高能超声辅助制备SiCp/7050复合材料的组织均匀性

黎正华，李晓谦，李畅梓，蒋文



高能超声辅助制备SiCp/7050复合材料的组织均匀性

黎正华，李晓谦，李畅梓，蒋文

(中南大学机电工程学院，高性能复杂制造国家重点实验室，长沙410083)

利用高能超声辅助制备SiC颗粒增强7050铝基复合材料，研究超声工艺参数对SiC颗粒分布均匀性的影响规律和超声作用机制。研究结果表明：超声的空化效应对颗粒的团聚有阻碍作用，超声功率越大，SiC颗粒的分布改善效果越明显，但是SiC颗粒在超声场中由于驻波场中声辐射力的作用，在一定时间内会发生偏聚现象；综合超声的作用效果来看，熔体经2 000 W功率超声施加15 min后立马浇注有利于获得理想的SiCp/7050复合材料微观组织。

超声；SiC；7050；铝基复合材料；空化效应；均匀性

碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料具有比强度高、比刚度大、热膨胀系数小、导热性能好等优异的综合性能，使其在航空航天、武器装备、电子工业、汽车产品、工程机械等重要科技领域具有良好的应用前景和巨大的发展潜力[1−2]。其制备技术发展至今，主要有搅拌铸造、粉末冶金、挤压铸造、压力浸渗、喷射沉积、原位反应等方法，其中搅拌铸造法由于适应性高、操作简单、便于二次加工等优点更具工业化应用前景。然而，在搅拌铸造的制备过程中，由于SiC颗粒与基体物理性能上的差异、以及SiC颗粒表面附带的气体及杂质等严重阻碍了颗粒与熔体的结合，致使二者之间的润湿性差，难以获得颗粒分布均匀的SiCp/Al复合材料[3]。在颗粒增强铝基复合材料(PRMMCs)制备过程中施加超声外场是当今复合材料制备科学领域的一项创新工艺。TJONG等[4]利用高能超声制备SiCp/ZA27复合材料，发现SiC颗粒与基体结合紧密，边界分明，并且发现10%的SiCp/ZA27的耐磨性是基体ZA合金的10倍以上。PAN等[5]以TiO2和Al-Mg合金为原料，通过高能超声制备了Al3Ti和MgAl2O4为主要增强体的MMCs，增强颗粒分布均匀，MMCs性能稳定。目前的研究成果表明超声通过改善颗粒分布的均匀性及界面结合对PRMMCs的性能提升具有显著作用，但是超声工艺参数对颗粒分布均匀性的影响及其影响作用机理还有待进一步研究。因此，本文在液态金属与增强相半固态混合工艺的基础上，采用高能超声处理技术作用于材料制备过程，通过分析SiCp在微观组织中的分布规律，研究超声处理技术在制备SiCp/7050复合材料过程中的作用效果和作用机理。

1 实验

1.1 设备及装置

超声铸造实验装置示意图如图1所示，主要由超声波发生器、超声振动系统、搅拌装置和其它辅助设备组成。

1) 超声波发生器：输出功率：2 000 W(连续可调)；输出频率：19±0.5 kHz；

2) 超声振动系统，包括PZT压电陶瓷换能器和钛合金工具杆；

3) 其它辅助设备:电阻加热炉；温度控制记录仪；计时器；坩埚：外形尺寸直径×高×壁厚为200 mm×210 mm×18 mm；液压式位移操作台；热电偶；Leica DMI 5000M型台式金相显微镜；

图1 超声铸造实验装置示意图

1.2 实验材料

实验用的7050铝合金是采用纯度为99.7%(质量分数)的工业纯铝铸锭和各种合金母锭熔炼配制而成，成分如表1所列。增强相为市售SiC颗粒，颗粒尺寸为30 μm。

表1 实验用7050合金成分

1.3 实验方案

在制备复合材料前，采用超声水洗+高温氧化工艺对SiC颗粒进行1 000 ℃高温预处理，高温焙烧后采用筛网对SiC颗粒进行筛分，实验前将筛分好的SiC颗粒700 ℃保温待用。

将一定量的7050铝合金放入坩埚中，在电阻加热炉内加热至800 ℃熔化，保温一段时间后加入铝打渣剂除渣；熔体随炉冷却至625 ℃，使铝合金熔体处于半固态，将预处理后待用的SiC颗粒加入7050铝合金熔体中，手动搅拌5 min后随炉升温至800 ℃并保温。开展对比实验制备体积分数为10%的SiCp/7050复合材料，设计不同的实验对比不同工艺参数对复合材料的影响，具体实验方案如下：

1) 熔体不施加超声后水冷凝固；

2) 分别施加500，1 000和2 000 W功率的超声作用15 min后，水冷凝固；

3) 施加2000 W功率的超声分别作用5，10，15和20 min后水冷凝固；

4) 施加2000 W超声作用15 min后，熔体分别静置5，30，50和100 s后水冷凝固；

将实验获得的铸锭进行标记，在铸锭上表面以下50 mm处进行切片处理，并对样品进行打磨抛光，使用Lecia DMI 500M型金相显微镜观察SiCp/7050铝基复合材料的微观组织形貌，通过图像处理软件测量SiC颗粒的数目。

1.4 表征方法

为了准确地反应SiC颗粒在复合材料组织内的分布情况，全面地描述SiC颗粒的分布规律，使用如下方法进行定量表征。

1) 定一个区域S，此区域内的SiC颗粒数不应少于200个，将此区域进行拍照，并将其均匀分成12个微区域，对每个微区域内的SiC颗粒进行统计，颗粒数计为z，并求出单位微区域内SiC颗粒的平均个数，并由此计算出微区域内SiC颗粒数量的相对标准偏差：

2) 从颗粒之间的最短距离出发，描述其偏聚现象，首先依然是将同一个区域S分成12个微区域，对于每个微区域内的每个SiC颗粒找到与其最近邻的SiC颗粒，并测量出两个颗粒之间的距离x，测量出所有微区域内SiC颗粒与其最近邻颗粒的距离后，求出最短距离的平均值：

根据测量的SiC颗粒总数，假设当这个颗粒均匀有序地在区域S中分布，计算出颗粒之间的距离为0，如果SiC颗粒非完全均匀的分布，最短距离的平均值肯定小于0，当SiC颗粒分布越均匀越接近0，那么令

由此可见，越小，SiC颗粒的偏聚程度越小，其在复合材料内的分布均匀性越好。

图2 相同不同β值下的颗粒微区分布示意图

图3 不同超声功率作用15min后SiCp/7050复合材料的组织形貌

2 实验结果

2.1 超声功率对SiC颗粒分布的影响

图3所示为SiCp/7050复合材料在中心截面取样的微观组织示意图。从图3(a)中可以看出：在熔体没有施加超声外场的条件下，气孔和颗粒偏聚明显存在于铸锭中。图3(b)~(d)中，通过施加不同功率的超声外场后，铸锭中的气孔数量和颗粒偏聚现象得到不同程度的改善，而且功率越大越容易获得均匀化的微观组织。

2.2 超声施振时间对SiC颗粒分布的影响

图5所示为2000 W功率超声作用下，分别施振5，10，15和20 min制得SiCp/7050复合材料的微观组织形貌。从图5可以看出，随超声施振时间延长，SiC颗粒的分布均匀性不断提高，在超声施振15 min后SiC颗粒的团聚现象得到显著改善，但20 min后SiC颗粒有偏聚的倾向。

图4 超声功率与均匀性参数和β的关系

图5 不同超声处理时间对SiCp/7050复合材料组织形貌的影响

图6 超声施振时间与均匀性参数和β的关系

2.3 静置时间对SiC颗粒分布的影响

图7所示为2 000 W超声功率作用15 min后，不同静置时间下获得的微观组织，由图可以看出熔体在静置50 s后，SiC颗粒团聚现象变得严重并逐渐趋于稳定，图8所示的静置时间与和的关系曲线也反映了上述现象。随静置时间延长，均匀性参数和均明显变大，50 s后变化趋势减弱，因此在复合材料熔体经超声处理后，浇注越快越容易获得均匀的复合材料微观组织。

3 分析与讨论

3.1 超声空化对SiC颗粒团聚的阻碍作用

超声空化效应是超高频声波在金属熔体内传播时产生的一系列非线性的声学现象，交替变化的声压使金属熔体内部的部分质点受拉产生空化泡，空化气泡崩溃时会瞬间在极有限的体积内产生很大的温度梯度和压力梯度，通过实验及文献资料[6]可以推导出空化泡崩溃瞬间最大压力max和最高温度max分别为：

图8 静置时间与均匀性参数和β的关系

式中：T为金属熔体温度(取T=904 K)；P为超声声压幅值(P=2πfρcA)；P为起始空化泡内压力，6.8×104Pa；为空化泡内微量气体比热容，由于声空化崩溃时间极短，崩溃过程可视为绝热过程(=4/3)。经计算实验所用的超声波，空化气泡破灭可产生的最高温度为8.9×104K，产生的最大压强为1.64 GPa。SiC颗粒与铝液润湿困难，30 μm尺寸的SiC颗粒不是单分散性颗粒，由于颗粒的尺寸差异，在热驱动情况下，颗粒间彼此相结合使表面能降低，从而形成团聚。图9所示为溶体超声处理时的颗粒团聚示意图，由图可知，当这样的团聚体在铝液中时，由于团聚体内部的孔道复杂，铝液很难自发地渗透进去，只有在SiC颗粒与铝液润湿角小于90°，其团聚体内没有空气时，铝液才会自发地浸入团聚体内部[7]。

图10所示为溶体超声作用的润湿模型。由于超声空化效应产生的除气作用会大幅降低熔体中的气体含量，特别是颗粒表面尖角处的气体含量，从而大大提高SiC颗粒与熔体的润湿性，如图10所示。在最终的凝固组织中，具体表现为宏观上气孔数量大大减少，颗粒分布均匀，微观上复合材料界面结合更加紧密、牢固[8]。

空化泡崩溃产生的微射流的流速非常大，根据相关研究，在距离空化泡中心1 mm处微射流的流速可达100 m/s[9]，这样大的冲击波能有效打散SiC颗粒的团聚，使SiC颗粒分散在铝液中。另一方面，超声在熔体中传播，在克服液体的粘性阻力时，产生有限振幅衰减，超声能量的损失使得熔体中的声压场产生梯度变化，从而使得熔体流动，也就是声流效应。超声的声流效应会在熔体中形成环流，使得颗粒能够在熔池中上下翻腾，反复搅拌铝液，使得SiC颗粒宏观均匀分散于整个熔体体系，减少SiC颗粒的集聚，还可以提供一定的剪切力并打碎SiC颗粒的团聚。而当超声功率越大时，超声的空化效应和声流效应的作用越明显，对于SiC颗粒的分布改善效果也越明显[10]。

3.2 超声驻波场对SiC颗粒团聚的偏聚作用

由于SiC颗粒不溶于铝熔体，因此可以将含有SiC颗粒的铝熔体看作悬浮液，超声波在熔体中会形成驻波场，悬浮液中的微粒SiC颗粒在驻波场中，会受到声辐射力、斯托克斯阻力和有效浮升力的作用，颗粒的运动方程可表示为[11−12]：

式中：为SiC颗粒的密度；V是SiC颗粒的体积；′为SiC颗粒上附加质量；为SiC微粒距声压节或声压腹的距离；为时间；f为声辐射力；f为有效浮升力；f为斯托克斯阻力。式中每项的具体表达式为

图10 熔体超声作用下的润湿角模型

式中：为密度；为粘度；为声波的传播速度；角标1和分别代表液体和微粒；d为微粒的直径；为波数；为时均声能密度；为悬浮液的声比因数。当颗粒的运动方程在平衡条件时，颗粒将处在超声波的声压节或声压腹处。

式中：x表示平衡状态时微粒距离声压节或声压腹的距离。从解析解可以看出，颗粒的初始位置并不影响其最终凝聚位置，也没有指明具体的声压节或声压腹处。得到微粒达到平衡状态时，凝聚所经历时间的近似解为：

式中：x为颗粒在平衡状态时与声压节的距离，0为颗粒初始位置到声压节的距离。SiC颗粒在超声作用形成的驻波场中会发生偏聚现象。

当去除超声外场后，SiC颗粒为了达到新的平衡，会发生沉降或上浮现象，为了降低表面能，在运动的过程中颗粒接触后彼此结合形成集聚，并且集聚的程度随静置时间延长变得严重。超声对SiCp/Al复合材料颗粒分布改善是短暂的，熔体超声处理后需马上浇注，以免SiCp与基体发生脱离或重新团聚。

综合来看，SiC颗粒在驻波场的偏聚、空化和声流效应的复合作用下，颗粒趋向均匀化分布，但是复合材料内可能依然会存在受驻波场影响大于超声搅拌的区域，从而造成一定程度的偏聚。为了提高空化和声流的搅拌作用，减少颗粒在驻波场中的偏聚作用，在颗粒的理论凝聚时间之前调整工具头的位置与深度，这样有助于提高SiC颗粒分布的均匀性，更加充分合理地利用超声外场。

4 结论

1) 超声的空化效应对颗粒的团聚有阻碍作用，超声功率越大，空化效应和声流效应作用越强，SiC 颗粒的分布改善效果越明显。

2) SiC颗粒在超声作用形成的驻波场中会发生偏聚现象，因此超声作用时间存在一个最佳值，熔体经2 000 W功率超声施加15 min后有利于获得最佳的SiCp/7050复合材料微观组织。

3) SiC/7050复合材料熔体经超声处理后，随静置时间增加会重新偏聚，因此在复合材料熔体经超声处理后，浇注越快越容易获得均匀的复合材料微观组织。

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(编辑 高海燕)

Microstructure uniformity in preparation of SiCp/7050 composites by using high-energy ultrasound

LI Zhenghua, LI Xiaoqian, LI Changzi, JIANG Wen

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

7050 aluminum matrix composites reinforcd with SiC particles were prepared by the high-energy ultrasound-assisted method. The effects of ultrasonic process parameters on distributing uniformity of SiC particles and mechanism of ultrasonic were researched. The results show that the effect of ultrasonic cavitation on reducing agglomeration of the particles is remarkable, and with the ultrasonic power increasing, the distribution of SiC particles is improved. However, the SiC particles in ultrasonic standing wave field will gather at some time due to the effect of acoustic radiation. Based on the influences of ultrasound process, the optimum ultrasonic power and ultrasonic treatment time were 2 000 W and 15 min, respectively.

ultrasonic; SiC; 7050; aluminum matrix composites; cavitation effect; uniformity

TG249.9; TB559

A

1673−0224(2016)06−847−08

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2010CB731706；2012CB619504)

2015−11−16；

2016−03−15

黎正华，工程师。电话：15974181925；E-mail：lizhenghua0904@163.com