亞微米Al2O3P/Al—Cu—Mg復(fù)合材料時(shí)效過(guò)程的DSC分析

姜瑞姣++高飛++趙樹(shù)豐++王程

摘 要：運(yùn)用DSC分析的手段研究了兩種基體合金化的亞微米Al2O3P/Al-Cu-Mg復(fù)合材料的時(shí)效行為。Al-Cu-Mg合金中時(shí)效過(guò)程明顯，改變Cu、Mg元素含量抑制了時(shí)效析出過(guò)程。復(fù)合材料中，添加亞微米Al2O3顆粒使得G.P.區(qū)受到完全抑制，亞穩(wěn)相的時(shí)效析出變得困難；提高Cu含量，在一定程度上促進(jìn)了復(fù)合材料的時(shí)效析出。

關(guān)鍵詞：亞微米 Al2O3顆粒 Cu含量 Al-Cu-Mg 復(fù)合材料 時(shí)效 DSC

中圖分類(lèi)號(hào)：TB331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（a）-0245-02

DSC analysis of aging behavior for sub-micron Al2O3P/Al-Cu-Mg composites

JIANG Ruijiao， GAO Fei， ZHAO Shufeng， WANG Cheng

（College of equipment manufacture， Hebei University of engineering， Handan， 056002， China）

Abstract：The aging behaviors of two kinds of the sub-micron Al2O3p/Al-Cu-Mg composites with alloying matrix and the corresponding matrix alloy was investigated by Differential scanning calorimetry（DSC）. Results show that the aging behavior of the Al-Cu-Mg alloy is visible， and the precipitation was suppressed with the adoption of Cu and Mg element. The precipitation of composites was restrained strongly by the addition of sub-micron alumina particles with the completely inhibition of G.P. zones. The aging behavior of micro Al2O3P/Al-Cu-Mg composites was accelerated in a certain extent by the additive Cu atoms.

Keywords：Al2O3 composites Cu Al-Cu-Mg aging DSC

差示掃描量熱儀（DSC）主要通過(guò)對(duì)熱效應(yīng)較高的測(cè)量靈敏度來(lái)檢測(cè)試樣的熱效應(yīng)[1，2]，識(shí)別各種相的析出和溶解溫度，快速提供被研究物質(zhì)的熱穩(wěn)定性、熱變化過(guò)程的焓變、相變轉(zhuǎn)化溫度等，根據(jù)DSC曲線上反應(yīng)峰的位值、形狀和數(shù)目可以定性表征和鑒定物質(zhì)[2]，利用峰的面積與反應(yīng)熱焓的關(guān)系還能定量估計(jì)參與反應(yīng)的物質(zhì)的量或測(cè)定熱化學(xué)參數(shù)[3]，動(dòng)態(tài)跟蹤時(shí)效硬化合金及其復(fù)合材料在連續(xù)變溫過(guò)程中，過(guò)飽和固溶體、中間相和亞穩(wěn)相析出與溶解的全過(guò)程，非常適于研究復(fù)合材料的時(shí)效行為[4]。本文通過(guò)對(duì)兩種亞微米Al2O3P/Al-Cu-Mg復(fù)合材料進(jìn)行DSC測(cè)試和分析，較為深入的研究了Cu含量和亞微米Al2O3顆粒對(duì)Al基復(fù)合材料時(shí)效過(guò)程的影響規(guī)律。

1 材料及試樣準(zhǔn)備

基體采用以2024Al合金為基，自行配置的Al-5.46Cu-0.84Mg和Al-2.25Cu-1.50 Mg合金。增強(qiáng)體為0.15μm-α-Al2O3顆粒，體積分?jǐn)?shù)為30%。

試樣采用Φ5×3 mm，495 ℃固溶處理1h室溫水淬后立即進(jìn)行DSC測(cè)試，采用純鋁坩堝，N2氣保護(hù)。測(cè)溫區(qū)間為：室溫～400 ℃，升溫速率為0.167 K/s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 DSC測(cè)試

在整個(gè)測(cè)試溫度區(qū)間范圍內(nèi)，兩種Al-Cu-Mg合金及復(fù)合材料的DSC測(cè)試結(jié)果示于圖1。做為對(duì)比，實(shí)驗(yàn)還對(duì)2024Al進(jìn)行了測(cè)試。

由圖可見(jiàn)，改變主合金含量后，兩合金的DSC曲線上與形成GPB區(qū)對(duì)應(yīng)的放熱峰（A峰）高度變低，隨Cu含量升高，峰位逐漸向低溫移動(dòng)。Al-5.46Cu-Mg的DSC曲線上A峰起始溫度最低，亞穩(wěn)相的放熱峰由雙峰合并變成了單峰，峰位沒(méi)有明顯變化，析出溫度范圍變窄。

復(fù)合材料的DSC曲線上觀察不到GPB組織析出的跡象，僅在200 ℃～350 ℃之間有一個(gè)亞穩(wěn)相的放熱峰，與基體合金相比，峰高明顯降低，峰位向低溫移動(dòng)，并且Cu含量降低，鈍化加劇。

2.2 時(shí)效過(guò)程的DSC分析

根據(jù)熱分析理論[3]，時(shí)效析出所需要的放熱焓與DSC曲線上對(duì)應(yīng)反應(yīng)峰閉合面積成正比，即存在關(guān)系：

ΔH=K·ΔS （1）

式中ΔH—放熱焓；K—系數(shù)；ΔS—閉合峰面積。

各DSC曲線上各放熱峰的熱焓計(jì)算結(jié)果示于（圖2）。可見(jiàn)改變Cu含量，ΔHS降低，亞穩(wěn)相析出減少。Al-5.46Cu-0.84Mg中ΔHS遠(yuǎn)大于ΔHGPB，為后者的1.59倍，析出量最少。Al-2.25Cu-1.50Mg中形成GPB區(qū)與形成S相需要的熱焓相差不大。表明低Cu含量的合金中，析出相主要依靠GPB區(qū)脫溶沉淀生成，提高Cu含量后非均勻形核直接形成S相為合金的沉淀析出做出了重要貢獻(xiàn)。

Cu含量對(duì)復(fù)合材料時(shí)效行為的影響遠(yuǎn)小于基體合金。Al2O3P/Al-5.46Cu-Mg的ΔHS略高于Al2O3P/Al-2.25Cu-Mg，但兩者的ΔHS均明顯小于基體合金，表明析出相的數(shù)量大大減少，甚至在Al2O3P/Al-2.25Cu-Mg復(fù)合材料中僅獲得了相當(dāng)于基體合金三分之一的析出量。endprint

GPB區(qū)和亞穩(wěn)相的形成速度在各自的峰值溫度達(dá)到最大值。改變合金元素使復(fù)合材料中亞穩(wěn)相的析出峰提前到來(lái)，峰位由280 ℃降為272.5 ℃。

Cu含量提高，促進(jìn)了復(fù)合材料的時(shí)效析出。

2.3 討論

DSC測(cè)試連續(xù)升溫過(guò)程中，不同溫度下溶質(zhì)原子的活動(dòng)能力和結(jié)合方式都有很大差異。

固溶淬火后復(fù)合材料和基體合金中固溶原子、空位和位錯(cuò)陷阱都是過(guò)飽和的[5]。低溫階段，合金原子活動(dòng)能力較差，活潑的Mg、Cu率先通過(guò)能量較高的缺陷位置短程擴(kuò)散形成GPB（I）區(qū)[6]，短時(shí)加熱并升溫，GPB（I）區(qū)回溶有序排列成與母相共格的GPB（II）區(qū)，或稱(chēng)亞穩(wěn)相，此時(shí)合金硬度達(dá)最大值?？紤]Cu、Mg原子比，推斷Al-5.46Cu-Mg中主要形成S相和θ相，Al-2.25Cu-Mg主要析出AlCu4Mg6相。

加入亞微米Al2O3顆粒，基體被強(qiáng)烈分割，合金原子的長(zhǎng)程擴(kuò)散受阻[7]；大量的顆粒界面為合金原子偏聚和空位湮滅提供了豐富的位置，同時(shí)界面反應(yīng)消耗進(jìn)一步減少了基體空位和用于析出的原子濃度，以至于強(qiáng)烈依賴(lài)空位形核的GP區(qū)受到完全抑制，DSC曲線上對(duì)應(yīng)的放熱峰消失[4]；另外，大量的熱錯(cuò)配應(yīng)力使基體中形成了一定密度的位錯(cuò) [8]，促進(jìn)了亞穩(wěn)相的非均勻形核，使其在較低溫度下即開(kāi)始析出。由于Mg原子比Cu原子活性大，更易于發(fā)生界面反應(yīng)和偏聚[9]，因此亞微米Al2O3顆粒加入時(shí)效強(qiáng)化效果較好的Al-2.25Cu-1.50Mg合金中，由于Mg原子嚴(yán)重消耗時(shí)效析出明顯減少。在Al2O3/Al-5.46Cu-Mg中，濃度更高的Cu原子在顆粒/基體界面上的作用彰顯，Mg的消耗減弱，反而表現(xiàn)出更好的時(shí)效強(qiáng)化效果，在DSC曲線上得到了更高的ΔHS值。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）Al-Cu-Mg合金的時(shí)效過(guò)程明顯，改變2024Al中Cu、Mg含量抑制了合金的時(shí)效析出。

（2）復(fù)合材料中，GP區(qū)受到完全抑制，時(shí)效析出變得困難；提高Cu含量在一定程度上促進(jìn)了亞微米Al2O3/Al-Cu-Mg復(fù)合材料的時(shí)效析出。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁學(xué)海，丁恩勇.對(duì)MDTA中測(cè)樣品熱容量的準(zhǔn)恒溫法的評(píng)述[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào)，1998（6）.

[2] 高鳳華，李念奎，田妮，等.7050鋁合金半連續(xù)鑄錠在DSC分析過(guò)程中組織的變化[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2008（3）：211.

[3] 喻學(xué)斌，吳人潔，張國(guó)定.金屬基電子封裝復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，1994（3）.

[4] M.B.D.Ellis，武紅林.鋁合金及鋁基復(fù)合材料的固體焊接[J].輕金屬，1993（7）.

[5] 張強(qiáng)，姜龍濤，陳國(guó)欽，等.無(wú)壓浸滲法制備Al_2O_3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料[J].稀有金屬材料與工程，2011（S2）.

[6] 張建新，高愛(ài)華，陳昊.合金元素對(duì)Al-Mg-Si系鋁合金組織及性能的影響[J].鑄造技術(shù)，2007，28（3）：373.

[7] 高文理，蘇海，張輝，等.噴射共沉積SiC_p/2024復(fù)合材料的顯微組織與力學(xué)性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010（1）.

[8] 姜龍濤，武高輝，孫東立，等.亞微米Al_2O_3顆粒的微觀結(jié)構(gòu)及Al_2O_（3p）/1070Al復(fù)合材料的界面[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2002（2）.

[9] 張國(guó)定.金屬基復(fù)合材料界面問(wèn)題[J].材料研究學(xué)報(bào)，1997，11（6）：649.endprint

GPB區(qū)和亞穩(wěn)相的形成速度在各自的峰值溫度達(dá)到最大值。改變合金元素使復(fù)合材料中亞穩(wěn)相的析出峰提前到來(lái)，峰位由280 ℃降為272.5 ℃。

Cu含量提高，促進(jìn)了復(fù)合材料的時(shí)效析出。

2.3 討論

DSC測(cè)試連續(xù)升溫過(guò)程中，不同溫度下溶質(zhì)原子的活動(dòng)能力和結(jié)合方式都有很大差異。

固溶淬火后復(fù)合材料和基體合金中固溶原子、空位和位錯(cuò)陷阱都是過(guò)飽和的[5]。低溫階段，合金原子活動(dòng)能力較差，活潑的Mg、Cu率先通過(guò)能量較高的缺陷位置短程擴(kuò)散形成GPB（I）區(qū)[6]，短時(shí)加熱并升溫，GPB（I）區(qū)回溶有序排列成與母相共格的GPB（II）區(qū)，或稱(chēng)亞穩(wěn)相，此時(shí)合金硬度達(dá)最大值。考慮Cu、Mg原子比，推斷Al-5.46Cu-Mg中主要形成S相和θ相，Al-2.25Cu-Mg主要析出AlCu4Mg6相。

加入亞微米Al2O3顆粒，基體被強(qiáng)烈分割，合金原子的長(zhǎng)程擴(kuò)散受阻[7]；大量的顆粒界面為合金原子偏聚和空位湮滅提供了豐富的位置，同時(shí)界面反應(yīng)消耗進(jìn)一步減少了基體空位和用于析出的原子濃度，以至于強(qiáng)烈依賴(lài)空位形核的GP區(qū)受到完全抑制，DSC曲線上對(duì)應(yīng)的放熱峰消失[4]；另外，大量的熱錯(cuò)配應(yīng)力使基體中形成了一定密度的位錯(cuò) [8]，促進(jìn)了亞穩(wěn)相的非均勻形核，使其在較低溫度下即開(kāi)始析出。由于Mg原子比Cu原子活性大，更易于發(fā)生界面反應(yīng)和偏聚[9]，因此亞微米Al2O3顆粒加入時(shí)效強(qiáng)化效果較好的Al-2.25Cu-1.50Mg合金中，由于Mg原子嚴(yán)重消耗時(shí)效析出明顯減少。在Al2O3/Al-5.46Cu-Mg中，濃度更高的Cu原子在顆粒/基體界面上的作用彰顯，Mg的消耗減弱，反而表現(xiàn)出更好的時(shí)效強(qiáng)化效果，在DSC曲線上得到了更高的ΔHS值。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）Al-Cu-Mg合金的時(shí)效過(guò)程明顯，改變2024Al中Cu、Mg含量抑制了合金的時(shí)效析出。

（2）復(fù)合材料中，GP區(qū)受到完全抑制，時(shí)效析出變得困難；提高Cu含量在一定程度上促進(jìn)了亞微米Al2O3/Al-Cu-Mg復(fù)合材料的時(shí)效析出。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁學(xué)海，丁恩勇.對(duì)MDTA中測(cè)樣品熱容量的準(zhǔn)恒溫法的評(píng)述[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào)，1998（6）.

[2] 高鳳華，李念奎，田妮，等.7050鋁合金半連續(xù)鑄錠在DSC分析過(guò)程中組織的變化[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2008（3）：211.

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[5] 張強(qiáng)，姜龍濤，陳國(guó)欽，等.無(wú)壓浸滲法制備Al_2O_3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料[J].稀有金屬材料與工程，2011（S2）.

[6] 張建新，高愛(ài)華，陳昊.合金元素對(duì)Al-Mg-Si系鋁合金組織及性能的影響[J].鑄造技術(shù)，2007，28（3）：373.

[7] 高文理，蘇海，張輝，等.噴射共沉積SiC_p/2024復(fù)合材料的顯微組織與力學(xué)性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010（1）.

[8] 姜龍濤，武高輝，孫東立，等.亞微米Al_2O_3顆粒的微觀結(jié)構(gòu)及Al_2O_（3p）/1070Al復(fù)合材料的界面[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2002（2）.

[9] 張國(guó)定.金屬基復(fù)合材料界面問(wèn)題[J].材料研究學(xué)報(bào)，1997，11（6）：649.endprint

GPB區(qū)和亞穩(wěn)相的形成速度在各自的峰值溫度達(dá)到最大值。改變合金元素使復(fù)合材料中亞穩(wěn)相的析出峰提前到來(lái)，峰位由280 ℃降為272.5 ℃。

Cu含量提高，促進(jìn)了復(fù)合材料的時(shí)效析出。

2.3 討論

DSC測(cè)試連續(xù)升溫過(guò)程中，不同溫度下溶質(zhì)原子的活動(dòng)能力和結(jié)合方式都有很大差異。

固溶淬火后復(fù)合材料和基體合金中固溶原子、空位和位錯(cuò)陷阱都是過(guò)飽和的[5]。低溫階段，合金原子活動(dòng)能力較差，活潑的Mg、Cu率先通過(guò)能量較高的缺陷位置短程擴(kuò)散形成GPB（I）區(qū)[6]，短時(shí)加熱并升溫，GPB（I）區(qū)回溶有序排列成與母相共格的GPB（II）區(qū)，或稱(chēng)亞穩(wěn)相，此時(shí)合金硬度達(dá)最大值?？紤]Cu、Mg原子比，推斷Al-5.46Cu-Mg中主要形成S相和θ相，Al-2.25Cu-Mg主要析出AlCu4Mg6相。

加入亞微米Al2O3顆粒，基體被強(qiáng)烈分割，合金原子的長(zhǎng)程擴(kuò)散受阻[7]；大量的顆粒界面為合金原子偏聚和空位湮滅提供了豐富的位置，同時(shí)界面反應(yīng)消耗進(jìn)一步減少了基體空位和用于析出的原子濃度，以至于強(qiáng)烈依賴(lài)空位形核的GP區(qū)受到完全抑制，DSC曲線上對(duì)應(yīng)的放熱峰消失[4]；另外，大量的熱錯(cuò)配應(yīng)力使基體中形成了一定密度的位錯(cuò) [8]，促進(jìn)了亞穩(wěn)相的非均勻形核，使其在較低溫度下即開(kāi)始析出。由于Mg原子比Cu原子活性大，更易于發(fā)生界面反應(yīng)和偏聚[9]，因此亞微米Al2O3顆粒加入時(shí)效強(qiáng)化效果較好的Al-2.25Cu-1.50Mg合金中，由于Mg原子嚴(yán)重消耗時(shí)效析出明顯減少。在Al2O3/Al-5.46Cu-Mg中，濃度更高的Cu原子在顆粒/基體界面上的作用彰顯，Mg的消耗減弱，反而表現(xiàn)出更好的時(shí)效強(qiáng)化效果，在DSC曲線上得到了更高的ΔHS值。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）Al-Cu-Mg合金的時(shí)效過(guò)程明顯，改變2024Al中Cu、Mg含量抑制了合金的時(shí)效析出。

（2）復(fù)合材料中，GP區(qū)受到完全抑制，時(shí)效析出變得困難；提高Cu含量在一定程度上促進(jìn)了亞微米Al2O3/Al-Cu-Mg復(fù)合材料的時(shí)效析出。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁學(xué)海，丁恩勇.對(duì)MDTA中測(cè)樣品熱容量的準(zhǔn)恒溫法的評(píng)述[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào)，1998（6）.

[2] 高鳳華，李念奎，田妮，等.7050鋁合金半連續(xù)鑄錠在DSC分析過(guò)程中組織的變化[J].材料與冶金學(xué)報(bào)，2008（3）：211.

[3] 喻學(xué)斌，吳人潔，張國(guó)定.金屬基電子封裝復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，1994（3）.

[4] M.B.D.Ellis，武紅林.鋁合金及鋁基復(fù)合材料的固體焊接[J].輕金屬，1993（7）.

[5] 張強(qiáng)，姜龍濤，陳國(guó)欽，等.無(wú)壓浸滲法制備Al_2O_3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料[J].稀有金屬材料與工程，2011（S2）.

[6] 張建新，高愛(ài)華，陳昊.合金元素對(duì)Al-Mg-Si系鋁合金組織及性能的影響[J].鑄造技術(shù)，2007，28（3）：373.

[7] 高文理，蘇海，張輝，等.噴射共沉積SiC_p/2024復(fù)合材料的顯微組織與力學(xué)性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2010（1）.

[8] 姜龍濤，武高輝，孫東立，等.亞微米Al_2O_3顆粒的微觀結(jié)構(gòu)及Al_2O_（3p）/1070Al復(fù)合材料的界面[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2002（2）.

[9] 張國(guó)定.金屬基復(fù)合材料界面問(wèn)題[J].材料研究學(xué)報(bào)，1997，11（6）：649.endprint