包覆混料对镀铜混合尺寸SiCp／Fe力学性能的影响.pdf

第２３卷第１期２０１５年２月材料科学与工艺ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹｌｌＶｏｌ２３ｌｌｌ１Ｆｅｂ．２０１５ｄｏｉ：１０．１１９５１／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－０２９９．２０１５０１００３包覆混料对镀铜混合尺寸ＳｉＣｐ／Ｆｅ力学性能的影响张跃波，金剑锋，曹新建，宗亚平（材料各向异性与织构教育部重点实验室（东北大学），沈阳１１０８１９）摘要：为探索提高ＳｉＣｐ／Ｆｅ力学性能的途径，采用包覆混料工艺，研究了该工艺对镀铜ＳｉＣｐ／Ｆｅ力学性能的影响，以及该工艺下增强粒子混合尺寸的影响．结果表明：包覆混料相比于普通混料，可显著改善ＳｉＣ粒子在基体中分散的均匀性，而镀铜的作用是显著消除界面缺陷；性能的改善是包覆混料改善粒子分散性和镀铜改善界面结合的综合结果．对于体积分数３０％ＳｉＣｐ／Ｆｅ的抗拉强度，通过包覆改善均匀性的贡献可提高７．２％，通过镀铜消除界面缺陷的贡献可提高１２．５％，因此减少界面缺陷对颗粒增强复合材料力学性能的提高更重要．混合尺寸粒子对力学性能的增强效果明显高于其对应单一尺寸，这是由于小尺寸粒子能有效地提高基体的强度，而大尺寸颗粒更有效地承担载荷传递的作用．关键词：金属基复合材料；ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料；包覆混料；化学镀铜；混合强化中图分类号：ＴＢ３３３文献标志码：Ａ文章编号：１００５－０２９９（２０１５）０１－００１３－０７⁃Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｂａｌｌｍｉｌｌｉｎｇａｎｄｓｉｚｅｍｉｘｔｕｒｅｏｆ⁃ｃｏｐｐｅｒｃｏａｔｅｄｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｉＣｐ／ＦｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓＺＨＡＮＧＹｕｅｂｏ，ＪＩＮＪｉａｎｆｅｎｇ，ＣＡＯＸｉｎｊｉａｎ，ＺＯＮＧＹａｐｉｎｇ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＡｎｉｓｏｔｒｏｐｙａｎｄＴｅｘｔｕｒｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ（ＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ），ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０８１９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＳｉＣｐ／Ｆｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆ⁃ｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｂａｌｌｍｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ⁃ｃｏｐｐｅｒｃｏａｔｅｄＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｉｒｏｎｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｉｚｅｍｉｘｔｕｒｅｏｆ⁃ｃｏｐｐｅｒｃｏａｔｅｄＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｏｎｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｓｗｅｌｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｔｈｅ⁃ｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｂａｌｌｍｉｌｌｉｎｇｔｈａｔｃａｎａｌｓｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．ＴｈｅｃｏｐｐｅｒｃｏａｔｉｎｇｏｎｔｈｅＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｕｒｆａｃｅｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｄｅｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｈｉｃｈｉｓｈｅｌｐｆｕｌｆｏｒｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．Ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ７．２％ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｂｙ１２．５％ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｒｅｄｕｃｉｎｇｏｆｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｄｅｆｅｃｔｓｗｈｉｃｈｉｓｍｏｒｅｅｖｉｄｅｎｔ．Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆ⁃ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｙｔｈｅｍｉｘｔｕｒｅ⁃ｓｉｚｅｄＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｙｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｓｉｎｇｌｅｓｉｚｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｂｅｃａｕｓｅ⁃⁃ｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｓｉｚｅｄＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｔｅｎｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｍａｔｒｉｘａｎｄｔｈｅｌａｒｇｅｒｓｉｚｅｄＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｃａｒｒｙａｎｄｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｒｅｌｏａｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ＳｉＣｐ／Ｆｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｈｉｇｈｅｎｅｒｇｙｂａｌｌｍｉｌｌｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓｃｏｐｐｅｒｐｌａｔｉｎｇ；ｐａｒｔｉｃｌｅｓｍｉｘｅｄｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ收稿日期：２０１４－０９－１２．基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１７１０４０，Ｕ１３０２２７２，５１３０１０３５）；国家高技术研究发展计划资助项目（２０１３ＡＡ０３１６０１）；东北大学引进人才启动经费（０１２７００２１８１４１０１／０２４）．作者简介：张跃波（１９８５－），男，博士研究生；宗亚平（１９５６－），男，教授，博士生导师．通信作者：金剑锋⁃，Ｅｍａｉｌ：ｊｉｎｊｆ＠ａｔｍ．ｎｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．颗粒增强铁基复合材料以其高强度、高弹性模量以及优良的耐磨、屈服和耐疲劳性能，在机械、采矿、化工等行业表现出巨大的应用前景［１－３］．ＳｉＣ颗粒以其高硬度、高耐磨、低密度、耐高温、价格低等优点，被广泛应用于颗粒增强复合材料的增强体［４－７］．目前，制备高性能ＳｉＣ颗粒增强铁基复合材料通常采用铸造法、激光熔覆法、热等静压法、粉末冶金法等［５，８－１０］．本研究前期工作成功地研制了电流直加热动态热压烧结工艺，与传统工艺相比，其制备的碳化硅颗粒增强金属基复合材料具有更好的力学性能［１１－１４］．然而，由于ＳｉＣ粒子与铁粉存在着较大的物理和化学属性差别，采用普通混料工艺很难将ＳｉＣ粒子均匀地分散到铁粉中，导致制备的复合材料内部形成ＳｉＣ粒子的团聚现象．本课题组提出通过机械冲击包覆的方法增强ＳｉＣ粒子在铁基体中的分散均匀性，此方法可以显著改善ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料的性能［１５］．其后的研究通过ＳｉＣ粒子表面化学镀的方法，显著降低了基体中粒子团聚处ＳｉＣ粒子直接接触，从而降低在界面处形成微裂纹的可能，使其增强的复合材料的性能得到显著提高［１６］．本文研究机械冲击包覆混料工艺结合化学镀工艺，探讨进一步提高复合材料的力学性能的方法，同时通过这两种工艺的对比和结合比较，探讨颗粒增强复合材料中减少界面缺陷和提高增强粒子均匀分布的重要性．不同尺寸增强粒子混合强化的研究引起一些学者的重视［１３，１７－１８］，笔者所在课题组已经研究了不同尺寸ＳｉＣ粒子没有表面镀铜处理混合后对铁基复合材料力学性能的影响，发现大小粒子混合（标称１３和２３μｍ等重混合）增强的复合材料力学性能优于单一尺寸的粒子增强的复合材料［１３］．但增强颗粒镀铜后的混合，对复合材料性能影响尚不清楚．因此，本文将不同粒度的化学镀铜后ＳｉＣ粒子混合作为增强体，引入机械包覆混料工艺，探讨拉伸性能和磨损性能的变化规律，研究混合尺寸增强颗粒的强化机理．１实验１．１材料增强体材料采用市售工业用绿碳化硅，该碳化硅为不规则形状的六方系α－碳化硅，质量分数为９８．９０％，实验选用粒度分别为１０、２１、４５μｍ．基体材料为工业用还原铁粉，粒度５１μｍ，其质量分数为９９．１６％，加入质量分数１％（化学纯）的硬脂酸锌作为坯体成型剂．１．２实验方法机械冲击包覆混料工艺采用南京大学生产的ＱＭ－ＷＸ４型行星球磨机，确定选用的包覆混料工艺参数为：球料比∶５１，转速２２５ｒ／ｍｉｎ，混料时间２ｈ［１５］．ＳｉＣ粒子经除油、粗化、敏化、活化后，最后选用五水硫酸铜为铜盐、次亚磷酸钠为还原剂、柠檬酸钠为络合剂进行表面化学镀铜［１９］．将配制好的不同ＳｉＣ粒子含量下的混合粉末置于混料机中充分混合，再用液压机将混合后的粉末在２４０ＭＰａ压力下，压制成１０ｍｍ×３０ｍｍ×６０ｍｍ的长方体压坯，试样中添加质量分数０．５％～１％的硬脂酸锌作为润滑剂和粘结剂，最后将压坯置于电流直加热动态热压烧结炉内，烧结成１０ｍｍ×１０ｍｍ×６０ｍｍ的试样．每组试样至少制备６个，最后取平均值．拉伸试验在ＣＭＴ５１０５电子万能拉伸试验机上进行．将烧结后的压坯机械加工成Ф５ｍｍ×２８ｍｍ的拉伸试样，取样方向为纵向，加载速率为０．５ｍｍ／ｍｉｎ．摩擦磨损试验在ＭＧ－２０００型销－盘式高温高速摩擦磨损试验机上进行．将制备好的试样机加工成Ф６ｍｍ×１２ｍｍ的销试样，摩擦副采用Ф７０ｍｍ的淬火＋低温回火４５＃钢制成，试样端面与摩擦副表面采用金刚石砂纸打磨至表面粗糙度Ｒａ为０．４μｍ，每次试验后均更换表面光洁的对磨盘，以保证试验的准确性．试验条件如下：转速５００ｒ／ｍｉｎ，共２０００转，载荷５０Ｎ．销试样由精度０．１ｍｇ的电子天平称重，计算出经过２０００转试验后试样的磨损质量损失，即为该样品的磨损量．采用ＪＳＭ－６５１０Ａ扫描电子显微镜观察复合材料的显微组织和断口形貌．２结果与讨论２．１包覆混料对ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料力学性能的影响分别采用包覆混料和普通混料工艺，制备了体积分数为２０％、２５％、３０％的未镀铜和镀铜ＳｉＣ粒子增强的铁基复合材料．图１为通过普通混料工艺和包覆混料工艺混料后，制备的体积分数为２０％的未镀铜与镀铜的ＳｉＣ颗粒增强铁基复合材料的显微组织照片，其中粒度为２１μｍ．由图１（ａ）可以看出：对于通过普通混料制备的ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料，ＳｉＣ颗粒分布不均匀，在复合材料内部有大量的ＳｉＣ粒子团聚现象；由于ＳｉＣ粒子不易变形，在团聚区域存在大量空隙，不仅降低材料致密度，而且使复合材料存在较多的缺陷，在承受载荷时会帮助裂纹的扩展，从而降低材料的抗拉强度和延伸率．由图１（ｂ）可以看出，ＳｉＣ粒子在铁基体中的分布较为均匀，几乎没有出现团聚现象．这可能是由于包覆混料工艺中磨球的加入，在混料的过程中ＳｉＣ粒子被冲击到铁粉中，提高了ＳｉＣ粒子在基体中分散的均匀性，因而复合材料的抗拉强度和延伸率得到明显改善．由图１（ｃ）可以看出，未镀铜的ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料中，ＳｉＣ粒子之间、粒子与铁基·４１·材料科学与工艺第２３卷体的界面处都存在很多的界面缺陷，微裂纹容易在界面缺陷处产生并沿粒子表面扩展导致最终材料断裂，这些缺陷严重影响着复合材料的强度．但是ＳｉＣ粒子经化学镀铜后制备复合材料，界面缺陷大幅度减少，如图１（ｄ）所示，对复合材料的界面结合强度有显著改善作用，这表明了包覆混料条件下镀铜对于ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料拉伸性能仍有改善作用的原因．进一步分析镀铜ＳｉＣ粒子之间接触处的显微组织，并对此区域进行铜元素的能谱分析，如图１（ｅ）和（ｆ）所示，发现在ＳｉＣ粒子之间有一层金属铜隔断了它们之间的直接接触，同时也说明在包覆混料工艺过程中磨球对粉末颗粒的冲击并没有破坏ＳｉＣ粒子表面的镀铜层，在制备的复合材料中镀铜层仍然可以起到阻止ＳｉＣ粒子直接接触的作用．镀铜层对粒子分散性基本没有影响，包覆混料工艺可以显著改善ＳｉＣ粒子在基体中分散的均匀性，而镀铜的作用是显著消除界面缺陷，性能的改善是包覆混料工艺改善粒子分散性和镀铜改善界面结合的综合结果．(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)未镀铜粒子普通混料工艺(b)未镀铜粒子包覆混料工艺(c)未镀铜粒子包覆工艺下的界面缺陷（由箭头指示）(d)镀铜粒子包覆混料工艺(e)镀铜粒子包覆混料工艺下粒子接触处(f)铜元素的能谱分析结果100μm100μm50μm50μm图１不同混料工艺下制备的体积分数为２０％的ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料显微组织照片和能谱分析通过对比包覆混料和普通混料工艺制备ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料的力学性能，进而研究粒子表面镀铜对复合材料性能的影响．不同混料工艺下ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料拉伸性能的结果，如图２和图３所示．图２为ＳｉＣ尺寸２１μｍ、不同体积分数时混料工艺对ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料抗拉性能的影响，可以看出，相比于普通混料工艺，包覆混料工艺对ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料的抗拉强度有显著提高．结合已发表的研究成果［１５］可以看出：包覆混料工艺对未镀铜和镀铜ＳｉＣ颗粒增强铁基复合材料力学性能的影响从粒子体积分数５％开始，随粒子含量的增加而作用显著，体积分数达到３０％时性能改善效果最佳；而强化粒子体积分数超过１０％后，粒子含量增加无论是否有镀铜处理，材料强度都降低．但是，镀铜处理对强度的提高作用随粒子含量的增加更加显著，其中，体积分数３０％、２１μｍ未镀铜的ＳｉＣ粒子增强的铁基复合材料，其抗拉强度提高达１９．７％．在包覆混料工艺使用表面镀铜ＳｉＣ粒子混料，制备的ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料的拉伸性能会有进一步的提高，对比体积分数为３０％镀铜与未镀铜ＳｉＣ颗粒增强的复合材料，其抗拉强度可提高７．２％．包覆混料工艺可以显著改善ＳｉＣ粒子在基体中分散的均匀性，而镀铜的作用是显著的消除界面缺陷，因此对体积分数３０％ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料的抗拉强度，通过包覆工艺改善分散均匀性的贡献可提高７．２％，通过镀铜工艺消除界面缺陷的贡献可提高１２．５％，更表明减少界面缺陷是提高复合材料性能的最重要途径．图３为普通混料工艺和包覆混料工艺下分别制备的ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料延伸率的对比．从图３可以看出，随着ＳｉＣ粒子含量的增加，包覆混料工艺对复合材料延伸率的改善效果愈加明显，ＳｉＣ粒子体积分数为３０％时，相比普通混料工艺，复合材料的延伸率提高达３７．９％．ＳｉＣ粒子表面化学镀铜后对复合材料的延伸率仍有改善作用，ＳｉＣ体积分数为３０％时，通过镀铜复合材料延伸率可进一步提高３．８％．可能的原因是普通混料工艺中没有磨球的冲击作用，ＳｉＣ颗粒分散性差，混合粉·５１·第１期张跃波，等：包覆混料对镀铜混合尺寸ＳｉＣｐ／Ｆｅ力学性能的影响末中增强易于偏聚在基体粉末之间，在烧结成的复合材料中增强粒子之间的直接接触易产生界面缺陷，严重影响复合材料的性能．480450420390360330300抗拉强度/MPa未镀铜包覆混料工艺普通混料工艺镀铜包覆混料工艺普通混料工艺600550500450抗拉强度/MPa202530SiC粒子体积分数/%(a)未镀铜SiC粒子体积分数/%202530(b)镀铜图２ＳｉＣ尺寸为２１μｍ，不同体积分数时混料工艺对ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料抗拉性能的影响0.60.50.40.30.750.700.650.60延伸率/%延伸率/%未镀铜包覆混料工艺普通混料工艺镀铜包覆混料工艺普通混料工艺SiC粒子体积分数/%SiC粒子体积分数/%202530(a)未镀铜(b)镀铜202530图３ＳｉＣ尺寸为２１μｍ，不同体积分数时混料工艺对ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料延伸率的影响对于包覆混料工艺，由于研磨球的加入对粉料有冲击和剪切作用，有效地减少ＳｉＣ颗粒团聚的几率，而且使颗粒能较好地分散；同时较大尺寸的铁粉颗粒可以包覆ＳｉＣ增强粒子，使得ＳｉＣ粒子能够较好地分散于基体之中，促进混合粉料均匀度的提高，又使团聚现象得到改善，从而显著提高其力学性能．经过表面镀铜处理ＳｉＣ颗粒，其金属镀层可以很好地阻止陶瓷增强颗粒直接接触，消除了在复合材料内部形成界面缺陷的可能，对复合材料的性能表现出更好的改善效果，因此减少界面缺陷对颗粒增强复合材料更重要．２．２ＳｉＣ粒子不同尺寸混合增强对ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料力学性能的影响关于增强粒子的尺寸和含量，学者们对此做了很多的工作，但是这些研究大多局限于单一尺寸粒径的增强粒子，关于混合尺寸颗粒强化粒子对金属基复合材料性能影响的研究比较少．庄伟彬等［１３］初步研究了ＳｉＣ颗粒尺寸组合为（１３＋３．５）μｍ、（１３＋２３）μｍ、（１３＋３８）μｍ对ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料性能的影响，结果表明，ＳｉＣ粒子混合增强的ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料的性能均好于单一尺寸增强的ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料，标称粒度为１３μｍ与２３μｍ的粒子组合，体积分数为２０％时最佳的混合比为∶１１，但缺乏对ＳｉＣ粒子镀铜处理后增强铁基复合材料性能的研究．本文中将分别制备镀铜和未镀铜ＳｉＣ，粒度为１０、２１和（１０＋２１）μｍ，体积分数为２０％、２５％、３０％的ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料试样，并对其拉伸性能进行测试，结果如图４所示．图４为镀铜和未镀铜ＳｉＣ粒子单一尺寸和混合尺寸增强铁基复合材料抗拉强度的比较，可以看出单一粒子尺寸为１０和２１μｍ与粒子尺寸组合为（１０＋２１）μｍ相比，等量混合的（１０＋２１）μｍ增强粒子组合所制备的复合材料具有更高的抗拉强度．体积分数为３０％时，等量混合１０和２１μｍ表面镀铜的ＳｉＣ粒子增强的复合材料，其抗拉强度相对于单一尺寸１０和２１μｍ颗粒增强的复合材料分别提高了４．９％和５．６％．ＳｉＣ粒子表面镀铜后，体积分数为２０％时，（１０＋２１）μｍ混合ＳｉＣ粒子增强的复合材料的抗拉强度达到最大值５７２ＭＰａ．图５为混合尺寸对不同体积分数下ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料延伸率的影响．从图５可以看出，随着粒子含量的增加，复合材料的延伸率呈现出下降的趋势，但ＳｉＣ粒子混合增强的铁基复合材料的延伸率表现出更好的改善作用．体积分数为３０％时，（１０＋２１）μｍ混合ＳｉＣ粒子增强的复合材料的延伸率相对于１０和２１μｍ分别提高１１．９％和·６１·材料科学与工艺第２３卷１９．０％．ＳｉＣ粒子表面镀铜后，体积分数为２０％时，（１０＋２１）μｍ混合ＳｉＣ粒子增强的复合材料的延伸率达到最大值０．８９％．550500450400350580560540520500480202530202530SiC粒子体积分数/%SiC粒子体积分数/%(a)未镀铜(b)镀铜未镀铜(10+21)μm10μm21μm镀铜(10+21)μm10μm21μm抗拉强度/MPa抗拉强度/MPa图４ＳｉＣ粒子不同含量时单一和混合尺寸ＳｉＣ颗粒增强铁基复合材料抗拉强度的比较0.90.80.70.60.50.40.31.00.90.80.70.6延伸率/%延伸率/%202530202530SiC粒子体积分数/%SiC粒子体积分数/%(b)镀铜(a)未镀铜镀铜(10+21)μm10μm21μm未镀铜(10+21)μm10μm21μm图５ＳｉＣ粒子不同含量时单一和混合尺寸ＳｉＣ颗粒增强铁基复合材料延伸率的比较图６为ＳｉＣ粒子体积分数３０％时，单一尺寸与混合尺寸ＳｉＣ颗粒增强铁基复合材料的断口形貌．图６（ａ）中，单一尺寸粒子增强的复合材料的断口表面呈现出很多粒子与基体脱粘而形成的凹坑，说明裂纹是沿着粒子在基体内部团聚处扩展的，呈现出脆性断裂的特点．从图６（ｂ）中可以看出，混合尺寸增强的复合材料断裂后，断口表面没有粒子与基体脱粘而形成的暴露粒子和凹坑，裂纹是沿着基体扩展的，表明断裂为韧性断裂．因此，ＳｉＣ粒子不同尺寸混合增强的机理可能是小尺寸ＳｉＣ粒子均匀弥散在基体中，减少基体的内部空隙和缺陷，降低微裂纹在基体产生的可能，提高复合材料基体的强度；而大尺寸ＳｉＣ粒子主要在拉伸过程中通过载荷传递机制，承担载荷．化学镀后，粒子表面的镀层可以很好地减少ＳｉＣ粒子的直接接触，有效避免微孔洞形成，降低复合材料由于ＳｉＣ粒子直接接触而开裂的可能性．(a)(b)(a)21μm单一尺寸(b)（10+21）μm混合尺寸10μm10μm图６ＳｉＣ体积分数为３０％时单一尺寸与混合尺寸增强铁基复合材料的断口形貌２．３镀铜ＳｉＣ粒度和含量对ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料磨损性能的影响对表面镀铜的，体积分数分别为２０％、２５％、３０％，粒子尺寸分别为１０、２１、４５μｍ及（２１＋４５）μｍ、（１０＋２１）μｍ等量混合的ＳｉＣ颗粒增强铁基复合材料进行磨损性能测试，结果见图７．从图７可知，混合尺寸ＳｉＣ粒子强化铁基复合材料的磨损量均低于单一尺寸ＳｉＣ强化的复合材料．当ＳｉＣ体积分数为２０％时，（２１＋４５）μｍ尺寸组·７１·第１期张跃波，等：包覆混料对镀铜混合尺寸ＳｉＣｐ／Ｆｅ力学性能的影响合的ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料磨损量最低，为１．６ｍｇ，仅为单尺寸２１μｍ的ＳｉＣ增强复合材料磨损量的３０％．对比（１０＋２１）μｍ和（２１＋４５）μｍ两种尺寸组合的ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料，（２１＋４５）μｍ尺寸组合的ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料磨损量较少，对应的复合材料的磨损性能较好．这与ＳｉＣ粒子混合增强的铁基复合材料对拉伸性能的改善效果是一致的．21μm45μm(21+45)μm10μm21μm(10+21)μm121086420磨损量/mg磨损量/mg1086420202530SiC粒子体积分数/%SiC粒子体积分数/%202530(a)混合SiC尺寸为21和45μm的磨损量(b)混合SiC尺寸为10和21μm的磨损量图７ＳｉＣ粒子不同含量时单一尺寸和混合尺寸ＳｉＣ颗粒增强铁基复合材料磨损量的比较３结论１）包覆混料工艺对未镀铜和镀铜ＳｉＣ颗粒增强铁基复合材料的力学性能都有改善的作用，研究了粒子体积分数２０％开始，随粒子含量的增加改善作用逐渐显著，体积分数达到３０％时效果最佳．２）包覆混料工艺相比于普通混料，对体积分数为３０％、粒度为２１μｍ的未镀铜ＳｉＣ颗粒增强铁基复合材料，其抗拉强度提高了１９．７％，延伸率提高了３７．９％；而对颗粒镀铜的复合材料，其抗拉强度也可提高７．２％，延伸率提高３．８％．３）包覆混料工艺可以显著改善ＳｉＣ粒子在基体中分散的均匀性，而镀铜的作用是显著消除界面缺陷；性能的改善是包覆混料工艺改善粒子分散性和镀铜改善界面结合的综合结果．对３０％ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料的抗拉强度，通过包覆工艺改善分散均匀性的贡献可提高７．２％，通过镀铜工艺消除界面缺陷的贡献可提高１２．５％，因此减少界面缺陷对颗粒增强复合材料力学性能的提高更具有重要意义．４）经包覆混料和镀铜处理后，体积分数为３０％、等量１０和２１μｍ的混合ＳｉＣ增强粒子，复合材料的抗拉强度相对于单一尺寸１０和２１μｍ颗粒增强的复合材料分别提高了４．９％和５．６％，延伸率分别提高１１．９％和１９．０％．５）混合尺寸增强复合材料中，小尺寸粒子能有效提高基体的强度，而大尺寸颗粒更有效地承担载荷传递的作用，综合效应的发挥可以更有效提高复合材料的力学性能．参考文献：［１］ＮＩＵＬＢ，ＨＯＪＡＭＢＥＲＤＩＥＶＭ，ＸＵＹＨ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆ⁃ｉｎｓｉｔｕｆｏｒｍｅｄＷＣ／Ｆｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｏｎｇｒａｙｃａｓｔｉｒｏｎｓｕｂｓｔｒａｔｅｂｙａｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，２１０（１４）：１９８６－１９９０．［２］ＬＩＵＪ，ＬＩＪ，ＸＵＣＹ．Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌｓａｎｄｔｈｅ⁃ｃｅｒａｍｉｃｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｄｕｒｉｎｇ⁃ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ：Ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，７（２）：５５－７０．［３］ＺＨＯＮＧＬＳ，ＹＥＦＸ，ＸＵＹＨ，ｅｔａｌ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｂｒａｓｉｖｅｗｅａｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｉｎｓｉｔｕｖａｎａｄｉｕｍｃａｒｂｉｄｅ⁃ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｉｒｏｎｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ，２０１４，５４：５６４－５６９．［４］ＧＵＬＨ，ＫＩＨＣＦ，ＵＹＳＡＬＭ，ｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｕｂｍｉｃｒｏｎｐａｒｔｉｃｌｅＳｉＣｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＮｉｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ（ＭＭＣ）ｃｏａｔｉｎｇｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２０１２，２５８（１０）：４２６０－４２６７．［５］ＰＥＬＬＥＧＪ．ＲｅａｃｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｍａｔｒｉｘａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｔｈｅＦｅ－ＳｉＣｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，１９９９，２６９（１／２）：２２５－２４１．［６］ＷＡＮＧＹＱ，ＷＡＮＧＸＪ，ＧＯＮＧＷＸ，ｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｏｎｍｉｃｒｏａｒｃｏｘｉｄａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，２０１３，２８３：９０６－９１３．［７］ＡＫＲＡＭＩＦＡＲＤＨＲ，ＳＨＡＭＡＮＩＡＮＭ，ＳＡＢＢＡＧＨＩＡＮＭ，ｅｔａｌ．ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣｕ／ＳｉＣｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｖｉａｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ，２０１４，５４：８３８－８４４．［８］ＳＯＮＧＢ，ＤＯＮＧＳＪ，ＣＯＤＤＥＴＰ，ｅｔａｌ．⁃Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃ·８１·材料科学与工艺第２３卷ｔｕｒｅａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆ⁃⁃ｈｙｂｒｉｄｎａｎｏｍｉｃｒｏＳｉＣｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｉｒｏｎｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｌｌｏｙｓａｎｄＣｏｍｐｏｕｎｄｓ，２０１３，５７９：４１５－４２１．［９］ＣＨＡＮＤＲＡＳＥＫＡＲＡＮＭ，ＳＩＮＧＨＰ．Ｓｉｎｔｅｒｅｄ⁃ｉｒｏｎｂａｓｅｄａｎｔｉｆｒｉｃｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈａｄｄｅｄβ⁃ＳｉＣ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，１９９７，２０６（１／２）：１－７．［１０］ＭＩＹＡＵＣＨＩＴ，ＴＳＵＪＩＭＵＲＡＴ，ＨＡＮＤＡＫ，ｅｔａｌ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅｆｉｌｔｅｒｓｉｎｃａｓｔｉｒｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｒａｋｅｂｌｏｃｋｓｏｎｂｒａｋｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，２００９，２６７（５／６／７／８）：８３３－８３８．［１１］ＺＨＵＡＮＧＷＢ，ＺＯＮＧＢＹ，ＷＡＮＧＹＭ，ｅｔａｌ．ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｉＣｐ／Ｆｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂｙｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｉｎｔｅｒｉｎｇｗｉｔｈａｎｏｖｅｌｄｙｎａｍｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１２，４７（８）：１００１－１０１０．［１２］ＬＩＪ，ＺＯＮＧＢＹ，ＷＡＮＧＹＭ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｎｉｒｏｎｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｃｅｒａｍｉｃｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，２０１０，５２７（２９／３０）：７５４５－７５５１．［１３］庄伟彬，宗亚平，张跃波，等．铁基复合材料碳化硅粒子混合尺寸增强作用机理［Ｊ］．材料科学与工程学报，２０１３，３１（１）：１－６．ＺＨＵＡＮＧＷｅｉｂｉｎ，ＺＯＮＧＹａｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＹｕｅｂｏ，ｅｔａｌ．ＳｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｉｒｏｎｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｗｉｔｈｍｉｘｅｄｓｉｚｅＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，３１（１）：１－６．［１４］李杰，宗亚平，王耀勉，等．不同颗粒增强铁基复合材料磨损性能的对比［Ｊ］．东北大学学报：自然科学版，２０１０，３１（５）：６６０－６６４．ＬＩＪｉｅ，ＺＯＮＧＹａｐｉｎｇ，ＷＡＮＧＹａｏｍｉａｎ，ｅｔａｌ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎｗｅａｒｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｉｒｏｎｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｅｒａｍｉｃｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ），２０１０，３１（５）：６６０－６６４．［１５］庄伟彬，宗亚平，张跃波，等．机械冲击包覆工艺对ＳｉＣｐ／Ｆｅ复合材料组织性能的影响［Ｊ］．东北大学学报：自然科学版，２０１３，３４（５）：６６３－６６８．ＺＨＵＡＮＧＷｅｉｂｉｎ，ＺＯＮＧＹａｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＹｕｅｂｏ，ｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｉｍｐａｃｔｍｅｔａｌｃｏａｔｉｎｇｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＳｉＣｐ／Ｆｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ），２０１３，３４（５）：６６３－６６８．［１６］张跃波，宗亚平，曹新建，等．碳化硅颗粒化学镀镍对铁基复合材料性能的影响［Ｊ］．材料研究学报，２０１２，２６（５）：４８３－４８８．ＺＨＡＮＧＹｕｅｂｏ，ＺＯＮＧＹａｐｉｎｇ，ＣＡＯＸｉｎｊｉａｎ，ｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｃｈｅｍｉｃａｌＮｉｐｌａｔｉｎｇｏｆｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｐａｒｔｉｃｌｅｓｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｉＣｐ／Ｆｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１２，２６（５）：４８３－４８８．［１７］ＧＵＪｉｎｈａｉ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏｎｏｎｇ，ＧＵＭｉｎｇｙｕａｎ，ｅｔａｌ．Ｉｎｔｅｒｎａｌｆｒｉｃｔｉｏｎｐｅａｋａｎｄｄａｍｐｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｎｈｉｇｈｄａｍｐｉｎｇ６０６１Ａｌ／ＳｉＣｐ／Ｇｒｈｙｂｒｉｄｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｌｌｏｙｓａｎｄＣｏｍｐｏｕｎｄｓ，２００４，３７２（１／２）：３０４－３０８．［１８］ＳＣＨＡＬＬＥＲＲ．Ｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ａｓｍａｒｔｃｈｏｉｃｅｆｏｒｈｉｇｈｄａｍｐｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｌｌｏｙｓａｎｄＣｏｍｐｏｕｎｄｓ，２００３，３５５（１／２）：１３１－１３５．［１９］ＺＨＡＮＧＹＢ，ＺＯＮＧＢＹ，ＪＩＮＪＦ，ｅｔａｌ．ＥｆｆｅｃｔｏｆｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓｐｌａｔｉｎｇｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｉＣ／Ｆｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，５５６－５６２：３０２－３０５．（编辑程利冬）·９１·第１期张跃波，等：包覆混料对镀铜混合尺寸ＳｉＣｐ／Ｆｅ力学性能的影响