【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 該方法與鑄造法和粉末冶金法相比有更大的性能價(jià)格比，受到材料工程專家的極大關(guān)注。研究人員觀察噴射共沉積 SiCp/Al 復(fù)合材料錠坯顯微組織發(fā)現(xiàn)，SiC顆粒在基體中分布均勻，在少數(shù) SiC 顆粒搭接處存在少量孔隙，總體上 SiC 顆粒與基體結(jié)合良好，避免了鑄造過(guò)程中易于發(fā)生的顆粒偏聚現(xiàn)象；界面的能譜分析表明，沒有界面反應(yīng)。SiC 顆粒在室溫下加入，與基體共沉積時(shí)吸收熱量，促使與之接觸的基體凝固，SiC 本身還提供了非均勻形核條件，促進(jìn)晶粒的細(xì)化。類似研究還表明了增加 SiC 顆粒加入量能細(xì)化基體晶粒。SiC 顆粒的捕獲機(jī)制現(xiàn)還沒有得到清晰的闡述，但可以肯定地說(shuō)，噴射共沉積工藝中 SiC 顆粒的捕獲過(guò)程不能沿用熱力學(xué)判據(jù)、臨界速度判據(jù)等機(jī)制加以解釋。Gupta 等人的工作表明 [11]，依照傳統(tǒng)捕獲判據(jù)不能發(fā)生捕獲的 SiCp/Al 復(fù)合材料在噴射共沉積過(guò)程中發(fā)生捕獲，這一現(xiàn)象揭示高速?zèng)_擊沉積過(guò)程可能是主要的原因。據(jù)此，他們提出了機(jī)械作用機(jī)制和枝晶碎塊或已凝固液滴阻塞機(jī)制，但捕獲機(jī)制還有待更深入的研究。 滲透法SiCp/Al 復(fù)合材料制備中的突出難點(diǎn)是：增強(qiáng)相顆粒與鋁液體不潤(rùn)濕，這主要是因?yàn)殇X液表面存在氧化層，使鋁液與增強(qiáng)相不能直接接觸 [10]。針對(duì)氧化層帶來(lái)的困難，研究人員已經(jīng)開發(fā)出非常有利于鋁液和增強(qiáng)相直接接觸的助滲劑，用滲透法制備 SiCp/Al 復(fù)合材料十分便利 [11]。滲透法制造 SiCp/Al 復(fù)合材料的北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文4過(guò)程主要是:選用高溫惰性材料(石英砂、石墨、陶土或鋼等 )制作模子，制備工藝可仿精密鑄造制模工藝，模內(nèi)腔可具有所需的形狀和尺寸，以便從中直接獲得試件或零件毛坯。模子制備好后，將 SiC 顆粒加入模內(nèi)；將助滲劑與 SiC 顆粒均勻混合，或放入鋁液中；鋁或鋁合金液經(jīng)精煉后澆入模內(nèi)。澆注鋁液后的模子放入普通空氣加熱爐中，在 850℃~950℃溫度范圍內(nèi)，根據(jù)零件厚度保溫一段時(shí)間，以便獲得一定滲透厚度的試件，保溫結(jié)束后，爐冷至 500℃，出爐脫模就可獲得一定外形的鋁基復(fù)合材料。滲透法制備的 SiCp/Al 復(fù)合材料中，SiC 顆粒在基體中分布均勻，材料與金屬界面結(jié)合良好，材料致密，無(wú)孔隙 [12]。 固態(tài)擴(kuò)散法這是制造連續(xù)纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的傳統(tǒng)方法 [20]。這方法主要有二步，第一步是先把纖維或經(jīng)過(guò)預(yù)浸處理因而包覆有鋁的復(fù)合絲與基體合金的箔片細(xì)絲有規(guī)則地排列和堆疊起來(lái)。第二步是通過(guò)加熱加壓使他們緊密地?cái)U(kuò)散結(jié)合成為整體。為了防止鋁合金在加熱加壓過(guò)程中氧化，熱壓必須在真空或保護(hù)氣氛下進(jìn)行。用固態(tài)擴(kuò)散法制造的鋁基復(fù)合材料往往具有很高的質(zhì)量和性能，如美國(guó)的 Textron 特殊材料公司就用本方法制成的 SiC 連續(xù)纖維鋁基復(fù)合材料的工字梁和板材做成一種先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的尾翼，性能良好。但本方法工藝復(fù)雜，纖維的排列堆疊要很精細(xì)而繁重的手工操作，熱壓過(guò)程又要求很嚴(yán)格的工藝參數(shù)控制和環(huán)境條件。所以用這方法進(jìn)行生產(chǎn)難度較大且成本很高，有很大的局限性。 半固態(tài)攪熔復(fù)合法半固態(tài)攪熔復(fù)合法是在金屬合金處于半固態(tài)的情況下，通過(guò)攪拌使增強(qiáng)相顆粒和金屬合金液相互碰撞，并進(jìn)入到金屬熔體中，起到顆粒增強(qiáng)的作用 [5]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要選擇合適的工藝參數(shù)就可以使增強(qiáng)相顆粒均勻分散在鋁合金中。研究人員用半固態(tài)攪熔復(fù)合法成功制備出了顆粒分布均勻、孔隙率低的 SiCp/Al復(fù)合材料 [13]，研究了攪拌速度、顆粒尺寸、攪拌葉輪旋向、顆粒預(yù)處理工藝等因素對(duì)復(fù)合材料中顆粒分布均勻性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒預(yù)處理對(duì)分布均勻性有顯著影響，經(jīng)過(guò)高溫預(yù)氧化處理的 SiC 顆粒與合金基體潤(rùn)濕性很好，在半固態(tài)攪熔復(fù)合制備中能有效改善顆粒與基體的界面結(jié)合和顆粒分布均勻性。在其他工藝因素一定時(shí)，增強(qiáng)相顆粒粒徑越大，分布則越均勻；攪拌速度越低，北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文5顆粒分布越不均勻。當(dāng)增強(qiáng)相的顆粒較小時(shí)，攪拌葉輪的旋向?qū)Ψ植季鶆蛐杂兄匾绊憽Ｅc全液態(tài)鑄造法和半固態(tài)鑄造法相比，采用半固態(tài)攪熔鑄造制備的SiCp/Al 復(fù)合材料，其增強(qiáng)相 SiC 顆粒分布均勻，氣孔率較少，表明半固態(tài)攪熔復(fù)合法是一種較理想的金屬基復(fù)合材料制備工藝。 微波燒結(jié)法的優(yōu)點(diǎn)微波燒結(jié)是一種材料燒結(jié)工藝的新方法，它具有升溫速度快、能源利用率高、加熱效率高和安全衛(wèi)生無(wú)污染等特點(diǎn)，并能提高產(chǎn)品的均勻性和成品率，改善被燒結(jié)材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能，近年來(lái)已經(jīng)成為材料燒結(jié)領(lǐng)域里新的研究熱點(diǎn)。 微波燒結(jié)的技術(shù)原理 　微波燒結(jié)是利用微波加熱來(lái)對(duì)材料進(jìn)行燒結(jié)。它同傳統(tǒng)的加熱方式不同。傳統(tǒng)的加熱是依靠發(fā)熱體將熱能通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)或輻射方式傳遞至被加熱物而使其達(dá)到某一溫度，熱量從外向內(nèi)傳遞，燒結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，也很能得到細(xì)晶。而微波燒結(jié)則是利用微波具有的特殊波段與材料的基本細(xì)微結(jié)構(gòu)耦合而產(chǎn)生熱量，材料的介質(zhì)損耗使其材料整體加熱至燒結(jié)溫度而實(shí)現(xiàn)致密化的方法。 微波燒結(jié)的技術(shù)特點(diǎn) 微波與材料直接耦合，導(dǎo)致整體加熱 由于微波的體積加熱，得以實(shí)現(xiàn)材料中大區(qū)域的零梯度均勻加熱，使材料內(nèi)部熱應(yīng)力減少，從而減少開裂、變形傾向。同時(shí)由于微波能被材料直接吸收而 轉(zhuǎn)化為熱能，所以，能量利用率極高，比常規(guī)燒結(jié)節(jié)能 80%左右。 微波燒結(jié)升溫速度快，燒結(jié)時(shí)間短 某些材料在溫度高于臨界溫度后，其損耗因子迅速增大，導(dǎo)致升溫極快。另外，微波的存在降低了活化能，加快了材料的燒結(jié)進(jìn)程，縮短了燒結(jié)時(shí)間。短時(shí)間燒結(jié)晶粒不易長(zhǎng)大，易得到均勻的細(xì)晶粒顯微結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔隙少，空隙形狀比傳統(tǒng)燒結(jié)的圓，因而具有更好的延展性和韌性。同時(shí)，燒結(jié)溫度亦有不同程度的降低。 微波可對(duì)物相進(jìn)行選擇性加熱由于不同的材料、不同的物相對(duì)微波的吸收存在差異，因此，可以通過(guò)選擇性和加熱或選擇性化學(xué)反應(yīng)獲得新材料和新結(jié)構(gòu)。還可以通過(guò)添加吸波物相北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文6來(lái)控制加熱區(qū)域，也可利用強(qiáng)吸收材料來(lái)預(yù)熱微波透明材料，利用混合加熱燒結(jié)低損耗材料。此外，微波燒結(jié)易于控制、安全、無(wú)污染。 本文主要研究?jī)?nèi)容本實(shí)驗(yàn)采用純鋁粉分別與 SiC 粉、氧化改性 SiC 粉（1000℃燒結(jié) SiC）以及鍍銅改性 SiC 粉均勻混合，并在傳統(tǒng)制備工藝的基礎(chǔ)上，采用粉末冶金法成型，與傳統(tǒng)真空熱壓燒結(jié)工藝不同的是，本實(shí)驗(yàn)是通過(guò)氬氣保護(hù)微波真空無(wú)壓燒結(jié)工藝制備碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)主要是在增強(qiáng)體改性前后，在不同燒結(jié)溫度，不同燒結(jié)工藝氣氛下無(wú)壓制備碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，并對(duì)燒結(jié)體燒失量、密度、金相組織、靜態(tài)力學(xué)性能（維氏顯微硬度、三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、拉伸性能）進(jìn)行初步分析比較。 本文研究的目的意義隨著航天航空、原子能等現(xiàn)代高技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)材料的要求也越來(lái)越高，不僅要求重量輕，還要求比強(qiáng)度、比模量高。而普通金屬材料難以滿足這些要求，于是復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，并獲得迅速發(fā)展。復(fù)合材料可發(fā)揮其組元協(xié)同作用，同時(shí)又有很大的材料可設(shè)計(jì)性。復(fù)合材料技術(shù)是當(dāng)今世界新技術(shù)革命正在探索，開發(fā)且令人振奮的技術(shù)之一 [14]。目前 SiCp/Al 受到世界各國(guó)的關(guān)注，成為當(dāng)今世界金屬基復(fù)合材料研究的熱點(diǎn) [14]。主要因?yàn)?SiC 具有高強(qiáng)度、高韌性和高溫穩(wěn)定性，同時(shí)也具有很高的熱導(dǎo)率、低的熱膨脹系數(shù)、較好的抗熱震性，與鋁合金界面結(jié)合的較好，無(wú)界面反應(yīng)等優(yōu)良性能。用 SiC 做增強(qiáng)劑制造的鋁基復(fù)合材料是一種較為理想的結(jié)構(gòu)材料。SiC 作為增強(qiáng)劑主要有三種形式：纖維，晶須，顆粒。最早開始研究的是 SiC 單絲，但制造成本太高，后來(lái)轉(zhuǎn)向價(jià)格相對(duì)便宜的 SiC 纖維，但制備過(guò)程中易出現(xiàn)諸如纖維損傷、微觀組織不均勻等影響材料性能的許多缺點(diǎn)，最終人們開始對(duì) SiC 顆粒開始研究。SiC 顆粒既解決了成本問(wèn)題，又解決了易損等問(wèn)題， SiCp/Al 廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、汽車、電子、體育用品等方面。北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文7第 3 章 實(shí) 驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖原粉改性 混料制粉 壓制成型無(wú)壓燒結(jié)試樣處理力學(xué)性能分析圖 31 碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備工藝流程 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備 原始粉實(shí)驗(yàn)所用粉料的增強(qiáng)材料是 SiC，基體材料是 Al。規(guī)格如下：SiC 由北方民族大學(xué)生產(chǎn)，純度97% ，含氧量為 1%～2%，平均粒徑 D50=9μm；鋁粉由河南遠(yuǎn)洋鋁業(yè)有限公司生產(chǎn)，粒徑 200 目，純度為 %。基體及增強(qiáng)體的物理性質(zhì)如下表 31 所示。表 31 基體及增強(qiáng)體的物理性質(zhì)名稱 粒度密度（g/cm 3）熱膨脹系數(shù) （ 106/℃）熔點(diǎn)（℃）彈性模量 （ GPa）強(qiáng)度（GPa）泊松比Al 200 目 23 660 60～80 \ SiC 9 um ～ ～ 2700 420～450 21 SiC 表面改性 [15]高溫改性 [16，17] ：將碳化硅粉末置于坩堝中，放入馬弗爐中，在無(wú)氣氛保護(hù)下加熱 1000℃，保溫 3 小時(shí)。除去粉末中的有機(jī)物質(zhì)，如運(yùn)輸中沾染的油北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文8污等；使其粉末表面部分氧化形成網(wǎng)狀 SiO2 層，有利于直接加入復(fù)合材料中提高材料的強(qiáng)度，也有利于碳化硅表面化學(xué)鍍銅。鍍銅改性 [16，17] ：工藝流程圖如下圖 32 所示。除垢 粗化 敏化 活化 化學(xué)鍍圖 32 碳化硅顆粒表面鍍銅工藝流程（1）除垢：稱取上述氧化 SiC 粉末 48 克放入 5%氫氧化鈉溶液，超聲波清洗 5 分鐘，然后用磁力攪拌器攪拌 10 分鐘進(jìn)行除垢，過(guò)濾、干燥。（2）粗化：將 25 毫升 HCI(37%)邊攪拌邊加入到盛有 500 毫升蒸餾水的塑料燒杯中，再將 25 毫升的 HF 緩慢加入到上述溶液中，最后將 SiC 加入到該溶液；同樣用超聲波分散 5 分鐘，磁力攪拌 10 分鐘進(jìn)行粗化，過(guò)濾、干燥。（3）敏化：將粗化后的 SiC 加入到敏化液中同樣用超聲波分散、磁力攪拌敏化 10 分鐘，使其表面依附一些還原劑 Sn2+，過(guò)濾清洗，在室溫下干燥。敏化劑配方如下表 32 所示。表 32 敏化劑配方氯化亞錫 HCI(37%) 蒸餾水15g 25ml 500ml敏化劑的配置方法：邊攪拌邊將鹽酸緩慢倒入蒸餾水中，再把氯化亞錫溶于鹽酸水溶液中。其反應(yīng)為：SiC+Sn2+=(SiC)Sn2+ （31）敏化的目的是使 Sn2+吸附在碳化硅表面，為下一步活化打下基礎(chǔ)。（4）活化：活化劑配方如下表，配制方法與敏化劑相同。敏化干燥后的碳化硅稱重為 ，將其全部加入到活化劑中磁力攪拌 20 分鐘。反應(yīng)如下：Pd2++Sn2+=Pd+Sn4+ （32）活化劑配方如下表 33 所示。表 33 活化劑配方氯化鈀 HCI(37%) 蒸餾水 25ml 500ml北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文9活化處理的目的是：使溶液中的 Pd2+與碳化硅表面所吸附的 Sn2+發(fā)生反應(yīng)后 Pd 沉積在其表面，可作為銅的形核點(diǎn)，使鍍液中被還原的銅顆粒沉積在這些形核點(diǎn)上，以利于其表面修飾。將活化后的碳化硅過(guò)濾，反復(fù)清洗防止溶液中殘留鈀離子，以免在后繼化學(xué)鍍工藝中優(yōu)先被還原。（5）化學(xué)鍍 [18]：將活化后的碳化硅粉末放入少量鍍液中進(jìn)行攪拌并超聲處理兩分鐘，然后放到一定量的鍍液中施鍍?；瘜W(xué)鍍經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的孕育期（四分鐘）后開始反應(yīng)。反應(yīng)開始時(shí)，鍍液中有微量氣泡產(chǎn)生，鍍液由藍(lán)綠色變成黃綠色，這是實(shí)驗(yàn)中判斷反應(yīng)開始的標(biāo)志。反應(yīng)一段時(shí)間后，氣泡的數(shù)量逐漸增加，反應(yīng)變得劇烈，再進(jìn)一步進(jìn)行，越來(lái)越多的碳化硅粉末表面得到包覆，且隨著反應(yīng)時(shí)間的推移，包覆層厚度增加，鍍液呈現(xiàn)暗紅色。隨著鍍液中氣泡的消失，反應(yīng)趨于緩慢，最終停止。靜置后，液體分層，上層暗紅色漸漸變淡，下層暗紅色復(fù)合粉體沉積到燒杯底部。用蒸餾水反復(fù)清洗粉體 3～5 次至濾出的蒸餾水為透明狀，過(guò)濾取出復(fù)合粉，于 60℃溫度下經(jīng) 8h 烘干后備用。化學(xué)鍍鍍液配方如下表 34 所示。表 34 化學(xué)鍍鍍液配方鍍液成分 含量 作用硫酸銅（CuSO 45H2O） 主鹽甲醛（HCHO） 11ml 還原劑乙二胺四乙酸二鈉 （EDTA2Na） 6g 絡(luò)合劑亞鐵氰化鉀（K 4[Fe(CN)6]3H2O） 穩(wěn)定劑氫氧化鈉（NaOH） 20% pH 調(diào)節(jié)劑蒸餾水（H 2O） 250ml 溶劑 實(shí)驗(yàn)儀器本次試驗(yàn)所用儀器介紹如下表 35 所示。表 35 實(shí)驗(yàn)儀器的規(guī)格儀器名稱 型號(hào) 產(chǎn)地 用途電子天平 千分之一 常熟雙杰測(cè)試儀器廠 稱料球磨機(jī) QM1 南京大學(xué)儀器廠 混合粉料干燥箱 101A1 中國(guó)實(shí)驗(yàn)儀器總廠 烘干粉料北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文10干壓機(jī) 50 前川測(cè)量?jī)x器制造有限公司 干壓成型坯體冷等靜壓機(jī) LDJ100/320300 中國(guó)航空工業(yè)川西機(jī)械廠 壓實(shí)成型胚體馬弗爐 1013 沈陽(yáng)節(jié)能電爐廠 改性碳化硅微波真空燒結(jié)爐 NJZ43 南京杰全微波設(shè)備有限公司 燒結(jié)試樣電子分析天平 AR2140Ohaus Gorp. 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