CeO2對(duì)SiCp/Al-Si復(fù)合材料組織及性能的影響

王榮旗，謝敬佩，吳文杰，王愛(ài)琴

(河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023)

CeO2對(duì)SiCp/Al-Si復(fù)合材料組織及性能的影響

王榮旗，謝敬佩，吳文杰，王愛(ài)琴

(河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023)

摘要：采用粉末冶金法制備SiCp/Al-Si復(fù)合材料，以CeO2為變質(zhì)劑，制備含CeO2的SiCp/Al-Si復(fù)合材料。研究CeO2的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)復(fù)合材料組織和力學(xué)性能的影響，探討復(fù)合材料中CeO2在燒結(jié)過(guò)程中的作用機(jī)理。研究結(jié)果表明：添加CeO2可以有效提高復(fù)合材料的致密度和室溫拉伸性能，復(fù)合材料的致密度和室溫拉伸性能隨CeO2添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0%~1.80%)的增加先升高后降低，在CeO2的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.60%時(shí)出現(xiàn)峰值。隨著CeO2添加量的增加，CeO2顆粒發(fā)生集聚長(zhǎng)大。當(dāng)稀土添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.60%時(shí)，變質(zhì)效果最好。此時(shí)，硅相的平均尺寸最小且形態(tài)明顯球化，硅顆粒的平均直徑從7 μm下降到5 μm以下。

關(guān)鍵詞：粉末冶金；冷壓；燒結(jié)；稀土；力學(xué)性能

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51371077)

通信作者

作者簡(jiǎn)介：王榮旗(1989-),男,河南新鄉(xiāng)人,碩士生;謝敬佩(1957-),男,,河南安陽(yáng)人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榻饘購(gòu)?fù)合材料.

收稿日期：2014-11-04

文章編號(hào)：1672-6871(2015)02-0001-04

中圖分類號(hào)：TF124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：志碼：A

0引言

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料是一種具有高比強(qiáng)度的新型材料，相比于傳統(tǒng)的鋼鐵材料具有密度低、線膨脹系數(shù)可控制、良好的導(dǎo)熱性以及高比強(qiáng)度等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用到航空航天、電子封裝等行業(yè)，目前已經(jīng)成為鋁基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)[1-2]。由于SiCp/Al-Si復(fù)合材料在制備過(guò)程中產(chǎn)生了大量的粗大多角形的析出硅，且其較脆，嚴(yán)重割裂基體，降低了合金的力學(xué)性能與切削加工性能。因此，如何通過(guò)添加變質(zhì)劑細(xì)化析出硅，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，對(duì)于SiCp/Al-Si復(fù)合材料的應(yīng)用及其變質(zhì)理論的完善發(fā)展具有重要意義。文獻(xiàn)[3-4]的研究結(jié)果表明：在鑄造鋁硅合金中，稀土可有效細(xì)化初晶硅和共晶硅，提高合金的室溫力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。關(guān)于粉末冶金鋁硅合金中稀土的添加方式以及其對(duì)于基體材料的組織與性能的影響等方面尚缺乏系統(tǒng)深入的研究。純單質(zhì)稀土Ce在室溫下具有很高的化學(xué)活性，直接添加時(shí)燒損嚴(yán)重，而CeO2在常溫空氣中較穩(wěn)定[5]。本文以CeO2作為變質(zhì)劑加入SiCp/Al-Si復(fù)合材料中，研究CeO2對(duì)稀土變質(zhì)SiCp/Al-Si復(fù)合材料組織與性能的影響，探討CeO2在燒結(jié)過(guò)程的作用機(jī)理。

1試驗(yàn)

試驗(yàn)用原料粉末為Al-20Si-1.5Cu-0.8Mg(質(zhì)量分?jǐn)?shù))粉末、SiC粉末、CeO2粉末，其中，SiC粉末在混合粉末中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)為20%，CeO2的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.15%、0.30%、0.60%、1.20%和1.80%。首先，在QM-BP行星球磨機(jī)上混料2 h，球料質(zhì)量比為2∶1；然后，以500 MPa壓力將混合粉末冷壓成直徑為78 mm、長(zhǎng)為48 mm的坯料；接著對(duì)冷壓坯料進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為550 ℃，燒結(jié)3 h(保護(hù)氣體為N2)；最后，將燒結(jié)后的培料熱擠壓成直徑為20 mm、長(zhǎng)為500 mm的棒料，擠壓比(橫截面積)為15∶1，擠壓溫度為500 ℃。

將制得的坯樣機(jī)械加工成各種規(guī)則的檢測(cè)試樣。利用X射線能譜分析儀(EDAX)JSM-5610LV掃描電鏡，觀察微觀組織特征并對(duì)組織中存在的各種相進(jìn)行能譜分析；采用排水法測(cè)定試樣密度；在島津AG-1 250 kN精密萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測(cè)定合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　CeO2添加量對(duì)復(fù)合材料微觀組織的影響

圖1是不同CeO2添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的SiCp/Al-Si復(fù)合材料背散射電子圖像(SEM組織)，不同成分顆粒的亮度不同。結(jié)合能譜結(jié)果分析，在未添加CeO2復(fù)合材料中，亮度較暗的顆粒為SiC顆粒，較亮顆粒為析出的硅顆粒；在含有CeO2復(fù)合材料中，SiC顆粒、析出硅顆粒和CeO2顆粒的亮度依次增強(qiáng)。從圖1中可以看出：變質(zhì)后的硅相尺寸明顯減小，在未變質(zhì)的復(fù)合材料中存在著較大的、不規(guī)則的、帶有尖銳棱角的硅顆粒；變質(zhì)后硅顆粒尺寸變小，形貌趨于球狀。通過(guò)比較可以看出：當(dāng)CeO2添加量不超過(guò)0.60%時(shí)，隨著CeO2添加量的增加，析出硅顆粒數(shù)量增多，尺寸逐漸減小，析出硅呈現(xiàn)細(xì)小圓潤(rùn)顆粒狀的區(qū)域逐漸增多，其細(xì)化效果越來(lái)越明顯；當(dāng)CeO2添加量超過(guò)0.6%時(shí)，硅相的尺寸隨著CeO2添加量w的增加而增大，硅相呈現(xiàn)粗大帶尖角狀的區(qū)域逐漸增加，CeO2的細(xì)化效果下降。

為進(jìn)一步確定析出硅相大小以及形貌上的變化，利用圖像分析軟件Image Pro-plus測(cè)定析出硅顆粒平均等積圓直徑和形狀因子。不同稀土添加量的復(fù)合材料中析出硅相的尺寸和形狀因子如圖2所示。

圖2　 不同CeO2添加量的SiCp/Al-Si復(fù)合材料 Si相形貌和尺寸

從圖2的結(jié)果可見(jiàn)：隨著CeO2添加量的增加，析出硅相的平均等積圓直徑先減小后增大；而析出硅的平均形狀因子先增大后減小，在稀土添加量為0.60%時(shí)，析出硅相尺寸最小，形態(tài)球化效果最明顯。這個(gè)結(jié)果與微觀組織的分析是一致的。

Si和CeO2的基本物理參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知：CeO2和Si的a值相差較小，錯(cuò)配度δ=0.004?？梢?jiàn)，CeO2與Si存在共格關(guān)系[6-8]，可作為析出硅相的非均勻形核核心，大量的形核核心起到細(xì)化析出硅相的作用。當(dāng)CeO2添加量為0.60%時(shí)，細(xì)化效果最明顯；而當(dāng)CeO2添加量過(guò)高或過(guò)低時(shí)，變質(zhì)效果降低。這是由于：當(dāng)CeO2添加量低于0.60%時(shí)，襯底較少，導(dǎo)致變質(zhì)不充分；當(dāng)CeO2添加量高于0.60%時(shí)，CeO2顆粒發(fā)生集聚長(zhǎng)大，生成大量的CeO2夾雜[9-10]，降低細(xì)化效果。

2.2　CeO2添加量對(duì)復(fù)合材料致密度的影響

圖3為SiCp/Al-Si復(fù)合材料的相對(duì)密度(致密度)隨CeO2添加量的變化。從圖3中可以看出：復(fù)合材料的相對(duì)密度隨著CeO2添加量的增加從96.38%升高到98.50%，然后降低到97.10%；在CeO2添加量為0.60%時(shí)，復(fù)合材料的相對(duì)密度達(dá)到峰值98.50%。研究表明：粗大多角形的硅相作為硬脆相，嚴(yán)重割裂基體，并且較大的、帶有尖銳棱角的硅顆粒不能夠與基體緊密的結(jié)合，造成析出硅相與基體間的孔隙增多，從而影響材料的致密度[11]。當(dāng)CeO2添加量為0.60%時(shí)，變質(zhì)效果最佳，硅相多呈現(xiàn)細(xì)小圓潤(rùn)顆粒狀，硅相與基體之間結(jié)合緊密，孔隙較少，提高了材料的致密度。CeO2添加量過(guò)高或過(guò)低都不能夠?qū)ξ龀龉柘喈a(chǎn)生較好的變質(zhì)效果，致使硅相多呈粗大的多面體不規(guī)則狀，從而降低材料的致密度。

表1　Si和CeO2的基本物理參數(shù)

2.3　CeO2添加量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖4為不同CeO2添加量的SiCp/Al-Si復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率。由圖4可以看出：隨CeO2添加量增加，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度從190 MPa開(kāi)始增大到265 MPa,然后減小到205 MPa，抗拉強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)在CeO2添加量為0.60%時(shí)。隨CeO2添加量增加，合金的伸長(zhǎng)率從2.70%增加到6.13%,然后減小到3.12%，峰值點(diǎn)同樣出現(xiàn)在添加量為0.60%時(shí)。

圖3SiCp/Al-Si復(fù)合材料的致密度隨CeO2添加量增加的變化

圖4CeO2添加量對(duì)SiCp/Al-Si復(fù)合材料室溫拉伸性能的影響

本研究中復(fù)合材料的力學(xué)性能主要與燒結(jié)致密度及強(qiáng)化相粒子數(shù)量、大小與分布等密切相關(guān)?？紫兜拇嬖趯?dǎo)致材料在外力作用下，沿孔隙尖端所引起的應(yīng)力集中，形成微裂紋，使得材料的強(qiáng)度和塑性降低[12]。結(jié)合圖3可以得出：當(dāng)CeO2添加量過(guò)高或過(guò)低時(shí)，復(fù)合材料致密度較低，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能降低。析出硅相在復(fù)合材料中作為強(qiáng)化相起到了彌散強(qiáng)化的作用。結(jié)合圖1可知：當(dāng)CeO2添加量為0.60%時(shí)，析出硅相尺寸較小，數(shù)量較多且分布均勻，同時(shí)硅顆粒表面鈍化，與基體結(jié)合緊密，大大提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能；當(dāng)CeO2添加量過(guò)高或過(guò)低時(shí)，析出硅相的彌散強(qiáng)化作用降低。圖5為不同CeO2添加量的SiCp/Al-Si復(fù)合材料的室溫拉伸斷口形貌。從圖5中觀察到：當(dāng)CeO2添加量為0.60%時(shí)，復(fù)合材料拉伸斷口的韌窩最為發(fā)達(dá)，具有明顯的韌性斷裂特征。當(dāng)CeO2添加量過(guò)高或過(guò)低時(shí)，復(fù)合材料拉伸斷口的韌窩數(shù)量減少，且出現(xiàn)了沿晶斷裂，對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能不利。

圖5　不同CeO2添加量的SiCp/Al-Si復(fù)合材料的拉伸斷口形貌

3結(jié)論

(1)添加微量的CeO2能夠提高SiCp/Al-Si復(fù)合材料的燒結(jié)致密度，但過(guò)量添加CeO2反而使燒結(jié)致密度降低。(2)隨CeO2添加量增加，CeO2顆粒發(fā)生集聚長(zhǎng)大。微量的CeO2對(duì)SiCp/Al-Si復(fù)合材料中的析出硅相具有明顯的變質(zhì)效果，CeO2可以促進(jìn)析出硅相的異質(zhì)形核，從而細(xì)化析出硅，增加析出硅的數(shù)量，且使硅相鈍化。CeO2的最佳添加量為0.60%，過(guò)高或過(guò)低的CeO2添加量會(huì)降低變質(zhì)效果。(3)隨著CeO2含量的增加，SiC顆粒增強(qiáng)Al-Si復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，從190 MPa開(kāi)始增大到265 MPa，然后減小到205 MPa；伸長(zhǎng)率從2.70%增加到6.13%，然后減小到3.12%。當(dāng)CeO2添加量為0.60%時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率達(dá)到極值，分別為265 MPa和6.13%。

參考文獻(xiàn)：

[1]周賢良,吳江暉,張建云,等.電子封裝用金屬基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀[J].南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2001,15(1):11-14.

[2]楊伏良,甘衛(wèi)平.快速凝固/粉末冶金制備高硅鋁合金材料的組織與力學(xué)性能[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2004,14(10):1717-1719.

[3]姚書(shū)芳,毛衛(wèi)民,趙愛(ài)民,等.過(guò)共晶鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)劑的研究[J].特種鑄造及有色合金,2000(5):1-3.

[4]Castro V D,Leguey T,Munoz A,et al.Microstructure and Tensile Properties of Y2O3-dispersed Titanium Produced by Arc Melting[J].Materials Science and Engineering A,2006,422(1/2):189-197.

[5]Liu Y,Chen L F,Tang H P,et al.Design of Powder Metallurgy Titanium Alloys and Composites[J].Materials Science and Engineering A,2006,418(1/2):25-35.

[6]張衛(wèi)文,尹志民,趙陽(yáng),等.過(guò)共晶高硅鑄造鋁合金磷一稀土雙重變質(zhì)處理[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),1995,3(1):59-61.

[7]唐多光,毛協(xié)民,張金龍,等.一種過(guò)共晶鋁硅合金的綠色長(zhǎng)效變質(zhì)劑[J].鑄造,2002,51(10):652-653.

[8]張金山,許春香,韓富銀.復(fù)合變質(zhì)對(duì)過(guò)共晶高硅鋁合金組織和性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2002,12(S1):107-110.

[9]張衛(wèi)文,郁鴿.稀土在過(guò)共晶Al-Si合金中的變質(zhì)特點(diǎn)[J].稀土,1997(3):35-38.

[10]杜挺.稀土元素在金屬材料中的一些物理化學(xué)作用[J].金屬學(xué)報(bào),1997,33(1):69-77.

[11]劉月,余林.稀土金屬摻雜對(duì)銳鈦礦型TiO2光催化活性影響的理論和實(shí)驗(yàn)研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),2013,34(2):16-18.

[12]王愛(ài)琴,倪曾磊,謝敬佩.顆粒尺寸及分布均勻性對(duì)SiC/Al-30Si復(fù)合材料組織性能的影響[J].粉末冶金技術(shù),2013,31(1):33-34.