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增强体表面镀钛对 SiCP/ Al2014 复合材料 组织和性能的影响 ① 吕品回， 王小锋， 董翠鸽， 彭超群， 王日初 （中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083） 摘 要 为了提高 SiCP/ Al2014 复合材料的界面结合强度，分别采用盐浴法和真空微蒸发法对 SiCP进行表面镀钛处理，并通过热压 烧结热挤压工艺制备了 SiCP增强 Al2014 复合材料（10％SiCP/ Al2014），研究了 SiCP表面镀钛对 SiCP/ Al2014 复合材料微观组织、 抗拉强度和耐磨性能的影响。 结果表明经过表面镀钛处理后，SiCP表面均形成了 TiCTi5Si3的化合物层，使复合材料中 SiCP与铝 基体的界面结合由物理缩合转化为化学结合，故改善了 SiCP与铝基体的润湿性，减少了界面缺陷，从而提高了界面结合强度。 盐 浴镀钛和微蒸发镀钛 10％SiCP/ Al2014 复合材料的拉伸强度（407 MPa 和 394 MPa）相比未镀钛 10％SiCP/ Al2014 复合材料分别提升 了 12.1％和 8.0％，磨损量分别降低了 58.3％和 50.0％。 关键词 粉末冶金； 增强体； 碳化硅； SiCP/ Al2014； 铝基复合材料； 盐浴镀钛； 真空微蒸发镀钛； 组织性能 中图分类号 TB302文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.04.039 文章编号 0253-6099（2020）04-0156-05 Effect of Titanium-Plated Reinforcements on Microstructure and Properties of SiCP/ Al2014 Composites L Pin-hui， WANG Xiao-feng， DONG Cui-ge， PENG Chao-qun， WANG Ri-chu （School of Materials Science and Engineering， Central South University， Changsha 410083， Hunan， China） Abstract In order to improve the interfacial strength of the SiCP/ Al2014 composite， SiCPsurface was plated with titanium by using salt bath process and vacuum micro-evaporation process， respectively. The SiCPenhanced Al2014 composites （10％ SiCP/ Al2014） were fabricated by the technique consisting of a hot-pressed sintering process and a hot-extrusion process， and the effects of titanium-plated surface on microstructure， tensile strength and wear resistance of SiCP/ Al2014 composites were explored. The results showed that after being platted with titanium， there is a layer of compound TiC Ti5Si3ed on SiCPsurface， resulting in the binding between SiCPin the composite and Al matrix composite transferred from physical condensation to chemical binding， which can improve the humidity of SiCPand Al matrix and reduce the defects in the interface， thus improve the interfacial strength. Compared with the untreated SiCP/ Al2014， 10％ SiCP/ Al2014 composite after titanium plating by using salt bath and vacuum micro-evaporation processes has its tensile strength increased by 12.1％ and 8.0％ to 407 MPa and 394 MPa respectively， and the wear loss decreased by 58.3％ and 50.0％ respectively. Key words powder metallurgy； reinforcements； carborundum； SiCP/ Al2014； Al matrix composite； plating titanium in salt bath； vacuum micro-evaporation plating of titanium； microstructure and properties SiC 颗粒增强铝基复合材料具有比强度高、比模 量高、耐磨性好、加工成型性良好以及成本低廉等优 点［1-4］，目前已经大量应用于电子封装、汽车工业和航 空航天领域［5-6］。 但是由于 SiC 颗粒与铝基体的润湿 性差，粉末冶金法制备的复合材料中会存在大量的微 孔，在外应力作用下容易产生裂纹，再加上 SiC 颗粒与 铝基体的弱结合界面会在服役时脱粘，限制了 SiC 颗 粒增强铝基复合材料的进一步应用和发展［7］。 表面 改性可以有效改善 SiC 颗粒与铝基体的润湿性，提高 其界面结合强度，主要方法有 SiC 颗粒预氧化［8］、SiC ①收稿日期 2020-03-02 作者简介 吕品回（1995-），男，湖南娄底人，硕士研究生，主要研究方向为 SiCP/ Al 复合材料。 通讯作者 王小锋（1980-），男，湖北天门人，副教授，主要研究方向为新型电子封装金属基复合材料、高温陶瓷和生物医用材料。 第 40 卷第 4 期 2020 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №4 August 2020 ChaoXing 颗粒表面化学镀覆金属［9］和无机非金属涂层等［10］。 本文利用盐浴镀覆和真空微蒸发镀覆对 SiC 颗粒表面 进行镀钛处理，并采用粉末冶金法制备了 SiCP增强 Al2014 复合材料（Ti-SiCP/ Al2014），研究了表面镀钛 处理对复合材料组织和性能的影响。 1 实验材料和方法 1.1 实验材料 复合材料增强体为 α-SiC 粉体（平均尺寸 14 μm， 购自潍坊华荣碳化硅微粉有限公司）；基体为惰性气 体雾化法制备的 Al2014 铝合金粉末（平均尺寸 50 μm， 纯度 99.99％），其化学成分列于表 1。 表 1 试验用 Al2014 合金粉末化学成分（质量分数） / CuMgSiFeTiMnZnCrAl 5.00.2～0.80.50.70.150.4～1.20.250.1余量 1.2 SiC 颗粒表面镀钛 碱洗将 SiCP在沸腾的2.5 mol/ L NaOH 溶液中搅 拌 10 min，冷却沉淀并用去离子水清洗至 pH 值中性。 酸洗将 SiCP在沸腾的 65％ HNO3溶液中搅拌 10 min，并用去离子水清洗且离心干净，在 70 ℃ 真空 干燥箱中烘干备用。 SiCP真空微蒸发镀钛将清洗过的 SiCP与钛粉 （100 μm 以上）按质量比 2∶1混合，滴加少量酒精作为 分散剂，用行星式球磨机以转速 300 r/ min 混料 4 h。 然后将混合粉末在真空烧结炉中进行真空微蒸发镀 钛，温度设置为 800 ℃，气压小于1 mPa，保温4 h 后炉 冷、筛分，得到真空微蒸发镀钛 SiCP。 SiCP盐浴镀钛将清洗过的 SiCP与钛粉（40 μm）、 BaCl2、KCl 按质量比 9 ∶1 ∶5 ∶5在球磨机中以转速 300 r/ min 混料 4 h。 将混合粉末置于 Al2O3坩埚中并压 实，然后放入管式炉中，在氩气保护下以 20 ℃ / min 的 速度升到 950 ℃保温 1.5 h，冷却后将胚体放入蒸馏水 中超声波振荡 30 min，待剩余的 BaCl2和 KCl 溶解后 过滤，重复 3 次后干燥得到盐浴镀钛的 SiCP。 1.3 SiCP/ Al2014 复合材料制备 将 Al2014 铝合金粉末分别与体积分数为 10％的 镀钛和未镀覆 SiC 粉末混合，并置于球磨机中，在球料 比 10∶1、转速 200 r/ min 条件下混料 30 min。 取混匀 后的粉末置于内径为 32 mm 的不锈钢模具中冷压成 型，冷压条件为200 MPa 保压2 min。 然后将压制样品 放入真空热压炉内热压烧结，加热速率为 10 ℃ / min， 于 510 ℃、45 MPa 条件下保温、保压烧结 20 min。 最 后，将烧结出来的锭坯热挤压，挤压温度 380 ℃、模具 温度 320 ℃、挤压比 10 ∶1，复合材料挤压后得到直径 10 mm 的棒材。 样品热处理工艺为500 ℃保温 2 h 固 溶处理，水淬后于 180 ℃保温 24 h，进行时效处理。 1.4 性能表征 采用带 EDS 能谱仪的 Quanta-200 型扫描电子显 微镜（SEM）表征化学镀钛前后 SiC 颗粒和复合材料的 表面形貌、微观结构。 采用 Rigaku D/ Max 2550 型 X 射线衍射仪 （ XRD） 对 SiCP进行物相分析。 使用 Tecnai G2 20 ST 透射电镜观察复合材料界面。 按照 GB/ T63971986 规定制备拉伸试样并采用 Instron MTS 810 型号试验机进行拉伸试验， 拉伸速率为 1 mm/ min。 使用 PRN01-04882A 摩擦磨损试验机对复 合材料进行滑动摩擦实验，压力 25 N，转速 120 r/ min， 时间 30 min。 2 结果与讨论 2.1 SiCP表面镀钛的研究 图 1 为原始 SiC 和 2 种镀覆工艺制备的镀钛 SiC SEM 形貌。 从图 1 可以看出，SiCP的形状不规则，呈 现出明显的棱角。 盐浴镀钛后，SiCP表面尖角发生钝 化，可以观察到明显涂层，涂层表面不均匀，存在较多 凹凸处，这种现象是因为盐浴镀时熔融状态的熔盐流 动不均匀。 真空微蒸发镀钛后，SiCP表面仍比较光 滑，EDS 能谱分析证实镀覆上了金属 Ti；从 SiCP表面 局部放大图可以看出 SiCP表面生成了一层很薄的致 密 Ti 涂层，且由细小均匀的颗粒组成。 图 1 SiCP表面镀钛前后的 SEM 形貌 （a） 原始 SiC； （b） 盐浴法镀钛 SiC； （c），（d） 真空微蒸发镀钛 SiC 图 2 为镀钛前后 SiCP的 XRD 图谱。 原始 SiCP中 仅检测到 SiC 物相的峰值，说明经过预处理的原始 SiCP为纯净的 α-SiCP。 真空微蒸发镀钛后 SiCP的 751第 4 期吕品回等 增强体表面镀钛对 SiCP/ Al2014 复合材料组织和性能的影响 ChaoXing XRD 图谱中，除了 SiC 物相的峰以外，还存在 TiC 和 Ti5Si3衍射峰。 在高真空加热环境下，Ti 粉挥发形成 Ti 原子并沉积在 SiCP表面上，与 SiCP发生如下反应 3SiC 8Ti→ Ti5Si3 3TiC（1） 同样盐浴镀钛后 SiCP的 XRD 图谱中也出现 TiC 和 Ti5Si3衍射峰。 盐浴镀钛反应温度为 950 ℃，远未 达到 SiC 和 Ti 的熔点，因此反应主要靠 Si、C、Ti 原子 的扩散。 C、Si、Ti 原子在熔融盐介质中发生扩散，当原 子相遇时在高温作用下发生式（1）所示的反应，生成 TiC 和 Ti5Si3并附着在 SiCP表面，当化合物层达到一 定厚度时，原子无法通过就会停止反应［11］。 且由于熔 融盐介质中参与反应的 C、Si、Ti 原子数量更多，反应 生成的镀层比真空微蒸发镀钛要厚，对应的峰强也比 真空微蒸发镀钛的高。 以上分析可知，镀钛处理后， SiCP表面生成 Ti5Si3TiC 化合物层，使 SiCP与铝基体 的结合由物理缩合转化为化学结合，改善了 SiCP与铝 基体的润湿性，减少了界面缺陷，从而增强了界面结合 强度。 40302050607080 2 / θ ■ ● ▲ ■■ ● ● ● ● ●● ● ● ● ●●● ▲ ▲ ▲▲ SiC Ti5Si3 TiC c b a 图 2 SiCP表面镀钛前后的 XRD 图谱 （a） 原始 SiC； （b） 真空镀钛 SiC； （c） 盐浴镀钛 SiC 2.2 SiC 颗粒表面镀钛对 SiCP/ Al2014 复合材料显微 组织的影响 体积分数为 10％ 的未镀钛和镀钛 SiCP增强 Al2014 复合材料的显微组织如图 3 所示。 在未镀钛 的 SiCP/ Al2014 复合材料中可以观察到明显的微孔洞 存在，主要集中于 SiCP周边，如图 3（a）中圆圈所示。 说明未表面改性的 SiCP与铝基体润湿性较差，界面结 合弱。 由图 3（b）可以看出，SiCP周围包裹着明显的亮 白色涂层，与铝基体紧密结合。 图 3（c）中未发现明显 孔洞缺陷，SiCP和铝基体结合紧密，但没有观察到明显 的镀钛隔离层。 对真空镀钛 SiCP/ Al2014 复合材料界 面进行 TEM 观察，可以看到 SiCP与铝基体的界面平 滑、没有杂质，且存在明显过渡层，即经过镀钛处理的 SiCP表面生成了包含 TiC 和 Ti5Si3双相的化合物涂层， 涂层与 SiCP形成紧密的化学结合，使得复合材料制备 过程中的 SiC-Al 烧结转变为 TiC/ Ti5Si3-Al 烧结，降低 了 SiCP与铝基体之间的润湿角，改善了界面结合［11-12］。 图 3 表面镀钛前后的 SiCP/ Al2014 复合材料组织形貌 （a） 未改性； （b） 盐浴镀钛； （c） 真空镀钛； （d） 真空镀钛 TEM 2.3 SiC 颗粒表面镀钛对 SiCP/ Al2014 复合材料力学 性能的影响 图 4 为各试样的拉伸曲线。 试样的室温拉伸性能 见表 2。 SiC 作为增强体，承担起转移载荷的作用，进 而提高复合材料的抗拉强度。 由图 4、表 2 可以看出， 未表面改性的 SiCP/ Al2014 复合材料的拉伸强度与 2014Al 合金相差不大。 这主要是由于在粉末烧结过 程中，SiCP阻碍了铝合金粉末的压缩变形和烧结颈的 形成，导致复合材料中形成了数量较多的微孔和微裂 纹等缺陷，降低了复合材料的机械性能。 SiCP/ Al2014 复合材料的强度提高是由载荷转移、位错塞积等多种 强化机制共同作用的，其中载荷转移强化机制起主要 作用，而载荷转移机制决定于增强体和基体的界面结 构。真空微蒸发镀钛和盐浴镀钛后 SiCP/ Al2014 复合 应变/ 450 360 270 180 90 0 3069121518 抗拉强度/MPa 1 Al2014 2 10SiCP/Al2014 3 盐浴镀钛10SiCP/Al2014 4 真空镀钛10SiCP/Al2014 2 4 3 1 图 4 试样室温拉伸曲线 851矿 冶 工 程第 40 卷 ChaoXing 表 2 试样室温拉伸性能 材料 σ0.2/ MPaσUTS/ MPaεf/ ％ Al201422436316.2 10％SiCP/ Al20142423659.2 盐浴镀钛 10％SiCP/ Al20143124079.0 真空镀钛 10％SiCP/ Al20143023948.1 材料的拉伸强度相比未表面改性的 SiCP/ Al2014 复合 材料提升了 8.0％和 11.5％。 这主要得益于表面金属 钛镀层对 SiCP与 Al2014 基体润湿性的改善，减少了 复合材料中的孔隙等缺陷，从而降低材料失效风险，提 高复合材料的抗拉强度。 此外，3 种复合材料的延伸 率均比铝基体的低。 图 5 为表面镀钛前后的 10％SiCP/ Al2014 复合材 料室温拉伸断口形貌。 从图 5 看出，改性前样品断口 表面存在大量解理台阶，大量 SiCP拔出和基体撕裂， 呈现明显脆性断裂特征，断口出现较多微裂纹以及微 裂纹扩展形成的大裂纹，降低了复合材料的拉伸强度。 表面镀钛后复合材料断口仍然表现为脆性断裂，但是 断口裂纹明显减少，留在基体中的 SiCP与基体结合紧 密，复合材料的拉伸性能有所改善。 图5 表面镀钛前后的10SiCP/ Al2014复合材料室温拉伸断口形貌 （a） 未改性； （b） 盐浴镀钛； （c） 真空镀钛 2.4 SiC 颗粒表面镀钛对 10SiCP/ Al2014 复合材料 摩擦磨损性能的影响 图 6 为 Al2014 合金和 10％SiCP/ Al2014 复合材料 室温摩擦磨损实验结果。 由图 6 可以看出，基体的磨 损量达到了1.7 mg，而所有10％SiCP/ Al2014 复合材料 的磨损量都远小于基体，其中未镀钛 10％SiCP/ Al2014 复合材料的磨损量为 1.2 mg，真空镀钛 10％ SiCP/ Al2014 复合材料的磨损量为 0.6 mg，盐浴镀钛 10％ SiCP/ Al2014 复合材料的磨损量最小，仅为 0.5 mg，耐 磨性能最佳。 试样编号 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 1234 磨损量/ mg 1 Al2014 2 10SiCP/Al2014 3 真空镀钛10SiCP/Al2014 4 盐浴镀钛10SiCP/Al2014 图 6 Al2014 合金和 10SiCP/ Al2014 复合材料的摩擦磨损量 图 7 为 Al2014 合金和 10％SiCP/ Al2014 复合材料的表 面磨损 SEM 图像。 由图 7 可知，Al2014 基体在摩擦应 力作用下发生了明显塑性变形，表面产生了较多与滑 动方向平行的犁沟。 未镀钛 10％SiCP/ Al2014 复合材 料表面的犁沟相比铝基体的变细变浅，出现一些 “坑”，表现出较为明显的粘着磨损特征。 经过表面镀 钛改性之后，10％SiCP/ Al2014 复合材料磨损表面的犁 沟和“坑”变得更浅更少。 图7 Al2014 合金和10SiCP/ Al2014 复合材料的表面磨损形貌 （a） Al2014； （b） 未改性 10％SiCP/ Al2014； （c） 盐浴镀钛 10％SiCP/ Al2014； （d） 真空镀钛 10％SiCP/ Al2014 951第 4 期吕品回等 增强体表面镀钛对 SiCP/ Al2014 复合材料组织和性能的影响 ChaoXing 镀钛后 SiCP与基体之间界面结合强度提高，复合 材料在变形过程中载荷能有效地传递到增强体，界面 脱粘得到改善，因此镀钛后复合材料的磨粒磨损程度 降低，“坑洞”变少变浅［13］。 3 结 论 1） SiCP经过盐浴镀钛和真空微蒸发镀钛处理后， Ti、Si 和 C 原子均扩散并发生反应，在 SiCP表面生成 微粒状 TiCTi5Si3化合物层。 2） SiCP表面 TiCTi5Si3化合物层使复合材料中 SiC 与 Al2014 的界面结合由物理缩合转化为化学结 合，能改善 SiCP与 Al2014 基体的润湿性，减少了界面 处的缺陷，提高了界面的结合强度。 3） SiCP镀钛处理后，对 Al2014 基体的变形约束 作用增强，减少了 SiCP与 Al2014 基体的界面脱粘，有 利于复合材料的塑性变形。 表面盐浴镀钛和真空微蒸 发镀钛 10％SiCP/ Al2014 复合材料的拉伸强度达到 407 MPa 和 394 MPa，相比未镀钛 10％SiCP/ Al2014 复 合材料提升了 12.1％和 8.0％；磨损质量相比未镀钛 10％SiCP/ Al2014 复合材料降低了 58.3％和 50.0％。 参考文献 ［1］ Xu X Y， Wang H Y， Zha M， et al. 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