（材料学专业论文）无压渗透法制备sicpal复合材料的研究.pdf

湖南人学坝h ，i 亢生毕业论文 a b s t r a c t s i c p a ic o m p o s i t e h a sg o o da n da t t e n t i l ea p p l y i n g p e r s p e c t i v e ；t h r o u g hs i c p a r t i c u l a t er e i n f o r c i n ga 1m a t r i x ，t h i sc o m p o s i t ep o s s e s s e sg o o dp r o p e r t i e st h a t s o l o c o m p o n e n th a s n t p r e s s u r e l e s s i n f i l t r a t i o n t e c h n i q u e i san o v e lw a yt o p r o d u c i n gm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ( m m c ) ，a n di s c h a r a c t e r i z e db ys i m p l i f i e d p r o c e s s a n dl o wc o s t i nt h i s p a p e r t h e f a b r i c a t i o no fs i c p a 1 c o m p o s i t e e m p l o y i n g t h i st e c h n i q u ei ss t a t e da n dt h ep r o c e s sc o n d i t i o n so fm o l t e na 1a l l o y i n f i l t r a t i n gi n t os i c pr e i n f o r c e m e n ti se x p l o r e d ，t o o t h ee f f e c t s o ff a c t o r so n w e t t i n g a n d i n f i l t r a t i n g a r e s t u d i e d ，t h e s e f a c t o r st h a tc a ni n f l u e n c et h e c o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r eo fc o m p o s i t ec o m p r i s et h ec o n t e n to fm g a n ds i ， p r o c e s st i m ea n dp r o c e s st e m p e r a t u r ee ta 1 t h en a t u r eo f t h ee x t e n to fr e a c t i o n s w i t ht h ec h a n g eo ft h e s ef a c t o r si sr e s e a r c h e d m i c r o s t r u c t u r ei nt h ei n t e r f a c eo f s i c p a is y s t e ma n dt h ee f f e c to fi t o nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t ea r e a n a l y s i z e d t h em o s td i f f i c u l t yi nt h i se x p e r i m e n tl i e si nt h eb a dw e t t a b i l i t yo fs i c p a 1 s y s t e m f o rb e t t e r i n gt h ew e t t a b i l i t yo f t h i ss y s t e m ，t h e s ef o l l o w i n gt w ow a y sa r e u s e d ：( i ) m g ，s ie l e m e n t s a r ee n t e r e dt oa im a t r i x ；( i i ) s i cp a r t i c u l a t ei sh e a t e di n a i rs ot h a tas t a b l e ，i m p e r v i o u sf i l mo fs i 0 2i sf o r m e d t h ee x p e r i m e n tp r o v e s t h a tt h ee n t e r i n go fm ge l e m e n tc a ni m p r o v et h ew e t t a b i l i t ya n di n f i l t r a t i o no f s i c p a is y s t e m ；s ie l e m e n ti na im a t r i xc a ns l o w d o w n t h ei n t e r f i c i a tr e a c t i o n s ； t h es i 0 2f i l mc a l le n h a n t ew e t t a b i l i t ya n di n f l l t r a t i o nt os o m ee x t e n t a tt h e s i c p a 1s y s t e mi n t e r f a c e ，t h er e a c t i o np r o d u c t so fs i ，a 1 2 0 3e ta la n ds e g r e g a t i o n o f m g a sw e l la ss ic a nb ef o u n db ye d sa n a l y s i s w h e nt h ee x t e n to fi n t e r f a c i a l r e a c t i o n si sc o n t r o l l e dp r o p e r l y , m o l t e na 1w i l la t t a c ks i cp a r t i c u l a t ea n dc a u s e m e c h a n i c a lb o n d i n gb e t w e e nm a t r i xa n dr e i n f o r c e m e n t i ti sj u s tt h i sm e c h a n i c a l b o n d i n gt h a ti m p r o v e st h ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t e t h ee f f e c to fs e g r e g a t i o no f s ie l e m e n to nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si sl o w e rt h a nt h a to fi n t e r r a c i a lr e a c t i o n so n t h e m ；s ot h i se f f e c td o e sn o tp l a ym a j o rf a c t i o na n d i si ns e c o n ds t a t i o n i k e yw o r d s js i c p a 1c o m p o s i t e p r e s s a r e l e s si n f i l t r a t i o nt e c h n i q u e w e t t a b i l i t y i n f i l t r a t i o n e l e m e n t a ls e g r e g a t i o n i n t e r f a c i a ir e a c t i o n s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 湖南夫学硕士e i 究l ：毕业论文 一、绪论 1 1 s i c p a i 复合材料的优异性能及其应用 1 1 1 s i c p a i 复合材料的性能 近年来，铝基复合材料由于其密度小、耐腐蚀等优良的工程性能而受到 人们越来越广泛的关注，国内外己对其进行了大量的研究报道【1 叫。以颗粒、 短纤维、晶须等非连续相增强的铝基复合材料，因其良好的可再加工性、各 向同性及尺寸稳定性而倍受重视，特别是s i c 颗粒增强铝基复合材料( s i c p a r t i c u l a t er e i n f o r c e da 1 u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e ) ，由于具有高的比强度、 比刚度、较低的热膨胀系数以及耐磨、耐腐蚀和良好的高温性能而成为目前 国内外学者研究的热点之一。 s i c p a i 复合材料具有介于陶瓷与金属之间的机械性能。s i c 颗粒的加入 可以提高复合材料的弹性模量，并使之具有较好的抗拉强度及屈服强度。s i c 颗粒的加入可提高铝基的耐磨性，使之应用于耐磨领域，但这也会降低铝基 的塑性，降低断裂韧性( 决定于基体) ，降低疲劳极限。s i c p 颗粒具有较高的 热导率，较低的热膨胀系数，它的加入可使最终形成的复合材料具有高的热 传导，低的热膨胀，从而改善了铝基体的热学性能。 1 1 2 $ i c p g l 复合材料的应用 s i c p 颗粒价格低廉、来源广泛且具有优异的性能( 见表1 1 ) ，是一种非 常理想的增强物。铝是一种常见的、廉价的金属材料，熔点低( 6 6 0 ) ，密度 较小( 27 9 ，c m 3 ) ，仅为钢铁的三分之一左右。在提高比强度、比模量上有很大 的潜力；不仅如此，它还可以用各种传统的金属制造方法进行成形和机械加 工，可以方便地挤压、轧制和旋压1 7j 。作为一种较为理想的、具有广泛应用 前景的复合材料，s i c p a 1 既保持了金属特有的良好延展性与导电、传热等 特点，又具有陶瓷的耐高温性、耐腐蚀性，适应了轻质量、低成本、高强度、 湖南夫学硕士e i 究l ：毕业论文 一、绪论 1 1 s i c p a i 复合材料的优异性能及其应用 1 1 1 s i c p a i 复合材料的性能 近年来，铝基复合材料由于其密度小、耐腐蚀等优良的工程性能而受到 人们越来越广泛的关注，国内外己对其进行了大量的研究报道【1 叫。以颗粒、 短纤维、晶须等非连续相增强的铝基复合材料，因其良好的可再加工性、各 向同性及尺寸稳定性而倍受重视，特别是s i c 颗粒增强铝基复合材料( s i c p a r t i c u l a t er e i n f o r c e da 1 u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e ) ，由于具有高的比强度、 比刚度、较低的热膨胀系数以及耐磨、耐腐蚀和良好的高温性能而成为目前 国内外学者研究的热点之一。 s i c p a i 复合材料具有介于陶瓷与金属之间的机械性能。s i c 颗粒的加入 可以提高复合材料的弹性模量，并使之具有较好的抗拉强度及屈服强度。s i c 颗粒的加入可提高铝基的耐磨性，使之应用于耐磨领域，但这也会降低铝基 的塑性，降低断裂韧性( 决定于基体) ，降低疲劳极限。s i c p 颗粒具有较高的 热导率，较低的热膨胀系数，它的加入可使最终形成的复合材料具有高的热 传导，低的热膨胀，从而改善了铝基体的热学性能。 1 1 2 $ i c p g l 复合材料的应用 s i c p 颗粒价格低廉、来源广泛且具有优异的性能( 见表1 1 ) ，是一种非 常理想的增强物。铝是一种常见的、廉价的金属材料，熔点低( 6 6 0 ) ，密度 较小( 27 9 ，c m 3 ) ，仅为钢铁的三分之一左右。在提高比强度、比模量上有很大 的潜力；不仅如此，它还可以用各种传统的金属制造方法进行成形和机械加 工，可以方便地挤压、轧制和旋压1 7j 。作为一种较为理想的、具有广泛应用 前景的复合材料，s i c p a 1 既保持了金属特有的良好延展性与导电、传热等 特点，又具有陶瓷的耐高温性、耐腐蚀性，适应了轻质量、低成本、高强度、 湖南大学碗士i ；究生毕业论文 耐腐弛、耐磨损的要求，可被】立用于日t 空航天、汽车、内燃机、国防及体育、 医疗、光学仪器、精密仪器、电子器件等方面。 表1 1s i c 颗粒增强体的特点i “9 1 0 】 弹性模量密度热膨胀系数 比热导热系数 ( 鱼p 生f 业坐：! 圣! ! ：坚!q ：鉴：。：鉴：21 旦坚：2 鉴：1 2 泊松比 + r 在l l o o 条件下的导热系数 1 1 2 1 s i c p a 1 复合材料在航空航天工业中的应用 s i c p a i 复合材料可用于制造航空航天工业中的结构件，如作军用、民 用飞机中的桁架材料，代替中等温度使用的钛和钛合金零件，大大降低了飞 机的制造成本【”1 。航空航天器上许多要求高刚度和低热膨胀系数的零件，正 在试用s i c p a l 复合材料。c e r c a s t 公司采用熔模铸造工艺制造的飞机摄像镜 万向架，其直径达7 8 0 m m ，重1 73 k g ，材料为a 3 5 7 + 2 0 v o s i c 。这种零件 原为钛合金，改用s i c p a i 复合材料后可明显降低重量和成本，并使导热性 提高l ”】。美国d w a 特种复合材料公司已用2 5 s i c p a i 复合材料代替7 0 7 5 a i 制造航空结构导槽、角材。美国a r c o 化学公司所属的先进复合材料公司 a c m c 生产的3 0 3 5 v 0 1 s i c p a i 复合材料，可用来代替a l 合金、t i 合金 等制造各种飞机结构件，如直升飞机起落架、翼前缘加强筋和大的通用正弦 形梁 。此外，飞机液压管、直升飞机支架和阀体及火箭发动机零件也可用 s i c p a i 复合材料制造。总之，s i c p a i 复合材料的优异性能满足了航空航天 工业中的强度高、刚度大、重量轻、高温性能好等要求，因此作为结构材料 而在该领域中得到了广泛应用。目前，美国在该领域中处于领先地位。 1 1 2 2s i c p a 1 复合材料在汽车工业中的应用 s i c p a i 复合材料应用在汽车上，可减轻汽车重量并提高其性能，而且 可节油、减少污染和延长使用寿命。美国d u 删c a n 公司已用s i c p a 1 复合材 料成功地制造了汽车制动盘、汽车发动机活塞和龄轮箱等汽车零件，该公司 湖南大学碗士i ；宄生毕业论支 用s i c p 3 5 9 a 1 复合材料制造的汽车制动盘己在福特和丰田汽车公司使用l ”1 同铸铁制动盘相比，s i c p a i 制动盘重量减轻了5 0 6 0 ，且具有良好的耐磨 性能。总之，s i c p a l 复合材料可被广泛应用于汽车工业替代钢铁用于制造 汽缸、活塞、连杆、齿轮箱及内燃机的耐磨件等。 1 1 2 3 s i c p a 1 复合材料在兵器工业上的应用 在兵器工业上，s i c p a l 复合材料也有着广泛的应用，用 a 3 5 7 + 2 0 v o i s i c p 可制造坦克火力控制镜的基片和导弹机翼。另外，美国已 用s i c p a i 复合材料成功地制成了导弹壳体、轻型坦克履带板、雷达天线、 穿山甲弹弹托、导弹嵌镶结构等军工用品i “2 i 。 1 1 2 4 s i c p a l 复合材料在仪器仪表及其它方面的应用 s i c p a i 复合材料热膨胀系数低、密度小、导热性能良好，因此已用来 制造电子器材的封装材料、散热片等电子器件1 1 2 。3 1 4 1 和光学元件1 7 i 。美国亚 利桑那大学研制了一种超轻空间望远镜，采用s i c p a i 复合材料制造桁架、 支架和副镜等，使重量大大减轻。此外，现已用s i c p a i 复合材料制造出了 惯性导航系统的精密零件和光学仪器托架等精密仪器和光学仪器。 在其它方面，s i c ：p a i 复合材料可应用于自行车链轮( 越野自行赛车) 、 高尔夫球头和网球拍等高级体育用品；在医疗上也用于假体的制造。 1 2 s i c p a i 复合材料的制备方法简介 1 2 1 分类方法： s i c p a i 复合材料的制造方法很多，根据s i c p 增强体的产生方式可分为 外生型和内生型f l 判。外生型是直接从外界将s i c p 加入到基体中；内生型是 将增强材料s i c p 的组分原料与基体粉末混合在一起，在一定的环境和条件 下，使之发生反应，反应生成物即增强相弥散分布于基体中；粉末冶金法和 铸造法属于外生型；而放热弥散法( x d 法) 、接触反应法( c r 法) 和金属 的直接氧化法( d i m o x t ”法) 等属于内生型。 湖南大学碗士i ；宄生毕业论支 用s i c p 3 5 9 a 1 复合材料制造的汽车制动盘己在福特和丰田汽车公司使用l ”1 同铸铁制动盘相比，s i c p a i 制动盘重量减轻了5 0 6 0 ，且具有良好的耐磨 性能。总之，s i c p a l 复合材料可被广泛应用于汽车工业替代钢铁用于制造 汽缸、活塞、连杆、齿轮箱及内燃机的耐磨件等。 1 1 2 3 s i c p a 1 复合材料在兵器工业上的应用 在兵器工业上，s i c p a l 复合材料也有着广泛的应用，用 a 3 5 7 + 2 0 v o i s i c p 可制造坦克火力控制镜的基片和导弹机翼。另外，美国已 用s i c p a i 复合材料成功地制成了导弹壳体、轻型坦克履带板、雷达天线、 穿山甲弹弹托、导弹嵌镶结构等军工用品i “2 i 。 1 1 2 4 s i c p a l 复合材料在仪器仪表及其它方面的应用 s i c p a i 复合材料热膨胀系数低、密度小、导热性能良好，因此已用来 制造电子器材的封装材料、散热片等电子器件1 1 2 。3 1 4 1 和光学元件1 7 i 。美国亚 利桑那大学研制了一种超轻空间望远镜，采用s i c p a i 复合材料制造桁架、 支架和副镜等，使重量大大减轻。此外，现已用s i c p a i 复合材料制造出了 惯性导航系统的精密零件和光学仪器托架等精密仪器和光学仪器。 在其它方面，s i c ：p a i 复合材料可应用于自行车链轮( 越野自行赛车) 、 高尔夫球头和网球拍等高级体育用品；在医疗上也用于假体的制造。 1 2 s i c p a i 复合材料的制备方法简介 1 2 1 分类方法： s i c p a i 复合材料的制造方法很多，根据s i c p 增强体的产生方式可分为 外生型和内生型f l 判。外生型是直接从外界将s i c p 加入到基体中；内生型是 将增强材料s i c p 的组分原料与基体粉末混合在一起，在一定的环境和条件 下，使之发生反应，反应生成物即增强相弥散分布于基体中；粉末冶金法和 铸造法属于外生型；而放热弥散法( x d 法) 、接触反应法( c r 法) 和金属 的直接氧化法( d i m o x t ”法) 等属于内生型。 湖南大学碗士i ；宄生毕业论支 用s i c p 3 5 9 a 1 复合材料制造的汽车制动盘己在福特和丰田汽车公司使用l ”1 同铸铁制动盘相比，s i c p a i 制动盘重量减轻了5 0 6 0 ，且具有良好的耐磨 性能。总之，s i c p a l 复合材料可被广泛应用于汽车工业替代钢铁用于制造 汽缸、活塞、连杆、齿轮箱及内燃机的耐磨件等。 1 1 2 3 s i c p a 1 复合材料在兵器工业上的应用 在兵器工业上，s i c p a l 复合材料也有着广泛的应用，用 a 3 5 7 + 2 0 v o i s i c p 可制造坦克火力控制镜的基片和导弹机翼。另外，美国已 用s i c p a i 复合材料成功地制成了导弹壳体、轻型坦克履带板、雷达天线、 穿山甲弹弹托、导弹嵌镶结构等军工用品i “2 i 。 1 1 2 4 s i c p a l 复合材料在仪器仪表及其它方面的应用 s i c p a i 复合材料热膨胀系数低、密度小、导热性能良好，因此已用来 制造电子器材的封装材料、散热片等电子器件1 1 2 。3 1 4 1 和光学元件1 7 i 。美国亚 利桑那大学研制了一种超轻空间望远镜，采用s i c p a i 复合材料制造桁架、 支架和副镜等，使重量大大减轻。此外，现已用s i c p a i 复合材料制造出了 惯性导航系统的精密零件和光学仪器托架等精密仪器和光学仪器。 在其它方面，s i c ：p a i 复合材料可应用于自行车链轮( 越野自行赛车) 、 高尔夫球头和网球拍等高级体育用品；在医疗上也用于假体的制造。 1 2 s i c p a i 复合材料的制备方法简介 1 2 1 分类方法： s i c p a i 复合材料的制造方法很多，根据s i c p 增强体的产生方式可分为 外生型和内生型f l 判。外生型是直接从外界将s i c p 加入到基体中；内生型是 将增强材料s i c p 的组分原料与基体粉末混合在一起，在一定的环境和条件 下，使之发生反应，反应生成物即增强相弥散分布于基体中；粉末冶金法和 铸造法属于外生型；而放热弥散法( x d 法) 、接触反应法( c r 法) 和金属 的直接氧化法( d i m o x t ”法) 等属于内生型。 湖南k 学砸士i = j = f _ ：毕业论文 根据铝基或铝基合金状态的不同，其制造方法大致可分成固态法和液态 法两种。传统的粉末冶金法属于固态法，而铸造法和l a n x i d e t m 法等属于液 态法，其特点是金属基体在制各复合材料的过程中处于液态。 1 2 2 制备方法简介 i 2 2 i 粉末冶金法： 粉冶法即将s i c p 与a l 合金基体粉末相混合，并在圆相线温度以上进行 热压烧结或挤压烧结。对该方法的研究比较成功，工艺较为成熟，生产出来 的制品性能良好，目前已有商品投入市场。但该方法工艺复杂。成本较高 制品形状和尺寸受到限制，不利于大规模推广应用。 1 2 2 2 铸造法 铸造法是液态法( 熔融金属加工法) 的主要方法，其关键是把s i c 颗粒 均匀地散布于液态铝或其合金中，并使其最终弥散地分布在所形成的固态基 体中川。铸造法包括搅拌铸造法和压力铸造法，其突出的优点是：对设备要 求低、工艺简单、成本较低。它克服了粉治法的不足，使大规模工业生产成 为可能，但由于s i c p a i 的润湿性较差，故而有时需较大的压力和剧烈的搅 动，会引入气泡和杂质，从而使复合材料性能受到一定的影响。 i 2 2 3 喷射沉积法： 喷射沉积工艺是一种在惰性气体的推动下将金属熔体和增强体颗粒一起 喷射出来制造复合材料的工艺，该工艺综合了粉末冶金和快速冷凝技术的优 点，克服了基体与增强体界面相容性差的问题，并使界面反应得以控制，可 以实现制粉一成型致密化的步完成，能够获得快速冷凝组织和难加工材 料的近净成形；该工艺由英国s i n g e r 教授提出，o s p r e y 公司付诸实践，称为 o s p r e y 工艺i m l 。 l _ 2 2 4 反应合成技术： 反应合成技术又称原位生成复合法( i ns i t u ) ，是k o c z a k 等首先于1 9 8 9 年 湖南k 学砸士i = j = f _ ：毕业论文 根据铝基或铝基合金状态的不同，其制造方法大致可分成固态法和液态 法两种。传统的粉末冶金法属于固态法，而铸造法和l a n x i d e t m 法等属于液 态法，其特点是金属基体在制各复合材料的过程中处于液态。 1 2 2 制备方法简介 i 2 2 i 粉末冶金法： 粉冶法即将s i c p 与a l 合金基体粉末相混合，并在圆相线温度以上进行 热压烧结或挤压烧结。对该方法的研究比较成功，工艺较为成熟，生产出来 的制品性能良好，目前已有商品投入市场。但该方法工艺复杂。成本较高 制品形状和尺寸受到限制，不利于大规模推广应用。 1 2 2 2 铸造法 铸造法是液态法( 熔融金属加工法) 的主要方法，其关键是把s i c 颗粒 均匀地散布于液态铝或其合金中，并使其最终弥散地分布在所形成的固态基 体中川。铸造法包括搅拌铸造法和压力铸造法，其突出的优点是：对设备要 求低、工艺简单、成本较低。它克服了粉治法的不足，使大规模工业生产成 为可能，但由于s i c p a i 的润湿性较差，故而有时需较大的压力和剧烈的搅 动，会引入气泡和杂质，从而使复合材料性能受到一定的影响。 i 2 2 3 喷射沉积法： 喷射沉积工艺是一种在惰性气体的推动下将金属熔体和增强体颗粒一起 喷射出来制造复合材料的工艺，该工艺综合了粉末冶金和快速冷凝技术的优 点，克服了基体与增强体界面相容性差的问题，并使界面反应得以控制，可 以实现制粉一成型致密化的步完成，能够获得快速冷凝组织和难加工材 料的近净成形；该工艺由英国s i n g e r 教授提出，o s p r e y 公司付诸实践，称为 o s p r e y 工艺i m l 。 l _ 2 2 4 反应合成技术： 反应合成技术又称原位生成复合法( i ns i t u ) ，是k o c z a k 等首先于1 9 8 9 年 湖南大学硕士研究生毕业论文 提出来的，是指借助合金设计，在一定条件下在基体金属内原位反应成核， 生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。该方法的特点是：( i ) 增强体表面无污染；( 2 ) 增强体大小和分布较易控制：( 3 ) 工艺简单成本较低， 是一种很有前途的技术i ”i 。 1 2 2 5 液态渗透法 在早期的金属基复合材料的制备方法中，液态渗透法曾因工艺简单，成 本较低。适于制造复杂精密零件等特点而被研究人员所采用。液态渗透法 包括三种方法：( 1 ) 毛细管上升法；( 2 ) 压力渗透法( 机械加压或惰性气体加 压) ；( 3 ) 真空吸铸法。毛细管上升法因陶瓷金属的润湿性较差而很少采用； 压力渗透法可以解决增强材料( s i c p ) 与铝液不润湿的问题，但由于加压系统 相对复杂，故限制了其应用发展。真空吸铸法依靠真空负压使a l 液快速渗 透到s i c p 预制体中，可以采用普通铸型来制造形状复杂的零件，是一种有 发展前途的制造方法。 s i c p a i 复合材料的制备方法很多，各有其优、缺点，但国内外研究较多 且较为成熟的方法是上述几种。下面重点介绍一下本论文中所采用的制备方 法l a n x i d e l m 技术。 1 3l a n x i d e m 技术 1 3 1l a n x i d e t m 技术的发展历史及其原理 l a n x i d e t m 技术属于液态法的一种，是由美国l a n x i d e 公司于1 9 8 6 年开 发出来的，从1 9 8 9 年开始，用该法生产的制品进入市场销售。在该工艺中， 基体合金放在可控制气氛的加热炉中加热到基体合金液相线以上温度，在不 加压力的情况下合金熔体自发渗透到颗粒层或预制块中，最终形成s i c p a i 复合材料( 增强体也可为a 1 2 0 3 颗粒、b ；c 颗粒等) 。图l1 1 n i 为l a n x i d e 公 司提出的该工艺示意图。利用该方法可制造成近终形态的复合材料制品。 湖南大学硕士研究生毕业论文 提出来的，是指借助合金设计，在一定条件下在基体金属内原位反应成核， 生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。该方法的特点是：( i ) 增强体表面无污染；( 2 ) 增强体大小和分布较易控制：( 3 ) 工艺简单成本较低， 是一种很有前途的技术i ”i 。 1 2 2 5 液态渗透法 在早期的金属基复合材料的制备方法中，液态渗透法曾因工艺简单，成 本较低。适于制造复杂精密零件等特点而被研究人员所采用。液态渗透法 包括三种方法：( 1 ) 毛细管上升法；( 2 ) 压力渗透法( 机械加压或惰性气体加 压) ；( 3 ) 真空吸铸法。毛细管上升法因陶瓷金属的润湿性较差而很少采用； 压力渗透法可以解决增强材料( s i c p ) 与铝液不润湿的问题，但由于加压系统 相对复杂，故限制了其应用发展。真空吸铸法依靠真空负压使a l 液快速渗 透到s i c p 预制体中，可以采用普通铸型来制造形状复杂的零件，是一种有 发展前途的制造方法。 s i c p a i 复合材料的制备方法很多，各有其优、缺点，但国内外研究较多 且较为成熟的方法是上述几种。下面重点介绍一下本论文中所采用的制备方 法l a n x i d e l m 技术。 1 3l a n x i d e m 技术 1 3 1l a n x i d e t m 技术的发展历史及其原理 l a n x i d e t m 技术属于液态法的一种，是由美国l a n x i d e 公司于1 9 8 6 年开 发出来的，从1 9 8 9 年开始，用该法生产的制品进入市场销售。在该工艺中， 基体合金放在可控制气氛的加热炉中加热到基体合金液相线以上温度，在不 加压力的情况下合金熔体自发渗透到颗粒层或预制块中，最终形成s i c p a i 复合材料( 增强体也可为a 1 2 0 3 颗粒、b ；c 颗粒等) 。图l1 1 n i 为l a n x i d e 公 司提出的该工艺示意图。利用该方法可制造成近终形态的复合材料制品。 132l a n x i d e 7 、1 技术的特点 美国l a n x i d e 公司 a q h a j a n i a n 等人i 2 l 于l9 8 9 年撰文指出，要使自发渗 透( s p o n t a n e o u si n f i l t r a t i o n l 得以进行，需具备两个必 要条件： ( i ) 铝合金中含有一定 的m g 元素： ， ( i i ) 气氛为n 2 环境。 通过适当控制过程条 件，如合金成分、温度、 保温时间等，可以取得良 好的润湿，使自发渗透得 图1 1 无压渗透工艺示意图” 以进行。根据该工艺无压渗透的特点，a g h a j a n i a n 等人将这种方法称为无压 渗透法( p r e s s u r e l e s si n f i l t r a t i o n ：简称p l i 工艺) 因为工艺过程中没有压力作用，也不需要真空条件，浸渗模具材料选择 很容易，如可选择透气性好的耐火材料和烧结陶瓷材料。影响该工艺的主要 因素为：浸渗温度、颗粒大小和环境气体种类；无压渗透工艺( p l i ) 的本质是 实现自润湿作用。 l a n x i d e n 。技术工艺简单，不需要昂贵的设备，具有比固态法和传统的液 态法潜在的经济性，故而成本较低。l a n x i d e ”技术的另一个突出优点是可 以利用材料设计的方法来设计最终形成的复合材料性能及其界面结构，其基 本原则包括( 1 ) 选择不同基体( a t 基、t i 基、m g 基等) ：( 2 ) 选择基体合金 元素种类；( 3 ) 选择不同增强相成分( s i c p 、t i c p 、b 4 c p 、a i ：0 3 等) ：( 4 ) 选择增强体不同的表面处理( 如增强体表面氧化处理等) ；( 5 ) 选择过程时 间及温度i ”。本论文中的选择可具体参考下面章节内容。用该方法生产出来 的制品具有尺寸精确性，不会因致密化而收缩或变形，能够用于制造大尺寸 及形状复杂的制品，这就克眼了粉禾；f i 金法制品尺寸和形状受到限制的不 足。 13 3 l a n x i d e t m 技术的缺点及局限性 作为液态法中的一种，l a n x i d e n l 工艺和传统的铸造法一样存在着s i c 颗 粒和金属铝液润湿性差的问题：而s i c p a i 系统会发生界面反应，生成a l 。c 3 等脆性相，致使最终的复合材料界面较差，从而对材料的物理机械性能造成 不良影响。 目前，l a n x i d e n l 工艺只能在一定条件下才能实现，即合金含镁和氮气环 境，这是无压渗透工艺的局限之所在。另外，s i c p 增强体某些部位不能完全 渗透，产品中可能存在少量气孔，生产过程时间较长，这也是该工艺的主要 缺点。 1 4 无压渗透工艺( p l i 或l a n x i d e t m ) 中需解决的s i c p a i 系统 的润湿问题 1 4 1 s i c p a i 系统的润湿概述 t 4 1 1 s i c p a 1 系统的润湿性的表征 陶瓷液态金属的润湿系统图见图12 1 ”i 。 备警鎏 ( a )( b ) 图1 2 陶瓷液态金属润湿系统图( a ) 润湿；( b ) 不润湿 图中， y ：。：固一液界面能 y 。：液一气界面能 y 。：固一气界面能 及形状复杂的制品，这就克眼了粉禾；f i 金法制品尺寸和形状受到限制的不 足。 13 3 l a n x i d e t m 技术的缺点及局限性 作为液态法中的一种，l a n x i d e n l 工艺和传统的铸造法一样存在着s i c 颗 粒和金属铝液润湿性差的问题：而s i c p a i 系统会发生界面反应，生成a l 。c 3 等脆性相，致使最终的复合材料界面较差，从而对材料的物理机械性能造成 不良影响。 目前，l a n x i d e n l 工艺只能在一定条件下才能实现，即合金含镁和氮气环 境，这是无压渗透工艺的局限之所在。另外，s i c p 增强体某些部位不能完全 渗透，产品中可能存在少量气孔，生产过程时间较长，这也是该工艺的主要 缺点。 1 4 无压渗透工艺( p l i 或l a n x i d e t m ) 中需解决的s i c p a i 系统 的润湿问题 1 4 1 s i c p a i 系统的润湿概述 t 4 1 1 s i c p a 1 系统的润湿性的表征 陶瓷液态金属的润湿系统图见图12 1 ”i 。 备警鎏 ( a )( b ) 图1 2 陶瓷液态金属润湿系统图( a ) 润湿；( b ) 不润湿 图中， y ：。：固一液界面能 y 。：液一气界面能 y 。：固一气界面能 及形状复杂的制品，这就克眼了粉禾；f i 金法制品尺寸和形状受到限制的不 足。 13 3 l a n x i d e t m 技术的缺点及局限性 作为液态法中的一种，l a n x i d e n l 工艺和传统的铸造法一样存在着s i c 颗 粒和金属铝液润湿性差的问题：而s i c p a i 系统会发生界面反应，生成a l 。c 3 等脆性相，致使最终的复合材料界面较差，从而对材料的物理机械性能造成 不良影响。 目前，l a n x i d e n l 工艺只能在一定条件下才能实现，即合金含镁和氮气环 境，这是无压渗透工艺的局限之所在。另外，s i c p 增强体某些部位不能完全 渗透，产品中可能存在少量气孔，生产过程时间较长，这也是该工艺的主要 缺点。 1 4 无压渗透工艺( p l i 或l a n x i d e t m ) 中需解决的s i c p a i 系统 的润湿问题 1 4 1 s i c p a i 系统的润湿概述 t 4 1 1 s i c p a 1 系统的润湿性的表征 陶瓷液态金属的润湿系统图见图12 1 ”i 。 备警鎏 ( a )( b ) 图1 2 陶瓷液态金属润湿系统图( a ) 润湿；( b ) 不润湿 图中， y ：。：固一液界面能 y 。：液一气界面能 y 。：固一气界面能 湖南大学硕士研究半毕业论文 臼：润湿角 所谓润湿性就是液相金属对s i c 固相表面浸润的能力，通常以润湿角 来表征润湿性的好坏。润湿角愈小，润湿性愈好。根据杨氏方程： y s v = y s l + yl 、，c o s 0 或0 = a r c c o s ( 尘土二坠) y l o 只有当0 0 时，才能形 成润湿。 由于固体界面能t 。难以测量，所以可用固一液的粘着功来表示润湿： w s l2y s v y l v + y s l 。y l v ( 1 + c o s e ) w 。的值越高，表示固液界面的结合愈稳定，液态金属对陶瓷增强体的润湿 性越好。 1 4 1 2s i c p a 1 系统润湿性的描述 s i c 颗粒属于共价键结合，而铝则以金属键相结合，二者之间的化学相 容性差，故而s i c p a l 系统的润湿性较差，在1 0 0 0 ( 2 以下，s i c p a l 基本上 不润湿1 2 1 | 。有资料表明2 2 l ，7 0 06 c 时，保温1 5 分钟测得的s i c p a 1 的润湿角 约为1 3 0 。，远大于9 0 。s i c p a i 的润湿性差是由于铝熔体表面上存在一 层薄的a 1 2 0 3 膜，阻止了s i c p 与a l 的直接接触。故实际上，s i c p a 1 的润湿 就成了s i c p ( a i z 0 3 ) 的润湿。 有文献表明l 划，s i c p a i 系统从不润湿到润湿存在一个转变温度( t ) ： 转变温度的存在是由于s i c p a i 界面上存在氧化膜( a 1 2 0 3 ) ，而它的值则由 金属通过氧化物层的扩散动力学决定。许多学者对t t 进行了研究j 但不同学 者得出的转变温度值不尽相同，甚至有较大差距。张永俐等人认为转变温 度是9 8 2 。c ：w a r r e n l 2 1 i 等指出t t 为9 5 0 + c ：l a u r e n t l 2 2 j 则认为t t 为7 4 0 “c 。 多数资料显示，t t 值在9 5 0 c 附近较为可信。d e l a n n a y 等人1 2 0 l 认为9 5 0 是液态铝穿透氧化物阻挡层所需的极限温度r o c h e r 等人1 2 4 2 5 l 认为温度大 于8 5 0 9 0 0 。c 时，液态与a 1 2 0 3 发生如下反应： 湖南大学硕士研究生毕业论文 a 1 2 0 3 + 4 a = 3 a 1 2 0 a i ：o 易挥发( 8 5 0 。c ) ，a 1 2 0 3 层减薄，致使液态a l 与s i c p 陶瓷相直接接 触，从而增强了液态铝对s i c p 的润湿。 1 4 2 影响s i c p a i 系统润湿的因素及改善润湿的方法 1 4 2 1 影响s i c p a 1 润湿的因素 s i c p a i 润湿性差主要是由手s i c p a i 界面上氧化膜的存在，但其他一些 诸如温度、保温时间、界面反应等因素对s i c p a i 的润湿也起着重要的影响。 一般而言，界面上存在界面反应有利于润湿，能降低接触角0 ( 润湿角) ，这 主要是由于生成的物质在性质上更具有金属性可以更好地与金属基体相结 合。铝与s i c 发生如下反应： 4 a 1 + 3 s i c = a 1 4 c 3 + 3 s i a l 。c 3 比s i c 更具金属性，可在a i 与s i c p 之间形成一个过渡层，有利 于a i 向s i c p 中的扩散，故能降低 润湿角0 ，促进渗透。温度对润湿 的影响极大，提高温度，可降低润4 湿角。v l a u r e n t 等人【2 2 1 研究指出， 二 7 0 0 。c 下，保温1 小时用座滴法测得蠢 的s i c p a 1 的润湿角口为1 0 6 。，而 7 7 0 下，润湿角变为5 8 。同样， 保温时间也对s i c p a l 润湿有着显 著影响。真空条件下，润湿角随保 时阊( 分) 温时间增长而变小，7 0 0 f ， 1 8 0 0 l7 0 0 。3 9 0 0 c 1 0 0 0 c s - 1 1 0 0 c s i c p a 1 的润湿角从保温1 5 分钟时 图13 不同温度下s i c p a 1 的0 - t 图1 2 7 的大约1 3 0 。降至保温1 2 0 分钟时 的大约8 0 。p e t e v e s 等人认为，在s i c p a i 系统中，从不润湿向润湿的 转变温度t 。随着保温时间的增加而降低。图1 3 为不同温度下s i c p a i 的0 t 图。 湖南大学硕士研究生毕业论文 a 1 2 0 3 + 4 a = 3 a 1 2 0 a i ：o 易挥发( 8 5 0 。c ) ，a 1 2 0 3 层减薄，致使液态a l 与s i c p 陶瓷相直接接 触，从而增强了液态铝对s i c p 的润湿。 1 4 2 影响s i c p a i 系统润湿的因素及改善润湿的方法 1 4 2 1 影响s i c p a 1 润湿的因素 s i c p a i 润湿性差主要是由手s i c p a i 界面上氧化膜的存在，但其他一些 诸如温度、保温时间、界面反应等因素对s i c p a i 的润湿也起着重要的影响。 一般而言，界面上存在界面反应有利于润湿，能降低接触角0 ( 润湿角) ，这 主要是由于生成的物质在性质上更具有金属性可以更好地与金属基体相结 合。铝与s i c 发生如下反应： 4 a 1 + 3 s i c = a 1 4 c 3 + 3 s i a l 。c 3 比s i c 更具金属性，可在a i 与s i c p 之间形成一个过渡层，有利 于a i 向s i c p 中的扩散，故能降低 润湿角0 ，促进渗透。温度对润湿 的影响极大，提高温