SPS制备SiC_Cu复合材料的耐腐蚀性能探究.pdf
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1、中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 74 SPS 制备 SiC/Cu 复合材料的耐腐蚀性能探究 冯圣尧 晏 亮 邹德波 郭 超 吕伟红 中国船舶集团有限公司第七一三研究所,河南 郑州 450015 摘要:摘要:使用放电等离子烧结工艺,以纯铜(Cu)为基体,碳化硅(SiC)为增强相制备了 SiC/Cu 复合材料,采用盐雾腐蚀方法研究了 SiC 含量对 SiC/Cu 复合材料耐腐蚀性能的影响。采用 SEM 对复合材料的表面形貌进行观察,并使用显微硬度仪、旋转摩擦试验仪对其腐蚀前后的力学性能进行了测试。结果表明:SiC 的加入能够提高样品的致密度,烧结制备的试样质量良好,平均致密度达到 96.3%
2、。SiC/Cu 复合材料的耐腐蚀性随着 SiC 的添加呈现先增加后下降的趋势,SiC 添加量为 7%时腐蚀速率最低为6.310 g/m-2h-1,相比于纯铜复合材料下降了 51.4%。此时硬度损失最低为 2.8%,磨损量增加值最低为 0.0107 mm3。盐雾腐蚀产物较为致密,与复合材料的结合良好,有效保护了复合材料表面,从而提高材料的耐腐蚀性能。关键词:关键词:SiC/Cu 复合材料;放电等离子烧结;磨损量;硬度;耐腐蚀 中图分类号:中图分类号:TQ116 0 引言 相较于单一金属基体,复合材料往往具备密度更低,强度更大,热稳定性更强,耐磨性更强等明显优势1。其中高性能铜合金具有高导电性、高
3、导热性、高耐蚀以及可镀性和易加工性等一系列优异性能,故其在国家安全、船舶海洋领域中具有重要地位2,3。然而我国各种高性能铜合金材料严重依赖进口,极大制约了相关领域的研究与发展4,5。研发先进铜合金材料,并且寻求其高效,低成本,短流程的制备方法对于促进我国船舶行业发展起着重要的支撑作用。放电等离子烧结(SPS)烧结时间短,升温速率高,致密化过程更加充分完全,能够有效改进传统烧结的缺点6,7。在此背景下,本文以 SPS 方法制备 SiC/Cu 复合材料,并在酸性盐雾环境下探究增强相含量对复合材料耐腐蚀性能的影响。1 试验材料及方法 选用高纯电解铜粉及碳化硅粉(纯度均为 99.9%)作为试验原料,其
4、中碳化硅粉粒径为 40m。将基体与增强相按不同比例在行星式球磨机中干磨 2h。后置于石墨模具中烧结制备试样,烧结温度为 800,升温速率为 100/min,保温时间为 7min,烧结过程中真空度控制在 1Pa 以下8。将所制备试样进行充分抛光后,观察其表面形貌,初步分析试样质量。随后对试样进行酸性盐雾腐蚀试验,测试其损失质量、腐蚀后形貌和损失力学性能,并对试验结果进行机理分析,试验流程如图 1 所示。图 1 试验流程 2 试验结果与讨论 2.1 试样质量分析 使用双束扫描电镜(型号为 Helios G4 CX)对不同增强相含量的复合材料试样表面进行观察,微观形 貌如图 2 所示。从中可以看出,
5、纯铜表面存在孔隙,且在抛光过程中划痕较为明显,而加入 SiC 颗粒后,孔隙逐渐减少。这是由于均匀分散的 SiC 颗粒与铜基体产生了大量结合面积,有效填充了复合材料内部孔隙,进而在烧结过程中达到更高的致密化程度9,10。使用阿基米德排水法测得试样的平均致密度为 96.3%,因此可以认为中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 75 SPS 烧结制备的试样质量较好,试验结果可信。(a)0 wt%;(b)5wt%;(c)6 wt%;(d)7 wt%;(e)8 wt%;(f)9 wt%图 2 不同 SiC 含量的 SiC/Cu 复合材料表面形貌 随后分别使用显微硬度计(型号为 HXD-1000TMC)和摩
6、擦磨损实验仪(型号为 MS-T3000)对试样进行了硬度及磨损量测试,以便与腐蚀后的状态进行性能对比。2.2 盐雾试验及结果 将不同 SiC 含量的试样放入烧杯中清洗,以去除表面污渍与杂质,烘干后放在精度为 0.001 g 的分析天平进行称量,记录各试样的初始质量。后参照盐雾实验的参数标准 GB/T10125-1997 进行试验,试验时间为 24h,试验参数如表 1 所示。表 1 盐雾试验参数 名称 参数 名称 参数 氯化钠浓度/gL-1 50 喷雾压力/MPa 0.2 PH 值 3 饱和桶温度/47 空气入口压力/MPa 0.3 沉降量/mlcm-2h-1 0.025 实验室温度/35 放置
7、角度/30 2.2.1 腐蚀形貌及分析 腐蚀后的样品宏观形貌如图 3 所示。从图中可以看出复合材料表面裸露部分较为粗糙,且颜色变深,整体呈深红色,伴随有肉眼可见的较浅腐蚀痕迹,这说明相较于腐蚀前的复合材料,经腐蚀后的复合材料表面存在氧化现象。表面覆盖部分主要为二水合氯化铜,性状表现为绿色,致密的薄膜11。该薄膜的化学性质稳定,且与复合材料表面的结合良好,能够保持内部基体不会继续受到盐雾的腐蚀。因此复合材料的腐蚀仅仅发生在表面。腐蚀类型以坑蚀为主,腐蚀面积大但腐蚀较浅。图 3 SiC 含量为 7%的试样腐蚀后的宏观形貌 不同 SiC 含量的 SiC/Cu 复合材料腐蚀后微观形貌如图 4 所示。从
8、图 4(a)中可以看到纯铜的腐蚀后表面在凹凸不平,腐蚀坑多且深,伴随有密集的裂纹,且裂纹尺寸较大,说明腐蚀现象较为严重。加入 SiC后,材料表面的裂纹情况明显得到了改善,且 SiC 颗粒表面光滑平整,说明其耐腐蚀性较强。SiC 含量为 5%-7%时,其颗粒的周围几乎没有凹坑存在,腐蚀后可见铜基体的晶粒,说明 SiC 的加入使得复合材料的晶间腐蚀现象增多。当 SiC 的含量超过 8%后,随着 SiC颗粒的密集,凹坑与裂纹数量均开始增多。图 4(f)中可以看到,由于 SiC 颗粒的密集,腐蚀凹坑出现了分层现象,且颗粒周围裂纹尺寸较大,说明此时结合不紧密,导致结合面发生了较为严重的腐蚀现象。(a)0
9、 wt%;(b)5wt%;(c)6 wt%;(d)7 wt%;(e)8 wt%;(f)9 wt%图 4 不同 SiC 含量的 SiC/Cu 复合材料腐蚀后形貌 中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 76 2.2.2 复合材料质量损失对比 对不同 SiC 含量的 SiC/Cu复合材料进行腐蚀速率计算,其结果如表 2 所示。从表 2 中可以看出,在同等试验条件下的试样,纯铜的腐蚀速率最大,随着 SiC含量的增大,试样腐蚀速率呈现先减小后增大的趋势,在添加SiC含量为7%时试样的腐蚀速率最低,为6.310 g/m-2 h-1,相比于纯铜试样,腐蚀速率下降了 51.4%。表 2 盐雾试验腐蚀速率测试结
10、果 SiC 含量(wt%)试样面积(m2)损失质量(g)腐蚀速率(g/m-2h-1)0 0.0007 0.218 12.976 5 0.0007 0.148 8.810 6 0.0007 0.137 8.155 7 0.0007 0.106 6.310 8 0.0007 0.113 6.726 9 0.0007 0.122 7.262 2.2.3 复合材料力学性能损失对比 对腐蚀后的试样再次进行硬度与磨损量测试,结果如图 5 和图 6 所示。从图 5 中可以看出,腐蚀后所有试样的硬度均有所下降,测得纯铜试样的硬度下降最为明显,其腐蚀后硬度为 50.9 HV,较之前的 61.6 HV 下降了 1
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