【文章內(nèi)容簡介】 維作金屬基的增強物研究已由理論到實際應(yīng)用階段，它的某些性能優(yōu)于顆粒增強，但其生產(chǎn)成本較高，存在各間異性，因而未能得到廣泛應(yīng)用，而顆粒作為金屬基的增強物存在成本低廉各方同性，同時又能提高金屬基各向面性能，因而受到國內(nèi)外材料工作者的重視。 如何選擇增強物和基體，一般根據(jù)材料使用要求、環(huán)境、增強物和基體本身的參數(shù)來選擇 [3]。選擇顆粒增強的參數(shù)包括① 彈性模量、②拉伸強度、③密度、④熔點、⑤熱穩(wěn)定性、⑥熱膨脹系數(shù)、⑦尺寸形狀、⑧與基體的相容性、⑨成本。目前應(yīng)用最廣泛的是碳化硅顆粒，相應(yīng)的金屬基體主要為鋁基。第 2 章 概 論 碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料近年來，鋁基復(fù)合材料得到了令人矚目的發(fā)展。鋁基復(fù)合材料以其重量輕，比強度大等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于航天，航空，高速列車，汽車等領(lǐng)域，并且鋁基復(fù)合材料兼具高比強、高比模、耐高溫、耐磨損等一系列性能，現(xiàn)在世界各國已有很多研究單位對鋁基復(fù)合材料做了深入細致的研究，也已有些單位開始進行商品生產(chǎn)，因而很自然的鋁基復(fù)合材料就成為受到普遍重視的焦點 [4]。碳化硅(SiC) 是碳和硅原子以化學(xué)鍵結(jié)合的四面體空間排布的結(jié)晶體。碳化硅通常是用石英砂和焦炭在電爐中高溫還原而成的，碳化硅共價性很強，SiC間鍵的離子性僅占 14%，SiC 鍵的高穩(wěn)定性賦予碳化硅具有高熔點、高硬度、化學(xué)惰性等特性，而且其硬度極高。碳化硅顆粒增強材料的性能特點是熔點高、硬度高、彈性模量高、線脹系數(shù)小、高溫下組織及性能穩(wěn)定性好、耐磨性及耐蝕性好等 [1]。碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料(SiCp /Al)在航天與太空、航空與導(dǎo)彈、微電子及其他領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用。 碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的優(yōu)點 [5] 材料各向同性與長纖維金屬基復(fù)合材料相比，碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料基本上可視為各向同性，因而可以借用傳統(tǒng)鋁合金材料的設(shè)計理論進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。這不僅使材料得到充分利用，而且還可以大大簡化結(jié)構(gòu)。 良好的尺寸穩(wěn)定性碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨 SiC 含量的增加幾乎呈線性下降，并且該復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱均接近基體，因而該復(fù)合材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性，可以在溫度變化劇烈的環(huán)境中使用，這在航空航天工業(yè)中是十分重要的。 良好的耐高溫性能碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料耐高溫性能良好，抗氧化，具有較高的抗熱沖擊、抗熱蝕能力。 良好的力學(xué)性能大量試驗已經(jīng)證明，碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料具有高比強度和比剛度，并且耐磨性能、耐疲勞性能良好，因而具有優(yōu)異的力學(xué)性能。 較低的斷裂韌性顆粒增強鋁基復(fù)合材料的斷裂韌性 KIC 一般只有 15~27 MPam1/2，均低于相應(yīng)基體合金的斷裂韌性，這在一定程度上限制了顆粒增強鋁基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用。 碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法SiCp /Al 復(fù)合材料的制備方法通常有粉末冶金法、壓力鑄造法、噴射共沉淀法、滲透法、固態(tài)擴散法、半固態(tài)攪熔復(fù)合法等。各種方法的介紹如下： 粉末冶金法用粉末冶金法制造鋁基復(fù)合材料 [6]的工藝過程一般如下，先將增強體(通常是 SiC、A1 2O3 等材質(zhì)的顆粒、晶須或短纖維)和激冷微晶鋁合金粉采用機械手段均勻混合，進行冷壓實，然后加熱去氣、在液相線與固相線之間進行真空熱壓燒結(jié)，就得到了復(fù)合材料坯料，再將坯料進行熱擠壓等熱壓力加工就可制成所要的零件?；蛘呷∠麑旌戏哿系臒釅海鸦旌戏哿厦芊庥阡X包套內(nèi)，直接進行熱擠壓，也可成功地制造出致密的鋁基復(fù)合材料。這種方法由于采用機械混合，較易制備顆粒均勻分布的復(fù)合材料，因而廣泛地應(yīng)用在實驗室的基礎(chǔ)研究中。但其制備工藝成本高，而且復(fù)合材料的顯微組織無法改變，在實際生產(chǎn)中難以制造大尺寸和形狀復(fù)雜的零件。 壓力鑄造法壓力鑄造法制備 SiCp/Al 復(fù)合材料的過程，主要包括顆粒預(yù)制塊的制備和液態(tài)鋁合金在一定壓力下滲入預(yù)制塊中兩部分 [7]。SiC 顆粒在復(fù)合材料中分布的均勻性由預(yù)制塊中顆粒分布的均勻程度決定，并取決于預(yù)制塊的制備工藝。復(fù)合材料的孔隙率和 SiCp/Al 界面結(jié)合狀態(tài)則與壓鑄工藝參數(shù)密切相關(guān)。SiCp/Al復(fù)合材料中 SiC 顆粒具有不規(guī)則外形并且在基體中均勻分布，復(fù)合材料中基本沒有孔隙并且界面結(jié)合狀態(tài)良好 [8]。經(jīng)透射電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)在 SiCp/Al 復(fù)合材料的基體合金中存在較高密度的位錯。在 SiCp/Al 復(fù)合材料中 SiC 顆粒的熱膨脹系數(shù)僅是鋁合金的 1/6 左右，所以復(fù)合材料從高溫到室溫的冷卻過程中， SiCp/A1 界面處將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力高于基體合金屈服強度時，基體合金將發(fā)生塑性變形，使基體合金中產(chǎn)生較高的位錯密度，基體合金中高密度位錯使基體合金得到強化，從而進一步提高復(fù)合材料的強度。 噴射共沉淀法噴射共沉積法是 20 世紀 80 年代逐漸發(fā)展起來的制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料的工藝 [9]，它具有增強顆粒分布均勻、沒有嚴重的界面反應(yīng)、基體組織有快速凝固特征、呈細小等軸晶形態(tài)等優(yōu)點，且產(chǎn)率高，易于制備大件。因而，該方法與鑄造法和粉末冶金法相比有更大的性能價格比，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，促進晶粒的細化。類似研究還表明了增加 SiC 顆粒加入量能細化基體晶粒。SiC 顆粒的捕獲機制現(xiàn)還沒有得到清晰的闡述，但可以肯定地說，噴射共沉積工藝中 SiC 顆粒的捕獲過程不能沿用熱力學(xué)判據(jù)、臨界速度判據(jù)等機制加以解釋。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程中發(fā)生捕獲，這一現(xiàn)象揭示高速沖擊沉積過程可能是主要的原因。據(jù)此，他們提出了機械作用機制和枝晶碎塊或已凝固液滴阻塞機制，但捕獲機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是：增強相顆粒與鋁液體不潤濕，這主要是因為鋁液表面存在氧化層，使鋁液與增強相不能直接接觸 [10]。針對氧化層帶來的困難，研究人員已經(jīng)開發(fā)出非常有利于鋁液和增強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)合材料的過程主要是: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，無孔隙 [12]。 固態(tài)擴散法這是制造連續(xù)纖維增強鋁基復(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絲有規(guī)則地排列和堆疊起來。第二步是通過加熱加壓使他們緊密地擴散結(jié)合成為整體。為了防止鋁合金在加熱加壓過程中氧化，熱壓必須在真空或保護氣氛下進行。用固態(tài)擴散法制造的鋁基復(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戰(zhàn)斗機的尾翼，性能良好。但本方法工藝復(fù)雜，纖維的排列堆疊要很精細而繁重的手工操作，熱壓過程又要求很嚴格的工藝參數(shù)控制和環(huán)境條件。所以用這方法進行生產(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，通過攪拌使增強相顆粒和金屬合金液相互碰撞，并進入到金屬熔體中，起到顆粒增強的作用 [5]。實驗發(fā)現(xiàn)，只要選擇合適的工藝參數(shù)就可以使增強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)處理對分布均勻性有顯著影響，經(jīng)過高溫預(yù)氧化處理的 SiC 顆粒與合金基體潤濕性很好，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，增強相顆粒粒徑越大，分布則越均勻；攪拌速度越低，顆粒分布越不均勻。當(dāng)增強相的顆粒較小時，攪拌葉輪的旋向?qū)Ψ植季鶆蛐杂兄匾绊?。與全液態(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)生無污染等特點，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，近年來已經(jīng)成為材料燒結(jié)領(lǐng)域里新的研究熱點。 微波燒結(jié)的技術(shù)原理 　微波燒結(jié)是利用微波加熱來對材料進行燒結(jié)。它同傳統(tǒng)的加熱方式不同。傳統(tǒng)的加熱是依靠發(fā)熱體將熱能通過對流、傳導(dǎo)或輻射方式傳遞至被加熱物而使其達到某一溫度，熱量從外向內(nèi)傳遞，燒結(jié)時間長，也很能得到細晶。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)溫度而實現(xiàn)致密化的方法。 微波燒結(jié)的技術(shù)特點 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