多孔SiC陶瓷增强金属基复合材料的制备

第 36 卷 增刊 1 稀有金属材料与工程 V ol.36, Suppl.1 2007 年 8 月 RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING August 2007收稿日期:2007-02-28基金项目:国家自然科学基金（50572087 作者简介:刘志伟,男,1981年生,硕士生,西安交通大学,陕西 西安710049,电话：029-*,E-mail :lzw_6260多孔SiC陶瓷增强金属基复合材料的制备刘志伟,鲍崇高（西安交通大学材料科学与工程学院,陕西 西安 710049摘 要:采用纸质材料制成三维管状模型,经过纸质模型碳化、反应性渗硅处理获 得多孔SiC陶瓷预制体，选择铸造性能好、成形缺陷小的铸铁作为金属基体，采用铸 渗法制备了 SiC陶瓷增强金属基复合材料，通过XRD, SEM等分析手段研究了多孔 SiC陶瓷和复合材料的显微组织和界面结构。研究表明，纸质模型800C温度碳化， 反应性渗硅温度1600C时制备的多孔SiC陶瓷预制体三维结构稳定，烧结后变形小, 微观组织结合紧密;通过铸渗法制备的SiC陶瓷增强金属基复合材料界面结合良好, 无明显缺陷。该方法中增强相结构可设计性好，铸渗法制备多孔陶瓷金属基复合材 料质量高，为多孔陶瓷增强金属基复合材料的获得提供了试验新方法。关键词:SiC 陶瓷; 反应性渗硅; 铸渗; 金属基复合材料中图法分类号:TB333文献标识码:A文章编号:1002-185X（2007Sl-0852-041 前 言由陶瓷颗粒、短纤维、晶须增强的金属基复合材料（MMC综合了金属的塑韧 性、成型性、导电、导热性， 以及增强相陶瓷材料的高强度、高模量、耐热、耐 磨、耐高温等性能1，制备的金属基复合材料具有高比强度、比模量;导热、导电性 能;热膨胀系数小、尺寸稳定性好;良好的高温性能;耐磨性好;良好的疲劳性能和断 裂性能等优点2,故其有广阔的应用前景。制备金属基复合材料方法较多,铸渗法是 其中一种,原理是将合金粉末或陶瓷颗粒等预先固定在型腔的特定位置,通过浇注并 利用金属液的流渗能力使铸件需要部位具有特殊组织和性能的一种材料复合技术 35。网状结构陶瓷增强金属基复合材料是用铸造方法在预制的多孔陶瓷中浇铸金属 而成的一类复合材料,其基本特征是基体与增强相在整个材料中形成各自的三维空 间连续的网络结构并且互相缠绕在一起,相对于纤维增强材料,其在整体结构上具有 各向同性的特点,而相对于颗粒或晶须增强材料,它又有相互连续的特点,这种结构形 式使该类材料具有独特的性能,具有较好的发展和应用前景6。本试验首先制作结构设计具有很好可控性的三维管状纸质模型确定陶瓷预制体 结构,通过纸质模型碳化、渗硅处理获得多孔 SiC 陶瓷;选择铸造性能好、成形缺陷 倾向小的铸铁7作为金属基体,采用铸渗法制备了 SiC陶瓷增强金属基复合材料;通过XRD, SEM等分析手段研究了多孔 SiC 陶瓷和复合材料的显微组织和界面结构,研究工作对多孔陶瓷增强金属基复合 材料的制备新工艺进行了有益探索,为新材料的进一步研究开发提供了较好的试验 基础。2 多孔陶瓷与复合材料的制备2.1 三维管状多孔陶瓷预制体的制备SiC 陶瓷预制体必须具有以下几个特点:(1较高的通孔率;(2 足够的强度;(3 与金 属或合金熔体具有良好的润湿性;(4满足复合材料的基本性能要求。首先选用普通的复印纸做成三维管状纸模型,如图 1所示。其次对纸模型进行 浸树脂处理,再用纯酒精稀释的 2310热固型酚醛树脂中浸泡充分后,在空气中晾置 12 h 时,待纸管上的多余树脂流尽,用细铁丝将纸管中的残余树脂疏通,反复进行,保证纸管的畅通。自然晾干后，放入100C烘箱中，干燥6 h后取出。这样可以提高纸模型 的结构强度,保证在加热过程中模型骨架不发生变形,如图 2所示。在型号为SL63-7R真空电阻炉中烧结制备SiC，烘干的三维纸模型作为生坯，根 据生坯质量，按比例称取硅粉（本试验生坯与硅的质量比为1:4，在温度为800C左右 时，保温30 min，使纸模型充分碳化,等到温度升到900C的时候，关掉真空泵，充入N 2作为保护气，继续缓慢升温到1600C时，保温30 min，此增刊1刘志伟等:多孔SiC陶瓷增强金属基复合材料的制备853时硅处于液态或气态。在毛细力的作用下熔融态的硅沿着毛细管渗入坯体中,与坯体中的碳反应生成卩-SiC，反应生成的卩-SiC和渗入的游离Si把陶瓷中的孔隙完全填充,生成结合致密的陶瓷体8。反应方程式为:Si+CSiC温度为1700 C时，排硅1 h,目的是使多余硅充分排出。随炉冷却，制得的三维管状SiC陶瓷预制体如图 3所示。试验所制作的陶瓷预制体为三维管状结构,保证了它有很高的通孔率;因为其是陶瓷结构,故具有足 够的硬度;在铸渗前对陶瓷预制体进行预热处理,使 熔融态灰铸铁有较高温度,可以增进基体和增强相的 润湿性。图 1 三维管状纸模型Fig.1 Three-dimentional tubular papery model图2 浸树脂后的纸模型Fig.2 Papery model immersed resin2.2 复合材料的制备将经过预热处理的三维管状SiC陶瓷预制体用金属支架固定在砂型型腔中,然后将熔融态的高温铁液浇注至砂型中,熔融金属液在自然重力作用下渗透到 多孔陶瓷中并最终包覆整个陶瓷预制体,室温条件下 冷却即形成陶瓷/金属基复合材料。铁液的浇铸温度约 为1350C,较一般铸造温度高,因为在一定温度内， 液态金属的表面能会随着温度的升高而呈线性下降, 金属基体和陶瓷的润湿角就会随着温度的升高而降 低9。铸渗试验示意图如图 4所示。对冷却后的复合 材料进行线切割并观察宏观形貌,发现复合材料宏观 表面金属光泽明显，三维交错分布的SiC陶瓷多孔结 构均匀分布于金属基体中,复合效果理想。图3三维管状SiC陶瓷预制体Fig.3 Three-dimensional tubular SiC ceramic preform 浇铸前首先对多孔陶瓷预制件进行预热处理的工 艺条件为:加热到900C,保持60 min。预热处理的 主要作用为:(1 可以降低在浇注金属液时由于多孔 陶瓷和金属液温度梯度过大产生的内应力,有效减少 裂纹的产生。(2热的金属液浇到冷的SiC陶瓷上容易产生水蒸气,从而产生气孔等铸造缺陷,金属液也容易溅射。预热可以减少产生气孔,防止金属液溅射。(3增加陶瓷界面和金属液的润湿性,有利于高温金 属液在陶瓷预制体中的流动和界面结合10。图4 复合材料铸渗试验示意图Fig.4 Casting penetration hardening process rough sketch of thecomposites3 复合材料显微组织与界面分析3.1三维管状SiC陶瓷的显微组织分析preform854.稀有金属材料与工程第36卷图 5 是反应烧结 SiC 陶瓷的表面形貌。可以看到陶瓷体内主要有游离的Si ,SiC和玻璃相3个组相，也有少量的气孔相，其中主晶相为SiC。图6为反应烧结 SiC陶瓷的XRD分析。相组成中主要包括有Si ,SiC和C 3相。其中游离Si来源于 反应烧结中的残留Si ,C为未反应的残余碳，其中部分以玻璃态的形式存在,这是由 于酚醛树脂在高温时热解成玻璃态的碳,SiC为陶瓷增强相的主要成分。图 5 SiC 陶瓷 SEM 形貌 Fig.5 SEM morphology of SiC ceramic图 6 SiC 陶瓷的 XRD 衍射图谱 Fig.6 XRD pattern of SiC ceramic3.2 复合材料显微组织及界面结构图7是复合材料微观SEM形貌,其中深色管状SiC陶瓷清晰，在SiC陶瓷表面 有白色环状的残余Si ,在管状SiC陶瓷中，存在少量黑色残余C。图8是复合材料的 界面放大形貌。可以看出，管状SiC陶瓷两边均为金属基体，陶瓷表面存在少量条状 残余硅，金属基体上有粗大的片状石墨，金属基体和SiC陶瓷之间的界面结合较好，没 有明显的界面缝隙。高熔点钢铁为基体的多孔陶瓷复合材料研究少（熔点高，密度大，比强度小，制造 工艺困难。但现代工业又迫切需要能够在高温、高速、耐磨损等严酷工矿下工作的结构件。此 复合材料在此工矿下有潜在优势。图 7 金属基复合材料显微组织形貌Fig.7 The microstructure of MMC图 8 金属基复合材料界面放大图 Fig.8 The magnifying figure of MMC interface随着钢铁工业的发展与成熟，必将推动复合材料理论应用于钢铁，研制开发出价 格低廉、性能优良的铁基复合材料，为钢铁工业的发展注入新的活力。4 结 论1本试验制备的三维管状SiC陶瓷方法新颖，制备简单,成本低，可操作性强。纸 质模型800C温度碳化，反应性渗硅温度1600C时制备的多孔SiC陶瓷预制体三维结构稳定，烧结后变形小,微观组织结合紧密;控制温度为1700C时，多孔SiC陶瓷预 制体排硅1 h ,可获得理想的排硅效果。2复合材料制备前对SiC陶瓷预制体进行高温预热处理(900C,60 min，可以增 加陶瓷表面和金属液的润湿性,有利于金属液在陶瓷预制体中的流动,减少铸造缺陷, 提高复合材料的界面结合质量。203040506070SiSi SiCSiC CI n t e n s i t y /a .u .20/(oVitreous carbon增刊1刘志伟等:多孔SiC陶瓷增强金属基复合材料的制备8553通过铸渗法制备的SiC陶瓷增强金属基复合材料界面结合良好,无明显缺陷。 该方法中增强相结构可设计性好,解决了陶瓷颗粒在金属液中难以均匀分散的难题, 为多孔陶瓷增强金属基复合材料的获得提供了试验新方法。参考文献 Reference s1 Newkird M S, Urquhart A W, Zwicker H R et al. 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International Materials ReviewsJ, 1993, 38（5:25710 Cui Hua （崔华,Hao Bin （郝斌,Zhang Jishan （张济山.Foundry （铸造J, 2006, （8: 818Preparation of Porous SiC Reinforced Metal Matrix CompositesLiu Zhiwei, Bao Chonggao（Xian Jiaotong University, Xian 710049, ChinaAbstract: The porous SiC ceramic preform was prepared with three-dimensional tubular papery model which was carbonized and treated by reactive infiltration of liquid silicon. Cast iron with good casting property and little casting fault was used as metal matrix. The SiC ceramic reinforced metal matrix composite was prepared by casting penetration hardening process. The microstructures and the interface structures of the porous SiC ceramic and the composite were analyzed by XRD and SEM. The result shows that the porous SiC ceramic preform carbonized at 800 C and infiltrated liquid silicon at 1600 C has good three-dimensional stabilization, little distortion and compact microstructure; the composite has good combining property in the interface, and no distinct defects. This method has good design ability for the structure of the reinforcement, and the porous SiC reinforced metal matrix composite using casting penetration hardening process has good quality, which supplies a new experimental method for the preparation of the porous SiC reinforced metal matrix composites.Key words: SiC ceramic; reactive infiltration of liquid Si; casting penetration hardening process; metal matrix compositesBiography: Liu Zhiwei, Candidate for Master, Xian Jiaotong University, Xian710049, P. R. China, Tel: 0086-29-82673826