超声波搅拌对SiCp/ZL105复合材料制备的影响

张燕瑰，程和法，黄笑梅，吴 进，胡志君

（合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥 230009）

超声波搅拌对SiCp/ZL105复合材料制备的影响

张燕瑰，程和法，黄笑梅，吴 进，胡志君

（合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥 230009）

采用超声波搅拌法制备SiCp/ZL105复合材料，研究了超声波导入时熔体的温度、搅拌时间和超声波输出功率对SiCp/ZL105复合材料基体的微观组织及SiC颗粒分散性的影响。结果表明，随着导入超声波输出功率的增大、搅拌时间的延长，ZL105合金的共晶体形貌由针状逐渐转变为细小的球状，SiC颗粒分散开并逐渐趋于均匀；超声波处理熔体的温度控制在600℃左右时，可以获得最佳的效果，共晶体形貌呈细小的球状颗粒，SiC颗粒分散均匀。

SiCp/ZL105复合材料；超声波搅拌；微观组织；颗粒分散性

颗粒增强金属基复合材料具有比强度和比模量高、耐磨性好、热膨胀系数低、耐高温、疲劳性能好等优良性能，同时颗粒增强金属基复合材料制备工艺简单，可以利用传统的金属加工技术和设备进行加工，成本低，所以具有很大的实用性和广阔的发展前景[1，2]。近年来，复合材料已成为材料科学前沿领域的热门研究课题[3～4]。目前，对SiC颗粒增强铝基复合材料的研究更引起人们的重视，其制备方法主要采用粉末冶金法[5]和复合铸造法。其中复合铸造法工艺成本低，设备简单。但用该法制备SiCp/Al复合材料主要存在SiC颗粒与铝基体的润湿性差、不易控制SiC增强颗粒的含量、颗粒偏聚、气孔率较高等问题，使SiCp/Al复合材料的工业化生产受到限制。

超声波处理是一种新型熔体处理方法和技术，通过向熔直接导入超声波处理，液体金属受到周期性交变声场的作用，产生空化效应和声流效应，两者共同作用能够显著地改善合金凝固组织，提高SiC颗粒的分散的均匀性，同时还能清除熔体中的气体和杂质[6～9]。

本文针对搅拌复合法制备颗粒增强复合材料难以使SiC颗粒在铝液中分散均匀的问题，采用渗流法[10～13]制备高SiC体积分数含量的预制块，再用高能超声波处理的方法将预制块进行稀释重熔，制备出SiCp/ZL105复合材料，主要研究超声波导入时熔体的温度、搅拌时间和超声波输出功率3个重要参数对获得半固态SiCp/ZL105复合材料基体微观组织及SiC颗粒分布的影响。

1 实验方法

实验用铝合金为ZL105，合金成分为：4.5%～5.5%Si，1.0%～1.5%Cu，0.4%～0.6%Mg，其余的为 Al。增强体选用市售绿SiC颗粒，平均粒度为120μm。

采用渗流法制备含高SiC体积分数的SiCp/ZL105预制块，然后在半固态下用高能超声波搅拌制备SiCp/ZL105复合材料。稀释过程如下：将ZL105合金放入到石墨坩埚中，在坩埚电阻炉内加热到预定的温度并保温20min，加入预制块，控制温度在半固态区间546℃～621℃，保温30min；将预热到600℃的超声波导入杆插入到金属熔体液面以下20mm的位置进行超声波处理。

超声波处理装置由超声波发生器、超声波换能器、变幅杆及导入杆组成，其最大输出功率为1500W，且为连续可变式，频率为20kHz。

稀释时对熔体的超声波处理实验分为三组进行：①超声波输出功率控制为1200W，分别在合金熔体温度为560℃、600℃、650℃时候导入超声波进行处理，处理时间控制为60s；②超声波导入合金熔体的温度控制为600℃，分别在600W、1200W、1500W不同的输出功率下对熔体导入超声波进行处理，处理时间控制为60s；③超声波导入合金熔体时的温度控制为600℃，输出功率均控制为1200W，处理时间分别控制为30s、60s、100s。

超声波处理后立刻将合金浆料浇注入内径ø50 mm的石墨模中空冷。对以上3组试验所得到的铝硅合金试样，从中间切开，在相同位置取金相试样，分别磨平、抛光，然后用体积分数为0.5%的氢氟酸水溶液腐蚀，在金相显微镜下观察和分析不同条件下获得试样的微观组织。

2 实验结果和分析

2.1 超声波导入时熔体的温度对合金组织的影响

图1是未经超声处理的ZL105合金的微观组织，图中浅色区域为初生α-Al，深色区域为Al-Si共晶组织。从图1中可以清楚看到铸态合金中常见的发达树枝晶并不存在，α-Al形态较圆整。从Al-Si合金二元相图上可知ZL105合金的液相线温度约为621℃。实验中选择在560～650℃之间向SiCp/ZL105复合材料熔体中导入超声波处理。图2为不同温度下经过超声波处理SiCp/ZL105复合材料的微观组织，图中浅色区域为 α-Al，细小颗粒为（α-Al+Si）共晶体，块状的为 SiC颗粒。图中可以清晰地看出经过超声波处理后粗大的针片状（α-Al+Si）共晶被细化了，其尺寸明显降低，圆整度升高。同时，在560～650℃之间进行超声波处理后，SiC颗粒分布基本比较均匀且与ZL105基体合金结合良好，即SiC与ZL105合金润湿良好。由图2可以看到，2（b）中基体合金中共晶体细化效果最好，而且SiC颗粒分布也最均匀。图2（c）中由于导入熔体时温度超过液相线，出现SiCp/ZL105预制块的重熔，导致SiC颗粒聚集。因此，从实验的结果来看，处理温度在600℃左右时，超声波处理对共晶体的细化效果最佳，且SiC颗粒的分布效果最好。

2.2 超声波输出功率对合金组织的影响

图3所示为不同输出功率超声波处理下凝固所得SiCp/ZL105复合材料的微观组织。当超声波输出功率为 600W 时（如图 3（a）和（b）），由于超声波的功率较小，不足以对正在凝固的合金产生较为显著的扰动作用，从而共晶体的尺寸变化比较小，SiC颗粒团聚现象较严重，而且，SiC颗粒与基体之间结合不好出现如图3（a）和（b）中黑色的界面。当超声波的输出功率增加到1200W（如图3（c）），其对正在凝固的合金产生了强烈的扰动作用，其共晶体的晶粒明显细化，圆整度也有一定程度的提高，SiC颗粒的分布比较均匀，且与ZL105基体合金的结合良好。当超声波的输出功率增加到1500W时（如图3（d）），其共晶体的平均尺寸比未超声处理时减小了，可以看到大部分共晶体接近球形的颗粒，块状的SiC颗粒分散地比较均匀。当低功率时，超声波处理对合金的共晶体和SiC颗粒所起到有效的细化和分散作用比较小；随着超声波输出功率的增大，共晶体逐渐趋于圆整，尺寸明显的减小。由此可见超声波的功率的大小对合金的组织形貌和SiC颗粒的分散有很大的影响，增大其输出功率有利于基体合金共晶体圆整化和促进SiC颗粒的均匀分散。

2.3 超声波处理时间对合金组织的影响

图4所示为不同的超声波处理时间下SiCp/ZL105复合材料的微观组织，可见随处理时间的延长，基体合金的显微组织发生明显的变化，且SiC颗粒分散性也变好。当超声波处理时间持续30s时（如图4（a）），共晶体的尺寸大小有所下降，且SiC颗粒仍有团聚现象；当处理时间延长到60s时（如图4（b）），共晶体的圆整度较好且明显细化，平均尺寸也显著的小于超声处理30s时的效果；当处理时间继续增加到100s（如图4（c）），共晶体的圆整度与尺寸较60s时差别不大。从图4中SiCp/ZL105复合材料的微观组织形貌的演化情况可以看出，超声波处理的持续时间对基体合金的微观组织有较大的影响，要达到一定的处理时间时可以获得组织较理想的基体合金。但是当搅拌时间太长时，由于合金已经趋于凝固，超声波所产生的扰动就不能起作用。所以搅拌时间延长到一定程度以后，再延长后，共晶体细化效果就不是很明显了，从图4（b）和4（c）可以看出，共晶体的尺寸形貌差异不大。超声波处理时间对SiC颗粒分布也有重要影响，当搅拌时间太短时，超声波的声空化效应来不及发挥，导致SiC颗粒有团聚现象，等到时间延长到一定程度时，超声波的声空化效应作用时间足够长，使SiC颗粒分散均匀，且使SiC颗粒与基体合金结合良好。

3 讨论

超声波对合金熔体的作用主要是由空化和声流效应所产生的。超声波处理过程中会形成大量的空化泡，空化泡在超过一定阈值的声压下发生崩溃并产生冲击波[14～16]。这样在声空化的作用下，已结晶长大的晶粒被急剧的冲击波打碎，抑制了晶粒的长大，使晶粒得到了细化。超声波的声流效应是当超声波在熔体中传播时，由于声波与液体中的粘性力的交互作用，有限振幅衰减使液体内从声源处开始形成一定的声压梯度，而导致液体流动[17]。在空化和声流效应所产生的扰动作用下，金属液的温度场均匀化，液体整体温度提高，有利于形成更多的空化泡，促进超声波对金属熔体的扰动效果。当熔体温度过低时，空化和声流所起作用不能有效地发挥出来，共晶体也不能被有效均匀细化，有的仍会呈针状，且SiC颗粒也不能被击散开。超声波导入金属熔体后会被熔体吸收转变成热能，产生热效应。超声作用时间越长，超声波被熔体吸收就越多，热效应也就越大。因此超声波施加时间的延长能够延缓金属液的凝固过程，使凝固区域变宽[18]。从这个角度看超声波搅拌的持续时间的延长对组织的细化有利。空化泡的核的气泡临界半径与声压存在以下关系[19]：

式中：Rmin为一定声压条件下能产生声空化的最小气泡半径；σ为熔液的表面张力；Pm为声压幅值；P0为静压力。σ、P0都可视为常数。从此式可以看到Pm越大Rmin越小，即声压越大可以产生空化的临界气泡半径就越小，就越容易产生更多的空化泡；反之，声压越小，空化效应的产生就越困难。声压的大小与超声波的功率有关，功率越大声压越大。所以超声波的输出功率越大，对凝固中的晶粒所产生的冲击和破碎越大，越有利于形成细小球化的共晶体。

4 结论

（1）利用高能超声波对SiCp/ZL105复合材料进行处理，可以显著细化合金中的共晶体，使SiC颗粒分布均匀。

（2）在560～650℃之间对SiCp/ZL105复合材料进行超声波熔体处理时，随着熔体温度的升高，共晶体逐渐趋于细化，SiC颗粒的分散性也较均匀，在600℃时超声波处理共晶体细化效果达到最佳。但是温度达到650℃时，超声波处理的效果变差。

（3）在对SiCp/ZL105复合材料进行超声波熔体处理时，随着超声波处理时间的增加，合金的共晶体形貌逐渐细化并圆整化，且SiC颗粒的分散性也逐渐均匀化，增加到一定值时，处理的效果趋于稳定。

（4）随着超声波输出功率的提高，其声化和空化效应均加强，合金的共晶体形貌逐渐细化并圆整化，且SiC颗粒的分散性也逐渐均匀化，增加到一定值时，处理的效果也趋于稳定。

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Effect of Ultrasonic Stirring on SiCp/ZL105 Com posites Preparation

ZHANG YanGui，CHENG HeFa，HUANG XiaoMei，WU Jin，HU ZhiJun
（School of Material Science and Engineering，Hefei University of Technology.Hefei 230009，Anhui China）

SiCp/ZL105 com posites have been p repared by ultrasonic stirring treatment.The effec t of starting tem perature of ultrasonic app lication，app lication time of ultrasonic stirring and output power of ultrasonic on m icrostructure of ZL105 alloy and distribution of SiC particles on matrix metal have been investigated.The results revealed that the eutec tic m ic rostruc ture of ZL105 alloy tends to be finer spherical partic le from acicular and SiC partic les tend to d istribute evenly w ith the increasing of output power of ultrasonic and stirring tim e.Eutec tic pattern p resented finer spherical partic le and SiC partic les d istribute uniform ly when the ultrasonic treatment temperature of melt controlled under 600℃.

SiCp/ZL105 composites；Ultrasonic stirring；Microstructure；Disperstiveness of partic le

T B333.1+2;

A；

1006－9658（2011）02－4

安徽省自然科学基金资助项目（090414197）

2010－12－06

2010－183

张燕瑰（1986－），女，硕士研究生，合肥工业大学材料科学与工程学院