2024/SiCp鋁基復合材料薄板的制備方法研究

盧健，吳卿永，張鷺，楊天

（中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

1 前言

碳化硅顆粒增強鋁基復合材料使用了SiCp陶瓷增強體，使其在具具備鋁合金塑性特性的同時，也具有了高剛度、高耐磨性的特點，通常具有高的比強度比剛度高，以及導熱系數高、熱膨脹系數低的特性[1]。這使得鋁基復合材料在航空航天工業中有著更廣闊的應用前景。例如ARCO化學公司所屬的先進復合材料分公司ACMC生產的2024/(30～35%)SiCp復合材料抗拉強度達到800MPa、屈服強度達到690MPa、彈性模量則大于150GPa，其性能指標遠高于基體鋁合金，并且復合材料的熱膨脹系數較低，可替代鋁合金、鈦合金等制造飛機結構件。如液壓制動氣缸體、直升機起落架、翼前緣加強筋以及大型弦形梁等。

現階段，制備SiCp顆粒增強鋁基復合材料主要有兩種方法：熔鑄法和噴射沉積法。但兩種方法各有優點：熔鑄法制備2024/SiCp復合材料可以使用傳統的熔煉鑄造設備，具有成本較低，易于實現生產的優點，但另外與增強體與基體之間存在相容性也是熔鑄法必須解決的問題；噴射沉積工藝制備鋁基復合材料坯料雖然設備成本高，但由于綜合了粉末冶金與快速凝固技術的優點，可實現制粉及材料復合一步完成，冷卻速度高，可達103～106K/S，能夠形成極細小的等軸晶組織，也在很大程度上避免了增強體與基體間的界面反應及常規鑄造過程中普遍存在的宏觀偏析。

2 熔鑄法制備2024/SiCp鋁基復合材料鑄錠

熔鑄法制備鋁基復合材料雖然能夠在最大程度上利用現有的設備能力，但無法照搬使用鋁合金鑄錠的熔煉鑄造方法，在生產上還需要突破的工藝瓶頸有以下兩方面：

一方面SiCp顆粒增強體的體積分數受到熔體的限制，比例難以突破20%[2]，當SiCp顆粒增強體比例更高時容易產生不均勻現象；

圖1 經過鍍銅的碳化硅顆粒增強體

圖2 制備的2024/SiCp鋁基復合材料鑄錠

20世紀末，在加拿大魁北克建成了一座年產能11000t的顆粒增強鋁基復合材料的工廠，在鋁基復合材料的熔鑄階段，使用了多級傾斜葉片組成的攪拌器，轉速為2500r/min，產生較大剪切力的同時抑制旋渦的形成，不產生氣泡，從而避免了氣體和氧化膜及夾渣的卷入。據報道：用此法制成的鋁基復合材料，其中增強體SiCp的體積分數達10%～30%，屈服強度和抗拉強度都比基體合金提高15%以上，彈性模量提高20%～35%，產品商標為Duralcan。

針對這種情況，課題組同樣使用了機械攪拌的方法，通過合理控制攪拌速度和時間，在碳化硅顆粒加入時，較好地控制了卷氣和鑄錠不勻的問題。

另一方面由于熔鑄法需要SiCp顆粒增強體在基體合金熔融狀態下加入，熔體表面存在氧化鋁膜阻礙了碳化硅顆粒增強體的進入。

課題組對碳化硅顆粒增強體進行了焙燒，以消除表面吸附氣體，并對其表面進行了鍍銅的處理，較好地解決了碳化硅與鋁合金熔體浸潤性問題。

熔鑄法制備2024/SiCp鋁基復合材料鑄錠的主要技術路線如下：

熔煉2024鋁合金熔體、攪拌加入SiCp顆粒增強體，持續攪拌至熔體均勻，精煉除氣，水冷法半連續鑄造。

通過以上工藝，在實驗室條件下（50kg），成功制備出2024/SiCp鋁基復合材料鑄錠，鑄錠外觀見圖2。

3 噴射沉積法制備2024/SiCp鋁基復合材料錠坯

噴射沉積法制備2024/SiCp鋁基復合材料錠坯則采取了以下工藝：

在本項目中，課題組使用了移動坩堝式的噴射共沉積設備，通過霧化噴射沉積出2024/SiCp鋁基復合材料錠坯。使用的霧化介質為氮氣，在一定的溫度下，使用壓縮氮氣對原材料進行霧化噴射，沉積盤以一定的速度旋轉，斜噴角為30°，沉積距離為200-250mm，沉積出的2024/SiCp鋁基復合材料沉積坯中的SiCp的體積分數約為15%，顆粒尺寸為10-15μm。

4 變形加工及熱處理和工藝

顆粒增強2024/SiCp鋁基復合材料其基體依然是2024變形鋁合金，因此需要經過變形加工才能破除鑄態組織，形成具有相應強度的變形組織，由于SiCp增強體的引入，晶粒間難免會有疏松等鑄造缺陷，因此不適用鋁合金常規的鍛造開坯工藝，基于這種情況，本項目采用了擠壓開坯的方式，為了增強材料的工藝塑形，對錠坯使用純鋁做包套，在得到具備相應變形組織的同時，錠坯一些內部鑄造缺陷（主要是疏松）可通過焊合而部分消除。

板材的制備工藝如下：

錠坯機加工、使用純鋁做包套、通過擠壓并制備出帶板、熱軋制備出顆粒增強2024/SiCp鋁基復合材料成品板材。

加工后的錠坯見圖3、熱軋后的成品板材見圖4。

圖3 加工后的錠坯

圖4 熱軋板材

在熱性能方面，2024/SiCp鋁基復合材料的比熱容與2A12鋁合金（編者注：2A12是2024鋁合金的國內牌號）相當，但熱導率比2A12合金高出約44%[3]，因此顆粒增強2024/SiCp鋁基復合材料的淬透性要好于常規2024基體鋁合金，在相同條件下其熱處理時間應不超過2024鋁合金。

本項目的課題組沿用了2024常規熱處理制度，即：固溶495℃/30min +時效180℃/12h。

5 初步對比分析及結論

按照GB/T 1423-1996《貴金屬及其合金密度的測試方法》對板材密度進行了初步測試，兩種制備方法板材的結果基本相同，測試結果為2.8g/cm3。

對加工的試樣進行熱處理后，鑄造法制備的板材，其常規力學性能見表1，噴射成形法制備的板材，其常規力學性能見表2。

2024鋁合金T62熱處理狀態薄板的典型力學性能[4]見表3。

在制備工藝尚不完備的情況下，從初步的對比分析結果來看：

1.熔鑄法制備的2024/SiCp顆粒增強鋁基復合材料板材彈性模量要遠高于常規2024鋁合金薄板。

2.噴射沉積法制備的板材，其抗拉強度、屈服強度和延伸率等基礎指標均高于2024鋁合金薄板。

3.熔鑄法制備的2024/SiCp顆粒增強鋁基復合材料板材，強度和延伸率指標低于常規的2024鋁合金薄板。

表1 使用鑄造法制備的顆粒增強2024/SiCp鋁基復合材料常規力學性能

表2 使用噴射沉積法制備的顆粒增強2024/SiCp鋁基復合材料常規力學性能

表3 2024鋁合金T62狀態典型力學性能

從目前結果看：雖然噴射沉積法制備的2024/SiCp顆粒增強鋁基復合材料板材，在常規力學性能要優于熔鑄法制備的板材，但就此得出噴射沉積法制備的材料性能一定高于熔鑄法的結論還為時尚早，針對鋁基復合材料適用性的工藝研究尚未展開（目前借用的是常規鋁合金的熱處理及變形工藝），因此針對碳化硅顆粒增加鋁基復合材料仍有待于進一步開展組織研究和優化工藝研究。

從另一方面來看，顆粒增強鋁基復合材料板材在彈性模量上遠高于常規鋁合金材料，未來在高剛度、高穩定性次承力結構上預計會有較大的應用前景。