铸造法制备颗粒增强铝基复合材料的研究进展

综述铸造法制备颗粒增强铝基复合材料的研究进展河南理工大学材料科学与工程学院 赵大为 米国发摘要 颗粒增强铝基复合材料是当前研究较多、比较成熟、应用较广泛的金属基复合材料。

综述了颗粒增强铝基复合材料的制备方法、研究现状。

对碳化硅颗粒增强铝基复合材料搅拌铸造工艺中的关键问题进行了分析，提出了今后的研究重点和发展方向。

关键词 SiC 颗粒增强 铝基复合材料 制备工艺 润湿性 界面1 引言金属基复合材料MMCs (Metal Matrix Composites)因其既有金属的塑性、韧性，又有陶瓷的高强度、高耐磨性，从而显示出不同于基体合金的高比强度、比模量、耐高温、耐磨损以及热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的物理性能和力学性能，其中颗粒增强的金属基复合材料，尤其是SiC 颗粒增强的铝基复合材料，因其具有增强体成本低、材料性能各向同性、制造成本低、可大规模生产、并可借用传统的工艺进行加工等诸多优点，而成为MMCs 发展的主要方向之一。

在航空航天、军事领域及汽车等行业显示出了巨大的应用潜力[1～3]。

表1 颗粒增强铝基复合材料的主要制备方法类别制造方法 典型的复合材料固态法粉末冶金法热等静压法 机械合金法 SiC P /Al 、Al 2O 3/Al 等零件、锭坯SiC P /Al 管、零件、板 SiC P /Al 、Al 2O 3/Al 、TiC/Al 等 液态法挤压铸造法真空压力浸渍 搅拌法 半固态复合铸造法SiC P /Al 、Al 2O 3/Al 等零件、锭坯 SiC P /Al 、C/Al 等管、棒、锭坯铸坯、锭坯SiC P /Al 、Al 2O 3/Al 等零件、锭坯其他方法电镀、化学镀法 反应自生法表面复合层 TiC/Al 、TiB 2/Al 等零件铝基复合材料的制备方法和制备工艺对材料的性能影响很大，其成本也取决于材料的制造技术，因此研究和发展有效的制造技术一直是铝基复合材料的重要研究内容。

铝基复合材料的制备方法有很多，见表1[2]。

但其中比较成熟、应用比较广的是粉末冶金法和铸造法。

粉末冶金法可以任意改变增强颗粒与铝合金的体积百分比，能根据不同要求制得各种不同体积分数的复合材料，而且颗粒分布均匀、性能稳定。

但是, 粉末冶金法制造工序多、工艺比较复杂, 故生产成本较高，而且零件的结构、尺寸也受限制，因此目前仅用于航空航天和军工部门，民用较少[3,4]。

利用铸造技术，尤其是利用搅拌铸造法制备颗粒增强铝基复合材料，由于制备工艺简单、成本低而广泛的被学者关注，目前在航空航天、汽车工业、机械制造和体育器材等方面已有大量的应用实例，如刹车缸、传动轴、空调压缩室、压缩活塞、刹车轴、齿轮转作者简介：赵大为（1983-），在读硕士，铸造专业；研究方向：凝固技术与铸造合金。

收稿日期：2008-09-09换器等[5,6]。

但是大量研究结果表明，利用搅拌铸造法在制备SiC 颗粒增强铝基复合材料的过程中存在着许多问题，如SiC 颗粒与铝合金基体互不湿润，且SiC 颗粒与合金熔液发生化学反应，在界面处生成不稳定的化合物及由于搅拌造成的气孔、氧化夹渣等影响了用此方法制备碳化硅颗粒增强铝基复合材料的工业化进程。

本文综述了铸造法制备SiC 颗粒增强铝基复合材料存在的主要问题，指出了解决方法及今后的发展方向。

2 SiC 颗粒的结构及性能2.1 SiC 的结构和性质SiC 为强共价键化合物，其晶体结构由Si-C 四面体组成的，Si 原子处于四面体的中心，C 原子处于四面体的顶角，四面体排列形成六方层状，六方层状排列方式的多样性形成了SiC 的多形体。

SiC 的硬度仅仅次于金刚石和碳化硼，排在第三位。

2.2 SiC材料的特性密度3.2g/cm 3，熔点2700℃，膨胀系数4×10-6/℃，弹性模量450GPa ，弯曲强度400～500MPa 。

SiC 的比刚度大，则单位载荷引起结构的变形小，尺寸稳定性好。

SiC 具有良好的热传导性能，当环境温度变化时，SiC 材料内部很容易达到温度的平衡，不会引起很大的内应力，对环境适应能力强，寿命长。

3 材料制备过程中存在的问题及解决方法3.1 SiC颗粒与铝液的润湿性问题搅拌铸造法复合工艺是液态金属基体和固相增强体颗粒相互作用而实现的，两者之间的润湿性是能否实现复合、是否容易复合、复合后结合是否良好的关键因素之一。

润湿性就是液体在固体表面上自动展开的能力，润湿程度可用两者之间的接触角表示，平衡时：cos SV SL LV γγγθ=+ （1）式中：γ为表面能，角标S 、L 和V 分别表示固体、液体和气体。

随着润湿角的增加，液体对固体的润湿性减小。

通常，当θ<90°时，定义为润湿，反之则为不润湿。

大量研究结果表明，碳化硅颗粒增强铝基复合材料的制备工艺中，碳化硅颗粒与铝合金基体互不湿润。

碳化硅增强颗粒与熔融铝基合金之间，难以润湿的原因在于熔融铝合金的表面张力比较大。

除此之外，SiC 颗粒表面的原始状态，如吸附气体、氧化膜等均使润湿角增大；固相表面粗糙度将使润湿角减小；固相或液相之间的夹杂或相与相之间的化学反应所造成的产物都将影响润湿性。

根据上述分析，可采用如下措施改善基体及增强体的润湿性。

a. 采用高温加热、超声波震荡、真空处理及激光处理等方法对增强颗粒进行表面处理，以除去其表面吸附的气体、有机物及水分，促使SiC 与铝熔液的润湿。

SiC 颗粒表面常常吸附一层有机物、气体和水分，大大降低了SiC 颗粒与基体合金之间的润湿性，而且这些杂质在熔液中还会与铝熔体发生化学反应，主要反应如[7]下：22331()()42Al l O g Al O +→ （2）22331()()()3[]22Al l H O g Al O H γ+→+ （3）4324332m n m m nAl C H Al C H +→+ （4） 这些反应的生成物Al 4C 3和H 2存在于熔体中破坏了复合材料的性能，对SiC 颗粒进行高温预处理除去杂质，形成连续致密的SiO 2氧化层。

在复合材料的制备过程中，SiO 2与铝熔液发生反应有利于提高润湿性[8]：2233432SiO Al Si Al O +=+ （5）b. 从改善铝合金液的成分设计入手，在熔融的金属液中添加相应的活性元素，如Mg 、Ca 、Ti 、Zr 、Nb 、V 和P 等，以降低液体的表面张力，提高润湿性。

一般认为，Mg 对SiC 颗粒与铝液间界面润湿性的改善，是由于在SiC 颗粒与铝的界面生成了MgAl 2O 4尖晶石[9,10]，增进了反应性，从而实现了对界面润湿性的改善，以及所制备的复合材料微观组织均匀性的提高。

还有研究认为，Mg 元素可以通过与氧反应，薄化SiC 颗粒表面吸附的气体层，提高铝对SiC 颗粒的润湿性，有利于获得紧密结合的界面，同时可以降低铸造过程中颗粒团聚的倾向[11]。

c. 在增强颗粒的表面镀上Ni 或Cu 等润湿剂，以提高增强颗粒的表面能。

在SiC 颗粒表面涂上金属层可以提高固体表面能，用新形成的金属/SiC 界面代替原来结合性不好的界面，以提高润湿性。

表面涂层涂敷方法较多，如化学气象沉积、物理气象沉积、溶胶-凝胶和电镀或化学镀等。

3.2 SiC颗粒与铝液的界面反应问题SiC 颗粒在铝液中热力学不稳定, 在采用搅拌铸造或熔体浸渗方法制备复合材料时，SiC 颗粒与铝液容易发生生成Al 4C 3的有害界面化学反应：4343i 3i Al S C Al C S +=+ （6）Al 4C 3是脆性相, 可以与水发生反应[12]：43213(()42Al C H O g +→晶体）23413()()24Al O CH g γ+ （7） 这些反应的发生不仅造成了增强体SiC 的损伤,而且大大降低了复合材料的界面稳定性。

Al 4C 3在受力时，容易发生断裂，在材料内部形成裂纹源，降低了材料的力学性能, 而且使材料易于腐蚀。

界面反应可以通过界面反应热力学和界面反应动力学来控制，从界面反应热力学角度，通过适当的基体与增强体（包括表面涂覆层）的成分，控制二者的化学位差，进行合理匹配，可以控制界面反应。

但是SiC 颗粒本身与基体相容性很差，因此可以对SiC 颗粒进行表面处理，以改变增强体与基体的相容性。

从界面反应动力学角度，界面反应层的厚度与时间的关系[12]：2Dt χ= （8）式中：x 为界面反应层的厚度，t 为时间，D 为扩散系数，用下式表示：exp[/()]D A Q kT =− （9） 式中：Q 是激活能，k 为波尔兹曼常数，T 是绝对温度。

常数A 与增强物、基体成分和气氛有关。

因此可以通过调节反应时间、温度及扩散活能，来控制反应层的厚度。

通常可采用以下方法:a. 对SiC 颗粒表面进行处理。

可采用电镀或化学镀等方法对SiC 颗粒进行表面改性，或对SiC 颗粒进行高温热处理，使其在高温过程中发生氧化，在其表面生成SiO 2薄层，改善熔融铝合金基体对SiC 颗粒的润湿性。

b. 在液态金属中加入Si 、Mg 等合金元素，改善铝合金熔液和SiC 颗粒的润湿性，阻止有害的界面反应。

上述反应主要受温度和Si 的影响。

在Al-Si 基合金条件下，式（6）的反应自由能可表达为[13]：(1)[G A χχΔ=−+2(12)(166)]B C χχχ−+−+ （10）其中：x 为Si 的原子分数at%，A=-10695.4-1.823T ，B=-4274.5+3.044T ，C=670.4-0.460T ，T 为绝对温度K 。

可见在一定温度下，热力学上如果要避免发生Al 4C 3的反应，基体合金中的Si 含量需要高于某一值，因此，添加一定含量的Si 元素，可以抑制反应进行。

在基体合金中添加Mg 元素，Mg 与SiO 2和铝液会发生以下反应[14]：22O 2()Mg MgO s += （11）22SiO ()s Al M g ++=24O ()2i()MgAl s S s =+ （12）2SiO ()22()i()s Mg MgO s S s +=+ （13）MgAl 2O 4的形成有利于阻止有害界面反应产物Al 4C 3的产生。

调节SiC 颗粒的氧化程度和基体合金中Mg 的含量,可以在一定程度上对SiC 颗粒增强铝基复合材料的界面反应和产物进行控制。

c. 优化制备工艺方法和参数。

由于高温下金属基体和增强体元素的化学活性均迅速增加，温度越高，反应越激烈，在高温下停留时间越长反应越严重。

因此在制备工艺方法和工艺参数的选择上首先考虑制备温度、高温停留时间和冷却速度。

在确保复合完好的情况下，制备温度尽可能低，复合过程和复合后在高温下停留时间尽可能短，在界面反应温度区冷却尽可能快，低于反应温度后冷却速度应小，以免造成大的残余应力，影响材料的性能。