。

課題組對(duì)碳化硅顆粒增強(qiáng)體進(jìn)行了焙燒，以消除表面吸附氣體，并對(duì)其表面進(jìn)行了鍍銅的處理，較好地解決了碳化硅與鋁合金熔體浸潤性問題。

熔鑄法制備2024/SiCp鋁基復(fù)合材料鑄錠的主要技術(shù)路線如下：

熔煉2024鋁合金熔體、攪拌加入SiCp顆粒增強(qiáng)體，持續(xù)攪拌至熔體均勻，精煉除氣，水冷法半連續(xù)鑄造。

通過以上工藝，在實(shí)驗(yàn)室條件下（50kg），成功制備出2024/SiCp鋁基復(fù)合材料鑄錠，鑄錠外觀見圖2。

3 噴射沉積法制備2024/SiCp鋁基復(fù)合材料錠坯

噴射沉積法制備2024/SiCp鋁基復(fù)合材料錠坯則采取了以下工藝：

在本項(xiàng)目中，課題組使用了移動(dòng)坩堝式的噴射共沉積設(shè)備，通過霧化噴射沉積出2024/SiCp鋁基復(fù)合材料錠坯。使用的霧化介質(zhì)為氮?dú)?，在一定的溫度下，使用壓縮氮?dú)鈱?duì)原材料進(jìn)行霧化噴射，沉積盤以一定的速度旋轉(zhuǎn)，斜噴角為30°，沉積距離為200-250mm，沉積出的2024/SiCp鋁基復(fù)合材料沉積坯中的SiCp的體積分?jǐn)?shù)約為15%，顆粒尺寸為10-15μm。

4 變形加工及熱處理和工藝

顆粒增強(qiáng)2024/SiCp鋁基復(fù)合材料其基體依然是2024變形鋁合金，因此需要經(jīng)過變形加工才能破除鑄態(tài)組織，形成具有相應(yīng)強(qiáng)度的變形組織，由于SiCp增強(qiáng)體的引入，晶粒間難免會(huì)有疏松等鑄造缺陷，因此不適用鋁合金常規(guī)的鍛造開坯工藝，基于這種情況，本項(xiàng)目采用了擠壓開坯的方式，為了增強(qiáng)材料的工藝塑形，對(duì)錠坯使用純鋁做包套，在得到具備相應(yīng)變形組織的同時(shí)，錠坯一些內(nèi)部鑄造缺陷（主要是疏松）可通過焊合而部分消除。

板材的制備工藝如下：

錠坯機(jī)加工、使用純鋁做包套、通過擠壓并制備出帶板、熱軋制備出顆粒增強(qiáng)2024/SiCp鋁基復(fù)合材料成品板材。

加工后的錠坯見圖3、熱軋后的成品板材見圖4。

圖3 加工后的錠坯

圖4 熱軋板材

在熱性能方面，2024/SiCp鋁基復(fù)合材料的比熱容與2A12鋁合金（編者注：2A12是2024鋁合金的國內(nèi)牌號(hào)）相當(dāng)，但熱導(dǎo)率比2A12合金高出約44%[3]，因此顆粒增強(qiáng)2024/SiCp鋁基復(fù)合材料的淬透性要好于常規(guī)2024基體鋁合金，在相同條件下其熱處理時(shí)間應(yīng)不超過2024鋁合金。

本項(xiàng)目的課題組沿用了2024常規(guī)熱處理制度，即：固溶495℃/30min +時(shí)效180℃/12h。

5 初步對(duì)比分析及結(jié)論

按照GB/T 1423-1996《貴金屬及其合金密度的測(cè)試方法》對(duì)板材密度進(jìn)行了初步測(cè)試，兩種制備方法板材的結(jié)果基本相同，測(cè)試結(jié)果為2.8g/cm3。

對(duì)加工的試樣進(jìn)行熱處理后，鑄造法制備的板材，其常規(guī)力學(xué)性能見表1，噴射成形法制備的板材，其常規(guī)力學(xué)性能見表2。

2024鋁合金T62熱處理狀態(tài)薄板的典型力學(xué)性能[4]見表3。

在制備工藝尚不完備的情況下，從初步的對(duì)比分析結(jié)果來看：

1.熔鑄法制備的2024/SiCp顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料板材彈性模量要遠(yuǎn)高于常規(guī)2024鋁合金薄板。

2.噴射沉積法制備的板材，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等基礎(chǔ)指標(biāo)均高于2024鋁合金薄板。

3.熔鑄法制備的2024/SiCp顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料板材，強(qiáng)度和延伸率指標(biāo)低于常規(guī)的2024鋁合金薄板。

表1 使用鑄造法制備的顆粒增強(qiáng)2024/SiCp鋁基復(fù)合材料常規(guī)力學(xué)性能

表2 使用噴射沉積法制備的顆粒增強(qiáng)2024/SiCp鋁基復(fù)合材料常規(guī)力學(xué)性能

表3 2024鋁合金T62狀態(tài)典型力學(xué)性能

從目前結(jié)果看：雖然噴射沉積法制備的2024/SiCp顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料板材，在常規(guī)力學(xué)性能要優(yōu)于熔鑄法制備的板材，但就此得出噴射沉積法制備的材料性能一定高于熔鑄法的結(jié)論還為時(shí)尚早，針對(duì)鋁基復(fù)合材料適用性的工藝研究尚未展開（目前借用的是常規(guī)鋁合金的熱處理及變形工藝），因此針對(duì)碳化硅顆粒增加鋁基復(fù)合材料仍有待于進(jìn)一步開展組織研究和優(yōu)化工藝研究。

從另一方面來看，顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料板材在彈性模量上遠(yuǎn)高于常規(guī)鋁合金材料，未來在高剛度、高穩(wěn)定性次承力結(jié)構(gòu)上預(yù)計(jì)會(huì)有較大的應(yīng)用前景。