鋪粉工藝對SiC 顆粒增強鋁基表面復合材料性能的影響*

張文瓊 方 亮 謝 天

(廈門大學嘉庚學院機電工程學院 福建漳州 363105)

Al基復合材料具有低密度、高比強度、高比剛度、良好的熱穩定性，因此這類材料被廣泛應用于汽車及航天材料領域[1-3]。Al 基復合材料在服役時，由于其硬度低、耐磨性差限制了它的應用[4-5]。利用攪拌摩擦加工(FSP)這種新興的表面處理技術，制備的顆粒增強表面復合材料不僅能提高材料的硬度、耐磨性,同時能保證材料整體的延展性[6-9]。因此研究攪拌摩擦加工法制備顆粒增強表面復合材料具有很重大的價值[10-13]。攪拌摩擦加工過程中鋪粉工藝對制備SiC 顆粒增強鋁基表面復合材料的影響很大，需要選擇合適的鋪粉工藝。本文作者用2種黏接劑在金屬鋁板表面進行鋪粉，制備了鋁基復合材料，并研究了顆粒粒徑、顆粒鋪粉厚度的選擇對攪拌摩擦制備SiC顆粒增強鋁基復合材料的影響，并對其相關性能進行了表征。

1 試驗部分

1.1 SiC-聚乙烯醇懸浮液的配置

在燒杯中通過水浴加熱去離子水，分批次加入聚乙烯醇，并用玻璃棒均勻攪拌水溶液(等前一次聚乙烯醇完全溶入水中再倒入下批次的聚乙烯醇)，使聚乙烯醇水溶液的質量分數為8%。待冷卻后將SiC顆粒倒入聚乙烯醇水溶液中用攪拌機攪拌30 min從而獲得SiC-聚乙烯醇懸浮液。

1.2 聚乙烯醇鋪粉工藝

用無污染毛刷將配置好的SiC-聚乙烯醇懸浮液一層一層刷在基體金屬板上，保證刷下一層懸浮液時上一層已經完全烘干固化，依次重復此步驟最終獲得試驗厚度的SiC-聚乙烯醇混合層，如圖1所示。

圖1 SiC-聚乙烯醇混合物層Fig 1 SiC polyvinyl alcohol mixture layer

1.3 覆板法制備SiC顆粒增強Al基材料FSP工藝

SiC顆粒增強Al基材料FSP加工工藝如圖2所示。其中上下鋁板尺寸分別為108 mm×65 mm×3.75 mm、108 mm×65 mm×5.15 mm。在加工過程中保證攪拌頭針頭能穿透上板，并完成整個工藝過程。

圖2 攪拌摩擦加工示意Fig 2 Schematic of friction stir machining

2 結果及分析

2.1 黏接劑

圖3(a)、(b)所示是使用α-氰基丙烯酸乙酯制備的試樣的金相照片，圖3(c)、(d)是使用聚乙烯制備的試樣的金相照片。可以看出使用聚乙烯醇水溶液制備的復合材料中,SiC顆粒在Al基體里面分布很均勻，而使用α-氰基丙烯酸乙酯制備的復合材料中，SiC顆粒在基體里面成聚集狀。這是因為使用α-氰基丙烯酸乙酯在Al板表面鋪粉時， 只有和α-氰基丙烯酸乙酯接觸的部分SiC顆粒能良好地粘附在Al表面，而不與α-氰基丙烯酸乙酯接觸的SiC顆粒只是沉積在底層SiC顆粒上;同時SiC顆粒容易因為α-氰基丙烯酸乙酯的作用聚集在一起。聚乙烯醇懸浮液中SiC顆粒分散很均勻，鋪粉后烘干剩下固態聚乙烯醇和SiC顆粒層是平整片狀分布于基體鋁板表面。因此選擇聚乙烯醇水溶液作為黏接劑進行鋪粉工藝。

圖3 試樣的金相照片(a),(b)以α-氰基丙烯酸乙酯為黏接劑；(c),(d)以聚乙烯醇為黏接劑Fig 3 Metallographic pictures of samples prepared by alcoholaqueous solution (a),(b)with α-Ethylcyanoacrylate as bonding agent;(c),(d)with polyvinyl alcohol as bonding agent

2.2 顆粒粒徑

增強顆粒會對復合材料的性能產生很大的影響，如顆粒與基體的界面結合情況，顆粒的粒徑及增強顆粒的種類等等。為此選擇SiC顆粒的粒徑進行了研究，因為SiC顆粒與鋁基體的浸潤性比較好，這有利于顆粒固定在基體里面，另外一方面SiC顆粒在攪拌摩擦加工的時候不與基體發生化學反應生成化合物，且與基體有較小的潤濕角[12-13]。

從圖4中可以看出，240、400、1 000目以及400和1 000目按質量比1∶1混合的SiC顆粒制備的復合材料的焊縫形貌都很光滑沒有缺陷，從表面看此時的兩板得到良好的焊接。從圖5所示的不同粒徑SiC顆粒制備的復合材料的金相照片可以看出，240目的條件下SiC顆粒的體積分數很低，很難達到強化基體的作用。但是400目、1 000目的條件下SiC顆粒體積分數較大,400目與1 000目混合的SiC顆粒體積分數介于400目與1 000目之間。這是因為雖然保證鋪粉厚度一樣，但由于粉末的松裝密度不一樣，所以聚乙烯醇懸浮液中的SiC顆粒體積分數不同，最終結果是粒徑越小懸浮液中體積分數越大，即復合材料中SiC顆粒越多。

圖4 試樣焊縫形貌Fig 4 Weld morphology of samples (a)240 mesh;(b)400 mesh;(c)1 000 mesh;(d)mixture of 400 and 1 000 mesh

圖5 SiC顆粒增強復合材料金相照片Fig 5 Metallography of SiC particle reinforced composites (a)240 mesh;(b)400 mesh;(c)1 000 mesh;(d)mixture of 400 and 1 000 mesh

圖6分別示出了400目SiC、1 000目SiC顆粒以及1 000和400目顆粒混合鋪粉厚度為1.0 mm的增強復合材料硬度、顆粒體積分數與距表面深度關系。可見，硬度與SiC顆粒體積分數呈同步變化，呈現先上升后下降的趨勢，但是粒徑小的SiC顆粒增強效果更加明顯。圖6(a)中硬度達到30HV時對應的體積分數是10%左右，但是圖6(b)中硬度為30HV的時候體積分數卻是4%左右。且圖6(a)中體積分數接近15%的時候硬度為35HV左右，而圖6(b)中SiC體積分數為7%左右的時候，硬度卻達到了將近40HV。顆粒體積分數相同的條件下，混合顆粒增強的復合材料圖6(c)中SiC顆粒體積分數10%左右的時候材料的硬度值處于35HV左右，比圖6(a)中粗顆粒增強的復合材料的硬度高16.7%。同樣圖6(c)中材料的增強效果沒有圖6(b)中的好。即3種粒徑增強方式中粒徑最小的SiC顆粒對材料的硬度增強效果提高最明顯，幾乎為基體的200%。

圖6 硬度、顆粒體積分數與距表面深度關系Fig 6 Relationship between hardness,particle volume fractionand surface depth (a)400 mesh;(b)1 000 mesh;(c)mixture of 400 and 1 000 mesh

其原因可以根據第二相粒子強化機制解釋如下：

(1)

(2)

式中:τOR是Orowan機制引起的臨界分切應力增量[15-16];G是基體剪切模量;b為伯氏矢量大小;υ為泊松比;λ為粒子間平均距離;r為粒子半徑；ro為位錯區核心半徑；V為顆粒體積分數。

材料的硬度實際上反映的是材料抵抗變形的能力，與材料強度相關。根據Orowan機制可以知道，材料的增強中[14]，第二相粒子的粒徑、粒子間平均間距和增強顆粒體積分數是影響材料強度的決定性因素。γ、λ和V越小，材料的τOR會變大，從而材料的硬度也就越高[14]。從式(1)發現粒徑對硬度的影響效果將遠大于增強顆粒體積分數對硬度的影響效果。所以圖6中硬度值差不多的情況下，細增強顆粒的體積分數遠遠小于粗增強顆粒的體積分數。另外粗大的顆粒和基體之間也更加容易產生空隙，這樣對材料整體的力學性能也產生比較大的影響。雖然SiC粒徑越小對基體材料硬度的提高效果越明顯，并使得復合材料區域硬度、SiC顆粒體積分數變化的梯度變大。如圖6(a)所示，在深度為1.2～3.2 mm時硬度和SiC顆粒體積分數變化波動小；但是圖6(b)中從深度為2.0 mm開始到3.6 mm硬度從30HV升高到40HV，SiC顆粒體積分數從3.5%升高到7%；圖6(c)中深度從0.8 mm變到4.0 mm時，硬度從25HV升高到40HV，SiC顆粒體積分數從4%升高到14%。另外，用材料復合區硬度相對誤差即單位面積內最大硬度和最小硬度差值來表示。

從圖7中可以看出，在轉速、焊接速度、加工次數、攪拌頭針頭幾何特征、顆粒質量分數一樣的情況下，粒徑對于材料復合區硬度相對誤差影響不大。因為決定復合區硬度相對誤差的因素本質上是攪拌摩擦加工時產生的基體塑形流動，充分的塑形流動會使得顆粒分布均勻，改變增強顆粒的粒徑對基體塑性流動影響很小，因此對硬度相對誤差影響也不大。

圖7 相對誤差與距表面深度關系Fig 7 Relationship between hardness relative error ofdifferent particle size and depth from surface

2.3 SiC顆粒鋪粉厚度

在攪拌摩擦制備顆粒增強鋁基復合材料過程中，選擇SiC顆粒和A6061鋁作為增強顆粒和基體，在整個加工過程中SiC顆粒與基體不發生反應，所以復合區的SiC顆粒全部來自于鋪粉的時候SiC的數量。因此保證聚乙烯醇懸浮液中SiC顆粒的濃度不變的情況下，鋪粉厚度就決定了復合材料中SiC顆粒的體積分數。研究了鋪粉厚度為0.5和1.0 mm對攪拌摩擦制備SiC顆粒增強鋁基復合材料性能的影響，結果如圖8、9所示。圖8示出了2種鋪粉厚度焊接完成后的焊縫形貌，可見攪拌頭進給速度v為60 mm/min、角速度ω為1 500 r/min時能產生足夠的熱量，使得上下兩塊金屬板能得到好的焊接，焊縫表面光滑無缺陷。圖9分別是鋪粉厚度為0.5和1.0 mm的試樣金相照片，可以看出SiC顆粒沒有出現聚集，分布面積也很大，另一方面顆粒的體積分數沒有太大的差別。

圖8 焊縫形貌Fig 8 Weld appearance (a)the thickness of powder spreading is0.5 mm;(b)the thickness of powder spreading is 1.0 mm

圖9 試樣橫截面金相照片Fig 9 Metallographic pictures of sample cross section (a)thethickness of powder spreading is 0.5 mm;(b)thethickness of powder spreading is 1.0 mm

從圖10中可以看出，不同鋪粉厚度時復合材料硬度、SiC 顆粒體積分數都是先上升，然后下降回到基體值。圖10(a)中硬度和SiC體積分數在一定深度后就穩定在一定值， 其中硬度穩定在35HV左右，SiC體積分數穩定在15%左右；SiC顆粒體積分數超過10%的位置處于1.2～4.4 mm深度，范圍最高硬度接近37HV。但圖10(b)中硬度和SiC顆粒體積分數一直向上直到出現最高點，最后回到基體值，復合材料中SiC顆粒體積分數超過10%的區域位于1.2～5.6 mm深度范圍內，最高硬度為45HV。圖10(b)中隨著位置的加深SiC顆粒的體積分數越來越大，這是因為SiC顆粒數量增加的情況下，加工時熱輸入不變，塑性金屬提供的流動性不變，SiC顆粒的運動將發生差異，所以SiC顆粒無法保持像鋪粉厚度為0.5 mm時那樣分布。在深度為4.0～4.8 mm的時候顆粒體積分數上升較快，因為鋁板的厚度為3.75 mm，在此位置正好是兩板界面處也是顆粒的起始位置。比較圖10可以發現，增加鋪粉厚度會使得復合區面積增大，但SiC顆粒的體積分數增加并不明顯。但是圖10(a)中，深度從1.2 mm變到4.4 mm，復合區SiC顆粒體積分數和硬度幾乎維持不變，而圖10(b)中深度從1.2 mm變化到5.2 mm時，體積分數從8%升高到16%，硬度從30HV升高到40HV，這表明鋪粉厚度的增加會使得復合區SiC顆粒體積分數和硬度變化梯度變大，不利于制備均一的復合材料。

圖10 硬度、SiC體積分數與距表面深度關系Fig 10 Relationship between hardness,SiC volume fractionand surface depth (a)the thickness of powderspreading is 0.5 mm;(b)the thicknessof powder spreading is 1.0 mm

圖11所示是采用顆粒大小為1 000目，鋪粉厚度為0.5、1.0 mm時復合區面積。可看出鋪粉厚度為0.5 mm時復合區面積為15.939 mm2，鋪粉厚度為1.0 mm時復合區面積為24.57 mm2，后者為前者的1.54倍。這和圖10中結果一致，單一地增加鋪粉厚度可以使得嵌入Al基體的SiC顆粒總量增加(即復合區面積增加)，但不會明顯增加復合區SiC顆粒體積分數。因為顆粒的數量增多后，塑性金屬流場同樣會促使初始位置的SiC顆粒向上板表面移動，顆粒不會過于集中在核焊區的某一位置。另外由于初始位置SiC顆粒過多，金屬塑形流動不足以使得SiC顆粒分布得更加均勻，所以在此深度下SiC顆粒的體積分數會有小幅度的升高。

圖11 復合區面積與鋪粉厚度關系Fig 11 The relationship of compound area andthe thickness of powder spreading

從圖12中可以看出,2種鋪粉工藝下，復合材料不同深度硬度的相對誤差都小于10%，這表明各個深度下復合材料硬度的離散程度都很小。小的離散程度表明在這2種工藝下，各個深度的SiC顆粒體積分數變化不大,所以此時SiC顆粒的均勻性比較好。另外改變鋪粉厚度對復合材料硬度相對誤差沒有明顯的影響，因為在ω=1 500 r/min、v=60 mm/min、攪拌加工6次的情況下SiC能夠被均勻地分散于Al基體中。

圖12 硬度相對誤差與距表面深度關系Fig 12 The relationship between hardness relativeerror and depth from surface

3 結論

(1)聚乙烯醇作為黏接劑時能減少Al基體表面的SiC層中顆粒的聚集，所以使用聚乙烯醇與SiC顆粒懸浮液進行鋪粉制備得到的SiC顆粒增強復合材，相比于使用α-氰基丙烯酸乙酯作為黏接劑時，復合材料中SiC顆粒增強區域SiC顆粒的分布更加均勻。

(2)嵌入基體的SiC顆粒體積分數隨著SiC粉末粒徑的增加而增加。在同樣體積分數情況下，SiC顆粒的粒徑越小對基體材料硬度的提高越明顯。粒徑大小對材料基體塑性流動影響很小，對復合區硬度相對誤差影響不大，但是在復合材料區硬度、SiC顆粒體積分數變化梯度非常大。

(3)復合材料中SiC顆粒增強區面積會隨著鋪粉厚度的增加而增加，隨著鋪粉厚度從0.5 mm增加到1.0 mm，復合區面積提高50%。但是增加鋪粉厚度不會提高復合區SiC顆粒的體積分數，而會使得SiC顆粒增強區硬度、體積分數變化梯度增加。