张雄飞!!
王达健
陈书荣
谢
刚
（昆明理工大学材料与冶金工程学院，昆明650093）
摘
要：针对开展的液态铝合金制备铝基复合材料的工艺过程，分析界面润湿性改善的机理。氧化铝膜的 形成和分解决定了附加压力和浸入功的大小，温度、液态合金成分、涂层等工艺参数对界面润湿性的改善起到重要作用。 关键词：润湿性；铝；陶瓷；复合材料
M echanis mi n w ettabilit y Chan g e bet w een C era m ics
and l i g ui d a l u m i nu m
Zhan g X ion g fei ，w an g D a j ian ，Chen shuron g ，X ie G an g
（F acu lt y o f M ateria ls and M eta llur g ica l E n g ineerin g ，K unm in g U n ivers it y o f S c ience and t echno lo gy ，K unm in g 650093）a bstract ：M echan is mi n i m p rovi n g t he W ettab ilit y on t he li C ui d alu m i nu m ／cera m ics W as anal y Zed b y m eans o f t he techno lo g ical p rocess o f A l -based com p os ites p roduced b y li C ui d alu m i nu mallo y .A dd itional p ressure and i nfiltration
W ork de p end on f or m ation and d isru p tion o f alu m i nu mox i de fil m.p rocess i n g p ara m eters such as te m p erature ，che m i-cal com p os ition o f li C ui d allo y and coati n g etc .p la y an i m p ortant p art i n i m p rove m ent o f t he i nterf ace W ettab ilit y .
K e y words ：W ettab ilit y ；alu m i nu m ；cera m ics ；com p os ites
!云南省自然科学基金资助项目（98E 044M ）
!!张雄飞（1971-），男，博士研究生收稿日期：2000-10-12
1
引言
液相方式生产金属基复合材料工艺具有生产成
本低的优点，液相工艺包括［1］：（1）
铸造前在金属液中加入陶瓷颗粒。（2）向陶瓷预制体中渗透金属液。采用液相金属工艺进行生产的困难主要是金属液与陶瓷不润湿性导致的絮凝现象及由此产生的表面孔穴和渗透的不完全。
较全面的定量理解影响渗透的各项物理属性在渗透中所起的作用，将会在渗透物质的选择、材料表面的准备以及工艺参数的确定等方面起到很大作用，从而可以实现生产工艺的优化。本文针对液态铝合金浸渗粉末陶瓷预制体工艺，分析各种影响铝／陶瓷润湿性的因素。
2
机理讨论
在90 以上，而且铝与氧的亲合力非常强，在铝液表面一般都有一层氧化铝膜，它阻碍了铝液与陶瓷的直接接触，更降低了润湿性。2.1
温度的影响
温度对于铝／陶瓷体系润湿性的影响可通过其对于表（界）面张力的影响体现出来。通常温度升高，铝液表面张力和固液界面张力要降低。这是因为温度升高，热运动激烈，原子间作用力减弱，从而原子容易从液体内部迁到表面。在恒压恒定组成情况下：
d G =-S d T +!d A
（1）
应用交叉导数方法：
第21卷第1期2003年2月
粉末冶金技术
Powder M etallur gy T echno lo gy
V o l.21，N o.1
F eb.2003
（!S !"）T ，P I-（!#!T ）A ，P
I S S （2）这里S 为单位表面积的熵，即表面熵，一般总是正的，所以随温度升高而降低。固体表面张力随温度变化很小，可视为常数，因此随着温度的升高，液体表面张力与固液界面张力降低，接触角随之降低，粘结功增加，浸渍功减小，所需附加压力减小，润湿性能提高。S.-Y.0H 等［2］在研究陶瓷颗粒与液体铝
logistic模型
及合金的润湿性时，发现随温度的升高，所需附加压力减小。如图1、2
所示。
图1
S i C ／A l 中附加压力与浸入功
和温度的关系
图2
B 4
C ／A l 中附加压力与浸入功
和温度的关系
在较高温度下，导致界面反应的发生，在界面生成新相，从而影响铝液与陶瓷的润湿性能。对于A l ／S i 3N 4复合材料，
随温度升高，促进了界面反应，形成了新相A l N 。其润湿性能与温度的关系如图3
［3］所示。
提高温度，有利于破坏铝液表面的氧化膜，从而使铝液与陶瓷基体直接接触，大大降低接触角。
Zhon g L i j un ［4］
等人在研究铝及其合金与氧化铝的润湿性（700～1100C ）
时，表明随温度升高，铝液与氧化铝接触角降低。但是在700～900C 范围内，接触角随温度几乎没有什么变化，过了900C 才突然降低，形成一转折点。M.S hi m bo ［5］等人在研究铝液与碳化硅润湿性时，也得出了相似的结论，只是其转折温度在1273K
。
图3A l ／S i 3N 4的W O ，$与温度的关系
研究者们认为出现这个转折温度是由于铝液表面的氧化铝膜破裂造成的。氧化铝的存在阻碍了铝
液与陶瓷的直接接触，直到温度超过900C 后氧化铝膜突然破裂。其中大多数人认为温度高于900C 时氧化铝膜的破裂是由于铝与氧化铝反应形成气相
产物而逸失［1，6～8］。
A l （l ）+A l 203（s ）!A l 20（g ）
但是也有人认为在温度大于900C 时氧化铝有个晶型转变，在铝液中的溶解度突然增大，氧化铝膜
破裂甚至消失［9～10］。还有人认为是铝熔化时体积
连续膨胀（～7%）造成氧化铝膜受拉伸应力作用，而且随后的升温过程中由于铝和氧化铝热膨胀系数不匹配而增大了这种应力作用，同时温度升高，氧化铝膜强度降低，当应力超过氧化膜的强度极限时即发
生破裂［11～12］。
提高温度增加铝／陶瓷体系润湿性有一定的局
限性：①效果不明显，
温度升高1000C ，接触角只降低5 ～10 。②高温下金属易蒸发，造成原材料的浪费，使生产成本增高。③在高温下，可能在界面生成脆性相，从而降低复合材料的性能。④在提高温度的同时，必须提高容器、工具等的高温强度，从而提高成本。
!.!合金元素的影响
加入合金元素对润湿性有3种影响机制：①改
3
4第21卷第1期
张雄飞等：液态铝与陶瓷的润湿性改变机理
变液相（铝液）的表面张力。!改变固／液界面能。"在固液界面参与界面反应。向铝液中加入表面活性元素，铝液的表面张力要降低；向其中加入表面惰性元素，铝液的表面张力要提高。加入合金元素还可以与陶瓷发生反应，在界面生成新物质，从而改变铝液与陶瓷的润湿性能。
往铝基体中加入镁，随基体中镁含量的增加，所需的外加浸渍压力和浸入功降低，如图4和5所示，
而硅和铜对外加浸渍压力和浸入功的影响甚微［2］
济宁pm2.5。
图4
S i C ／A l 附加压与浸入功
随合金元素的变化
图5B 4C ／A l 附加压与浸入功随合金元素的变化
Zhon g L i j Ln 等［4］
研究表明，
往铝基体中加入镁，在700#900C 内使得铝与氧化铝的接触角降低
了近40 ；硅和铜的加入也使得接触角有不同程度的降低。文献［13］在研究A l ／S i C 的润湿性时，也得出了相似的结论。
至于镁在铝／陶瓷体系中对其润湿性的作用，有人认为，在700C 以上时，镁在铝合金中熔化时快速挥发，形成许多毛刺物破坏了铝合金表面的氧化铝膜，使铝液可以不受阻碍地在陶瓷基片上铺展，从而使A l ／A l 203
的接触角大大降低［4］。文献［
14］
认为，镁与氧的亲合力大于铝与氧的亲合力，铝液中的镁能与氧化铝发生反应：
3M g （l ）+A l 203（S ）!3M g 0（
S ）+2A l （l ）该反应促使氧化铝膜破裂，在界面生成新的产物，使得铝／陶瓷体系的润湿性大大改善。而在
1744K 以下时，M g 0比A
l 203稳定［15］
，从而证明，在温度低于1744K 时，确实有可能生成M g 0。
而硅和铜则倾向于在界面沉积，从而影响体系的润湿性。文献［4］在铝与氧化铝的界面作X -ra y 分析，发现了S i 、C LA l 204和C L0的峰值，C LA l 204被认为是通过以下反应生成的。
C L +0.502+A l 203!C LA l 204C L0是C LA l 204在高温分解时产生的。这些界面物质的生成物改善了铝／陶瓷体系的润湿性。另外，向铝基体中加入T i 和N i ，T i 、N i 和A l 在界面形成的金属间化合物T i A l 、N i A l 3及N i 2A l 3可
以改善体系的润湿性，大大降低浸渍温度［16］。
添加合金元素作为提高铝／陶瓷体系润湿性的有效方法，在生产中有着广泛的应用前景。
!."使用涂层技术
我们知道，同一物质的原子间作用力越大，其表面张力就越大。因此金属键物质的表面张力最大，离
子键物质次之，再次是极性共价键，非极性共价键的液体表面张力最小。所以，陶瓷表面的金属涂层或经表面处理后可以提高固体表面能，用新形成的金属／陶瓷界面代替原来结合性不好的界面，从而提高润湿性。N i 不但可以作为A l 中的添加元素，也可以作为陶瓷颗粒的金属涂层，它可以反应生成稳定的金属间化合物N i A l 3和N i 2A l 3。A g 可以浸润于陶瓷表面形成胶状溶体，构成A g 涂层，而A g 与A l 有很好的润湿性而不形成脆性的金属间化合
物［17］。
而Rocher 等人［18］用氟化物K 2Zr F 6处理石墨，
S i C 表面可以显著地提高纯A l 润湿这些颗粒的能
力。他们认为K 2Zr F 6可以和A l 反应，生成
K 3A l F 6、KA l F 4和A l 3Zr 等化合物，并且可以溶解氧化层A l 203。
但是使用涂层有以下几个问题：$金属涂层的
制作工艺复杂，一般采用电镀、激光处理。这严重地阻碍了金属涂层的应用。!涂层的熔点必须比金属基体高，否则涂层先熔化，降低润湿效果。"涂层材料有可能与基体金属反应，生成脆性金属间化合物，
4
4粉末冶金技术
2003年2月
降低复合材料的性能。
!."气氛的影响
气氛对于体系的润湿性也有影响。一般情况，在空气条件下其所需附加压力和浸入功比在氩气条件下要高［2］，如表1。
表1空气和氩气中的附加压力和浸入功
氩气中
P th ／k p a
W i
／（m J·m-2）
空气中
P th
／k p a
W i
／（m J·m-2）
S i C／纯AL686197710204
S i C／A l-2%S i738212779223
S i C／A l-2%M g565162779223 B4C／纯A l752344724332 B4C／A l-2%S i686314738338
B4C／A l-2%M g2411116932
因为在空气环境中陶瓷颗粒易于被氧化，铝液表面易于生成更厚的氧化层。因此势必将影响其润湿性。
#结束语
本文结合无压铝渗透工艺，综述了铝／陶瓷体系润湿性的表征方法，以及对于铝／陶瓷体系润湿性的影响因素，并系统收集和评价了各种研究结果，提出了改善润湿性的技术方法。
提高温度可以提高润湿性，但须注意成本合理。添加合金元素是一种提高润湿性的有效的、经济的办法。使用涂层可以有效地提高润湿性，但须注意其使用条件和加工成本。还需控制工艺过程的氧气氛。
参考文献
1M arti ns G P，O lson D L，Edw ards G R.M ode li n g o f Infiltration K i netics f or li C ui d M etal P rocess i n g o f C om p os ites，M etall.T rans.
B，1988，19B：95
2S-Y OH，C orie J A，Russe ll K C.W etti n g o f C era m ic Particulates w it h L i C ui d A lu m i n i u m A llo y s：Part!.S tud y of W ettab ilit y，M et-all.T rans.A，1989，20A（3）：5333Panas y uk AD，B e l y kh AB，P i kuza PP，et al.A stud y of t he K i netics o f A l N／S i3N4W etti n g b y L i C ui d C o pp er，A lu m i nu m and N icke l.
A dhes ion of M e lts and
B razi n g of M aterials，1981，47
4Zhon g L i j un，W u Ji nbo，G i n Jiti n g.A n I nvesti g ation on W etti n g
B ehavior and Interf acial R eactions of A lu m i n i u m-"-A lun i na S y s-
te m.T he M i nerals，M etals&M aterials S ociet y，1989
5SH I M BO M，MNAKA，OKAM OTO I.W ettab ilit y o f s ilicon car-
b i de b y alu m i n i u m，co pp er and s ilver.J M ater S ci letters，1989，8：
赛钛客r440663
6Zhon g L，W u J，et al.Interf aces i n M etal-C era m ics C om p os ites.
Ist ed.TM S，W arrendale，PA，1989，213
7John H，H ausner H.I nt J H i g h T echno l C era m，1986，2（1）：73
8W e irauch D A.C era m ic M icrostructures’86，Ro le of Interf aces，P lenu m P ress，N ew Y ork，NY.1987，21：329
9I P S W，KUCHARSK I M，TOGUR I J M.W etti n g behaviour o f a-lu m i n i u m and alu m i n i u m allo y s on A l2O3and C aO.Journal o f M ate-rials S cience letters，1993，12：1699
10Laurent V，Chatai n K，Eustat ho p oulos N.W ettab ilit y of S i O2and ox i d i xed S i C b y alu m i n i u m.M aterials S cience and En g i neeri n g，1991，A135：89
11Choh T，O ki T.W ettab ilit y o f S i Cto alu m i n i u mand alu m i n i u mal-lo y s.M aterials S cience and T echno lo gy，1987，3：378
12KOBA SH I M，CHOH T.T he w ettab ilit y and t he reaction f or S i C p article／A l allo y s y ste m.J M ater S ci，1993，28：684
陶瓷基片13DO-SUCK HAN，Jones H，A t ki nson H V.T he W ettab ilit y o f s ilicon carb i de b y li C ui d alu m i n i u m：t he eff ect o f free s ilicon i n t he carb i de and of m a g nes i u m，s ilicon and co pp er allo y add itions to t he alu m i n i u m.J o f M ater S ci，1993，28：2654
14马晓春，吴锦波.A l-S i C系润湿性与界面现象的研究.材料科学与工程，1990，7（1）：2
15刘祥钧，陈适范.A l-M g-O系之热化学.中国稀土学报（专辑），1998，16（8）：416
16KA JI KAW A Y，NUKAM I T，FLEM I NG S C.P ressure less I nfil-tration A lu m i nu m M etal-M atri x C om p os ites.M etall.M ater.
T rans.A，1995，26A（V）：2155
17D e lanna y F，fro y en L，D eru y ttee A.R eview：T he w etti n g o f so li ds b y m o lten m etals and its re lation to t he p re p aration o f m etal
-m atri x com p os ites.J M ater S ci，1987，22：1
18L I J G，COUDUR I ER L，EU STATHOPOULO S N.W ork of ad-hes ion and contact an g le isot her m o f b i nar y allo y s on ionocovalent ox i des.J M ater S ci，1989，24：1109
54
第21卷第1期张雄飞等：液态铝与陶瓷的润湿性改变机理
液态铝与陶瓷的润湿性改变机理
作者：张雄飞， 王达健， 陈书荣， 谢刚
作者单位：昆明理工大学材料与冶金工程学院，昆明,650093
刊名：
粉末冶金技术
英文刊名：POWDER METALLURGY TECHNOLOGY
年，卷(期)：2003,21(1)
被引用次数：21次
1.Martins G P;Olson D L;Edwards G R Modeling of Infiltration Kinetics for liquid Metal Processing of Composites 1988安桥606
2.S Y Oh;Corie J A;Russell K C Wetting of Ceramic Particulates with Liquid Aluminium Alloys: Part Ⅱ[外文期刊] 1989
3.Panasyuk AD;Belykh AB;Pikuza PP Astudy of the Kinetics of AlN/Si3N4 Wetting by Liquid Copper 1981
4.Zhong Lijun;Wu Jinbo;Qin Jiting An Investigation on Wetting Behavior and Interfacial Reactions of Aluminium-α-Alunina System 1989
5.Shimbo M;MNAKA;kamoto I Wettability of silicon carbide by aluminium copper and silver[外文期刊] 1989
6.Zhong L;Wu J Interfaces in Metal-Ceramics Composites 1989
7.John H;Hausner H查看详情 1986(01)
8.Weirauch D A Ceramic Microstructures' 86 Role of Interfaces 1987
9.IP S W;KUCHARSKI M;TOGURI J M Wetting behaviour of aluminium and aluminium alloys on Al2O3 and CaO [外文期刊] 1993
10.Laurent V;Chatain K;Eustathopoulos N Wettability of SiO2 and oxidixed SiC by aluminium 1991
11.Choh T;Oki T Wettability of SiC to aluminium and aluminium alloys 1987
日晕是怎么回事
12.Kobashi M;CHOH T The wettability and the reaction for SiC particle/Al alloy system[外文期刊] 1993
13.DO SUCK HAN;Jones H;Atkinson H V The Wettability of silicon carbide by liquid aluminium:the
effect of free silicon in the carbide and of magnesium silicon and copper alloy additions to the aluminium 1993
14.马晓春；吴锦波Al-SiC系润湿性与界面现象的研究 1990(01)
15.刘祥钧；陈适范Al-Mg-O 系之热化学 1998(08)
16.KAJIKAWA Y;NUKAMI T;FLEMINGS C Pressureless Infiltration Aluminum Metal-Matrix Composites[外文期刊] 1995(8)
17.Delannay F;froyen L;Deruyttee A Review:The wetting of solids by molten metals and its relation to the preparation of metal-matrix composites[外文期刊] 1987
18.Li J G;COUDURIER L;Eustathopoulos N Work of adhesion and contact angle isotherm of binary alloys on ionocovalent oxides[外文期刊] 1989
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议