鑄造鋁基復合材料的凝固過程

摘 要：鋁合金及其復合材料是工程應用中最具競爭力的材料體系之一，已廣泛應用于航空航天、建筑、汽車、船舶、日用品等工業領域。本論文積極展開廠先進制備技術和高強鋁基復合材料的研究開發工作，通過增強顆粒組分的原始創新和制備技術的原始性創新獲得力學性能的指標。

關鍵詞：離心鑄造 梯度功能材料 場耦合

中圖分類號：TB33 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（a）-0071-01

近代科學技術的發展，特別是宇航、火箭、原子能以及機械和化工等工業的發展，對工程材料性能的要求越來越高，如高比強度、高比剛度、耐高溫、抗腐蝕、抗疲勞等。這對于單一的金屬材料、陶瓷材料或高分子材料來說多是較難實現的，因此就促進了金屬基復合材料的問世與發展。與傳統材料相比，顆粒增強金屬基復合材料不僅兼有金屬的高韌性、高塑性優點和增強顆粒的高硬度、高模量優點，而且材料各向同性，可采用傳統的金屬加工工藝進行加工，因此備受大家關注。碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的密度僅為鋼的1/3，但其強度比純鋁和中碳鋼都高，且還具有較高的耐磨性，可以在300℃～350℃的高溫下穩定工作，目前已應用于發動機活塞、連桿和剎車片。

1 鋁基復合材料的應用

顆粒增強鋁基復合材料具有高的比強度和比剛度、耐磨、耐疲勞、低的熱膨脹系數、高的微屈服強度、良好的尺寸穩定性和導熱性等優異的力學性能和物理性能，以及材料的可設計性、并可用傳統金屬材料加工方法加工成形等特點，是最具廣闊發展前景的金屬基復合材料之一，可廣泛應用予航空航天、軍事、汽車、電子、體育運動等領域。因此，從20世紀80年代初開始，世界各國競相研究開發這類材料，從材料的制備工藝、微觀組織、力學性能與斷裂韌性等角度進行了許多基礎性研究工作，取得了顯著成效。目前，各國相繼進入了顆粒增強鋁基復合材料的應用研發階段，在美國和歐洲發達國家，該類復合材料的工業應用已逐步開始，并且被列為2l世紀新材料應用開發的重要方向。由于鋁基復合材料是由基體鋁或者鋁合金與另外一種或者幾種不同物質以不同方式組合而成，它可以發揮各種材料的優點，克服單一材料的缺陷，擴大材料的應用范圍。復合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點，已逐步取代木材及金屬合金，廣泛應用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、健身器材等領域，在近幾年更是得到了飛速發展。

2 復合材料的性能特點

復合材料是一種混合物，在很多領域都發揮了很大的作用，可代替了很多傳統的材料。復合材料按其組成分為金屬與金屬復合材料、非金屬與金屬復合材料、非金屬與非金屬復合材料。按其結構特點又分為：（1）纖維復合材料。將各種纖維增強體置于基體材料內復合而成。如纖維增強塑料、纖維增強金屬等。（2）夾層復合材料。由性質不同的表面材料和芯材組合而成。通常面材強度高、薄；芯材質輕、強度低，但具有一定剛度和厚度。分為實心夾層和蜂窩夾層兩種。（3）細粒復合材料。將硬質細粒均勻分布于基體中，如彌散強化合金、金屬陶瓷等。（4）混雜復合材料。由兩種或兩種以上增強相材料混雜于一種基體相材料中構成。與普通單增強相復合材料比，其沖擊強度、疲勞強度和斷裂韌性顯著提高，并具有特殊的熱膨脹性能。分為層內混雜、層間混雜、夾芯混雜、層內/層間混雜和超混雜復合材料。

3 鋁基復合材料的制備

國內外關于顆粒增強鋁基復合材料的制造方法，按照增強顆粒的加入方式可分為強制加入和原位生成兩種方法。對于電子封裝用高體積分數鋁基復合材料制備工藝有多種，國內比較成熟的有粉末冶金法、壓力鑄造法、浸滲法（真空浸滲、真空壓力浸滲）等。粉末冶金法是將陶瓷粉末和基體合金（如鋁合金）粉末按照一定配比混合，在一定形狀的磨具中加壓成型，制成毛坯，然后在真空中加熱、加壓使其燒結到一起成為零件。這種工藝可以制成形狀比較復雜的零件，成形精度較高，從而減少后期的機械加工。缺點是原材料以及設備成本和工藝成本較高，材料致密度較低，氣密性較差，由于加熱時間較長，往往存在界面反應壓力浸滲法是指將液態金屬在一定壓力下浸滲到增強體預制塊空隙中，并在壓力下凝固獲得復合材料的方法，常用來作高體積分數的鋁基復合材料。工藝概述：先把預制塊預熱到一定溫度，然后將其放到預熱的鑄型中，澆入液態金屬并加壓使液態金屬浸滲到預制體的空隙中，保壓直到凝固完畢，從鑄型中取出即可獲得復合材料。

無壓浸滲法是Aghaianian等于1989年在直接金屬氧化工藝的基礎上發展而來的一種制備復合材料的新工藝將基體合金放在可控氣氛的加熱爐中加熱到基體合金液相線以上溫度，在不加壓力和沒有助滲劑的參與下，液態鋁或其合金借自身的重力作用自動浸滲到顆粒層或預制塊中，最終形成所需的復合材料。[4]我們實驗室采用的就是真空壓力浸滲法，我們采用的真空壓力浸滲法在坩堝底部放上預制件，上面放上金屬基體，然后用真空對坩堝抽真空，真空度達到-200 kPa，然后升溫爐體，溫度升到700 ℃鋁液全部熔化后，再對坩堝加壓，壓強達到10～40 MPa。由此得到的復合材料的致密性最好，因為他是在抽過真空以后又在壓力下浸滲進去，克服了無壓浸滲和粉末冶金的致密性不高和氣密性差的缺點。

4 鋁基復合材料的加工

為了制成實用的鋁基復合材料構件，需要對鋁基復合材料進行二次成型加工和切削加工。由于增強物的加入給復合材料的二次加工帶來了很大的困難，顆粒增強鋁基復合材料增強物硬度高、耐磨，使這種復合材料的切削加工十分困難，對于纖維增強鋁基復合材料構件一般在復合過程中完成成型過程，輔以少量的切削加工和連接即成構件。而對于短纖維、晶須、顆粒增強鋁基復合材料，則可采用鑄造、塑性成形、焊接、切削加工等二次加工制成實用的鋁基復合材料構件。目前鑄造成形方法按增強材料和金屬液基體的混合方式不同，可分為攪拌鑄造：可分為液態機械攪拌法和半固態機械攪拌法；正壓鑄造：分為擠壓鑄造和離心鑄造；負壓鑄造：真空吸鑄法和自浸透法。

由于增強顆粒與基體的潤濕性較差我們可以采取以下措施：金屬基題中加入Mg、Li等合金降低表面張力，改善潤濕性；對增強顆粒表面進行預處理，去除表面污染物，改善顆粒與基體的潤濕性。在鑄造法中增強顆粒一般與基體密度相差較大，且兩者互不潤濕因而容易出現上浮，下沉的情況。解決辦法：提高金屬熔體的粘度，減小增強顆粒的粒徑使顆粒上浮、下沉的速度變小，從而使組織均勻、性能提高。增強體的存在使溫度場和濃度場、晶體生長的熱力學和動力學過程發生變化。在非平衡凝固條件下，這些變化將對復合材料的組織性能有著明顯的影響。

參考文獻

[1]倪增磊，王愛琴.鋁基復合材料的制備方法[J].材料熱處理技術.

[2]樊建中，桑吉梅.顆粒增強鋁基復合材料的研制、應用與發展[C]//鋁加工高新技術文集.