擠壓鑄造工藝制備SiC3D/Al復合材料輔助模具研究

張博文 ，王揚衛 ,2，朱靜波 ，范亞斌

(1． 北京理工大學材料學院，北京 100081；2． 沖擊環境材料技術重點實驗室，北京 100081)

0 引 言

金屬基復合材料(MMCs)由于其材料來源廣，應用領域寬，是最早最廣泛應用的復合材料之一。其中骨架增強型復合材料由于能夠克服顆粒增強及纖維增強的偏聚現象使復合材料更為均勻并保持各向同性，被廣泛地關注[1,2]，同時骨架增強型復合材料也使得更高的增強相含量成為可能，這給復合材料帶來更為優越的物理性能[3]。在陶瓷增強金屬復合材料制備領域，擠壓鑄造技術作為一種新興的高效率近凈成型技術，因其成型壓力大、材料質量高、復合速度快，具有重要應用潛力[4-10]。

擠壓鑄造工藝制備金屬基復合材料需要在金屬熔體上加載較高壓力，會引起復合材料預制體的局部甚至整體破壞，導致所制復合材料的均勻程度下降，因此在擠壓鑄造過程中對預制體進行合理保護是必要的，出于上述目的進行設計和制造的輔助性模具即為輔助模具。在已經進行的擠壓鑄造工藝制備復合材料的研究中，研究人員使用多孔鋼管和圓形套筒等作為輔助模具使用，并取得了良好的保護效果[11-12]。目前針對這類輔助模具的設計研究尚未系統性地進行，本文將針對間接擠壓鑄造工藝制備SiC3D/Al復合材料的輔助模具設計進行研究及討論。

1 實驗方法

使用江蘇三基公司的SCH-350型臥式間接擠壓鑄造設備進行復合材料制備，預制體預熱溫度為700 ℃，模具預熱溫度為200 ℃，鋁液溫度為750 ℃，壓射壓力為100 MPa，壓射速度為1米每秒。選用自制預制體陶瓷骨架，形狀為正方形板狀，陶瓷體積分數＞ 85vol%，壓縮強度300 MPa。輔助模具制備材料均為A3鋼。

設計四種不同形式的輔助模具面板，其設計示意圖如圖1所示。通過阿基米德排水法測量復合材料密度并與理論值對比計算得到復合材料致密度，從而得到輔助模具面板設計對復合材料致密度的影響規律。通過對I型面板和II型面板進行分析可以得到面板開孔孔徑對復合材料致密度的影響規律，對I型面板、III型面板和IV型面板進行分析可以得到不同開孔方式對復合材料致密度的影響規律。

設計了三種不同形式輔助模具面板與背板之間連接方式，研究輔助模具面板與背板之間連接強度對浸滲過程中輔助模具開裂現象的影響規律。三種連接方式分別為螺釘連接，焊接連接和整體制備：螺釘連接制備輔助模具的成本最低，制造方式最為靈活；焊接輔助模具加工成本中等，加工靈活性較高，可以制備成多種復雜形狀；整體輔助模具成本最高，且只能制備簡單形狀。

2 結果與討論

四種面板形式的輔助模具所制備的復合材料致密度如表1所示。結果表明當面板開孔面積比達到20%以上時，面板開孔方式對復合材料的致密度影響不顯著，多種開孔方式下復合材料致密度均可以達到95%以上；面板開孔孔徑對復合材料的致密度影響顯著，使用面板孔徑在12 mm以上的輔助模具制備的復合材料致密度均在95%以上，使用面板孔徑為1 mm輔助模具制備的復合材料致密度則下降到75%以下。

對于面板開孔方式對所制備復合材料致密度影響規律，本文認為由于輔助模具的熱膨脹系數大于預制體的熱膨脹系數，這使得常溫下緊密配合的輔助模具與預制體之間在高溫下形成了一定的狹縫，可以在熔體充型過程中容納部分熔體，使擠壓鑄造加壓的過程中熔體與預制體得以充分接觸，保證了壓力的充分傳遞，因此面板開孔方式對復合材料影響不顯著。

圖1 輔助模具及面板開孔特征Fig.1 assistive moulds and face plates

表1 不同面板的輔助模具制備復合材料致密度Tab.1 Density of composites prepared by assistive moulds with different faceplates

表2 不同連接方式的輔助模具制備復合材料結果Tab.2 Results of composites preparated by using assistive moulds joined in different ways

圖2 輔助模具失效示意圖Fig.2 The failures of assistive moulds

對面板開孔孔徑對所制備復合材料致密度的影響規律進行分析，認為面板開孔直徑為12 mm時，根據圓管的壓力損失公式其對高溫熔體造成較大的壓力損失較小，最終熔體施加在預制體上的壓力滿足浸滲條件，可以達到均勻致密的結果；而II號面板的孔徑約為1 mm，造成的壓力損失遠大于其余面板，使制備的復合材料致密度下降。

三種連接方式的輔助模具制備結果如表2所示。試驗結果表明，使用整體輔助模具和焊接輔助模具所制備出的復合材料都能保持很好的完整性，而使用螺釘連接的輔助模具制備則會發生開裂，并導致其保護的復合材料也發生相應開裂。

通過分析連接方式對所制備復合材料制備結果的影響規律，本文建立了輔助模具厚度方向臨界強度計算方法，其計算方法如下：鋁合金的熱膨脹系數約為23．5×10-6K-1，碳鋼的熱膨脹系數約為12．1×10-6K-1，因此從同樣溫度降溫，鋁合金的收縮量是碳鋼的一倍。而從鋁合金相凝固溫度873 K開始凝固到室溫298 K進行定性計算，大致尺寸為90 mm×90 mm × 30 mm的鋁合金內澆口的收縮量將達到1．2 mm，說明內澆口和輔助模具之間有0．6 mm的收縮差值。考慮到碳鋼對給鋁合金提供一定的變形抗力，A3鋼彈性模量為205．8 GPa，A356鋁合金彈性模量為72．4 GPa，收縮差值依靠鋼的彈性壓縮和鋁合金的彈性拉伸平衡，而兩相的變形量應與彈性模量和截面積乘積成反比，計算得鋁合金相需變形0．19 mm，A3鋼則需要變形0．41 mm。這一變形量下，其對應的應力強度為937．5 MPa，A3鋼在這一應力條件下已經屈服，在近似計算中使用其拉伸強度500 MPa進行計算。500 MPa應力在5 mm×90 mm截面積上對應的收縮力值為225 KN，基于背板未變形的假設，輔助模具圍板會和面板產生角度變化，即圖2中所示θ角。依據此角可以計算出為了維持輔助模具的整體性，其連接位置需提供的拉伸力，F開裂=F收縮tanθ約為4．82 KN。

通過上述計算，可知螺釘連接的輔助模具強度不夠，不足以抵抗內澆口內的熔體在凝固及后續冷卻過程中因收縮產生的應力，導致輔助模具變形開裂，而輔助模具和熔體與復合材料的較好結合使裂紋傳遞到了復合材料進而導致復合材料的斷裂。整體輔助模具和焊接輔助模具的強度都能滿足制備要求，而焊接輔助模具的制作成本較低。

3 結 論

(1)當開孔面積比大于20%時，擠壓鑄造用輔助模具面板布孔形式對浸滲致密度影響不顯著；無論是面板中心位置開孔、四周位置開孔還是全位置均布開孔，其浸滲致密度均在95%以上；

(2)擠壓鑄造用輔助模具面板開孔孔徑增大減小了熔體浸滲過程中沿程壓力損失，從而提高熔體充型能力。當開孔面積比大于20%時,開孔孔徑大于12 mm時復合材料浸滲率均在95%以上；

(3)擠壓鑄造工藝制備復合材料時，輔助模具的面/背板之間連接強度對其保護預制體的能力影響顯著。