6期 材料研究学报 2004F 12 H CHINESE JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH December 2004 三维网络SiC/Cu金属基复合材料 的凝固显微组织* 邢宏伟曹小明胡宛平赵龙志张劲松 (中国科学院金属研究所) 摘要用挤压铸造法制备了三维网络SC/Cu金属基复合材料,研究了铸造压力、网络SC骨架预热 温度、浇注温度等工艺条件对复合材料凝固显微组织的影响.结果表明,三维网络SiC陶瓷骨架在晶体生 长和结晶过程中有重要作用,在一定条件下在网孔内可形成垂直于骨架表面的枝晶网络,或形成粒度细小且 分布均匀的等轴晶组织;骨架的孔径对显微组织的影响也很大,细小的孔径有利于晶粒细化和组织均匀化, 粗大的孔径助长宏观偏析和铅的偏聚.骨架减轻了复合材料中锡的反常偏析,使锡的偏析主要发生在骨架 表面附近的微小区域,从而避免了在铸件表层的集中偏析 关键词复合材料,金属基复合材料,挤压铸造,三维网络SiC,铜,凝固显微结构 分类号TB333 文章编号1005-3093(2004)06-0597-09 Solidification microstructure of 3D-meshy SiC/Cu metal matrix composites XING Hongwei CAO Xiaoming HU Wanping ZHAO ZHANG Jinsong** nstitute of Metal Research, Chinese Academy of Scien a79 11001 Supported by Advanced Materials Project of National Hi esearch and Develop- ment of China. Manuscript received January 18, 2004; in revised form April 28, 2004 * To whom correspondence should be addressed, Tel: (024)23906640 E-mail: jshzhang@imraccn ABSTRACT 3D-meshy SiC/Cu metal matrix composite was fabricated by squeeze casting process The influence of process conditions on solidification microstructure of the composites was studied. The results showed that 3d-meshy Sic ceramic skeleton played an important role during the solidification of the matrix and the course of crystal growth and crystallization. Under the certain conditions, the dendrites perpendicular to skeleton surface appeared, and the fine and even equiaxed grains structure formed. The influence of skeleton apertures on microstructure was very remarkable. the fine aper- tures were benefit to grain refining and structure uniformity, while big apertures were apt to produce macroscopic segregation and concentration of plumbum. the tin inverse segregation was lightened for the SiC skeleton, because tin was gathered in a very narrow region near the surface of skeleton, which avoided tin mass segregation in the surface layer of the cast KEY WORDS composite, metal matrix composites(MMCs), squeeze casting, 3D-meshy SiC,cop- per, solidification microstructure *先进材料专项基金资助项目.2004年1月18日收到初稿;2004年4月28日收到修改稀 本文联系人:张劲松,研究员,沈阳市110016,中国科学院佥属研究所 D1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第 卷 第 期 年 月 材 料 研 究 学 报 工 , 三维网络 金属基复合材料 的凝固显微组织 邢宏伟 曹小 明 胡宛 平 赵龙 志 张劲松 中国科学院金属研究所 摘 要 用挤压铸造法制备了三维网络 金属基复合材料 , 研究了铸造压力 、 网络 骨架预热 温度 、 浇注温度等工艺条件对复合材料凝固显微组织的影响 结果表明 , 三维网络 陶瓷骨架在晶体生 长和结晶过程中有重要作用 , 在一定条件下在网扎内可形成垂直于骨架表面的枝晶网络 , 或形成粒度细小且 分布均匀 的等轴晶组织 骨架的孔径对显微组织的影响也很大 , 细小的扎径有利于晶粒细化和组织均匀化 , 粗大的孔径助长宏观偏析和铅的偏聚 骨架减轻了复合材料 中锡的反常偏析 , 使锡的偏析主要发生在骨架 表面附近的微小区域 , 从 而避免 了在铸件表层的集中偏析 关键词 复合材料 , 金属基复合材料 , 挤压铸造 , 三维网络 , 铜 , 凝固显微结构 分类号 文章编号 一 一 一 勿 未 几 艺云”云 老 已 化 汤厄几 亡 饥 尹冼乞 呢 几 几 价 叩 卜 · , , 梦 吻件 臀号 ‘ , ‘ , 乃一 丈 丈 昌 吧 · · 煞糕沈款答爵默一 豁糕箕粼默几黑呈默篙黑 黔粼着麒瓮穿咒 亡 户 亡户 匀 亡 , , ‘ 丫 , 卜 宜 一 , · 丫 , , , 一 , , “ 币 欲沁 先进材料专项基金资助项 巳 年 月 招 日收到初稿 年 月 日收到修改稿 · 本文联系人 张劲松 , 研究员 , 沈阳市 , 中国科学院金属研究所
材料研究学报 近年来,铸造金属材料的凝固显微组织由于对性能有着非常重要的影响而被广泛关注~3, 但有关陶瓷/金属复合材料凝固显微组织的研究却并不多见SiC/Cu金属基复合材料具有良好的 导热、导电、耐磨和耐氧化等性能,因此在航空航天、电子和国防等领域有广阔的应用前景~8 三维网络SC/Cu金属基复合材料的制备工艺与粉末冶金法不同,其通过将事先制备好的SC陶 瓷骨架用挤压铸造法与铜合金进行复合,从而制备出一种具有特殊性能的三维网络连通的金属 基复合材料.三维网络siC/Cu复合材料的金属相和陶瓷相均为连续分布,与颗粒增强相的弥散 分布显著不同,陶瓷骨架因为金属相所具有的韧性得到增韧,金属相由于陶瓷骨架的刚性承载作 用而得到增强,两者相互依托,相互补强.因此,三维网络SC/Cu金属基复合材料在某些应用条 件下可能比颗粒增强金属基复合材料具有更大的优越性.与粉末冶金法相比,挤压铸造法不要求 所用的材料必须为粉末;同时,挤压铸造法不需要气体保护,制备时间短、效率高因此,本文采 用挤压铸造法制备三维网络SC/Cu金属基复合材料并对其凝固显微组织进行研究 1实验方法 三维网络SC/Cu金属基复合材料由基体和增强体两部分组成基体材料的成分(质量分数) 列于表1,增强体是三维网络SC骨架,采用先驱体泡沫浸渍法制备 表1SiC/Cu复合材料基体合金成分 Table 1 Composition of matrix alloy in SiC/Cu composite(mass fraction, %o) Com Content 6.1 6.1 3.2 balance 采用挤压铸造法完成基体铜合金与三维 Mould 网络SC骨架的复合,挤压铸造工艺流程如图 Cu alloy 1所示,实验前先用无水乙醇将三维网络 Sic Preheating Smelting 骨架超声潸洗20min,再用去离子水超声清洗 (400-800°c)6300℃) 0501200°C 15min,然后放入100℃的干燥箱中备用.SC骨 架与基体铜合金的复合在YH32315A型四柱液 压机上进行,压机的公称压力为3150kN将SC squeeze castin 陶瓷骨架和模具预热至一定温度,在100kW中 频感应电炉中将铜合金熔化.待合金熔化并达 composite) 到浇注温度时,将SC骨架迅速放入模具并浇注 铜合金熔液,在一定压力下加压复合成型,制备 出实验用三维网络SC/Cu金属基复合材料复 合材料中SC骨架的体积分数为20%,复合材料 金相组织取自SC骨架的网孔中心部位,骨架网 图1复合材料制备工艺流程图 Preparation process flow of the com- 孔的平均孔径为10mm 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki
材 料 研 究 学 报 卷 近年来 , 铸造金属材料的凝固显微组织 由于对性能有着非常重要的影 响而被广泛关注 ‘一 , 但有关陶瓷 金属复合材料凝固显微组织的研究却并不多见 金属基复合材料具有良好的 导热 、 导 电 、 耐磨和耐氧化等性能 , 因此在航空航天 、 电子和 国防等领域有广阔的应用前景 一 三维网络 金属基复合材料的制备工艺与粉末冶金法不同 , 其通过将事先制备好的 陶 瓷骨架用挤压铸造法与铜合金进行复合 , 从而制备出一种具有特殊性能的三维网络连通的金属 基复合材料 三维网络 复合材料的金属相和 陶瓷相均为连续分布 , 与颗粒增强相的弥散 分布显著不同 , 陶瓷骨架因为金属相所具有的韧性得到增韧 , 金属相 由于陶瓷骨架的刚性承载作 用而得到增强 , 两者相互依托 , 相互补强 因此 , 三维 网络 金属基复合材料在某些应用条 件下可能 比颗粒增强金属基复合材料具有更大的优越性 与粉末冶金法相 比 , 挤压铸造法不要求 所用 的材料必须为粉末 同时 , 挤压铸造法不需要气体保护 , 制备时间短 、 效率高 因此 , 本文采 用挤压铸造法制备三维网络 金属基复合材料并对其凝固显微组织进行研究 实 验 方 法 三维网络 金属基复合材料 由基体和增强体两部分组成 , 基体材料的成分 质量分数 列 于表 , 增强体是三维网络 骨架 , 采用先驱体泡沫浸渍法制备 表 复合材料基体合金成分 叮 , 采用挤 压铸造法 完 成基体铜合金 与三维 网络 骨架的复合 , 挤庄铸造工艺流程如 图 所示 实验前先用无水 乙 醇将三维 网络 骨架超声清洗 , 再用去离子水超声清洗 , 然后放入 ℃的干燥箱中备用 骨 架与基体铜合金的复合在 一 型四柱液 压机上进行 , 压机的公称压力为 将 陶瓷骨架和模具预热至一定温度 , 在 中 频感应 电炉 中将铜合金熔化 待合金熔化并达 到浇注温度时 , 将 骨架迅速放入模具并浇注 铜合金熔液 , 在一定压力下加压复合成型 , 制备 出实验用三维网络 金属基复合材料 复 合材料中 骨架的体积分数为 , 复合材料 金相组织取 自 骨架的网孔 中心部位 , 骨架网 孔的平均孔径为 以 勺 一 白 临 月 〔 图 复合材料制备工艺流程图
期 邢宏伟等:三维网络Sc/Cu金属基复合材料的凝固显微组织 用线切割机切取尺寸为12mm×12mm的金相试样依次用20m、7m和1m的SC粉 在玻璃板上加水细磨,再用1mSiC抛光膏在金相抛光机上抛光.金相试样的观察在 Venamet-2 型金相显微镜上进行.元素分布和成分分析在S360型扫描电子显微镜上进行.化学成分分析采 用ICP光谱仪等 结果与讨论 21工艺参数对凝固组织的影响 在一定范围内,铸造压力的提高不仅使晶体长大的线速度提高,也提高了液态金属中的形核 率在加压条件下,形核率的增加超过长大线速度,则加压可使宏观晶粒细化;当形核率的增加幅 度低于长大线速度时,宏观晶粒度变粗.对于无骨架金属挤压铸造,压力对液态金属的搅拌作 用使在凝固初期形成的粗大树枝晶被打碎,从而减小枝晶尺寸,细化晶粒并减轻偏析.对于三维 网络SC/Cu复合材料的挤压铸造,当SC骨架的网孔足够小时,增大压力对复合材料基体凝固 组织的晶粒度影响不明显(图2).SiC网络骨架的存在使形核变得比较容易,形核率显著提高并 占主导地位使其影响超过压力的影响.这是压力对晶粒度的影响不十分明显的原因 图2铸造压力对晶粒形态的影响 Fig 2 Influence of squeeze casting pressure on grain shape(a)80 MPa, (b)100 MPa 由图3可知,骨架预热温度为200℃时试样的平均晶粒度与骨架预热温度为40c时接近, 可见骨架预热温度的提高对晶粒尺寸的影响不显著.其原因是,无论骨架的预热温度为200℃还 是400℃,在骨架与基体Cu合金之间均能达到较好的反应润湿,形成界面反应层.界面反应层 的存在,使网孔内部由反应层至骨架中心区域形成均匀的等轴晶组织.可见,界面反应层的存在 弱化了骨架预热温度对基体晶粒度的影响.但是骨架预热温度不能过低,否则液态金属凝固时将 在基体与S骨架之间产生较大的内应力,导致界面脱粘或产生裂纹 浇注温度的降低有细化晶粒的作用(图4),但最佳浇注温度应高于相线温度50℃左右浇注 温度过低会影响液态金属的充型和补缩,在骨架内出现缩孔或疏松,浇注温度过高导致金属熔液 严重氧化 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net
卫进址一一一一卫壑瞪生丝哑丝丛鱼鱼昼基复宣材料的凝固显微组织 用线切割机切取尺寸为 火 的金相试样 , 依次用 赵 、 户 和 拜 的 粉 在玻璃板上加水细磨 , 再用 拼 抛光膏在金相抛光机上抛光 金相试样的观察在 一 型金相显微镜上进行 元素分布和成分分析在 型扫描电子显微镜上进行 化学成分分析采 用 光谱仪等 结 果 与 讨 论 工艺参数对凝固组织的影响 在一定范围内 , 铸造压力的提高木仅使晶体长大的线速度提高 , 也提高了液态金属 中的形核 率 在加压条件下 , 形核率的增加超过长大线速度 , 则加压可使宏观晶粒细化 当形核率的增加幅 度低于长大线速度时 , 宏观晶粒度变粗 对于无骨架金属挤压铸造 , 压力对液态金属 的搅拌作 用使在凝固初期形成的粗大树枝晶被打碎 , 从而减小枝晶尺寸 , 细化 晶粒并减轻偏析 对于三维 网络 复合材料的挤压铸造 , 当 骨架的网孔足够小时 , 增大压力对复合材料基体凝固 组织的晶粒度影响不明显 图 网络骨架的存在使形核变得 比较容易 , 形核率显著提高并 占主导地位使其影 响超过压力的影响 这是压力对晶粒度的影响不十分明显的原因 图 铸造压力对晶粒形态的影响 班 即 , 骥澎黔淤黝默澎淤澡 退 温度过嫌低会影响液态蒸金属 的充型擞和补缩 , 在骨雏架 内出现缩塔孔或疏松 ,襟浇注温度过翼高导致金属熔醉液 严重氧化
材料研究学报 18卷 ““ 100 图3骨架预热温度对晶粒形态的影响 Fig 3 Influence on grain shape of skeleton preheating temperature(a)200 C,(b)400C 图4浇注温度对晶粒形态的影响 Fig 4 Influence of pouring temperature on grain shape(a)1050 C,(b)1200 C 2.2骨架对凝固组织的影响 22.1骨架对铅分布的影响无论对于纯基体合金,还是对于SiC骨架增强复合材料,铅的 分布总体上是比较均匀的(图5)在中孔和小孔径复合材料中没有发现铅有严重偏析,但是在无 骨架基体的中心和大孔径复合材料(直径2.5mm)的网孔中心,出现铅的局部聚集这些结果表 明,在挤压铸造工艺条件下,铅的密度比较大(1.34×103kg/m310),虽然压力对金属熔液有搅拌 作用,使铅的偏析受到抑制,但是较长的凝固时间导致了铅的聚集和偏析.在无骨架基体和大孔 径骨架的中心凝固速度较慢,铅有足够的时间在液相中沉积,从而产生比重偏析.对于中孔或小 孔径骨架,液态合金的凝固速度较快,铅来不及偏析 222骨架对形核和结晶的作用在液态金属的凝固过程中,三维骨架的网络结构为晶体 的形核提供了基底,导致大量晶核在骨架表面形成并长大.实验结果表明,骨架在某种程度上具 有使液态金属定向结晶一形成织构的作用.当骨架与基体间不发生界面反应,即没有界面过渡层 (当骨架表面生成非常致密的反应烧结SC层时,骨架与基体铜不发生界面反应,不形成界面过 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
材 料 报 卷 图 骨架预热温度对晶粒形态的影响 且 群 叩 七 助 , ℃ 图 浇注温度对晶粒形态的影响 且 即 叩 ℃ , 骨架对凝固组织的影响 骨架 对铬分布的影响 无论对于纯基体合金 , 还是对于 骨架增强复合材料 , 铅的 分布总体上是 比较均匀的 图 在 中孔和 小孔径复合材料中没有发现铅有严重偏析 , 但是在无 骨架基体的中心和大孔径复合材料 直径 的网孔中心 , 出现铅的局部聚集 这些结果表 明 , 在挤压铸造工艺条件下 , 铅的密度 比较大 火 郭 “ , 虽然压力对金属熔液有搅拌 作用 , 使铅 的偏析受到抑制 , 但是较长的凝固时间导致了铅的聚 集和偏析 · 在无骨架基体和大孔 径骨架的 中心凝固速度较慢 , 铅有足够的时间在液相 中沉积 , 从而产生 比重偏析 对子中孔或小 孔径骨架 , 液态合金的凝固速度较快 , 铅来不及偏析 骨架对 形核和 结 晶的作用 在液态金属 的凝 固过程 中 , 三维骨架的网络结构为 晶体 的形核提供了基底 , 导致大量晶核在骨架表面形成并长大 , 实验结果表明 , 骨架在某种程度上具 有使液态金属 定向结晶 一 形成织构的作用 当骨架与基体间不发生界面反应 , 即没有界面过渡层 当骨架表面生成非常致密的反应烧结 层时 , 骨架与基体铜不发生界面反应 , 不形成界面过
6期 邢宏伟等:三维网络SC/Cu金属基复合材料的凝固显微组织 150 150m 图5铅在纯基体(a)和复合材料基体(b)中的分布 Fig5 Distribution of Pb in pure matrix(a)and composite matrix(b) 渡层;当骨架表层含有较多残余硅时,液态铜液在铸造压力作用下与骨架表层中的残余硅反应并 形成SC与铜的过渡层)时,由于骨架表面粗糙不平,为树枝晶的形成创造了条件,因而金属 150/m (a) x Preform 图6骨架对液态金属结晶的影响 Fig 6 Influence on crystallization of liquid metal for skeleton action(a)macroscopic,(b)brim of skeleton,(c)center of mesh, (d)composite with transition la 201994-2010chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
期 邢宏伟等 三维网络 金属基复合材料的凝固显微组织 黔 铅在纯基呷 和复输 料基体 中的分布 七 二 少 渡层 形成 当骨架表层含有较多残余硅时 , 液态铜液在铸造压力作用下与骨架表层中的毕余硅反应并 与铜的过渡层 时 , 由于骨架表面粗糙不平 , 为树枝晶的形成创造了条件 七 , , 因而金属 脚 味凡尸认 卿 南 妇 和砰中 , 户咧 , 钩护抽洲嗬翘幅诀绮州 硫橄畔 甲 月 户 甲 叫 , 网曰 户脚 日韶料炉 电甲州啤 洲 脚脚 华 户 冲 , , 呛畔 , 曰‘ , 氏 二 缎 创护叼曰 , 自‘ 口 肠 目 口 ‘ 州国甲腼 翻目 以 图 骨架对液态金属结晶的影响 记 “ , 玩 〔 们