盧才璇，王利民，何 衛(wèi)，湯 超，吳 昊，陳勝男，吳細(xì)毛

（1.南瑞集團(tuán)有限公司，南京 211106；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽 110004）

引言

鋁合金材料具備重量輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、汽車工業(yè)、電力、建筑等行業(yè)有著廣泛應(yīng)用。在軍工和汽車領(lǐng)域，以鋁代鋼能夠起到輕量化的作用；在電力行業(yè)，鋁合金材料在導(dǎo)電性能、防腐性能、節(jié)能等方面都優(yōu)于鋼鐵材料，目前已廣泛替代鋼鐵材料進(jìn)行使用。與鋼鐵材料相比，鋁合金在強(qiáng)度方面可達(dá)到Q345 鋼的水平，但是彈性模量卻只有鋼的1/3，作為結(jié)構(gòu)材料剛度遠(yuǎn)不如鋼鐵，這也是限制其作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的瓶頸。目前鋁合金材料（包括鋁基復(fù)合材料）研究的重點(diǎn)主要在于提升材料的強(qiáng)度，對(duì)于材料模量的提升關(guān)注相對(duì)較少，一種既具備高強(qiáng)度又有高模量的鋁合金材料在工業(yè)領(lǐng)域勢(shì)必會(huì)更受歡迎。

提升鋁合金材料強(qiáng)度的方法主要是添加增強(qiáng)相，包括原位生成的增強(qiáng)相和外加的增強(qiáng)相。添加合金元素雖然能夠生成第二相對(duì)材料起到強(qiáng)化作用，能夠顯著提升材料的強(qiáng)度，但對(duì)材料彈性模量提升并不明顯。表1列出了幾種典型鋁合金材料強(qiáng)度與彈性模量值[1]，可以看出，不同系列鋁合金材料雖然強(qiáng)度有差異，但是彈性模量均在70 GPa 左右。添加顆?；蚶w維等增強(qiáng)相形成鋁基復(fù)合材料不僅能明顯提升材料強(qiáng)度，而且對(duì)彈性模量的提高也有顯著作用，表2 列出了幾種鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與彈性模量等力學(xué)性能[2-4]，添加增強(qiáng)相對(duì)材料彈性模量的提升較為明顯。在這之中，SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是研究最為廣泛也是效果最為顯著的一種高模量鋁合金材料，本文將探討高模量SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究進(jìn)展。

表1 幾種常用鋁合金材料的力學(xué)性能

表2 鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能

1 SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備工藝

目前制備SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的工藝主要有粉末冶金、攪拌鑄造、無壓浸滲等。表3為國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)采用不同工藝制備SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能[5-10]。

表3 不同工藝制備SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能

1.1 粉末冶金

粉末冶金法是先將增強(qiáng)體顆粒與鋁合金基體用球磨等機(jī)械方式混合均勻并壓制成坯料，隨后在模具中進(jìn)行模壓或冷等靜壓及真空除氣，接著進(jìn)行熱壓燒結(jié)，最后通過塑性變形加工成所需部件。粉末冶金法的優(yōu)點(diǎn)在于增強(qiáng)體顆粒和鋁合金基體的配比控制準(zhǔn)確、方便，工藝成熟且成型溫度低，因此不存在界面反應(yīng)，質(zhì)量穩(wěn)定。缺點(diǎn)是工藝程序復(fù)雜、要求嚴(yán)格、成本高，制備的零件結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸都受到限制，難以大規(guī)模應(yīng)用。

程南璞等[6]采用粉末冶金加熱擠壓工藝制備了12%SiCp/Al復(fù)合材料，在熱壓燒結(jié)前先對(duì)碳化硅顆粒進(jìn)行表面氧化酸洗處理來改善碳化硅顆粒與鋁合金基體的界面潤(rùn)濕性，以此制備的復(fù)合材料增強(qiáng)相分布均勻，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為472.4 MPa、525.7 MPa，伸長(zhǎng)率為6.5%，彈性模量為97.2 GPa。游江等[7]利用粉末熱擠壓工藝制備了SiCp/2024 鋁基復(fù)合材料，分析測(cè)試了復(fù)合材料擠壓態(tài)和熱處理態(tài)的顯微組織及力學(xué)性能，結(jié)果表明，SiC 顆粒和析出的細(xì)小第二相粒子均勻地分布在鋁合金基體中，部分區(qū)域存在輕微團(tuán)聚的SiC 顆粒，晶粒沿?cái)D壓方向被顯著拉長(zhǎng)，剛性的SiC 顆粒長(zhǎng)軸平行于擠壓方向分布，形成熱加工纖維組織。將復(fù)合材料進(jìn)行T6 熱處理后，復(fù)合材料的晶粒比較細(xì)小，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為479 MPa、425 MPa、3.55%～4.08%。復(fù)合材料熱處理后的斷裂方式主要有3 種：SiC 顆粒的脆性斷裂、SiC 顆粒與基體合金的剝離和基體合金的韌性斷裂。

1.2 攪拌鑄造

攪拌鑄造法是將SiC 顆粒加入到熔融的鋁合金液中，使用機(jī)械或電磁或超聲作用對(duì)其進(jìn)行攪拌，將增強(qiáng)相均勻分布到鋁合金液中，隨后澆鑄得到復(fù)合材料鑄錠的方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少、生產(chǎn)效率高、制造成本低、可規(guī)?；a(chǎn)。缺點(diǎn)是加入的增強(qiáng)體顆粒不能太小，否則與基體金屬液的浸潤(rùn)性差，不易進(jìn)入金屬液或在金屬液中容易團(tuán)聚或上浮并氧化成浮渣。同時(shí)顆粒與鋁合金基體存在界面反應(yīng)，強(qiáng)烈的攪拌容易造成鋁合金液氧化，形成大量夾雜及氣泡。顆粒加入的體積分?jǐn)?shù)也受到一定限制，只能制成鑄錠，后續(xù)還需要進(jìn)行二次加工。

K M Shorowordi 等[8]分別以顆粒狀B4C、SiC 和Al2O3為增強(qiáng)相，采用攪拌鑄造法制備了鋁基復(fù)合材料。研究表明，當(dāng)攪拌時(shí)間超過30 min 時(shí)在Al-SiC界面處發(fā)生了界面反應(yīng)，而在其他兩種增強(qiáng)相界面處沒有發(fā)現(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物。Yong Yang 等[9]在攪拌鑄造過程中采用超聲分散技術(shù)實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)SiC 顆粒在A356鋁合金基體中的均勻分散，微觀組織分析表明部分SiC 顆粒表面發(fā)生了氧化生成SiO2，即便在納米級(jí)SiC 顆粒添加量很少的情況下，復(fù)合材料也表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，當(dāng)SiC 顆粒添加量為2.0%時(shí)，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度較基體提升了50%。郝世明等[10]采用液態(tài)攪拌鑄造工藝制備了SiCp含量分別為15%和20%的SiCp/ZL108 鋁基復(fù)合材料，在基體中加入不同體積分?jǐn)?shù)的SiC 顆粒后，顆粒分布均勻、組織致密，增加了復(fù)合材料中的位錯(cuò)密度，抗拉強(qiáng)度、彈性模量得到提高，材料的磨損性能也有大幅度的改善。

1.3 無壓浸滲

無壓浸滲是先將增強(qiáng)體制成預(yù)制件，再將預(yù)制件放入模具內(nèi)，以惰性氣體或機(jī)械裝置為壓力將金屬液壓入預(yù)制件的間隙，凝固后形成復(fù)合材料的方法。無壓浸滲法優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、成本低，不需要復(fù)雜的設(shè)備。缺點(diǎn)是增強(qiáng)體顆粒與鋁合金基體之間的潤(rùn)濕性差，容易產(chǎn)生有害界面反應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能和熱性能較差，且制備時(shí)間較長(zhǎng)。

劉秋元等[11]以SiC 粉體及兩種不同Mg 含量的鋁合金為主要原料，采用無壓浸滲工藝制備得到了兩種SiC/Al 復(fù)合材料。制備得到的SiC/Al 復(fù)合材料的主晶相均為SiC、Al，同時(shí)含有少量的Si、Mg2Si和MgAl2O4等相。10%Mg 樣品顯微結(jié)構(gòu)中存在氣孔，7%Mg 樣品則相對(duì)致密。通過對(duì)比，7%Mg 樣品性能更優(yōu)，氣孔率為0.15%，抗彎強(qiáng)度為373 MPa，界面反應(yīng)區(qū)的顯微硬度為2230 MPa。

2 SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料彈性模量影響因素

2.1 彈性模量的理論計(jì)算

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)通常指彈性模量E、屈服強(qiáng)度σyc、抗拉強(qiáng)度σb和加工硬化率θ的提高。理想狀態(tài)下的復(fù)合材料彈性模量為組成相性能的算術(shù)平均值，即：

式中，Ec、Ep和Em分別為復(fù)合材料、顆粒和基體的彈性模量；Vp和Vm分別為顆粒和基體的體積分?jǐn)?shù)。

對(duì)于顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的彈性模量而言，用簡(jiǎn)單的混合法計(jì)算誤差較大，此時(shí)需要用Halpin-Tsai公式[12,13]：

式中，E、Ep和Em分別代表復(fù)合材料、增強(qiáng)體顆粒和基體的彈性模量；s和Vp分別為增強(qiáng)顆粒的長(zhǎng)徑比和體積分?jǐn)?shù)。顆粒形狀越規(guī)則、分布越均勻，s值越容易確定，計(jì)算值就更為準(zhǔn)確。

2.2 細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響

（1）SiC顆粒尺寸

從理論分析來看，SiC 顆粒的尺寸不會(huì)對(duì)制備的復(fù)合材料彈性模量有影響，但實(shí)際制備過程中，SiC 顆粒尺寸對(duì)增強(qiáng)相在基體中的分布均勻程度有著較大的影響，最后也對(duì)制備的復(fù)合材料力學(xué)性能有一定的影響。

A O Ιnegbenebor 等[14]研究了SiC 顆粒尺寸對(duì)通過攪拌鑄造法制備的鋁基復(fù)合材料力學(xué)和電學(xué)性能的影響規(guī)律，所添加SiC 顆粒粒徑分別為3 μm、9 μm、29 μm、45 μm，結(jié)果表明，隨著添加SiC顆粒粒徑的減小，材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和硬度都有所增加。

（2）SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)

鋁合金基體的彈性模量約為70 GPa，而SiC 顆粒的彈性模量約為450 GPa，根據(jù)理論分析，添加SiC 顆粒的體積分?jǐn)?shù)越高，復(fù)合材料的彈性模量也越高。研究表明，當(dāng)SiC 顆粒體積分?jǐn)?shù)在30%以內(nèi)時(shí)，復(fù)合材料的彈性模量幾乎隨著SiC 顆粒的添加量呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)SiC 顆粒體積分?jǐn)?shù)過高時(shí)，反而由于增強(qiáng)相顆粒的團(tuán)聚和難以分散等原因使得復(fù)合材料力學(xué)性能有所降低。

原國(guó)森等[15]采用粉末冶金法制備了SiC 體積分?jǐn)?shù)分別為5%、15%和25%的SiCp/6061Al復(fù)合材料，隨著SiC體積分?jǐn)?shù)的增大，SiC在基體中的分布越來越不均勻，當(dāng)SiC體積分?jǐn)?shù)達(dá)到25%時(shí)，顆粒發(fā)生團(tuán)聚，其抗拉強(qiáng)度和耐磨性都最高。

（3）界面性能的影響

界面是復(fù)合材料十分重要的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料強(qiáng)化效果的大小取決于應(yīng)力是否能夠有效從基體相轉(zhuǎn)移到增強(qiáng)相，而界面就是這種應(yīng)力轉(zhuǎn)移的連接紐帶[16]。黃綃詠等[17]研究了界面性能對(duì)原位SiCp/7075 復(fù)合材料彈性模量的影響規(guī)律，界面性能可以顯著影響原位鋁基復(fù)合材料的彈性模量，隨著界面結(jié)合力的增加，從基體到增強(qiáng)顆粒的應(yīng)力傳遞效果越好，復(fù)合材料彈性模量值越大，這也表明界面把載荷從基體傳遞到增強(qiáng)體是復(fù)合材料彈性變形階段重要的強(qiáng)化機(jī)制。界面模量呈現(xiàn)梯度變化時(shí)，原位鋁基復(fù)合材料彈性模量隨界面第一層彈性模量的增大而增大。

3 高模量SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用

從國(guó)內(nèi)外的研究情況來看，美國(guó)和日本在SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料方面的研究取得了較大的進(jìn)展，在很多領(lǐng)域都已經(jīng)進(jìn)入了應(yīng)用階段，而國(guó)內(nèi)由于起步較晚，目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

加拿大鋁業(yè)公司Dural 鋁基復(fù)合材料公司用攪拌鑄造法制成的SiC 顆粒增強(qiáng)A356（A357）鋁基復(fù)合材料，已廣泛用于制造人造衛(wèi)星部件、飛機(jī)的液壓管、直升機(jī)起落架和閥門、三叉戟導(dǎo)彈零部件、汽車制動(dòng)盤、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和齒輪箱等。

美國(guó)杜雷耳鋁基復(fù)合材料公司開發(fā)的10%～20% SiC 顆粒增強(qiáng)A359 鋁基復(fù)合材料在室溫和高溫下都具有很好的強(qiáng)度、剛度、耐磨性能、抗蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性能，用于制造汽車零部件如剎車部件、汽缸襯套、離合器壓力板、動(dòng)力傳遞部件等。該公司同時(shí)以SiC或Al2O3顆粒作增強(qiáng)體，6061或2014變形鋁合金作基體，采用真空攪拌鑄造法制成復(fù)合材料坯錠，再用熱壓力加工方法制成材料，用來作裝甲防護(hù)材料，在相同試驗(yàn)條件下，它的防護(hù)效果分別為均質(zhì)裝甲鋼的3.09 倍和3.36 倍。SiCp/6061復(fù)合材料可取代7075 鋁合金制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)槽和角材。

美國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料公司（ACAM）開發(fā)的SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料系列以2009、2024、6061、6013、7475、7075 等為基體，以細(xì)小的SiC 顆粒作增強(qiáng)體，用粉末冶金法制成坯錠后，用常規(guī)設(shè)備和技術(shù)擠壓、鍛造和軋制成材，并且可以進(jìn)一步加工成零部件，也可以進(jìn)行黏結(jié)、鉚接、陽極氧化處理和電鍍處理。它們除了具有好的力學(xué)性能之外，還有很好的尺寸穩(wěn)定性、耐磨性能和抗腐蝕性能，縱向和橫向的性能相差很小?？蓮V泛地用于要求強(qiáng)度和剛度高，要求輕量化的場(chǎng)合。用它們制造的零部件其重量可比常規(guī)鋁合金制造的減輕30%左右。SiCp/2024 復(fù)合材料可取代傳統(tǒng)鋁合金和鈦合金制造直升機(jī)的起落架、機(jī)翼前緣加強(qiáng)筋和大的通用正弦形梁等。

4 展望

SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)性能，已經(jīng)在軍工、汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)的研究還處于早期階段，離批量生產(chǎn)及成熟應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段路要走。通過攪拌鑄造的工藝是較為可行的批量化制備鋁基復(fù)合材料的方法，但要解決SiC 顆粒與鋁合金基體的潤(rùn)濕及實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體顆粒在鋁合金基體中的均勻分布是需要重點(diǎn)解決的問題。在民用領(lǐng)域，特別是電力行業(yè)，如果能夠?qū)iC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料用到結(jié)構(gòu)件如電線桿、橫擔(dān)、各種工器具上，用以替代傳統(tǒng)鑄鐵及鋼件，具備很大的優(yōu)勢(shì)及前景。