超聲外場對SiCp/7085復合材料顆粒分布與硬度的影響

王坤，蔣日鵬，張立華，李瑞卿，李曉謙

超聲外場對SiCp/7085復合材料顆粒分布與硬度的影響

王坤1，蔣日鵬2，張立華1，李瑞卿2，李曉謙1

(1. 中南大學 機電工程學院，湖南 長沙，410083； 2. 中南大學 輕合金研究院，湖南 長沙，410083)

采用半固態機械攪拌與超聲施振的方法制備SiCp/7085復合材料，研究超聲施振時間與超聲功率對復合材料顆粒分布與布氏硬度的影響。研究結果表明：機械攪拌可實現SiC顆粒與基體的初步混合，但在攪拌過程中易形成顆粒團聚、氣體夾雜等缺陷；超聲施振后能夠有效打散微觀顆粒團聚，減少氣孔夾雜等缺陷；在本實驗條件下，最優超聲作用時間為10 min，功率為1 kW；復合材料的布氏硬度變化規律與顯微組織呈現一致性，在超聲時長為10 min、功率為1 kW工況下，其硬度達到最大值131.7 N/mm2，較未施加超聲時增加25.7%。

超聲外場；SiCp；7085復合材料；顆粒團聚；布氏硬度

隨著我國經濟快速增長，航空航天和軍工得到了迅猛發展，要求其裝備結構輕量化、可靠性高、耐久性強和抗損傷容限性能強[1]，傳統單一材料不能同時滿足既具有突出特殊性能又具有穩定性良好的綜合性能的要求。顆粒增強鋁基復合材料因其具有比強度和比模量高、耐磨性、阻尼性和導熱性良好以及熱膨脹系數小等優點，已成為實現上述目標的有效手段與技術途徑[2?4]。增強體顆粒與基體之間的潤濕能力差、增強體顆粒容易吸附氣體夾雜、基體密度差異大等造成顆粒加入困難，顆粒在集體中分布不均勻，顆粒團聚成為缺陷源，這制約了顆粒增強鋁基復合材料的發展與商業運用[5]。攪拌鑄造法是最典型的顆粒增強鋁基復合材料的制備方法，但在攪拌過程中產生的漩渦易吸入氣體和氧化夾雜，造成復材空洞缺陷以及使氣體捕獲顆粒形成團聚，嚴重影響材料的力學性能[6]。近年來，將超聲波引入熔體處理，其在熔體中傳播產生的一系列非線性效應如超聲空化、超聲聲流、超聲熱效應等[7]能夠在處理熔體過程中分散顆粒，促進潤 濕[8]。運用超聲波處理熔體技術可以制備出顆粒分布均勻、無氣孔夾雜的良好復合材料[9]，但對超聲分散顆粒缺乏定量分析，為此，本文作者從超聲空化角度定量分析超聲分散顆粒的機制，并探討不同超聲處理時間下復合材料的硬度。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

以航空航天用高強7085鋁合金為基體，其成分(質量分數)見表1。市售粒度為0.038 mm的磨料級綠SiC顆粒為增強體。SiC顆粒經過質量分數為5%的氫氟酸洗、超聲水洗、1 000 ℃高溫焙燒后(顆粒表面生成SiO2層)，預熱至600℃備用。

表1 實驗用7085鋁合金成分表(質量分數)

1.2 實驗方法

將7085鋁合金放入電阻坩堝爐中熔煉，待鋁塊完全融化后，將熔體溫度降至625℃，同時將預熱顆粒與熔體混合(顆粒質量分數為10%)，并機械攪拌5 min，轉速為300 r/min。之后迅速升溫至700℃，通過超聲工具桿將超聲直接導入熔體中(輸出頻率為17~22 kHz，插入深度為30mm)。鑄造設備簡圖見圖1。用耐高溫石英管將工具頭下方30 mm鋁熔體中直接吸取并水淬，在Automet250型自動研磨機上經粗磨、精磨、拋光后，在OLYMPUS DSX500光學顯微鏡下觀察金相組織。在不同工況下取鋼模試樣并水淬至室溫，得到長×寬×高為15 mm×15 mm×120 mm的長方條狀樣，將該試樣的1對面粗磨、精磨后，采用HBS?3000型數字顯示布氏硬度計測試其硬度。

圖1 超聲鑄造實驗裝置

2 實驗結果

表征不同熔體位置內SiC顆粒數量的分布，其值越小，表明SiC顆粒在每個微區域內的分布數量越平均，但并不能反映SiC顆粒在微區域或整個區域內偏聚的程度，因此，還需對SiC顆粒在復合材料中的偏聚現象進行準確定量分析。

由此可見：越小，SiC顆粒的偏聚程度越小，其在復合材料內的分布均勻性越好。

2.1 超聲作用時間對顆粒微觀分布的影響

圖2所示為不同超聲施振時間下SiCp/7085復合材料樣品的微觀組織。從圖2(a)可見材料內部存在較多氣孔缺陷，且團聚有大量碎小顆粒以及夾雜物在其周圍，造成顆粒嚴重團聚分布不均勻。從圖2(b)可見顆粒微觀分布不均勻，微區內顆粒含量差異明顯，形成局部顆粒團聚與分散均勻現象共存，同時，顆粒團簇中夾雜尺寸較大的氣孔。從圖2(c)可見微區內熔體顆粒未見明顯團聚，整體呈離散狀態均勻分布在熔體中，顆粒分散效果良好；此外，復合材料中沒有發現氣孔以及顆粒、夾雜團聚現象。由圖2可知：與超聲10 min所制備樣品相比，顆粒團聚成簇略加劇，各微區出現輕微的顆粒分布差異，這表明超聲施振存在最佳時間，延長的超聲施振并不能線性提升復合材料熔體中顆粒分布的均勻程度。

圖2 SiCp/7085復合材料的顯微組織圖像

不同超聲作用時間下顆粒分布的微觀表征參數見表2。從表2可知：在未經超聲施振的樣品中，顆粒在微區內含量很不均勻，均勻性參數為25；而隨著超聲施振時間延長，各微區之間顆粒含量不均勻現象明顯減小，當超聲施振持續10 min時，均勻性參數低至10；繼續施振，均勻性參數小幅度增大。對于顆粒間間距參數，未施振時，其值為0.93，表明顆粒間團聚嚴重；超聲施振5 min后，有所降低，但顆粒微觀分布改善效果不明顯；經過10 min超聲施振，降低到0.42，表明顆粒微觀分布得到明顯改善；繼續延長超聲施振，并不能進一步提高顆粒間間距的分散均勻度，其值有所增大。參數和的變化趨勢與金相圖中顆粒分布變化趨勢一致，這說明所引入的參數具有代表性。

表2 不同施振時間下的微觀表征參數

2.2 超聲功率對顆粒微觀分布的影響

圖3所示為不同超聲功率(400，700和1 000 W)施振10 min的微觀組織。從圖3可以看出：在超聲功率為400 W時(見圖3(a))，基體內夾雜較多的氣體等缺陷，顆粒團聚在氣體周圍，形成了大量的顆粒團聚，基體內的顆粒分布不均明顯；當超聲功率為700 W時(見圖3(b))，微區內顆粒團聚顯著減少，同時氣孔等缺陷明顯減少；隨著超聲功率增加，當超聲功率為 1 kW時(見圖3(c))，基體內無明顯顆粒團聚，呈離散隨機狀態均勻分布在熔體中，同時未發現氣孔、夾雜團聚等。

圖3 SiCp/7085復合材料的顯微組織圖像

在不同超聲功率下(施振時間為10 min)，顆粒分布的微觀表征參數見表3。從表3可知：超聲施振功率為400 W所制備樣品其均勻性參數為22；隨著超聲施振功率增加，各微區之間顆粒含量不均勻現象明顯減少；當超聲施振功率為700 W時，均勻性參數降至12；繼續增大施振功率，均勻性參數繼續減小至10。對于顆粒間間距參數，當超聲施振功率為400 W時，為0.91，顆粒間團聚嚴重；超聲功率為700 W時，降至0.61；繼續增大功率，降低到0.42，顆粒微觀分布得到明顯改善。

表3 不同超聲功率下的微觀表征參數

2.3 SiCp/7085復合材料的硬度

顆粒在基體中的分布狀態直接影響材料的力學性能，若基體中出現顆粒團聚分布不均勻，將導致不同區域內性能差異明顯，且顆粒團聚等缺陷在材料塑性變形過程中易成為缺陷源，嚴重降低復合材料力學性能。因此，硬度能夠反映顆粒分布狀態。

圖4所示為不同超聲作用時間下SiCp/7085復合材料硬度分布。從圖4可以看出：引入超聲施振可明顯提高材料硬度；隨著超聲時間延長，復合材料硬度呈先提高后降低的趨勢。

不同施振時長復合材料硬度分布特征見表4。從表4可以看出：隨超聲時長增加(0 min—5 min— 10 min—15 min)，復合材料硬度平均值呈現先正相關增大，后在超聲施振10 min處出現拐點；硬度的離散程度也是先呈正相關增加，后在超聲施振10 min處出現拐點，即超聲施振15 min后材料的硬度開始下降并且硬度的分布也出現較大波動，這與顆粒分布變化規律一致。超聲施振10 min與未施加超聲施振相比，其硬度增大26%，與施振5 min相比增大11%，與施振15 min相比增大3.1%。

圖4 不同超聲時間下SiCp/7085復合材料硬度分布

表4 不同超聲時間下SiCp/7085復合材料硬度分布特征

圖5所示為不同超聲功率下SiCp/7085復合材料硬度分布曲線。從圖5可知：超聲功率增大能夠顯著提高材料硬度，硬度與超聲功率呈現正相關趨勢。

不同超聲功率下復合材料硬度分布特征見表5。

圖5 不同超聲功率下SiCp/7085復合材料硬度分布

從表5可以看出：隨著超聲功率增加，硬度平均值逐漸增加，同時硬度的波動程度也減??；當超聲功率為1 kW時，硬度平均值最大且離散程度最小，這與復合材料顯微組織變化呈現一致性；當超聲功率為1 kW時，其硬度與功率為400 W時相比增大11%，與功率為700 W時相比增大8%。

表5 不同超聲功率下SiCp/7085復合材料硬度分布特征

3 討論與分析

3.1 超聲對顆粒分布的影響

顆粒在熔體中主要受到范德華力、毛細力、超聲空化壓力、超聲聲流作用產生液體曳力作用，經過預處理的顆粒表面靜電庫侖力可忽略不計，使得顆粒黏附團聚的力主要為范德華力ww和毛細力m。其中，范德華力作為顆粒間分子作用力可通過下式計算[11]：

式中：ss為HamaRer常數，ss=8.86×10?20 [11]；1和2分別為2個顆粒的半徑，1=2=18.5 μm；為顆粒間距離。經計算可得兩顆粒間最大范德華力為60.7 mN。

由于存在液體張力等，熔體中顆粒與顆粒之間彎曲表面產生毛細力m，其計算公式為[12]

式中：為接觸角，=127°；為接觸角函數，通常很小；為表面張力，=0.86 N/m[13]。經計算可得毛細力199.8 μN，由此可知促使顆粒顆粒聚集最大作用力為 60 899.8 μN。由空化泡產生能打破顆粒團簇的最小壓力min為

式中：為微射流沖擊力；effective為顆粒的有效接觸面積。

據Rayleigh?Plesset公式[14]建立復合材料熔體中空化泡生長潰滅模型：

式中：和0分別為空化泡半徑和空化泡初始半徑；0為初始壓力，取105Pa；v和m分別為空化泡蒸汽壓和超聲聲壓幅值；=0.86 N/m；為氣體多邊指數，因空化泡崩潰時間很短，可假設為絕熱崩潰過程，其值為4/3；為超聲波角速度。液體中半徑小于100 μm的氣泡或者蒸汽泡能形成超聲空化泡核，而半徑大于100 μm的氣泡將因為浮力而上浮逸出[13]，故此模型計算采用空化泡初始半徑為1 μm與100 μm。經計算可得初始半徑為1 μm與和100 μm的空化泡能產生高達7.86×109Pa和7.23×107Pa的壓力，遠大于所需打散顆粒最小壓力。當超聲在熔體中振動時，產生的高壓和微射流既能瞬間打破顆粒的團簇，又能沖刷顆粒，凈化其表面，增強與熔體的潤濕性，減少熔體排斥推擠顆粒而造成的顆粒成團。同時，夾雜在顆粒之間的氣體也在超聲作用下凈化出熔體，減少了因氣體吸附顆粒而形成微觀團簇。最終，顆粒微觀團簇減少，顆粒分布均勻。

綜上可見：超聲空化能有效打散顆粒團聚，降低顆粒微觀分布不均勻性，還能去除氣體以及夾雜物達到凈化熔體的效果；過短的超聲施振時間不能完全達到分散顆粒和除氣除雜的效果；過長的超聲施振時間會引入更多的能量，造成微小顆粒熱運動增加，從而使顆粒通過團聚到降低體系自由能，加劇顆粒團聚；當超聲功率較小時，由于空化作用較弱且作用區域較小，不能有效打散顆粒，同時，除氣效果不明顯，因此，在本實驗條件下，最佳超聲參數如下：超聲功率為1 kW、施振時間為10 min。

3.2 復合材料硬度分析

增強體加入基體合金中能大幅度提高基體合金硬度，一方面，因為所加入增強體顆粒本身具有高硬度、高熔點等特性，可通過自身高硬度性能使基體壓力提高，從而提高復合材料硬度性能；另一方面，由于SiC顆粒與基體的熱膨脹性、彈性模量等差異使得顆粒與基體之間結合形成大量位錯，同時，SiC顆粒作為外加強化物能增大基體晶格畸變程度，從而提高復合材料抗塑性變形能力[15?17]。然而，SiC顆粒的加入對材料硬度性能的提高程度取決于顆粒在基體中的分布狀態以及與熔體結合的程度，若顆粒分布不均勻，則會導致不同區域的硬度差異明顯，有些區域甚至在材料塑性變形過程中首先成為缺陷源，嚴重降低材料力學性能。

本研究中經超聲施振工藝制備的SiCp/7085復合材料硬度平均值明顯比未經超聲施振制備材料的高，表明超聲施振對復合材料硬度提高較大。這是由于未經超聲施振，基體內顆粒團簇嚴重，且有氣孔、夾雜等缺陷。這些缺陷首先形成材料塑性變形源，降低了材料的硬度。當施振時間較短(5 min)、超聲功率較小(400 W和700 W)時，不能有效分散顆粒，顆粒團簇較多，表現在其硬度較小，且離散程度較大。隨著超聲施振時間延長和超聲功率增大，基體內微觀顆粒團簇減少，顆粒分布逐漸均勻，且氣孔等缺陷減少，基體的載荷能夠有效傳遞到顆粒上，因此，其硬度顯著升高且離散程度不大。當超聲施振10 min、超聲功率為1 kW時，基體內顆粒分散均勻且無氣孔夾雜等缺陷，因此，硬度達到最大且離散程度最??；當超聲施振時間過長時(15 min)，基體內出現顆粒團簇，硬度略微下降且離散程度增加；硬度的變化與顯微組織的變化一致，因此，復合材料不同位置間硬度的差異也能在一定程度上反映增強體顆粒的分布狀況。

4 結論

1) 半固態機械攪拌能有效地使不潤濕SiC顆粒與基體7085鋁合金熔體混合，并能初步實現顆粒分散，但在攪拌過程中易形成顆粒團簇、顆粒與氣體吸附、氣孔等缺陷。

2) 超聲外場能夠有效減少由半固態攪拌過程所形成的氣體吸附、氣孔等缺陷，當超聲時長和超聲功率適當時，這些缺陷能得到有效控制；同時，顆粒微觀團簇在超聲空化作用下顯著改善，逐漸分散均勻；但超聲施振存在最優時間與功率，在本實驗研究條件下，以時長為10 min、功率為1 kW為宜。

3) 通過機械攪拌制備樣品時，存在較多顆粒團簇與氣孔等缺陷，硬度較低，且分布不集中；經超聲處理過后，缺陷減少，硬度明顯提高，且分布更加均勻；但在較小功率下超聲作用不明顯，不能有效分散顆粒，過長時間的超聲處理對材料硬度值分散均勻程度不利。在本實驗條件下(時長為10 min、功率為1 kW)，硬度達到最大，為131.7，與未施加超聲相比增大25.7%。

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(編輯 陳燦華)

Effect of ultrasonic field on particle distribution and hardness of SiCp/7085 composites

WANG Kun1, JIANG Ripeng2, ZHANG Lihua1, LI Ruiqing2, LI Xiaoqian1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Light Alloy Institute, Central South University, Changsha 410083, China)

SiCp/7085 composite was prepared by semi-solid mixture and ultrasound vibrations method, and the influence of ultrasonic vibration time and power on microstructure and Brinell hardness(HBS) of the composites was studied. The results show that mechanical stirring can realize primary mix of the SiC particles and the matrix, but it is easy to form agglomeration and gas inclusions during the mixing process. Ultrasonic vibration can effectively break up the particle micro-agglomeration, improve defects such as porosity and inclusion, and the optimized time and power in this experimental condition are 10 min and 1 kW, respectively. It renders consistency between hardness and microstructure of the composites. Under work condition of 10 min and 1 kW, the HBS reaches the maximum value 131.7 N/mm2, which is 25.7% higher than that without ultrasonic field.

ultrasonic field; SiCp; 7085 composites; particle agglomeration; Brinell hardness

TG148；TB559

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.003

1672?7207(2018)03?0529?07

2017?04?12；

2017?06?16

國家自然科學基金面上項目(51475840)；湖南省自然科學基金青年基金資助項目(2017JJ3391) (Projects(51475840) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017JJ3391) supported by Natural Science Foundation of Hunan Province)

蔣日鵬，博士，講師，從事金屬基復合材料超聲輔助制備工藝研究；E-mail: jiangripeng@163.com