硼酸铝晶须增强铝基复合材料的研究_毕刚

硼酸铝晶须增强铝基复合材料的研究＊
毕　刚 吴人洁 施忠良 卢德宏
(　上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室　上海　200030　)
文　摘　综述了硼酸铝晶须增强铝基复合材料的制取工艺、性能特点、研究现状;并对当前复合材料研究当中存在的一些问题以及某些需要深入研究的方向进行了探讨。

关键词　金属基复合材料,铝,硼酸铝晶须
Research of Aluminium-based Composites Reinforced
with Aluminium Borate Whisker
Bi Gang Wu Renjie Shi Zhongliang Lu Dehong
(　State Key Laboratory of Metal Matrix Composites,Shanghai Jiaotong University　Shanghai　200030　)
A bstract　Pr oduction technique,properties and current situation of aluminium-based c omposites reinfor ed with alu-minium borate whisker are reviewed,and problems of current research and some suggestions of research on the field are al-so presented in this paper.
Key words　Metal matrix composites,Aluminium,Aluminium borate whisker
1　引言
近年来,晶须增强金属,尤其是增强铝合金的金属基复合材料正受到普遍重视。

该种复合材料由于具有高的比强度、比模量、良好的热稳定性以及抗疲劳、耐磨损等优良性能而得到迅速发展,成为金属基复合材料的一个重要分支。

最初,多数科研工作者把研究重点放在了以SiC晶须、Si3N4晶须等作为增强相的研究工作上。

但是,SiC晶须、Si3N4晶须昂贵的价格在很大程度上限制了其自身在各方面的广泛使用。

90年代,日本开发出了硼酸铝晶须(9Al2O3·B2O3),其特性参数如下:
平均长度　10mm～30mm;
平均直径　0.5mm～1.0mm;
密度　2.93g/cm3;
莫氏硬度　7;
抗拉强度　8GPa;
杨氏模量　400GPa;
热膨胀系数　1.9×10-6/K。

该种晶须有着十分优良的物理特性:高的杨氏模量、低的热膨胀系数、高的强度等;由于它的原料便宜、制造工艺相对简单,所以它的价格比较低廉,仅为SiC晶须或Si3N4晶须价格的1/20左右[1,2]。

同时,硼酸铝晶须同铝合金有着较好的相容性[3],是铝基材料良好的增强相。

目前,对硼酸铝晶须增强铝基复合材料的研究还比较少,但是由于其较高的性能价格比,有望在不久的将来得到广泛的研究与应用。

2　硼酸铝晶须增强铝基复合材料的研究现状
收稿日期:1998-04-16
＊国家自然科学基金,项目号59631080
毕刚,1972年出生,博士研究生,主要从事金属基复合材料制备及相关基础理论方面的研究工作
2.1　制取工艺
众所周知,增强晶须的分布方式能否合乎要求,晶须与基体合金结合好坏与否是制取合格晶须增强金属基复合材料的关键。

硼酸铝晶须增强铝基复合材料基本上承袭了晶须增强铝基复合材料的制取工艺,主要采用挤压铸造法和粉末冶金法来制取。

挤压铸造法可以说是制取硼酸铝晶须增强铝基复合材料较为成熟的工艺。

此工艺排除了对硼酸铝晶须与铝合金液结合有重要影响的反应性、润湿性等因素的作用。

如果预制件制造得好,挤压温度、挤压压力等参数控制得当,能成功获得晶须分布均匀、性能优良的复合材料。

粉末冶金法可以制得晶须与基体合金粉任意比例的复合材料。

混合体容易均匀,不易出现偏析或偏聚现象;同时由于烧结温度较低,由反应造成的晶须损伤比较少。

无论是采用挤压铸造法还是粉末冶金法,硼酸铝晶须在铝合金基体中的排列一般都是呈不连续分布的三维随机状态,这一特点使此类复合材料容易进行锻造、轧制、挤压等二次加工。

2.2　组织与性能
2.2.1　性能
硼酸铝晶须增强铝基复合材料常用来作为结构材料,故而其性能如何直接关系到它的应用范围。

为此,本文总结了主要对6061Al为基体的硼酸铝晶须增强铝基复合材料的性能及其与同等条件下其它类别的晶须或短纤维增强铝基复合材料进行了比较[4～8](结果如图1、图2所示)。

(a)　
抗拉强度与晶须体积分数的关系(b)　试验温度对抗拉强度的影响
图1　
复合材料性能
(a)　
室温强度的比较(b)　杨氏模量的比较
(c)　热膨胀系数的比较(300K～573K
)(d)　摩擦特性的比较
图2　各种复合材料[SQ/20%(体积分数)]的性能比较
(AlBO,Al O,KTO,SC,SN分别表示9Al
2
O3·2B2O3w,Al2O3短纤维,K2O·6Ti O2w,SiC w,Si3N4w增强6061Al复合材料)
由此可以看出:此类复合材料不仅有着好的耐高温性能;并且常温下的抗拉强度亦很好,可与SiC W、Si3N4W增强的复合材料相比;它的杨氏模量稍高于其它复合材料,同时有着低的热膨胀系数。

最为突出的是它的摩擦磨损性能,由图2(d)可知,硼酸铝晶须增强铝基复合材料既有着好的耐磨性能又有着好的减摩性能(对摩擦副产生的损伤小)。

它既不同于Al2O3短纤维和SiC W增强的复合材料,它们尽管有着好的耐磨性,但对摩擦副却有着较大的损伤;又不同于ZL109(最好的耐磨铝合金之一),尽管对摩擦副损伤较小,但其耐磨性却远低于硼酸铝晶须增强铝基复合材料。

可见,硼酸铝晶须增强铝基复合材料的优良性能使其具有广泛的应用前景。

2.2.2　界面结构
对于不同的铝合金基体,硼酸铝晶须增强铝基复合材料的界面结构和界面产物也就会有所不同。

当复合材料中含有镁元素时(如基体合金为6061Al, ZL109等),元素镁在界面处偏聚[3～6,9～12]。

由以上文献可知:硼酸铝晶须横截面呈棱镜状八面体结构,有四个宽边和四个窄边。

由于宽面上的原子排列较为紧密,显得比较”平整”;而窄面上的原子排列相对要松散一些,显“凹凸”不平,因而窄面上原子失去的相邻原子就比较多,特别是在边角处。

从而,偏聚的镁元素容易“选择”在窄面及边角处率先与晶须发生界面反应,生成面心立方的MgAl2O4。

该产物有着良好的结晶性,同晶须、基体都保持完整的结合,并与晶须之间存在着一定的取向关系[3,4,13]。

至于发生何种界面反应,目前还存在着分歧。

多数人认为是发生了如下的界面反应:
9Al2O3·2B2O3+4Al=11γ-Al2O3+4B(1)γ-Al2O3+Mg+[O]=MgAl2O4
但是,潘进等[4]在对复合材料界面的观察中始终未发现Al2O3相的存在,因而他认为如下反应发生的可能性更大:
Mg+9Al2O3·B2O3+3[O]=9MgAl2O4+4B(2)姚力军等[14,15]在对硼酸铝晶须/ZL202的研究中也有类似的发现:Cu偏聚于界面处并与晶须发生反应,生成类似尖晶石结构的CuAl2O4,此界面产物与晶须之间亦有着一定的位向关系。

然而,对于硼酸铝晶须增强纯铝和铝铁合金(不含Mg元素)复合材料[4,16,17],即使对之进行T6处理,晶须与基体合金的界面上也未发现有反应物。

于是,马宗义等[17]认为:铝合金基体中由于某些元素(如Mg元素)的存在,诱发了界面反应;而复合材料制备过程中经受的温度并非是发生界面反应的唯一主要因素。

3　硼酸铝晶须增强铝基复合材料需要进一步研究的问题
3.1　界面反应的机理及控制
3.1.1　界面反应机理的研究
硼酸铝晶须增强铝基复合材料容易发生界面反应已为大多数人所认同。

但是,目前能够对此进行深入研究并给出恰当解释的还比较少;在硼酸铝晶须与铝合金基体的界面处到底发生了何种界面反应尚无定论。

尽管有人对此提出了可能的界面反应,见式(1)、式(2),然而尚缺乏足够的、确凿的证据;还不能充分了解发生该界面反应时的如下问题:
1)硼酸铝晶须在复合过程中有无分解;
2)复合材料中的新生氧[O]的来源;
3)硼酸铝晶须与铝合金发生界面反应的临界条件;
4)在特定条件下,界面反应之间是否存在着转化关系;
5)合金元素对界面反应影响的程度如何等等。

由此,必然会对硼酸铝晶须增强铝铁系合金与纯铝复合材料中是否真的不存在界面反应产生了质疑。

总之,目前对硼酸铝晶须增强铝基复合材料界面反应机理的研究还不够深入,综合运用热力学和动力学知识对界面反应机理进行更深入的研究是非常必要的。

3.1.2　界面反应的控制途径
复合材料的界面是基体向增强体传递载荷的重要媒介;界面反应对复合材料微观组织结构和力学性能有着十分重要的影响;同时,界面的结合存在着最佳值[18,19]。

由于硼酸铝晶须和铝合金基体容易发生界面反应,为了避免硼酸铝晶须和铝合金基体之间发生过于强烈的界面反应,同时又能控制界面反应的程度,可以从以下三方面进行考虑。

1)对硼酸铝晶须进行改性处理或采用表面涂层包覆。

此方法在用该晶须增强金属基复合材料制备中还很少有人进行过尝试,是非常值得研究的。

2)利用合金元素对界面反应的影响,对铝基体进行合金化处理,这可能是一种较为简便的方法。

3)寻求最佳复合工艺条件,尤其是对复合材料制备过程中复合温度和冷却速度的控制。

3.2　提高增强相硼酸铝晶须的增强效果
由于硼酸铝晶须增强铝基复合材料的拉伸强度基本上符合修正混合法则(ROM)[20]:
σc=C0σw V w l/l c+σm(1-V w)
σc、σw、σm分别代表复合材料、晶须、基体合金的拉伸强度;C0为晶须取向因子;V w为晶须体积分数;l为晶须长度;l c为临界晶须长度。

从上面的式子中可以得到两个有益的启示:
1)调整晶须的取向可以提高复合材料的性能。

对于复合材料,如果硼酸铝晶须的长度超过了其临界长度,同时又将其在基体中由三维随机分布状态变成单向排列时,晶须增强效果会大大提高。

因此,这就要求在制作预制件的过程中应该寻求各种有效的手段(如使用超声波法[21]),使晶须在有一定的取向排列的条件下制成预成型体。

当然,还可以通过对复合材料二次加工的方法(如挤压)也可使晶须在一定程度上取向,但这样却不可避免的发生晶须损伤和长度的减少。

2)选择最佳晶须体积分数,使其增强效果最好。

增加晶须体积含量往往是提高复合材料性能的一个重要手段,但其增加并非越多越好。

因为当晶须体积分数超过一定程度时,在复合材料制备过程中会有更多的晶须折断或损伤,反而降低了增强效果。

因此,需要综合制造、加工、性能等各方面的因素来确定最佳的体积分数。

3.3　复合材料基体合金的选择
硼酸铝晶须增强铝基复合材料中,基体合金的强度是不容忽视的,复合材料的性能变化在很大程度上受铝合金基体的控制。

因此,为了提高复合材料的性能,可采用如下三条原则进行基体合金的选择:
1)选用诸如2024、4032、7075之类的高强铝合金作为基体材料。

2)选择时效铝合金(如Al-Mg-Cu合金)作为基体材料,通过后续时效强化处理来改善复合材料的性能。

3)基体合金中加入与铝能形成高温稳定金属间化合物的元素(如Fe、Si等),可以提高复合材料的高温性能。

但此类合金通常会降低材料的常温性能,因此选择时需考虑复合材料的综合性能。

尽管硼酸铝晶须增强铝基复合材料耐高温性能比较好,但是复合材料的使用温度不能高于350℃,超过了这个温度基体强度就会大大降低,基体就会
失去对晶须的传载作用。

因此,为了提高硼酸铝晶须复合材料的使用温度,可以尝试选用钛、铁、金属间化合物等作为复合材料的基体材料。

4　结束语
硼酸铝晶须增强铝基复合材料兼有铝合金密度低、良好的韧性、延展性以及硼酸铝晶须的高强度高硬度和良好的耐磨性、良好的高温性能和热稳定性的特点,是比较理想的新型结构材料。

特别是它的高性能价格比是其能够广泛应用的极大优势。

由于此类复合材料的历史较短,研究使用的经验不多,有待于解决的问题还不少,可望通过调整复合工艺等手段,进一步降低其成本,制造出优良性能的复合材料。

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热喷涂(焊)粉末
热喷涂(焊)是一项表面强化新工艺,具有投资少,见效快,设备简单,操作方便,成本低等优点。

可以根据不同的工况条件,选择不同成分的合金粉末,以达到耐高温、耐磨、防腐蚀等强化基件表面的目的。

不仅可以延长工件的使用寿命,而且可以节省大量优质钢材和贵金属。

本成果已研制出镍包铝复合粉及镍基、铁基自溶性合金粉和铜基喷涂粉。

镍包铝复合粉是以铝为核心,外表均匀,完整地包复一层镍壳的复合粉末,是一种优良的自放热喷涂材料。

当镍包铝粉在高速的氧乙炔或等离子焰流中被加热到一定温度(铝的熔点660℃)时,镍与铝发生剧烈的放热反应,形成NiAl、Ni3Al等金属间化合物;粉末粒子碰撞到工件表面上,使基体金属表面达到局部瞬时高温(可达900℃以上)从而加强涂层基体金属的扩散,使涂层与基体间形成强结合,涂层具有耐磨、抗氧化、耐腐蚀等优良性能。

采用羰基法研制的镍包铝粉,包复层致密、完整、光滑、流动性好,纯度高、活性大,镍铝间起始反应温度低(约550℃),该粉末各项指标已达到美国ME TC O404的水平。

该成果已在电力、化工、冶金、机械、石油、矿山、农机等部门广泛应用,取得明显的技术和经济效果。

·李连清·。