高增強(qiáng)體含量的SiC-Al復(fù)合材料無(wú)壓滲透法制備及性能研究.pdf

1、高增強(qiáng)體含量SiC/Al復(fù)合材料不僅具有高的比強(qiáng)度、比彈性模量和耐磨損等力學(xué)性能，還擁有低膨脹、高導(dǎo)熱的熱學(xué)性能，而且原材料價(jià)格低廉、性能可任意剪裁，無(wú)論用作結(jié)構(gòu)件、還是功能構(gòu)件，都有很大的發(fā)展?jié)摿?。探求低成本的制造工藝是?dāng)前該材料研究的熱點(diǎn)。與諸多制造工藝相比，SiC預(yù)成形坯無(wú)壓滲透工藝具有近凈成形能力強(qiáng)、設(shè)備投入少等優(yōu)點(diǎn)，因而成為一種極具經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的制備技術(shù)。本文在首先研究了SiC粉體氧化條件下的液態(tài)鋁合金自發(fā)滲透現(xiàn)象及其機(jī)理。以此

2、為基礎(chǔ)，進(jìn)一步探求了SiC/Al復(fù)合材料無(wú)壓滲透法的簡(jiǎn)潔工藝。將SiC粉體低溫自氧化結(jié)合成SiC預(yù)成形坯，于氮?dú)鈿夥罩袑⒁簯B(tài)鋁合金自發(fā)滲入SiC預(yù)成形坯內(nèi)，成功制備出不同增強(qiáng)體粒度及含量的SiC/Al復(fù)合材料。應(yīng)用金相顯微鏡、掃描電顯微鏡、透射電子顯微、x-Ray、能譜等測(cè)試手段對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行成分、結(jié)構(gòu)與形貌分析，并研究SiC粒度和含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)和熱學(xué)性能的影響。 在助滲劑鎂的作用下，液態(tài)鋁與SiC<,p>表面的SiO<,2

3、>膜生成MgO和MgAl<,2>O<,4>，放出反應(yīng)熱，使熔滲前沿溫度升高，有效改善了SiC與Al液之間的潤(rùn)濕性，誘發(fā)Al液自發(fā)向SiC粉體間隙中滲透。采用片狀助滲劑Mg，Al液自發(fā)滲透前有一孕育期，滲透過(guò)程由Al液與SiC粉體表面的SiO<,2>反應(yīng)所控制，滲透速度較慢，浸滲高度與時(shí)間呈拋物線關(guān)系。采用Mg粉與SiC粉混合來(lái)誘發(fā)的鋁液自發(fā)滲透幾乎沒(méi)有孕育期，其滲透過(guò)程也符合拋物線關(guān)系，但能獲得比片劑Mg快得多的滲透速度。 Si

4、C粉體在1100℃氧化結(jié)合成SiC預(yù)成形坯的過(guò)程中，碳化硅和石墨同時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)。石墨氧化成CO<,2>去除后留下孔隙；碳化硅粉體因其氧化產(chǎn)生的SiO<,2>膜的粘結(jié)作用而聚合在一起，形成陶瓷骨架。SiC粉體間的本征孔隙和石墨去除后留下的孔隙一起構(gòu)成三維互連通的、開(kāi)放的孔隙網(wǎng)絡(luò)。因SiC氧化導(dǎo)致SiC坯體產(chǎn)生3～5％左右的線膨脹，膨脹量隨石墨含量的增加而略有增大。通過(guò)調(diào)整石墨含量，能獲得不同孔隙率SiC預(yù)成形坯。對(duì)于W28的SiC粉，能

5、獲得38～61％的孔隙率；對(duì)于W7的SiC粉，能獲得47～63％的孔隙率。 在900℃的氮?dú)夥罩校簯B(tài)鋁合金能自發(fā)滲入SiC預(yù)成形坯內(nèi)顆粒間的孔隙，達(dá)到接近全致密。液態(tài)鋁自發(fā)滲入后，SiC預(yù)成形坯無(wú)任何形狀和尺寸的變化，易于實(shí)現(xiàn)近凈成形。SiC-Al間存在厚度為0.3～0.5μm的MgAl<,2>O<,4>氧化物界面層，該界面層能有效阻止鋁液與SiC的接觸與反應(yīng)。界面層與鋁基體、SiC增強(qiáng)體都存在一定的位相關(guān)系。4H型和8F型S

6、iC都能和MgAl<,2>O<,4>形成半共格結(jié)構(gòu)，半共格張應(yīng)力使MgAl<,2>O<,4>一側(cè)產(chǎn)生位錯(cuò)和層錯(cuò)；MgAl<,2>O<,4>和Al則形成共格界面，晶格匹配性好，界面兩側(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)因半共格產(chǎn)生的缺陷。 SiC/Al復(fù)合材料的斷裂方式以脆性斷裂為主。裂紋走向主要沿著SiC-Al分界面、SiC與SiC間較脆弱的燒結(jié)頸擴(kuò)展。延性的金屬在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中產(chǎn)生少量的塑性變形后被撕裂。鋁基體中引入高體積分?jǐn)?shù)的SiC增強(qiáng)體后強(qiáng)度顯著提

7、高。彎曲強(qiáng)度并不隨著增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)的增加而單調(diào)增加，過(guò)高的增強(qiáng)體含量反而使復(fù)合材料的強(qiáng)度下降。以Zl101為基的復(fù)合材料強(qiáng)度普遍高于以工業(yè)純鋁為基的復(fù)合材料強(qiáng)度。SiC/Al復(fù)合材料的彈性模量隨著SiC含量的增加而增加，以ZL101合金為基體的都略高于以工業(yè)純鋁為基體的。 鋁基體中引入SiC能大幅降低其熱膨脹系數(shù)(CTE)。SiC/Al復(fù)合材料的CTE都隨溫度的升高而增大；隨著SiC含量的增加，復(fù)合材料的CTE快速降低；在SiC

8、體積含量相同的情況下，含細(xì)顆粒SiC復(fù)合材料的CTE顯著低于粗顆粒SiC的；金屬基體CTE小的SiC/Al復(fù)合材料CTE相應(yīng)也小。當(dāng)SiC的體積含量從39％增至62％之間時(shí)，SiC(W28)/ZL101的導(dǎo)熱系數(shù)從146W·m<'-1>·K<'-1>降至118 W·m<'-1>·K<'-1>：當(dāng)SiC的體積含量從37％增至53％之間時(shí)，SiC(W7)/ZL101的導(dǎo)熱系數(shù)從136W·m<'-1>·K<'-1>降至118 W·m<'-1>