镍包覆碳化硅颗粒增强Al2519复合材料的制备和性能研究

崔 蕊，王日初，彭超群，董翠鸽

（中南大学材料科学与工程学院，长沙410083）

0 前言

2519铝合金具有优良的力学性能，SiC颗粒是理想的结构材料，SiC增强铝基复合材料将SiC和铝结合，可以发挥二者最大的优异性能，具有较高的强度、硬度、模量、优良的耐磨性、耐腐蚀性和良好的耐高温性能，广泛应用于航空航天军事、汽车工业和电子等领域[1]。但在高温下SiC与Al易发生反应，生成脆性界面产物Al4C3，降低复合材料的力学性能。且SiC以共价键结合，Al以金属键结合。SiC与Al的润湿角为150°，润湿性很差，导致SiC增强铝基复合材料存在很多微孔，致密度低，限制了复合材料的应用[2]。

本文采用粉末冶金法制备SiCp增强Al2519复合材料，烧结温度相对较低，可避免脆性相Al4C3的产生。根据文献[3]可知，Ni与SiC润湿角为12.2°，两者之间有较好的润湿性，同时Ni与Al能发生反应，生成稳定性较好的金属间化合物Al3Ni。因此本文采用化学镀方法在SiC颗粒表面均匀镀覆一层镍镀层，利用Ni与Al之间良好的润湿性，提高SiCp增强Al2519复合材料的力学性能。采用真空热压烧结出不同体积分数的镀镍SiCp增强铝基复合材料（Ni-SiCp/Al2519）和未镀覆SiCp增强铝基复合材料（SiCp/Al2519），对复合材料进行热挤压和热处理，研究镍镀层对SiCp表面形貌、SiCp在铝基体中的分散性和SiCp增强铝基复合材料力学性能的影响。

1 实验

1.1 原料

实验采用的增强体为α-SiC粉体（纯度99.999%，平均粒度14μm，由华荣公司提供），基体为Al2519（纯度99.9%，平均粒度75μm，由博朗思达公司提供）。SiCp镀前预处理及化学镀镍所用试剂见表1。

1.2 化学镀镍工艺流程

SiC粉末镀覆前需要进行镀前预处理，具体工艺是：（1）粗化：将SiC粉末倒入粗化液中（10%HF）进行10 min粗化处理，形成粗糙的表面，便于施镀，将粗化后的粉末用去离子水洗净；（2）敏化：采用敏化液SnCl2·2H2O处理30 min；（3）活化：采用活化液（PdCl20.5 g/L、HCl 10 mL/L）处理30 min，并用去离子水洗净，放入烘干箱烘干备用。

化学镀镍工艺：先将NiCl2·6H2O溶液、Na3C6H5O7·2H2O溶液、H3BO3溶液混合均匀，采用NaOH调节溶液pH至9。将预处理后的SiCp置于刚才配置好的镀液中，镀液中粉末装载量为23 g/L。将含有粉末的镀液放在80℃的水浴锅中施镀，匀速滴加NaH2PO2·H2O溶液，快速冷却并用去离子水清洗三次，放入干燥箱中干燥得到镀Ni的SiCp（Ni-SiCp）。

表1预处理SiC粉末所用试剂

1.3 SiCp/Al2519复合材料的制备

使用球磨机将Al2519与SiCp两种粉末混合均匀，球料比为10∶1，转速为190 r/min，球磨时间为9 h。将混合好的粉末装入直径为32 mm的硬质合金模具中，在液压机上冷压成型，压力为57 MPa，保压时间为2 min，得到相对密度为70%的冷压试样。再将冷压试样放入直径为32 mm的石墨模具中，在真空条件下进行热压烧结，以10℃/min升温速度升到550℃，压力为13 MPa，保温1h，制备出体积分数为5%～20%的Ni-SiCp/Al2519和SiCp/Al2519复合材料。采用200 t液压机将烧结好的样品进行热挤压，挤压温度为400℃，挤压比为9∶1。最后将挤压出来的样品进行双级时效热处理，将样品在525℃温度下保温1h进行固溶处理，再进行双级时效，分别在190℃下保温3h、150℃下保温24 h。

1.4 组织观察与性能测试

采用阿基米德排水法测量SiCp/Al2519复合材料的密度。采用D/max-vb 2500衍射仪表征Ni-SiCp/Al2519复合材料相组成。测试条件为：Cu作为靶材，加速电压为50 V，电流为100 mA，扫描速度为4（°)/min。采用Quanta-200型环境扫描电镜分别对化学镀镍SiC、未镀覆SiC及SiCp/Al2519复合材料进行显微组织观察，并进行能谱（EDS）分析。将SiCp/Al2519复合材料在Instron MTS 810拉伸实验机上进行拉伸实验，加载速率为0.2 mm/min。采用HBS-62.5型布维洛硬度计测量材料的硬度，选用直径为5 mm的钢球，载荷为250kg/f，保压时间为30 s。

2 结果与讨论

2.1 SiC表面镀镍的微观形貌

图1所示为SiCp、Ni-SiCp扫描图及其对应的能谱图。由图1（a）可看出，原始SiCp表面光滑，无明显杂质附着，SiCp形状棱角分明，其对应的能谱图为图1（c）。由图可见，原始SiCp仅有C和Si元素存在。由图1（b）可以看出，Ni-SiCp表面变得粗糙，棱角处钝化，从放大图能看出，Ni-SiCp表面的Ni镀层均匀且密集，其对应的能谱图为图1（d）。由图可见，Ni-SiCp表面除了C和Si元素外，还有Ni元素存在，这是由于在施镀过程中，在镀液中被还原成Ni单质，而预处理过的SiCp表面有Pb沉积，可作为Ni的形核点，使镀液中被还原的Ni颗粒沉积在这些形核点上，形成Ni镀层。

图1 SiC颗粒SEM照片及能谱图

2.2 SiCp/Al2519复合材料的微观组织

图2（a）、（b）所示为SiCp含量10%的SiCp/Al2519和Ni-SiCp/Al2519复合材料的扫描图。由图可见，SiCp/Al2519复合材料中的SiCp分散性较差，易团聚，而Ni-SiCp/Al2519复合材料中Ni-SiCp分布较均匀。图2（c）所示为原始SiC热压烧结样品的局部放大图。由图可见，SiC与基体间结合不紧密，存在裂纹和孔洞，说明原始SiCp与Al基体润湿性差，结合强度低。图2（d）所示为Ni-SiCp/Al2519热压烧结样品局部放大图。由图可见，镀镍SiC与基体结合紧密，镍镀层均匀致密地包裹SiCp表面，提高SiCp和基体的润湿性，且SiC与基体界面处无明显的缝隙或孔洞，从而提高结合强度和致密度。

图2 SiCp/Al2519复合材料微观组织图

为进一步确定是否发生界面反应，对Ni-SiCp/Al2519复合材料进行XRD检测，结果如图3所示。除了有Al相、Al-Cu相、SiC相外，还有新生成的Al3Ni相，这证实在试样烧结过程中，SiCp表面包覆的Ni元素和基体中的Al元素相互扩散，发生反应。

图3 Ni-SiCp/Al2519复合材料XRD物相分析图谱

2.3 SiCp/Al2519复合材料的性能

陶瓷颗粒的分散性和界面结构对复合材料的机械性能影响很大，图4所示为SiCp/Al2519和Ni-SiCp/Al2519复合材料的致密度、硬度、抗拉强度和延伸率随SiCp体积分数变化的性能曲线。由图4（a）可见，SiCp/Al2519复合材料致密度随SiCp体积分数升高而降低，因为SiCp体积分数增大，分散性降低，易产生孔洞，因此致密度降低；由图4（b）可见，随着SiCp含量增加，复合材料的硬度不断增加。这是由于载荷由基体传到SiCp，SiCp阻止基体发生塑性变形，从而使硬度增加；由图4（c）可见，SiCp/Al复合材料抗拉强度随着SiCp体积分数的增多先增大后减小，因为SiCp体积分数增大到一定值时，SiCp易发生团聚，孔洞数量增加，容易产生应力集中，降低SiCp/Al复合材料的抗拉强度[4，5]。

在SiCp体积分数相同的情况下，Ni-SiCp/Al2519复合材料的致密度、硬度和抗拉强度均比SiCp/Al2519复合材料高，这是因为Al和Ni的润湿性比Al和SiC的润湿性好，基体与增强颗粒结合越紧密，裂纹和孔洞越少。并且当增强相SiCp经镀镍处理后，Ni镀层起到至关重要的作用，其在烧结过程中发生软化，与基体发生互扩散形成一种双层界面的结合模式[6]，即SiC/Ni单质/Al2519基体，促进SiC与Al2519接触处烧结颈的形成和长大[7]，减少孔洞数量，从而提高烧结体的致密度、硬度和抗拉强度。

由图4（d）可见，Ni-SiCp/Al2519复合材料的延伸率比SiCp/Al2519复合材料显著提高。SiCp含量越高，增加越明显，在SiCp含量为15%时，延伸率提高30.8%。这是因为SiCp含量越高，越容易发生团聚，造成SiCp直接接触。未镀覆的SiCp直接接触造成试样拉伸过程形成裂纹源，微裂纹延两个颗粒的接触面扩展，形成断口，降低了材料的抗拉强度和延伸率。而Ni-SiCp接触时，镍镀层的直接接触取代了SiCp的直接接触，SiCp牢固地镶嵌在基体中，降低裂纹源出现的可能性。

图4 SiCp/Al2519和Ni-SiCp/Al2519复合材料性能随SiCP体积分数变化曲线

3 结论

（1）通过化学镀镍的方法，在SiCp表面镀上一层连续均匀的镍镀层，原始SiCp表面光滑、棱角分明，镀镍SiCp表面粗糙、棱角钝化，成功对SiCp表面进行改性。

（2）镍镀层的存在提高了SiCp和基体的润湿性。与未镀覆SiCp相比，Ni-SiCp在基体中的分散性更好，基体与增强相颗粒结合更紧密，这可有效减少裂纹和孔洞，提高复合材料的力学性能。且在真空烧结过程中，镍镀层与Al基体发生互扩散，形成稳定性较好的中间相Al3Ni。

（3）Ni-SiCp/Al2519复合材料的致密度、硬度、抗拉强度和延伸率均比SiCp/Al2519高。在SiCp体积分数为15%时，Ni-SiCp/Al2519复合材料获得最佳的力学性能，其硬度、抗拉强度和延伸率分别为122.4 HB、415.47 MPa和3.95%。