真空壓力浸滲法制備B4C/ZL301復合材料的組織與性能

王曉東,駱 毅,胡耀政,汪志太

(1.中國航空發動機集團有限公司,北京 100097;2.南昌航空大學 輕合金加工科學與技術國防重點學科實驗室 南昌 330063)

0 引言

鋁合金在工業領域應用廣泛,但彈性模量低、耐磨性較差等缺點,限制了其應用范圍的進一步拓展。復合材料是改善和提高鋁合金性能的有效手段之一,復合材料通過將不同性能的基體和增強體復合到一起,能夠充分發揮基體和增強體材料的優勢性能[1]。碳化硼(B4C)是一種重要的工程材料,其硬度僅次于金剛石和立方氮化硼,具有彈性模量高、耐磨性好、密度低(2.53 g·cm-3)、熔點高(2 350 ℃)等優點,廣泛用作防彈材料和研磨材料等。B4C強化鋁基復合材料具有比模量高、比強度高、耐磨性和耐蝕性好、尺寸穩定、熱膨脹系數小等優點,是一種性能優異的鋁基復合材料,在航空航天等領域應用前景廣闊[2-5]。

目前,B4C增強鋁基復合材料制備方法主要有無壓浸滲法和粉末冶金法。雖然無壓浸滲法制備的復合材料強度和韌性性能良好,但是由于成型溫度較高,存在界面反應,限制了其在工業中的應用。研究人員嘗試采用各種不同的方法,如調整制備溫度、縮短保溫時間以及對增強相顆粒進行表面鍍層等[6],以減少界面反應的發生。Lee等[7]采用無壓浸滲法制備了B4C/Al復合材料,先用溶膠凝膠法在B4C顆粒表面覆蓋TiO2涂層,該涂層可有效提高鋁液與B4C顆粒之間的濕潤性,進而使鋁液能夠更好地滲透到B4C顆粒內部,減少界面反應的發生,在此基礎上制備出了力學性能良好的鋁基復合材料。

采用粉末冶金法制備鋁基復合材料時,在空氣中形成的Al2O3薄膜會影響鋁粉的潤濕性,從而導致復合材料在燒結或熱壓后的界面結合較差[8]。為解決此問題,通常需二次加工(如鍛造、擠壓、軋制等)打破氧化物薄膜以增強粉末之間以及粉末與增強體顆粒之間的結合,形成結合良好的界面,并使增強體顆粒分布更加均勻,獲得性能更好的復合材料[9]。Li等[10]采用粉末冶金法制備了B4C體積分數為26%的B4C/6061Al復合材料,在熱壓溫度為620 ℃時發現存在明顯的界面反應,Al3BC、Al12BC2和合金元素Mg、Si的反應產物為界面反應的生成物。

真空壓力浸滲法是一種制備近凈成型復雜形狀產品的技術,且制備成本比粉末冶金法低。真空壓力浸滲法制備的復合材料致密度高于無壓浸滲法制備的材料,且能有效避免鋁基體熔體在空氣中氧化的問題。真空壓力浸滲法是制備以輕金屬(Al、Mg、Ti)及其合金為基體復合材料的非常有前景的方法,但有關真空壓力浸滲法的研究還不夠充分。本文采用真空壓力浸滲法制備了B4C/ZL301復合材料,并對其結構和力學性能進行了分析測試,以探討此法制備近凈形B4C/ZL301復合材料的可行性。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

選用平均粒徑為3.0 μm 和36.5 μm的兩種B4C顆粒,按1∶1比例制備預制體,以ZL301合金為基體材料,采用真空壓力浸滲工藝制備高體積分數B4C/ZL301復合材料。為防止B4C顆粒表面吸附雜質對真空壓力浸滲法制備的B4C/ZL301復合材料產生影響,實驗前采用無水乙醇超聲清洗B4C顆粒,再放入真空干燥箱烘干(烘干溫度為120 °C,烘干時間為3 h)。ZL301合金成分示于表1。

表1 ZL301合金的化學成分(wt%)

1.2 復合材料的制備

將預制體緊密地放入石墨模具中并用石墨模具蓋板覆蓋。將壓實的預制體和石墨模具整體裝入不銹鋼模具中,用不銹鋼模具蓋板覆蓋后焊接在一起。真空壓力浸滲封裝示意圖如圖1所示。不銹鋼模具側面開一個孔,開口處與圓形不銹鋼管連接作為液體提升管。完成后需進行氣密性測試,以確保其密封性。

圖1 真空壓力浸滲封裝示意圖

ZL301合金熔化后加入精煉劑,除去其中的雜質,獲得純凈的合金液,再進行真空壓力浸滲。真空壓力浸滲設備示意圖如圖2所示,該工藝利用雙熱電偶進行合金液與爐膛溫度的實時調控,可實現預熱時間、基體合金溫度、浸漬壓力與保壓時間的高效精確調控,操作簡單方便,可滿足復合材料高質量生產要求[11-13]。將合金液和封裝的預制體放置在真空壓力滲透設備的不同位置,升液管豎直向下,密封和抽真空后向設備內充氬氣,升溫到設定溫度并保溫一段時間,然后排出氬氣并再次抽真空,提升坩堝,將升液管下端浸入合金液中,在充填氣體壓力作用下,合金液被壓入封裝的預制體中并與之結合。待冷卻后,除去不銹鋼和石墨模具,即得到B4C/ZL301復合材料,具體制備工藝參數示于表2。根據預制體的模具形狀和尺寸,估算B4C/ZL301復合材料中預制體體積分數約為60%。

圖2 真空壓力浸滲設備示意圖

表2 B4C/ZL301復合材料的制備工藝參數

1.3 分析測試方法

B4C/ZL301復合材料試樣經過打磨、拋光后,使用Keller試劑(2.5 mL硝酸,1.5 mL鹽酸,1.0 mL氫氟酸和95.0 mL去離子水)腐蝕15 s后,用去離子水沖洗并吹干。采用SU1510型掃描電子顯微鏡對試樣微觀組織及形貌進行觀察。采用D8ADVANCE-A25 X-ray衍射儀對試樣進行定性物相分析,衍射儀靶材為Cu靶,電壓為40 kV,電流為40 mA,掃描角度范圍為20°～90°,掃描步長為4 (°)·min-1。采用DureScan型維氏顯微硬度計測量試樣的顯微硬度,測試載荷為50 g,加載時間為20 s,在試樣表面不同區域取8個點進行測量,求平均值作為試樣的平均維氏硬度值。采用CFT-Ⅰ型材料表面性能綜合測試儀對試樣和基體材料進行摩擦學性能測試,所用載荷為500 g,時間為120 min,轉速為200 r·min-1。采用CP225D型電子天平稱量試樣質量,由摩擦磨損實驗前后的試樣質量差值確定試樣的質量損失。

2 實驗結果與分析

2.1 微觀組織和XRD分析

圖3所示為通過真空壓力浸滲制備的B4C/ZL301復合材料的掃描電子顯微鏡(SEM)像,圖3(b)為圖3(a)中間區域的放大像。由圖3(a)可見,B4C顆粒在復合材料中分布比較均勻。由圖3(b)可見,距離比較近的B4C顆粒也未出現聚集現象,且復合材料組織致密,未見有微孔等顯微缺陷。此外,由圖3還可見,B4C顆粒結構較為完整,增強體顆粒與基體材料之間結合緊密且存在淺色過渡層。

圖3 復合材料顯微組織圖

圖4所示為基體材料(ZL301合金)和B4C/ZL301復合材料X射線衍射(XRD)圖譜。由圖4可見,基體材料的XRD圖譜僅分辨出Al的衍射峰,而制備的B4C/ZL301復合材料的組成除Al和B4C外,還有Al3BC。根據文獻[10]可知,Al3BC為增強體顆粒與基體材料界面反應的產物。結合前述微觀組織分析,可知Al3BC分布在增強體顆粒與基體材料之間的過渡層。

圖4 基體材料和復合材料的XRD圖譜

2.2 B4C/ZL301復合材料顯微硬度測試

圖5所示為基體材料和復合材料顯微硬度測試結果。由圖5可知:復合材料的顯微硬度值明顯高于基體材料;基體材料的顯微硬度值比較穩定,而復合材料的顯微硬度值波動范圍比較大。計算得復合材料顯微硬度平均值由ZL301的72.08 HV提高至252.00 HV,提高了249.6%。

圖5 基體材料和復合材料的硬度對比圖

復合材料平均顯微硬度值明顯高于基體材料可由以下因素導致:(1)ZL301合金與B4C顆粒之間的變形能力差異大,變形后在界面處形成大量位錯,殘余應力較大,形成位錯密度高、梯度大的顆粒變形區域(PDZ)。PDZ利于再結晶形成晶粒度小的再結晶晶粒,晶粒細化的結果使顯微硬度提高;(2)增強體B4C顆粒的顯微硬度明顯高于基體材料;(3)界面反應生成物Al3BC的顯微硬度明顯高于基體材料。在上述因素的共同作用下,復合材料的顯微硬度值明顯提高。

2.3 B4C/ZL301復合材料摩擦磨損測試

圖6所示為ZL301合金和B4C/ZL301復合材料摩擦因數隨時間的變化。從圖6可以看出,復合材料的摩擦因數明顯小于基體材料。計算結果表明,基體材料的平均摩擦因數為0.385,而復合材料的平均摩擦因數為0.214。

圖6 ZL301合金和B4C/ZL301摩擦因數的對比

由于復合材料中B4C體積分數較高,在摩擦磨損實驗過程中,B4C會與氧發生反應

B4C+4O2→2B2O3+CO2

(1)

當生成的B2O3遇到水蒸氣時又會發生如下反應

B2O3+3H2O→2H3BO2

(2)

生成的B2O3和H3BO2在摩擦磨損實驗過程中起固體潤滑劑的作用,從而降低了復合材料的摩擦因數。

圖7所示為ZL301合金和B4C/ZL301復合材料在摩擦磨損實驗后的質量損失對比結果。由圖7可見,復合材料經摩擦磨損實驗后的質量損失明顯小于基體材料。由于制備的復合材料B4C強化相的體積分數較高,且其具有硬度高、耐磨性好等優點,在摩擦磨損過程中B4C增強體粒子承擔了主要載荷,而基體材料主要起連接增強體粒子的作用,因而,制備的復合材料質量損失明顯小于基體材料。

圖7 ZL301合金和B4C/ZL301材料質量損失對比

圖8所示為ZL301合金和B4C/ZL301復合材料磨損表面的微觀形貌,其中,圖8(a)和(c)為ZL301鋁合金的磨損微觀形貌,圖8(b)和(d)為復合材料的磨損微觀形貌。由圖8(a)可見,ZL301鋁合金表面的磨損較為嚴重,磨損表面布滿寬度不同、深度不同的犁溝狀條紋。由圖8(c)可見,在犁溝的表面覆有磨屑。可知,ZL301合金磨損是由于基體材料硬度較低塑性較好所引起的粘著磨損,并導致基體材料的犁削形成犁溝和磨屑。

圖8 ZL301(a、c)和B4C/ZL301復合材料(b,d)磨損表面微觀形貌

圖8(b)與圖8(a)形成鮮明的對比,由圖8(b)可見,B4C/ZL301復合材料表面比較平整,沒有明顯的犁溝狀條紋,磨損痕跡不明顯。與圖3(b)比較,由圖8(d)可知,經歷摩擦磨損后的B4C顆粒形貌未有明顯改變,且B4C顆粒間的基體材料未見磨損,表明在實驗過程中,由于載荷主要由B4C增強體顆粒承擔載荷?；w材料未與摩擦介質直接接觸,在摩擦磨損實驗過程中起連接和支撐B4C增強體顆粒的作用。

2.4 B4C/ZL301復合材料壓縮性能測試

圖9所示為ZL301基體材料和B4C/ZL301復合材料壓縮實驗應力應變曲線。從圖9可以看出,ZL301基體材料試樣的屈服強度約為240 MPa,抗壓強度約為504 MPa,斷裂應變為0.40,而B4C/ZL301復合材料抗壓強度約為550 MPa, 斷裂應變為0.05。復合材料的抗壓強度相對于基體材料提升9.1%。

圖9清楚表明,復合材料的塑性變形能力較差。因復合材料中B4C體積分數較高,當外力作用于復合材料時,金屬基體和B4C顆粒對載荷的變形響應不同:金屬基體塑性和韌性優于陶瓷,因此在外力作用下金屬材料發生塑性變形,而B4C顆粒則傾向于保持原來的形狀。當外力持續增大時,金屬基體和陶瓷顆粒之間的結合遭到破壞,導致復合材料發生脆性斷裂。此外,由于B4C顆粒的硬度比基體材料高,會在復合材料內形成應力集中區域。當外力作用于這些應力集中區域時,可能會導致材料的局部破壞,也可導致復合材料發生脆性斷裂。

3 結論

(1)采用真空壓力浸滲法制備了B4C體積分數約為60%的B4C/ZL301復合材料,復合材料組織致密,B4C顆粒分散均勻,界面結合良好,未見明顯微孔缺陷。

(2)B4C/ZL301復合材料主要由B4C增強體顆粒、ZL301合金和Al3BC組成。微觀組織和XRD分析結果表明增強體顆粒與基體材料存在界面反應產物,反應產物為Al3BC。

(3)B4C/ZL301復合材料的顯微硬度較基體材料提高了249.6%,達252.00 HV;B4C/ZL301復合材料的平均摩擦因數較基體材料下降了44.4%,為0.214;B4C/ZL301復合材料的耐磨性明顯優于基體材料;B4C/ZL301復合材料的抗壓強度較基體材料提高了9.1%,但斷裂應變較基體材料明顯下降,為脆性斷裂。