反应浸渗法制备电动机用B4C颗粒增强Mg复合材料的组织及阻尼性能

齐冠然

反应浸渗法制备电动机用B4C颗粒增强Mg复合材料的组织及阻尼性能

齐冠然

(河南建筑职业技术学院 设备工程系，郑州 450064)

以B4C颗粒与Mg锭为原材料，采用反应浸渗法制备B4C质量分数为30%的电动机用B4C/Mg复合材料，分析和测试不同制备温度下材料的组织结构与阻尼性能。结果表明：不规则形状的B4C颗粒均匀分布于B4C/Mg复合材料的基体中，未形成宏观孔洞。在B4C颗粒边缘形成一层由碳化物与硼化物构成的白色物质。与基体材料Mg相比，B4C/Mg复合材料的阻尼性能明显提高。随应变幅度增加，B4C/Mg复合材料的阻尼性能先缓慢增加后迅速增加，制备温度越低，材料的阻尼性能越好。Cranato-Lücke曲线在有限应变振幅内呈直线变化。

B4C/Mg复合材料；B4C颗粒；反应浸渗法；显微组织；阻尼性能；应变幅度

材料的阻尼特性是将材料的机械振动能转变成热能来达到降低机械振动性的效果，尤其是一些高阻尼材料能显著降低机械振动，因此这类材料广泛应用于降噪、减震领域，尤其在电动机方面[1−5]。目前已有许多关于镁基复合材料阻尼特性的研究[6−9]，例如，WU等[10]采用搅拌铸造法制备了SiCp/Crp/AZ91与Crp/AZ91复合材料，并对这2种材料的阻尼性能进行了比较，结果表明，在AZ91镁合金中加入Cr颗粒能显著改善合金的应变振幅阻尼，SiC颗粒可改善材料的屈服强度。ZHANG等[11]采用重熔和稀释法制备的TiC/Mg 复合材料，其阻尼与振幅都受温度的影响，而应变振幅阻尼受温度的影响不明显。B4C陶瓷是一种性能优良的工程材料，具有高熔点(2 450 ℃)、高硬度、高模量、密度小(2.52 g/cm3)、耐磨性好、耐酸碱性强等优点，加入B4C颗粒对Mg合金可起到明显的强化作用[12]。迄今已有很多方法被用来制备镁基复合材料，例如铸造法、粉末冶金法和反应浸渗法等。铸造法和粉末冶金法所需设备或制备过程较复杂，使得制备成本大幅增加。反应浸渗法具有低成本、高效、提高陶瓷增强相含量的优点[13]。采用反应浸渗法制备B4C颗粒增强镁基复合材料，还可提高B4C颗粒和Mg熔体的相容性，实现颗粒与Mg熔体之间的高效浸渗，通过反应制得具有细小尺寸且热力学稳定的B4C颗粒，能显著降低材料的制造成本并提高效率[14]。到目前为止，尚未有关于采用反应浸渗法制备B4C增强Mg基复合材料阻尼特性的研究报道。本文作者以B4C颗粒与Mg锭为原材料，采用反应浸渗法制备电动机用B4C/Mg复合材料，观察和分析不同反应温度下材料的显微组织与物相组成，并测试材料的阻尼性能。

1 实验

1.1 B4C/Mg复合材料的制备

本研究以高纯B4C颗粒(纯度94.66%)与Mg锭(纯度99.95%，3~8 μm)作为原材料，采用反应浸渗法制备B4C颗粒质量分数为30%的B4C/Mg复合材料。具体步骤如下：首先用精度为0.01 mg的Statorius CP225D电子天平称量B4C颗粒，加入5%(体积分数)的聚乙烯醇溶液，混合均匀，然后单向冷压，得到尺寸为80 mm×20 mm×20 mm的条状B4C压坯；将B4C压坯和Mg锭放到石墨模具内，置于电阻炉中，通入高纯Ar气进行保护，以10 ℃/min升温速率升至设定的温度(分别为800，850和900 ℃)，保温1 h后，随炉冷却至室温，得到B4C/Mg复合材料。

1.2 性能测试

在Quanta600扫描电镜下观察B4C/Mg复合材料的微观形貌，用TecnaiG2F20透射电镜表征材料的微观组织，同时利用X’PertPro X射线衍射仪分析材料的物相组成。在DMAQ800动态热机械仪上测试B4C/Mg复合材料在室温下的阻尼特性。选择单悬臂梁振动模式，跨距为18 mm，测试材料不同应变振幅下的相位角，用相位角正切值来评价材料的阻尼性能。

2 结果与讨论

2.1 显微组织与物相组成

图1所示为原始B4C颗粒的SEM形貌。从图1可知，颗粒为不规则形貌，粒径在15 mm以内。

图1 原始B4C颗粒的SEM形貌

图2和图3所示为不同反应浸渗温度下制备的B4C/Mg复合材料SEM形貌与XRD谱。从图2看出，Mg基体内均匀分布着许多形状不规则的B4C颗粒，没有出现颗粒偏聚，也未形成宏观孔洞；B4C颗粒表面有一层白色物质，结合图3可知这些白色物质为B5C2和B4C，由此推断部分B4C颗粒在制备过程中发生了化学反应(5B4C+3C=4B5C2)，高温促进了C的扩散，有利于B5C2的生成。由图2可知，随制备温度升高，B4C颗粒边缘形成更多白色物质。反应温度为900 ℃时，B4C颗粒间隙还形成许多尺寸较小的细颗粒，这可能是因为熔融基体对颗粒浸渗过程中使B4C颗粒发生开裂从而形成许多小颗粒。

从图3可见，(B4C)/Mg复合材料的物相主要包括Mg，B5C2，B4C和C。在高温下容易发生C析出现象，因此在800和850 ℃时B4C颗粒间析出了C颗粒。部分B4C内的C析出后，C原子所在的晶格位置被B元素取代形成B5C2，C—B—C链转变为B—C—B链，析出的C以游离C颗粒形式存在。Mg的存在表明Mg熔体已经在陶瓷颗粒中形成了良好的浸渗状态。当温度升高到900 ℃时，B4C/Mg复合材料由B5C2，Mg和B4C组成，C颗粒不再析出，说明此温度下的反应浸渗过程中B4C颗粒间不再析出C颗粒。

2.2 阻尼性能

图4所示为B4C/Mg复合材料与基体镁的阻尼性能。从图4看出，随应变幅度增加，材料的阻尼性能先很缓慢地提高然后迅速提高，将其用于电动机用阻尼材料时，电动机震动越大，减震降噪效果越好。通过对比B4C/Mg复合材料与Mg基体的阻尼性能可知，添加B4C颗粒增强相可显著提高Mg合金的阻尼性能，且制备温度越低，B4C/Mg复合材料的阻尼性能越好。

图2 不同温度下制备的B4C/Mg复合材料SEM形貌

(a) 800 ℃; (b) 850 ℃; (c) 900 ℃

利用Cranato-Lücke 位错钉扎理论来分析材料的阻尼性能(−1)，其表达式如下：

式中：−1为材料的阻尼性能，即相位角的正切(tan)；ε为应变振幅；1与2为取决于材料本身特性的常数；为位错密度；代表弱钉扎位错的平均长度；为振动频率；为系统常数，与分别为剪切模量与Burgers 矢量模。

根据阻尼性能测试结果，绘制Cranato-Lücke曲线，即ln(−1)与1/的关系曲线，如图5所示。从图5可知，ln(−1)–1/曲线只在有限应变振幅内呈现一条直线，说明并不能完全采用Cranato-Lücke位错理论来分析B4C/Mg复合材料和金属Mg的阻尼性能变化规律，还应采用其它更加合适的阻尼机制来分析材料阻尼性能变化。

图3 不同温度制备的B4C/Mg复合材料的XRD谱

图4 金属Mg与不同温度下制备的B4C/Mg复合材料对不同应变振幅的阻尼性能

图5 金属Mg与不同温度制备的B4C/Mg复合材料的ln(Q−1ε)–1/ε曲线

3 结论

1) 采用反应浸渗法制备的B4C/Mg复合材料，没有出现颗粒偏聚的情况，也未形成宏观孔洞，Mg基体内分布着许多形状不规则的B4C颗粒。在B4C颗粒边缘形成一层由碳化物与硼化物构成的白色物质，且随制备温度升高，白色物质增多。

2) 对比Mg基体，B4C/Mg复合材料的阻尼性能明显提高。随应变幅度增加，B4C/Mg复合材料的阻尼性能先缓慢提高后迅速增加。且制备温度越低，材料的阻尼性能越好。Cranato-Lücke曲线在有限应变振幅内呈直线变化，后续应采用更加合适的阻尼机制来分析材料阻尼性能的变化。

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Microstructure and damping properties of B4C particle reinforced Mg composites for motor fabricated by reactive infiltration method

QI Guanran

(Equipment Engineering Department, Henan Technical College of Construction, Zhengzhou 450064, China)

Using B4C particles and Mg ingot as raw materials, B4C/Mg composites with 30% B4C mass fraction for motor were prepared by reactive infiltration method. The micro structure and damping properties of materials prepared at different temperatures were analyzed and tested. The results show that the irregular B4C particles are evenly distributed in the matrix of B4C/Mg composites, and no macroscopic holes are formed. A white layer of carbide and boride is formed at the edge of B4C particles. Compared with the Mg matrix, the damping performance of B4C/Mg composite is significantly improved. With the increase of strain amplitude, the damping property of B4C/Mg composite material shows a change rule of slow increase first and then rapid increase. The lower the preparation temperature, the better the damping property of the material. The Cranato-lucke curve varies linearly in the amplitude of finite strain.

B4C/Mg composite material; B4C particles; reaction leaching method; microstructure; damping property; strain amplitude

TG146.2

A

1673-0224(2019)05-474-04

2019−04−23；

2019-06-03

齐冠然，讲师，硕士。E-mail: qijia2208000@126.com

(编辑 汤金芝)