混料工艺对SiCp/Al复合材料SiC颗粒分布均匀性的影响

刘 越,王保勇,张雅静,路春宇

(东北大学 材料与冶金学院,辽宁 沈阳 110004)

铝基复合材料由于具有质量轻,比强度、比刚度高,优良的耐磨性和良好的导热性、导电性及尺寸稳定性等优点,被普遍认为是一种较理想的结构材料。其中,颗粒增强铝基复合材料因制造成本低、材料各向同性、可采用传统的常规方法加工成形、易于实现批量生产而引起人们广泛的关注[1]。目前颗粒增强A l基复合材料已在航空航天、军事领域及汽车、电子仪表、体育器械等行业中显示出了巨大的应用潜力[2]。

SiCp/A l复合材料的主要制备方法有喷射沉积法、铸造法和粉末冶金法。其中粉末冶金法以其制备的材料SiC颗粒分布较均匀、具有高强度、较好的塑性等特点成为制备复合材料结构件的重要方法。通常采用粉末冶金法制备SiCp/Al复合材料时,都是采用合金粉末原料,合金粉末不仅价格贵,而且粒度大,不利于材料力学性能的提高[3]。近年来,随着各种元素粉末产品的商品化,采用元素粉末做原料已成为可能。采用元素粉末法制备SiCp/A l复合材料不仅组织均匀细小、生产成本低,而且可以方便地根据性能需求进行成分设计[4-5]。

对于粉末冶金法制备工艺,SiC颗粒在基体中的分布均匀性是影响材料力学性能的重要因素,通过混料工艺获得SiC颗粒在基体中均匀分布的混合粉末是粉末冶金法制备出高性能SiCp/A l复合材料的关键,也是从源头上来解决SiC颗粒分布均匀性的问题[6]。高能球磨法可以实现SiC颗粒的均匀分布,对SiC颗粒在基体中均匀分布的影响已有大量报道[7-8]。但高能球磨法不易实现工业化生产,容易引入污染,致使材料的塑性和韧性有所降低。机械混合法具有设备简单,易于实现,易于标准化,不易引入杂质等优点,但SiC颗粒的分布均匀性受混料工艺参数的影响很大[7]。本文采用元素粉末法制备体积分数为12%的SiCp/2024A l复合材料,研究了球料比、混料时间和SiC颗粒尺寸对SiC颗粒分布均匀性的影响。

1 实验材料和实验方法

复合材料的增强体选用平均粒度为0.8μm和3.5μm的多角形SiC颗粒,体积分数为12%;基体材料选用2024铝合金,化学成分为Al-4.5%Cu-1.6%Mg,由市售纯金属元素粉末配制而成,各元素粉末的特性如表1所示。

表1 元素粉末的特性Table 1 Characteristics of differentelementpowders

复合材料的制备采用元素粉末法。元素粉末法就是基体合金由纯元素粉末配制,然后与SiC颗粒均匀混合,通过冷压成形、烧结、二次加工等工艺制备出复合材料。不同混料工艺制备的复合材料分别标记为1#,2#,3#,4#,5#,6#,每一编号复合材料的具体混料工艺参数如表2所示。

在混料过程中,在不同混料时间取少量粉末,用SHIMADZU SSX550扫描电镜观察复合粉末的形貌。金相试样从热压坯料中部截取,先用400#至2000#SiC砂纸粗磨,然后用粒度2.5～1.0的金刚石研磨膏抛光,采用OLYMPUS GX51倒置高倍金相显微镜观察复合材料的显微组织。

表2 SiCp/Al复合材料的制备工艺参数Table 2 Process parameters o f SiCp/Al composites

2 实验结果及分析

SiC颗粒在基体中的分布均匀性是影响SiCp/A l复合材料力学性能的重要因素,因此通过混料工艺获得SiC颗粒在基体中均匀分布的混合粉末是制备高性能SiCp/A l复合材料的关键。采用机械法混料时,影响混合粉末均匀性的因素很多,包括混料机类型和转速、混料介质和时间、各粉末组元的粒度分布、颗粒形状、粉末流动性等[9]。其中,球料比、混料时间和SiC颗粒粒度是影响混合粉末均匀性的重要因素。

2.1 球料比的影响

球料比对混料效果有重要影响。一般情况下,球料比过小,球与料的作用力小,球对料的分散、破碎作用小,混料效率低;球料比过大,则球与球、球与料罐之间的碰撞增多,磨损严重,产物杂质增多,同时还会产生大量的热量,加剧粉末的氧化。

图1a和1b分别是球料比1∶2和5∶1,机械混合8 h制备复合材料的金相照片。从图1中可以看出,球料比对颗粒分布均匀性有重要影响,不同球料比制备复合材料中SiC颗粒的分布有很大差别。当球料比为1∶2时,复合材料中铝粉末基本没有发生变形,SiC颗粒聚集在铝粉末之间,存在严重的偏聚现象(见图 1a)。当球料比为 5∶1时,偏聚现象得到了明显改善,铝基体粉末发生了一定变形,部分SiC颗粒镶嵌在基体之上(如图1b所示)。这是由于随着球料比的增加,混合粉末与钢球的碰撞几率增加,粉体的运动加剧,团聚SiC颗粒得到破碎与分散,SiC颗粒偏聚现象得到改善;同时,由于铝粉与钢球和罐壁的撞击作用,使得铝粉发生塑性变形,部分SiC颗粒开始被碾入铝基体之中。

图1 不同球料比制备SiCp/Al复合材料的金相照片Fig.1 Metallographs of SiCp/Al composite fabricated with different ball/charge weight ratio(a)—1∶2;(b)—5∶1。

2.2 混料时间的影响

一般情况下,混料时间越长,混料效果越好,但由于粉末在粒度、密度等方面存在差别,混料过程由粉末混合和偏聚组成,当粉末混合和偏聚达到“平衡”后,继续延长时间,混合粉末的均匀度并不会继续提高。

图2为球料比5∶1,不同混料时间复合粉末的SEM 形貌。由图可见,混料时间为8 h时,基体A l颗粒发生微量变形,有少量SiC颗粒分布于A l颗粒表面(图2a)。随着混料时间的增加,基体铝颗粒变形量逐渐增加,表面上SiC颗粒量也逐渐增加。当混料时间达到20 h时,A l颗粒发生大的塑性变形,呈现扁形,表面分布有大量SiC颗粒,部分SiC颗粒被砸入或镶嵌在Al颗粒表面(图2c)。

图2 球料比5∶1,不同混料时间复合粉末的SEM形貌Fig.2 SEM images ofmorphology of composite powderm ixed for different time w ith the ball/charge w eight ratio=5∶1(a)—8 h;(b)—16 h;(c)—20 h。

图3 为球料比5∶1,不同混料时间制备SiCp/A l复合材料的金相照片。当混料时间为8 h时,如图3a所示,SiC颗粒已经相当均匀地分布于基体之中,但仍然存在SiC颗粒“贫瘠区”和SiC颗粒团聚现象,部分A l颗粒发生塑性变形。随着时间的延长,当混料时间为16 h时,SiC颗粒在基体中的分布均匀度得到进一步的提高。仔细观察图3b发现,铝颗粒都发生了或大或小的塑性变形,基体颗粒间的SiC颗粒积聚团明显减小。当混料时间达到20 h时,已实现SiC颗粒在基体中的均匀分布,基体粉末在钢球的长时间辗压、冲击作用下发生形变,SiC颗粒被机械地镶嵌在基体之中且弥散分布,如图3c所示。继续延长混料时间,当混料时间为24 h时,SiC颗粒分布均匀性并没有明显提高,如图3d所示。

图3 不同混料时间制备SiCp/Al复合材料的金相照片Fig.3 Metallographs o f SiCp/Al composite w ith differentm ixing time(a)—8 h;(b)—16h;(c)—20 h;(d)—24 h。

2.3 SiC颗粒尺寸的影响

对于机械混料工艺,粉末混合物的均匀性受增强体颗粒和基体粉末的粒度、密度、形貌等因素的影响。研究表明[10]∶粒度小的颗粒易于聚集于大颗粒之间的空隙中,密度小的颗粒倾向于聚集于混合物的上部,不规则形状的颗粒较球形颗粒难以混合均匀。本实验所用增强颗粒分别是0.8和3.5μm的多角形SiC颗粒,由于二者的粒度相差很大,SiC颗粒尺寸是影响其在基体中分布均匀性的重要因素。

图4为球料比5∶1,混料时间20 h,两种不同尺寸SiC颗粒增强铝基复合材料的金相照片。由图4a可见,SiC颗粒基本上在基体中均匀分布,但仍然存在明显的增强颗粒“贫瘠区”和“富集区”,并且SiC颗粒倾向分布于基体颗粒之间;而3.5μm SiC颗粒在基体中则均匀弥散分布。根据几何配置关系,只有当 rSiC/RAl≥0.225时,SiC颗粒才可能均匀分布于基体中[9]。因此,容易实现0.8μm SiC颗粒在基体中的宏观均匀分布,而微观上则存在颗粒团聚现象。

图4 不同尺寸SiC颗粒增强铝基复合材料的金相照片Fig.4 Metallographs of a lum inium matrix composite reinforced by different SiC particle sizes(a)—0.8μm;(b)-3.5μm。

3 讨 论

采用三维高效混料机混料时,混合粉末在料罐内沿筒体作环向、径向和轴向的复合三维运动,从而使粉料自身发生相互流动、扩散、积聚。在扩散机制的作用下,颗粒作无规则运动,导致颗粒的再分布;在对流和剪切作用下,使成团的颗粒群从一个位置移动到另一个位置,并在颗粒群中产生剪切面;钢球的运动和撞击使颗粒团聚得到破碎和分散。总之,在上述三种混料机制的共同作用下,使粉末混合物最终达到混合均匀的目的。

在混料过程中,混料初期主要是实现不同颗粒在几何位置上的变化,在形状和尺寸上无明显变化。由于钢球的加入,钢球和筒壁对铝粉有很大的撞击作用,使得铝粉发生一定量的塑性变形。同时,由于钢球与SiC颗粒之间的冲击碰撞作用,部分SiC颗粒被砸入或镶嵌在A l表面。总之,随着混料时间的进行,Al颗粒开始发生塑性变形,呈现扁形,部分SiC颗粒被砸入或镶嵌在Al颗粒表面,混合粉末的均匀度不断提高。

4 结 论

1)机械混料法容易实现SiC颗粒在基体中的宏观均匀分布,但微观上的均匀分布难于实现,混合均匀度很大程度上取决于原料尺寸大小和具体的工艺参数。

2)本实验条件下,当球料比5∶1,混料时间20 h时,3.5μm SiC颗粒在基体中弥散均匀分布,制备的复合材料组织均匀细小,继续延长混料时间,增强颗粒的分布均匀性并未得到改善。

3)由于受增强颗粒大小的影响,球料比5∶1,混料时间20 h,可以实现3.5μm SiC颗粒在基体中的均匀分布,而0.8μm SiC颗粒在基体中的分布则存在微观上的颗粒团聚现象。

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