基于3D打印预制体的SiC/Al-Mg复合材料组织与性能
时间:2022-08-26 08:55 来源:3D科学谷 作者:admin 点击:次
近年来，三维互穿网络结构SiC/Al复合材料因其特殊的微观结构和优异的综合性能而受到关注。不同于SiC颗粒弥散分布于Al基体相中的常规复合材料，互穿网络复合材料中SiC相和铝合金相在三维空间中是连续的，并相互渗透形成网络结构，SiC相和铝合金相之间的协同作用使复合材料具有良好的综合性能，如较高的强度和断裂韧度以及良好的耐磨性和抗热震性等。 制备互穿网络SiC/Al复合材料的前提和关键是网络结构SiC预制体，3D打印工艺由于复杂结构成形能力强和材料适用性广等特点，正在成为复合材料预制体制备及新型复合材料开发的新兴热点。金属熔体在预制体中的良好浸渗是制备互穿网络SiC/Al复合材料的另一个关键问题。无压浸渗工艺简单易行、可自发进行，对预制体结构可能造成的破坏最小，其难点在于促进SiC和铝合金熔体之间的润湿性并抑制有害界面反应的发生。铝合金中的Mg元素可以减少熔体表面的氧化铝层，使熔体与SiC表面相接触，是铝合金在SiC预制体中实现良好润湿的关键。浸渗温度对浸渗效果也具有很大的影响。 兰州理工大学的学者基于3D打印的网络结构SiC预制体和无压浸渗工艺，制备互穿网络SiC/Al复合材料。为保证无压浸渗的自发进行，采用Al-10Mg合金并在N2气氛下浸渗。主要研究了SiC/Al-10Mg复合材料的微观组织和性能，并分析浸渗温度的影响，为今后结合3D打印和无压浸渗开发新型网络互穿复合材料提供参考。
原料有SiC粉末（平均粒径为0.45μm）、工业纯铝（99.7%）、纯镁（99.95%）。以工业纯铝和纯镁按10%的Mg的含量配制出Al-10Mg合金。表1为各组分的含量，将SiC粉末加入由卡拉胶水溶液、四甲基氢氧化铵溶液、聚乙二醇、丙三醇和去离子水组成的混合液中，使用行星式球磨机球磨19h，得到水基SiC浆料。用浓HCl溶液调节浆料pH值，使其成为膏体状。
SiC预制体的3D打印工艺和设计模型见图1。将制备好的SiC浆料注入3D打印机的料筒中，并以一定的速度挤出。挤出头根据STL文件分层切片的轨迹数据沿X-Y方向移动，挤出体层层堆积形成SiC预制体毛坯（见图1c）。用真空冷冻干燥机中将打印好的预制体毛坯在-30℃和50Pa的真空度下冷冻干燥24h，然后用管式电阻炉在1350℃烧结3h获得SiC预制体。 将SiC预制体固定在内径为20 mm的石墨坩埚底部，预制体上放置Al-10Mg合金棒，然后将坩埚放入真空管式炉内，在氮气气氛下进行铝合金的无压浸渗。浸渗过程中氮气流量为600mL/min，升温速率为10℃/min，升温到预定浸渗温度后保温4h，然后以10℃/min速度降温至室温，获得互穿网络结构SiC/Al-10Mg复合材料。
图1 SiC预制体的3D打印工艺
SiC预制体由φ0.8mm的挤出丝分层堆积而成，分层厚度为0.6mm。3D打印SiC预制体具有层级结构的多孔结构，宏观上是由挤出丝构成的多孔网络结构，挤出丝内部是SiC颗粒构成的微孔网络结构，合金熔体浸渗不仅要填充SiC挤出丝间的大孔网络，还要渗入SiC颗粒间的微孔网络，才能形成致密的复合材料。
制体实际上是由表面覆盖有SiO2的SiC颗粒组成的。SiC表面的SiO2氧化膜可以阻止SiC和Al熔体的直接接触，有效抑制了界面脆性相 Al4C3的形成，故而改善了复合材料的性能。由于SiO2与铝合金的润湿性比SiC更好，SiC颗粒表面的SiO2层也有助于铝合金熔体的浸渗以及减少界面缺陷。
当温度低于800℃时，铝合金熔体表面的Al2O3膜会阻碍熔体在SiC颗粒表面的润湿，浸渗基本不会发生。当温度升高到900℃时，Al和Al2O3可以发生反应。无压浸渗的发生是一个熔体前沿在预制体中逐渐润湿并推进的过程，因此需要一定的浸渗时间完成浸渗过程，浸渗温度较高时浸渗速度较快。在900℃下SiC预制体的浸渗试验表明，Al-10Mg合金可以在SiC预制体中发生浸渗，但浸渗不完全。在910~950℃保温4h，SiC预制体中网络框架间隙都可以被Al-10Mg合金熔体完全填充，而且无压浸渗后SiC陶瓷的结构特征保持良好。由于预制体中最窄间隙部分可以被完全浸渗，说明整个复合材料都浸渗良好。复合材料中，Al-10Mg与SiC框架形成了互穿网络结构，即两者在三维空间内分别是连续的。
图4 互穿网络SiC/Al-10Mg复合材料纵截面 互穿网络结构SiC/Al-10Mg复合材料中，除图4中挤出丝相交位置外，其余大部分位置是铝合金包围SiC挤出丝的结构形式，在这些位置任意选取挤出丝与Al合金的界面附近。
图5 复合材料在SiC/Al界面附近的微观组织 互穿网络SiC/Al-10Mg复合材料的微观组织可以分为3个部分：由预制体网络框架内填充的铝合金熔体凝固后形成的铝合金部分；由铝合金熔体与SiC挤出丝外层反应形成的复合壳层；由铝合金熔体在挤出丝内的SiC颗粒间浸渗形成的SiC/Al复合内芯。 3个部分的组织为：合金部分由铝合金和Mg2Si第二相组成；复合壳层由Mg2Si、MgAl2O4和少量SiC、Al合金组成；复合内芯主要由SiC和铝合金组成，有少量的Mg2Si。在复合材料组织中，还有一些Si相在铝合金的凝固结晶过程中形成。根据成分和物相分析，未发现有Al4C3的存在，因此在复合材料制备过程中有害相Al4C3没有生成或者生成量微小。
图7 浸渗温度930℃下SiC/Al复合材料微观组织的电子探针面扫描
图8浸渗温度910℃下SiC/Al复合材料微观组织的电子探针面扫描
SiC/Al-10Mg复合材料的抗压强度和硬度测试结果见表2。3D打印的SiC预制体网络框架对复合材料起到了明显的增强作用。
不同浸渗温度下复合材料以韧性撕裂的形式发生破坏，并有少量脆性断裂。没有看到明显的SiC挤出丝或者SiC颗粒，说明复合材料中不同部分之间的结合以及SiC/Al合金的界面结合良好，在压缩过程中复合材料主要发生塑性应变，在屈服极限下发生韧性断裂。在压缩过程中，裂纹主要在合金部分的第二相、复合壳层或者复合内芯中的微孔、SiC/Al合金界面处萌生，在裂纹发展过程中，可能会遇到复合壳层中的混合反应产物、SiC颗粒、Mg2Si相等，在破坏或者绕开时消耗能量，从而阻碍了裂纹的延展并提高了材料的性能。从图中可以看出，在930℃浸渗的试样中存在更少的微孔，在950℃浸渗的试样中不仅微孔多，而且由于反应过度形成更多脆性化合物导致了更多的脆性断裂。
图10不同浸渗温度下SiC/Al-10Mg复合材料的断口形貌 图11为SiC/Al-10Mg复合材料的摩擦性能测试结果。可以发现，在前100s，少量微凸体与摩擦副表面摩擦接触过程中相互作用很不稳定，实际接触面积较小，接触应力大，这个过程中摩擦系数波动较大。随摩擦过程的进行以及前期的磨合，接触面积逐渐增大，相互作用达到稳定，变化浮动较小(≤0.1)，材料进入稳定滑动阶段，说明复合材料具有良好的耐磨稳定性。3种试样的摩擦因数曲线基本相同，约在0.2左右。在930℃浸渗的试样，在摩擦过程中摩擦系数比较稳定，波动最小，摩擦系数波动最大的为950℃下浸渗的试样。测取了复合材料的磨损体积并对其磨痕进行微观分析。浸渗温度为910、930和950℃下试样磨损率分别为4.13×10-7、3.37×10-7和5.03×10-7cm3/(N•m)，在930℃下浸渗的复合材料磨损率最小。
图12为不同浸渗温度下SiC/Al-10Mg复合材料的磨痕。可以看出，复合材料的磨损表面显示出细微的划痕和分层特征，显示出该材料存在轻微的磨粒磨损和严重的粘着磨损。复合壳层和复合内芯相比于Al合金部分脆性较高，容易发生破坏而形成碎片剥落，因此在SiC复合材料区域出现了一些凹坑。浸渗温度为910℃的试样，虽然磨损面看起来比较平整，但是磨痕深度最大差值为227μm，说明磨损不均匀，这可能是前述分析中组织不均匀造成的；浸渗温度为930℃的试样，磨痕深度最大差值为156μm，犁沟深度较均匀，出现一些剥落凹坑，反映出组织中有更多的脆性反应产物；浸渗温度为950℃的试样，磨痕深度最大差值增大到185μm，且出现较多剥落凹坑，造成材料大量磨损，说明组织中大量脆性反应产物在摩擦时造成材料破坏，此时磨损量最大。
图12 不同温度下SiC/Al-10Mg复合材料的磨痕
（1）在910~950℃范围内，Al-10Mg合金可以完整浸渗3D打印SiC预制体的层级网络结构，制备的复合材料微观组织由互穿的1铝合金和“壳-芯”结构网络框架构成。 l 参考文献： 王琼,刘洪军.基于3D打印预制体的 SiC/AI-Mg复合材料组织与性能[J].特种铸造及有色合金,2022,42(5):614-620. (责任编辑：admin) |
