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　　引用 SiCp/Al復(fù)合資料顯微構(gòu)造與性能的研討

　　任德亮 丁占來 齊海波 樊云昌

　?。壅?通過攪拌熔煉和液態(tài)模鍛制備了SiC顆粒體積分數(shù)分辨為5%和10%的鋁基復(fù)合材料。研究了固溶時效處理參數(shù)對復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響，優(yōu)選了T6熱處理工藝。

　　要害詞： 鋁基復(fù)合材料 熱處理 微觀結(jié)構(gòu) 力學(xué)性能

　　Study on the Microstructures and Properties of SiCp/Al Alloy Matrix Composite

　　［ABSTRACT］ The SiCp/Al alloy composite containing 5% and 10% SiC particles were fabricated by melt stirring and squeeze casting. The specimens of the cast composites were then heat－treated with different T6 processes and thus the effects of the technological parameters of the solution treatment and artificial aging treatment on the microstructures and properties were examined. The optimum T6 heat treatment circle was determined.

　　Keywords: SiCp/Al alloy matrix composite Heat treatment Microstructure Mechanical property

　　金屬基復(fù)合材料(MMC)因具有高比強度、比模量，耐高溫、耐磨損以及熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)固性好等優(yōu)良的物理性能和力學(xué)性能而成為各國高新技巧材料研討開發(fā)的主要范疇。其中顆粒增強金屬基復(fù)合材料，尤其是SiC顆粒增強的鋁基復(fù)合材料(SiCp/Al)，因具有各向同性，制作本錢低，可用傳統(tǒng)的金屬加工工藝(鑄造、擠壓、軋制、焊接等)進行加工，而成為國外MMCs發(fā)展的重要方向之一［1～3］，在航空航天、軍事范疇及汽車、電子儀表等行業(yè)顯示出宏大的利用潛力。

　　采用攪拌鑄造法制作顆粒增強鋁基復(fù)合材料，可以應(yīng)用傳統(tǒng)的熔鑄裝備，是制造MMCs本錢較低的一種方式。液態(tài)模鍛(或擠壓鑄造)是液態(tài)金屬成形的一種先進技巧，它能增長液態(tài)金屬的充模才能，降低鑄件的空隙率。因此，本課題采用攪拌熔煉與液態(tài)模鍛成形相聯(lián)合的辦法。

　　本文對鑄態(tài)和熱處理態(tài)的SiCp/Al復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進行了剖析，研討了固溶時效處理參數(shù)對材料性能的影響，旨在為其利用供給理論根據(jù)。

　　1 實驗方式

　　鋁基復(fù)合材料通過攪拌熔煉及液態(tài)模鍛工藝制備而成。鋁合金基體的成分相似于ZL109合金，如表1所示，其固相點溫度用美國PE公司DTA-1700型差熱剖析儀測定結(jié)果為557℃。增強組分為綠色α-SiC顆粒，均勻粒度為10μm?；w鋁合金采取中頻感應(yīng)爐熔煉，USB顯微鏡，通進氬氣作為熔液的維護氣體及精煉劑。在熔煉進程中，熔液用調(diào)速電機驅(qū)動的特制石墨攪拌器進行攪拌。當鋁合金熔液的溫度到達720℃左右時，將預(yù)處理后的SiC顆粒參加到持續(xù)攪拌著的鋁合金熔液中。待攪拌均勻并經(jīng)精煉后，將復(fù)合材料熔液澆鑄到?50mm×110mm的鋼模中，并在必定的機械壓力下直接凝固成形。制造的2種復(fù)合材料中，SiC顆粒的體積分數(shù)分離為5%和10%(材料代號分離為ZL109/SiCp/5和ZL109/SiCp/10)。同時，用雷同的工藝方式制備了基體鋁合金的鑄造試樣，以便與復(fù)合材料進行比擬。

　　表1 鋁合金基體的成分 % 各種材料的T6熱處理工藝參數(shù)試驗(即固熔處理的溫度和時光，人工時效的溫度和時光)，是按正交試驗計劃設(shè)計的。采取的正交表為L9(34)，因素程度如表2所示。

　　表2 因素程度表 注：A?固溶溫度；B?固溶時間；C?時效溫度；D?時效時間。

　　對經(jīng)不同工藝熱處理后的試樣，在HB-3000型布氏硬度計上進行硬度測定。通過火析硬度測試成果，從中得出Zui佳T6熱處理工藝，并依據(jù)此工藝對各種材料的拉伸試樣進行熱處理。鑄態(tài)及熱處理態(tài)的各種材料試樣在XJG-05型光學(xué)顯微鏡和配有X射線能譜儀的KYKY-2800型掃描電子顯微鏡上進行顯微結(jié)構(gòu)的觀測剖析。金相試樣所用腐化劑為0.5%(質(zhì)量分數(shù))氫氟酸水溶液。

　　復(fù)合材料及未增強基體合金的室溫拉伸性能試驗是在日本產(chǎn)島津AG-50KNE型試驗機上進行的。拉伸試樣標距為25mm，直徑為5mm，標志長度為25mm；拉伸應(yīng)變速率為6×10－4s－1。

　　2 試驗結(jié)果與分析

　　2.1 材料微觀構(gòu)造

　　不同SiC含量的鋁基復(fù)合材料的光學(xué)微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，SiC顆粒(渺小的深玄色不規(guī)矩多變形)在鋁合金基體中的散布基礎(chǔ)上是均勻的，且隨著SiC顆粒的參加量增添，α相(白色樹枝狀)枝晶破碎、間距減小，共晶硅顆粒分布更加均勻。

　　

　　(a)基體鋁合金ZL109

　　

　　(b)復(fù)合材料ZL109/SiCp/5

　　

　　(c)復(fù)合材料ZL109/SiCp/10

　　圖1 鑄態(tài)材料的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)

　　Fig.1 Optical microstructure of cast material

　　在用攪拌法制備SiC顆粒加強鋁基復(fù)合材料時，有兩種對材料不利的現(xiàn)象可能產(chǎn)生：一是SiC顆粒可能與基體合金發(fā)生界面反映，天生脆性界面層；二是SiC顆?？赡茉诨w中散布不均勻，發(fā)生偏析。

　　在SiC顆粒增強的鋁基復(fù)合材料中，可能發(fā)生的界面反映為：

　　4Al+3SiC＝Al4C3+3Si

　　由于本試驗所用的基體合金中含有高達12%的Si，在復(fù)合材料的制備條件下(720℃)，根本上克制了上述反映的產(chǎn)生［4］，因而在SEM的高倍顯微鏡察看下，基體與顆粒的界面處未發(fā)現(xiàn)有Al4C3界面層存在。

　　鋁基復(fù)合材料中SiC顆粒的偏析可分為宏觀和微觀兩種。由于SiC顆粒的密度(3.2g/cm3)大于鋁基體的密度(約為2.7g/cm3），SiC顆粒在鋁合金熔液中有沉降的趨勢，因而熔液在爐內(nèi)、澆包內(nèi)或鑄模內(nèi)靜置都有可能造成宏觀上的偏析。然而，在復(fù)合材料的制備過程中，熔液在爐內(nèi)一直處于攪拌之中，且攪拌完成之后就立即進行澆鑄、擠壓凝固，所以根本上避免了此種偏析的發(fā)生。而微觀偏析是在凝固過程中發(fā)生的，復(fù)合材料熔液結(jié)晶時，疏散的SiC顆粒受到α枝晶凝固前沿的推移，進進Zui后凝固的枝晶間，并隨著共晶硅的凝固結(jié)晶而分布在共晶硅顆粒之間，見圖1。這樣，SiC顆粒就在α枝晶間形成偏析。固然微觀偏析的發(fā)生難以完整避免，但可通過加快熔液凝固速度(如降低模具的預(yù)熱溫度)來減小這種偏析的水平。

　　圖2為3種材料經(jīng)T6熱處理后的微觀結(jié)構(gòu)照片。從中可以看出，熱處理后的加強顆粒尺寸及散布狀況基礎(chǔ)堅持不變，但基體中的共晶硅顆粒得到球化并稍微有所長大。同時，從照片(a)，(b)和(c)的比擬中還發(fā)明，復(fù)合材料的共晶硅顆粒尺寸小于未增強的基體鋁合金中的共晶硅尺寸。經(jīng)熱處理后的復(fù)合材料的基體微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生這些變更的原因還有待探討。

　　

　　(a)未增強的基體鋁合金

　　

　　(b)復(fù)合材料ZL109/SiCp/5

　　

　　(c)復(fù)合材料ZL109/SiCp/10

　　圖2 熱處置態(tài)資料的光學(xué)顯微構(gòu)造

　　Fig.2 Optical microstructure

　　of material after heat treatment

　　2.2 T6熱處理工藝和硬度測定

　　對經(jīng)不同T6工藝熱處理后的復(fù)合材料和基體鋁合金試樣進行了布氏硬度的測定。通過對測定結(jié)果的極差分析得知，Zui佳T6工藝可能為下述3者之一：

　　(a)510℃固溶處理6h+150℃人工時效8h。

　　(b)510℃固溶處置8h+170℃人工時效8h。

　　(c)490℃固溶處理8h+150℃人工時效10h。

　　為斷定Zui佳T6工藝，再次把一批試樣分離以510℃和490℃的溫度進行固溶處理，然后以150℃和170℃的溫度進行不同時光的時效處理。處理后的材料硬度與工藝參數(shù)的關(guān)系曲線如圖3所示，得出510℃固溶處理6h并立即進行150℃人工時效8h為Zui佳T6熱處理工藝。

　　

　　(a)510℃固溶處理6h，150℃人工時效

　　

　　(b)490℃固溶處理6h，150℃人工時效

　　圖3 熱處理后的材料布氏硬度與工藝參數(shù)關(guān)系曲線

　　Fig.3 Dependence of Brinell hardness on the

　　process parameters of material after heat treatment

　　在對材料進行T6熱處理工藝試驗的進程中發(fā)明，固溶處理后的SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料，在室溫下的靜止空氣中放置24～36h，比未經(jīng)靜置的材料硬度降低約15%。這與Sameul等人所做的鋁基復(fù)合材料T6熱處理試驗的成果十分相近。他們把固溶處理后的試樣在室溫下靜置一天后再時效，與未經(jīng)此靜置的材料拉伸性能相比，σ0.2和σb分辨下降了14%和6%，而塑性卻增添了大約40%。

　　2.3 拉伸性能

　　熱處理后的復(fù)合材料和基體鋁合金試樣，在島津AG-50KNE型拉伸試驗機上進行了室溫拉伸試驗。表3所示的試驗結(jié)果表明，與未加強的基體合金相比，復(fù)合材料ZL109/SiCp/10的楊氏模量進步了21%，σb和σ0.2分辨增添了9%和19%，延長率卻下降了87%。這與D.O.Kennedy等人的實驗成果相一致。

　　表3 復(fù)合材料和基體合金的室溫拉伸性能 眾所周知，SiC顆粒參加到基體鋁合金中往，會使材料的楊氏模量和屈從強度得到提高，但卻引起材料塑性和斷裂韌性的顯明降低。Flom和Arsenault曾將塑性和韌性的降低回因于SiC顆粒的不均勻分布和在較弱的增強體?基體間界面的裂紋萌生。

　　對于鋁基復(fù)合材料，一般都要經(jīng)過固溶及人工時效處理，以進一步進步其力學(xué)性能。Taya等人曾對SiCp/6061鋁基復(fù)合材料的T6熱處理強化機理進行研究，他們把復(fù)合材料的強化回因于兩個方面，即由淬火冷卻進程中金屬基體與增強顆粒間熱膨脹錯合應(yīng)變引起的高密度位錯和人工時效過程中的鋁合金基體中的沉淀相析出。

　　3 結(jié)論 (1)采取攪拌熔煉?液態(tài)模鍛工藝制備的SiC顆粒體積分數(shù)為10%的鋁基復(fù)合材料，SiC增強顆粒分布基礎(chǔ)均勻，與在同等條件下制備的未增強基體合金相比，復(fù)合材料的初晶α相枝晶破碎、間距較小，共晶硅顆粒分布更均勻。

　　(2)通過對復(fù)合資料固溶、時效的正交實驗，斷定SiCp/Al復(fù)合材料的Zui佳T6熱處置工藝為：510℃固溶6h，60℃溫水淬火，150℃人工時效8h。同時發(fā)明，復(fù)合材料在固溶處理后室溫靜置24～36h后再時效，與未經(jīng)靜置的試樣相比，其硬度下降約15%。

　　(3)熱處理后的材料室溫力學(xué)性能試驗結(jié)果表明，復(fù)合材料比未增強基體合金的楊氏模量有顯著進步，強度有所增長，而塑性則顯明降低。

　　河北省博士基金贊助項目。

　　作者單位：任德亮 丁占來 齊海波 樊云昌 石家莊鐵道學(xué)院

　　參考文獻 1 Clyne T W, Withers P J. An introduction to metal matrix composites. Cambridge: Cambridage University Press, 1993,1～10

　　2 Ray S. Synthesis of cast metal matrix particulate composites. J. Mater. Sci., 1993,28:5397～5413

　　3 Davis J R, et al. Aluminum－matrix composites, ASM specialty handbook aluminum and aluminum alloys. ASM International Handbook Committee, 1994,160～169

　　4 黃澤文.金屬基復(fù)合材料的大范圍生產(chǎn)和商品化發(fā)展.材料導(dǎo)報，1996，10(增刊)：18～25


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