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复合材料特种铸造及有色合金2009年第29卷第12期

纳米SiC颗粒增强ADC12铝基复合材料的制备及性能

高飞鹏刘世英张琼元韦彦锦李文珍
(清华大学机械工程系,先进成形制造教育部重点实验室)

摘要采用机械搅拌和超声分散相结合的方法制备出了纳米SiC颗粒增强ADC12铝合金基复合材料,并对制备出的复
合材料进行微观结构分析和力学性能测试。结果表明,与基体合金相比,当纳米SiC颗粒的含量为2.0%时,所制得的复合
材料的抗拉强度、弹性模量、断面收缩率及硬度分别提高23%、43%、160%和7.4%。用扫描电镜对试样拉伸断口的形貌
和SiC颗粒的分散情况进行观察,发现纳米SiC颗粒在基体内呈均匀的弥散分布,没有发现大的团聚。同时,纳米SiC颗粒
的均匀分布起到了阻碍或者阻止裂纹产生和扩展的作用。
关键词机械搅拌;高能超声复合法;纳米SiC颗粒;铝基复合材料
中图分类号TG146.2+1;TB331文献标志码A文章编号1001-2249(2009)12-1140-04
DOI:10.3870/tzzz.2009.12.020
金属基复合材料具有质量轻、比强度、比刚度高和
耐磨性好等优异的性能,在航天、航空、军事以及汽车工1试验材料和过程
业等领域越来越受到广泛的关注,尤其是轻金属,如铝、
1.1试验材料
镁、铝合金、镁合金及其复合材料,它们的比强度和比刚
试验中所用的基体材料为铝合金锭其
度接近于钢,同时还有很多独特的优点:铝基复合材料ADC12,
标准化学成分见表。其共晶温度约为℃
制备工艺设备相对简单,成本相对较低以及可回收利用ASTM1577,
液相线温度为℃固相线温度为℃浇注温度
等;镁基复合材料具有良好的阻尼性能和电磁屏蔽性能580,515,
区间为～℃。试验中所加入的增强体是平均尺
等。因此,金属基复合材料的研究成为当今材料研究的630680
β
热点之一。寸为40nm的2SiC颗粒,其物理性能见表2。
表1ADC12铝合金的化学成分%
在金属基复合材料中,颗粒增强金属基复合材料由
于其较低的成本和简单的工艺成为研究的重点[1]。目wB
SiFeCuMgMnZnNiSnAl
前制备颗粒增强金属基复合材料的方法主要有以下几10.50.33.00.20.30.60.2
≤0.3余量
种:高能球磨法、粉末冶金法、搅拌铸造法、半固态搅熔～11.5～0.6～3.5～0.3～0.5～0.9～0.5
法以及高能超声复合法等。表2β2SiC颗粒的化学成分和性能指标

搅拌铸造法主要是利用机械搅拌的方法,将增强体平均粒晶体密度/合成外观
纯度/%w(Si)/%φ(O)/%晶型
直接加入熔体中,通过一定的机械搅拌方式,使得增强径/nm(g·cm-3)方法颜色
等离子弧
体均匀地分散在基体金属中。但是这种方法只能解决>99.9<0.2<0.61立方403.2灰绿色
气相合成
较大尺寸颗粒在增强体中的分散,对于纳米级颗粒的分
散作用非常有限。而高能超声复合法制备金属基复合1.2试验过程
材料开始于上世纪70年代,20世纪90年代开始进入采用机械超声搅拌法制备的SiC/ADC12复合材
成熟期,部分研究已经转化为实际生产。高能超声法的料中,纳米SiC颗粒的含量(质量分数,下同)分别为0、
原理是利用超声波在金属熔体中产生的声空化效应和0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。其中,不加SiC颗粒的试
声流效应所引起的力学效应中的搅拌、分散、除气等来验主要用于对比。由于超声波本身对合金液就具有一
促进颗粒混入合金熔体,改善颗粒与熔体间的润湿性,定的除气、除渣的作用,所以另外还做了一组无SiC颗
迫使颗粒在熔体中均匀分散[2]。这种方法需要对熔体粒,但是施加了10～15min超声作用的试验作为对比。
施加长时间功率密度很大超声波作用,因此成本还是比首先,将3kg的ADC12铝锭放入小型石墨陶土坩
较高的。这种方法对纳米级颗粒的分散作用非常明显。埚中,升温至一定温度保温1h。然后,开始使用搅拌
本研究主要是将机械搅拌与超声复合法相结合来器搅拌铝合金熔体,使得铝合金熔体出现小的漩涡。此
制备纳米SiC颗粒增强铝基复合材料。时,将预热的纳米SiC颗粒慢慢加入到漩涡中,使得纳

收稿日期:2009204214;修改稿收到日期:2009207220
第一作者简介:高飞鹏,男,1984年出生,硕士研究生,清华大学机械工程系,北京(100084),电话:[phone],E-mail:[e-mail].
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通讯作者:李文珍,男,1964年出生,副教授,清华大学机械工程系,北京(100084),电话:[phone],E-mail:[e-mail]
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