（華中科技大學 材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074）

液態(tài)、半固態(tài)金屬的流變性是指在外力作用下熔體的流動、變形能力，而流變性能主要表現(xiàn)為粘度或表觀粘度的變化規(guī)律，通常用粘度或表觀粘度（ηa）作為流變性的指標[1]。粘度是熔體的一個非常重要的物理性質(zhì)，用來描述流體的流動阻力，由剪切應力與速度梯度的比值導出[2—3]。目前對于液態(tài)、半固態(tài)漿料的粘度或表觀粘度研究更多集中在金屬合金，對于復合材料的研究相對較少，并且納米級增強顆粒對粘度的影響尚無定論。

Wang[4]研究了Al2O3/ZA22 合金的流變性能，認為添加的微米級顆粒導致復合材料表觀粘度迅速提高，顆粒尺寸越小粘度越高，粘滯力的提升是復合熔體表觀粘度增加的主要原因，另一個原因是氣體隨微粒一起進入。張楨林等[5]研究了體積分數(shù)為10%，15%，20%的微米級SiCp對SiCp/A357 復合材料熔體半固態(tài)表觀粘度影響機理，發(fā)現(xiàn)隨著SiCp含量的增加，復合材料表觀粘度增大，其他條件不變時，隨著剪切速率增大，其表觀粘度降低。當考慮SiCp所占固相率，保持復合材料的總固相分數(shù)不變時，因為α-Al 數(shù)目變少，所以表觀粘度低于基體合金的。Sohrabi 等[6]研究了SiC 添加量不同時（體積分數(shù)為5%，15%，25%），A356 的流變行為，發(fā)現(xiàn)微米級SiC 含量增加時粘度增加，剪切速率增加粘度下降，并且添加高含量SiC 時流體觸變特性更加明顯。

文中研究了SiCp質(zhì)量分數(shù)不同時，液相線以上高溫降至凝固區(qū)間過程中，納米SiCp/Al-5Cu 復合材料和納米SiCp/A356 復合材料的整體流變行為，著重分析了液相線以上液態(tài)時由納米SiCp含量帶來的表觀粘度差異。

1 實驗

1.1 復合材料制備

制備了Al-5Cu 合金和A356 合金兩種基體的納米SiCp增強鋁基復合材料，基體合金的化學成分如表1 所示。外加增強顆粒粉末為納米級β-SiC 陶瓷顆粒，平均粒徑為40 nm，純度＞99.9%。

表1 兩種基體合金的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Chemical compositions of two matrix alloys (mass fraction) %

納米SiC 顆粒增強鋁基復合材料的制備方法參考本課題組已發(fā)表的論文[7—10]，制備了納米SiC 添加量不同（質(zhì)量分數(shù)為0，0.5%，1%，1.5%，2%）的SiCp/Al-5Cu 復合材料5 種，以及納米SiC 添加量不同（質(zhì)量分數(shù)為0，0.5%，1%，2%）的SiCp/A356（Al-Si 合金基體）復合材料4 種。

根據(jù)相圖及相關(guān)文獻，Al-5Cu 的液相線溫度為650 ℃[11]，A356 合金的液相線溫度為615 ℃[12]。

1.2 表觀粘度測試

采用同軸旋轉(zhuǎn)圓筒法測試復合材料熔體的表觀粘度，粘度測試儀型號為RTW-10 型（東北大學研制），示意圖如圖1 所示。切取已制備好的納米SiC顆粒增強復合材料圓棒試樣140～150 g，放進特定石墨坩堝9 中，坩堝內(nèi)徑為40 mm，高度為70 mm，然后放入電阻爐7 中加熱至760 ℃熔融，打開電腦2 和控制柜1。溫度在達到200 ℃時通高純氬氣，此后全程氬氣保護，并全程通循環(huán)冷卻水保護爐體。實驗開始后，電阻爐由計算機測量系統(tǒng)程序加熱控溫。

圖1 同軸旋轉(zhuǎn)圓筒法測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of coaxial rotating cylinder test device

通過測量系統(tǒng)程序獲得熔體漿料不同定點溫度下的表觀粘度或連續(xù)冷卻溫度-粘度曲線。在標定零點之后，由于已獲得粘度常數(shù)，可以開始測量粘度。將懸掛在坩堝上方預熱好的鉬測頭8 插入熔體中距底部10 mm 處，通過升降機控制鉬測頭位置。在不同的選定溫度下，表觀粘度的測定按組進行，每組包含30 個熔體表觀粘度值，記錄后20 個值，計算平均值和標準差。當?shù)? 組數(shù)值出來時，計算前60 個數(shù)值的平均值和標準差。此外，還得到了不同冷卻速度下熔體的連續(xù)冷卻溫度曲線，表明了表觀粘度與溫度之間的關(guān)系。最后，關(guān)掉程序，在300 ℃以下時關(guān)閉氬氣和冷卻水。

測試原理如下：當剛玉桿上連接的鉬測頭在含有復合材料漿料的同軸圓筒容器中勻速旋轉(zhuǎn)時，會發(fā)生鉬測頭與容器壁之間的流體運動。流體的運動形成了一個速度梯度，由于流體的動態(tài)粘滯力作用，產(chǎn)生了一個力矩來平衡流體運動所產(chǎn)生的速度梯度。利用吊絲懸掛系統(tǒng)傳感器對剛玉桿的力矩和角速度進行了精確測量，計算出了流體的表觀粘度。

一般，當產(chǎn)生力矩（M）的速度梯度在流體層流中保持恒定時，力矩（M）由式（1）計算：

式中：r為鉬測頭的半徑；R為石墨坩堝容器的半徑；h為鉬測頭插入石墨坩堝容器中漿料的深度；ω為鉬測頭的角速度；η為熔體漿料的表觀粘度。根據(jù)式（2）計算熔體的表觀粘度η：

式中：K是系統(tǒng)的測定粘度常數(shù)，由已知標準液測定。

文中吊絲懸掛系統(tǒng)和鉬測頭以12 r/min 的固定速度旋轉(zhuǎn)，即固定了剪切速率為13.2 s-1，且在整個測量過程中保持不變。剪切速率（）可以通過電機轉(zhuǎn)速（n）確定，計算如式（4）所示：

2 結(jié)果及討論

2.1 納米 SiCP 增強鋁基復合材料的鑄態(tài)組織

選取了制備的納米SiCp質(zhì)量分數(shù)為0.5%和1%的SiCp/Al-5Cu 復合材料，其不同放大倍數(shù)的鑄態(tài)組織如圖2 所示。除納米SiCp顆粒外，Al-5Cu 基體組織中主要包含α-Al，Al2Cu 及少量AlCuMn 金屬間化合物相等[7,9]。

以納米SiCp質(zhì)量分數(shù)為2%的SiCp/A356 復合材料為例，其不同放大倍數(shù)的鑄態(tài)組織如圖3 所示。除納米SiCp顆粒外，A356 合金（Al-Si 合金）基體組織中主要包含α-Al、共晶Si 相以及少量化合物相等[8,10]。

圖2 SiCp 質(zhì)量分數(shù)不同時SiCp/Al-5Cu 復合材料的鑄態(tài)組織Fig.2 Microatructure of SiCp/Al-5Cu composites with different content of SiCp in as-cast state

2.2 納米SiCp/Al-5Cu 復合材料漿料的表觀粘度

2.2.1 不同含量納米SiCp/Al-5Cu 復合材料的表觀粘度

圖3 SiCp 質(zhì)量分數(shù)為2%的SiCp/A356 復合材料的鑄態(tài)組織Fig.3 Microatructure of 2 wt.% SiCp/A356 composites in as-cast state

基體合金（納米SiCp添加量為0）和不同添加量（納米SiCp質(zhì)量分數(shù)為0.5%，1%，1.5%，2%）的納米SiCP/Al-5Cu 復合材料在不同溫度下的表觀粘度曲線見圖4?？梢钥闯觯瑴囟仁怯绊憦秃喜牧媳碛^粘度的一個重要因素。隨著溫度的降低，同一復合材料熔體漿料的表觀粘度會迅速上升。將基體合金到添加量依次為0.5%，1%，1.5%，2%（質(zhì)量分數(shù)）的納米SiCp/Al-5Cu 復合材料的每組試樣，從最高720 ℃降至640 ℃，其表觀粘度分別上升了146%，135%，64%，27%，32%，其中上升幅度最大的是基體合金，最小的1.5%和添加量為2%的SiCp漿料（二者比較接近），這是因為復合材料在640 ℃時已經(jīng)是半固態(tài)狀態(tài)，表明：①在液態(tài)熔體中，增強顆粒對復合材料的表觀粘度有很大的影響；② 半固態(tài)時，基體合金和復合材料的表觀粘度差異相比液態(tài)時變小，這時表觀粘度受固相率的影響，即基體合金隨著固相率的增加，表觀粘度也會急劇增加，增強顆粒對表觀粘度的影響比例逐漸減弱。

圖4 基體合金和不同添加量的納米SiCp/Al-5Cu復合材料的表觀粘度與溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between apparent viscosity and temperature of matrix alloys and nano-SiCp/Al-5Cu composites with different content of nano-SiCp

由圖4 可知，在同樣溫度下，隨著納米SiCp含量的增加，相比于基體合金，復合材料的表觀粘度迅速增加，在質(zhì)量分數(shù)達到2%，復合材料表觀粘度最高?；w合金與納米SiCp質(zhì)量分數(shù)為0.5%，1%，1.5%，2%的納米SiCp/Al-5Cu 復合材料在最高720 ℃時的表觀粘度分別為0.46，0.58，0.92，1.33，1.73 Pa·s。納米SiCp質(zhì)量分數(shù)不同時，復合材料表觀粘度的提升程度如表2 所示，相比基體合金，各含量的復合材料分別提升了27%，101%，190%，279%。在納米SiCp質(zhì)量分數(shù)達到2%時，表觀粘度提升幅度最大，這表明液態(tài)下復合材料中由于添加了納米SiCp，導致基體合金熔體增大了粘滯力，隨著含量的上升，粘滯力大大提高。從表2 還可看出，在640 ℃半固態(tài)時，基體合金與納米SiCp質(zhì)量分數(shù)為0.5%，1%，1.5%，2%的納米 SiCp/Al-5Cu 復合材料的表觀粘度分別為1.13，1.36，1.51，1.69，2.28 Pa·s，相比基體合金，各含量的復合材料分別提升了 21%，34%，50%，102%，SiCp質(zhì)量分數(shù)達到2%時，表觀粘度提升幅度同樣最大，但是相比于同含量液態(tài)下的提升幅度值，明顯減小，這同樣說明在半固態(tài)時，α-Al 固相率的增加，增強顆粒影響表觀粘度的比重迅速減小。此外，Al-5Cu 基體合金的冷卻曲線斜率最大，表明溫度降低時，Al-5Cu 合金的表觀粘度上升最快。

表2 相比基體合金不同質(zhì)量分數(shù)納米SiCp下復合材料表觀粘度的提升程度Tab.2 Improvement of apparent viscosity of composites with different content of nano-SiCp %

使用納米SiCp的質(zhì)量分數(shù)（mSiC）來代替體積分數(shù)φ，從而建立復合材料的表觀粘度（ηAMC）相比于基體合金（ηA）的增幅（ηAMC/ηA）模型，相關(guān)二次多項式模型[13]如式（5）所示：

式中：系數(shù)a、b和常數(shù)c可以通過擬合圖4 曲線計算得到，660，680，700，720 ℃這4 個溫度下的擬合見公式（6—9），依次如下：

式（6—9）4 個模型的擬合度分別是0.97，0.99，0.99，0.99，擬合度均非常高，由此可知，式（6—9）模型可以作為有效模型，用以預測評估納米SiCp含量在不同溫度下對Al-5Cu 基復合材料相比基體合金表觀粘度的增幅情況，進而推斷Al-5Cu 基復合材料在不同條件下的表觀粘度，并且說明了納米SiCp顆粒含量對復合材料表觀粘度的影響是呈二次項增長的。另外，由式（6—9）可知，溫度越高的情況下，隨著SiCp含量上升，在液相線以上時對復合材料表觀粘度增幅影響越大，由此可以看出溫度對表觀粘度的影響極其重要。

綜上所述，納米SiCp含量和溫度是影響復合材料表觀粘度的兩個重要因素，實驗數(shù)據(jù)制作三維曲面圖可以更清晰地說明納米SiCp含量和溫度對表觀粘度的影響規(guī)律，如圖5 所示。

圖5 納米SiCp/Al-5Cu 復合材料表觀粘度與SiCp 含量及溫度的關(guān)系Fig.5 Relationship between apparent viscosity and SiCP content and temperature of nano-SiCP/Al-5Cu composites

2.2.2 不同含量納米SiCp/Al-5Cu 復合材料的觸變特性

觸變特性是半固態(tài)金屬在一定剪切速率下，表現(xiàn)出粘度的時間依賴性，是一種暫態(tài)流變行為，是當剪切速率一定時，漿料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷被破壞，表觀粘度在一段時間內(nèi)逐漸下降的特性[14]。觸變性是研究流變行為里最重要的一個方面。本實驗中，測試儀以12 r/min 的固定速度旋轉(zhuǎn)，即固定了剪切速率為13.2 s-1，實驗溫度選擇700 ℃。復合材料由于納米顆粒的加入，使得其在液態(tài)時是一個復雜的動態(tài)懸浮系統(tǒng)，不同于Al-5Cu 合金的傳統(tǒng)牛頓流體熔液。半固態(tài)合金尤其接近液相線，形核晶粒在微米級以下時的狀態(tài)與復合材料很相似，具有很大的參考價值。

基體合金和不同含量納米SiCp/Al-5Cu 復合材料在700 ℃下的觸變性見圖6，從圖6 可知，首先當鉬測頭開始旋轉(zhuǎn)測量時，所有基體合金和復合材料曲線的表觀粘度值均開始下降，然后Al-5Cu 合金的曲線在中間時間保持平穩(wěn)后繼續(xù)輕微下降，而其他復合材料的表觀粘度值在達到最小值后均開始上升。這種情況可以由以下原因闡釋：不同含量納米SiCp的復合材料一開始在鉬測頭以固定剪切速率攪拌時，如同基體合金表現(xiàn)的觸變特性一樣，表觀粘度值均開始下降，然后繼續(xù)下降直到達到一個熔體穩(wěn)定流動的狀態(tài)。然后，復合材料的表觀粘度值隨后開始逐漸上升，這是因為：①由于納米SiCp的高比表面積，容易自發(fā)在熔體中團聚，當團聚變大時會嚴重影響復合材料漿料的表觀粘度；② 由于時間過長造成的一定氧化和納米SiCp與α-Al 發(fā)生化學反應形成的熔體渣增加了固相率，提高表觀粘度；③實際操作中的坩堝杯型較小，液面張力大，在浮渣生成的情況下進一步減小有效液面積。

圖6 基體合金和不同添加量的納米SiCp/Al-5Cu復合材料在700 ℃下的觸變性行為Fig.6 Thixotropic behavior of matrix alloy and nano-SiCp/Al-5Cu composites with different content of nano-SiCp at 700 ℃

2.3 納米SiCp/A356 復合材料漿料的表觀粘度

A356 基體合金（納米SiCp添加量為0）和不同添加量（納米SiCp質(zhì)量分數(shù)為0.5%，1%，2%）的納米SiCp/A356 復合材料在670，700，730 ℃的表觀粘度的關(guān)系，如圖7 所示?？梢钥闯?，與Al-5Cu 復合材料規(guī)律類似，隨著溫度的升高，同一復合材料熔體漿料的表觀粘度會迅速下降，并且670 ℃到700 ℃時的下降幅度明顯大于700 ℃到730 ℃的幅度。這說明，熔體過熱度越高，粘度變化越平緩，但考慮實際氧化的問題，制備復合材料一般在700 ℃左右進行超聲等工藝處理，并全程施加高純氬氣保護。下降幅度最大的是A356 基體合金，最小的是質(zhì)量分數(shù)為2%的納米SiCp/A356 復合材料，說明在液態(tài)時，增強顆粒對復合材料的表觀粘度有很大影響。從表3 可以看出，隨著納米SiCp含量上升，相比基體A356 合金，同溫度下熔體表觀粘度增加且增加幅度變大，2%時增幅最大。這表明液態(tài)下的A356 復合材料中由于添加了納米SiCp，改變了熔體的粘滯力，隨著含量的上升，納米SiCp與Al 粘滯力大大提高。綜上，納米SiCp含量和溫度同樣也是影響A356 復合材料表觀粘度的兩個重要因素。

圖7 A356 基體和納米SiCp/A356 復合材料表觀粘度與SiCp 質(zhì)量分數(shù)及溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between apparent viscosity of A356 matrix and nano-SiCP/A356 composites with SiCp content and temperature

表3 相對于基體合金不同質(zhì)量分數(shù)納米SiCp/A356復合材料表觀粘度的提升幅度Tab.3 Improvement of apparent viscosity of nano-SiCp/A356 composites with different content of nano-SiCp %

建立關(guān)于納米SiCp含量與納米SiCp/A356 復合材料的表觀粘度（ηAMC）相比于基體合金（ηA）的增幅（ηAMC/ηA）模型，參考式（5）得到式（6）模型，用以擬合圖7 中3 個溫度下的曲線，670，700，730 ℃下的擬合見式（10—12）：

式（10—12）這3 個模型的擬合度分別為0.89，0.93，0.94，擬合度均非常高，由此可知，式（10—12）模型可以作為預測納米 SiCp含量在不同溫度下對A356 復合材料相比基體表觀粘度增幅情況的有效模型，并且結(jié)合前面研究納米SiCp/Al-5Cu 復合材料的結(jié)論，可以獲得納米SiCp增強鋁基復合材料表觀粘度隨納米SiCp含量變化關(guān)系的一般規(guī)律。

比較納米SiCp/Al-5Cu 和A356 兩種復合材料在700 ℃下的表觀粘度，可以看出，在同等條件下，A356基體合金（Al-7Si）要比Al-5Cu 合金的粘度小。隨著納米SiCp的含量增加，兩種復合材料的表觀粘度均增加，但是比值逐漸變大，說明納米SiCp對Al-5Cu復合材料的表觀粘度增幅程度比A356 的增幅要大。

3 結(jié)論

研究了不同含量下納米SiCp/Al-5Cu 和納米SiCp/A356 兩種復合材料的表觀粘度受溫度和納米SiCp含量這兩個重要因素的影響。主要結(jié)論如下。

1）隨著納米SiCp含量的增加，復合材料的表觀粘度相比于基體合金會迅速增加，達到最大質(zhì)量分數(shù)2%時，復合材料表觀粘度最高，并且提升幅度最大。

2）隨著溫度的降低，同一復合材料熔體漿料的表觀粘度會迅速上升。在溫度處于半固態(tài)時，基體合金和復合材料的表觀粘度差異相比液態(tài)時變小，這時表觀粘度受半固態(tài)固相率的影響很大，增強顆粒對表觀粘度的影響比重逐漸減弱。

3）建立了納米SiCp含量與復合材料的表觀粘度（ηAMC）相比于基體合金（ηA）的增幅數(shù)學模型。

4）在同等條件下，A356 基體合金（Al-7Si）比Al-5Cu 基體合金的粘度小。隨著納米SiCp的含量增加，納米SiCp對Al-5Cu 的復合材料表觀粘度增幅程度比A356 的增幅要大。