等徑角擠扭對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響

劉紅麗，李萍，薛克敏，錢陳豪

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等徑角擠扭對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響

劉紅麗，李萍，薛克敏，錢陳豪

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

以SiCp/Al復(fù)合粉末為研究對(duì)象，開展不同變形程度的等徑角擠扭(ECAPT)變形實(shí)驗(yàn)，研究等徑角擠扭對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。利用OM、XRD、TEM和XPS以及排水測密度法、力學(xué)性能測試等手段分析不同試樣的微觀組織和力學(xué)性能的演變規(guī)律以及界面反應(yīng)情況。結(jié)果表明：隨變形道次增加，SiC團(tuán)聚現(xiàn)象得到改善，微晶尺寸逐漸減小，位錯(cuò)密度逐漸增大；材料界面處發(fā)生保護(hù)反應(yīng)生成Al2O3，且反應(yīng)程度隨變形道次增加而加劇，未發(fā)生有害的界面反應(yīng)，無Al4C3脆性相生成。4道次變形后材料的顯微硬度和屈服強(qiáng)度相比1道次分別提高10%和16%。

SiCp/Al復(fù)合材料；等徑角擠扭；ECAPT；微觀結(jié)構(gòu)；界面反應(yīng)；力學(xué)性能；大塑性變形

等徑角擠扭(ECAPT)工藝通過將等徑角擠壓(ECAP)與擠扭(TE)的模具結(jié)構(gòu)有效地結(jié)合，使其在較大的靜水壓力下獲得劇烈的剪切塑性變形從而形成超細(xì)晶組織，且單道次的應(yīng)變累積效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往的深度塑性變形方法，該工藝原理如圖1所示。作為一種新興的大塑性變形工藝，ECAPT繼承了ECAP和TE工藝的優(yōu)點(diǎn)，提高了單道次變形的應(yīng)變累積量，并改善其分布的均勻性[1?4]。該工藝對(duì)金屬粉末材料有良好的致密效果，國內(nèi)外已經(jīng)開展了鋁、鉬、鎢等金屬粉末的ECAPT固結(jié)試驗(yàn)研究[5?10]。SiCp/Al復(fù)合材料的性能具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，既兼具組分材料的優(yōu)點(diǎn)，又具有一些優(yōu)異的新性能。它具有密度小，比強(qiáng)度、比彈性模量高，熱穩(wěn)定性、耐磨損性好等優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格低廉，可滿足現(xiàn)代材料行業(yè)高速發(fā)展的需求，在航空航天、電子、汽車等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，受到各發(fā)達(dá)國家的廣泛關(guān)注。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已成功應(yīng)用在F-16戰(zhàn)斗機(jī)的腹鰭、機(jī)身尾翼等部位，有效提高了飛機(jī)高速飛行的穩(wěn)定性；中國“嫦娥2號(hào)”衛(wèi)星上的相機(jī)零件采用這種復(fù)合材料后，質(zhì)量降低了35%，熱傳導(dǎo)性提高了10倍[11?12]。材料經(jīng)ECAPT變形后的組織與性能主要取決于變形程度。本文針對(duì)SiCp/Al復(fù)合粉末開展不同變形程度下的ECAPT實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)討論變形后試樣的微觀組織、界面反應(yīng)及力學(xué)性能。以往文獻(xiàn)并未對(duì)ECAPT法固結(jié)的SiCp/Al復(fù)合材料界面處的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，本文則通過TEM及XRD等手段對(duì)ECATP法制得的復(fù)合材料界面處結(jié)構(gòu)進(jìn)行形貌表征，并對(duì)微晶尺寸、位錯(cuò)密度進(jìn)行估算。

1 實(shí)驗(yàn)

由于粉末材料在豎直通道內(nèi)很難被約束，本實(shí)驗(yàn)利用銅包套包覆SiCp/Al復(fù)合粉末并進(jìn)行初步壓實(shí)，確保粉末在變形過程中發(fā)生均勻的剪切變形，同時(shí)降低被污染的可能性，提高材料的純凈度。此外，為了避免SiC顆粒與Al發(fā)生有害的界面反應(yīng)，混粉前需對(duì)SiC進(jìn)行表面改性，即高溫氧化處理(具體步驟為:第一階段，250 ℃，保溫2 h，第二階段，750 ℃保溫2 h，最后空冷至室溫)。氧化改性的原理如圖2所示，SiC與O2充分接觸，在SiC顆粒表面會(huì)生成一層SiO2保護(hù)膜，改善其與Al基體的結(jié)合。利用2000 kN壓扭成形機(jī)在250 ℃下制備1，2，3和4道次的ECAPT變形試樣。利用MR2000型金相顯微鏡觀察試樣的微觀組織；分別采用X射線衍射儀(XRD)、透射電鏡(TEM)和ESCALAB250型X射線光電子能譜儀(XPS)分析復(fù)合材料的微晶尺寸、位錯(cuò)密度和界面微結(jié)構(gòu)；采用排水法測試變形試樣的相對(duì)密度；在MH?3L型顯微維氏硬度計(jì)上測定顯微硬度；利用CMT5105型萬能試驗(yàn)機(jī)開展壓縮實(shí)驗(yàn)。

圖1 ECAPT變形工藝原理圖

圖2 SiC的氧化改性原理示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 ECAPT變形對(duì)顯微組織的影響

圖3所示為250 ℃下，不同擠壓道次試樣的顯微組織。由圖可知，1道次變形后，材料基本致密，無明顯孔隙存在，但局部區(qū)域有明顯的SiC顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象(圖3(a)中)，不利于材料組織、性能的均勻化；2道次后SiC顆粒發(fā)生明顯的細(xì)化與重排，團(tuán)聚現(xiàn)象得到改善(圖3(b))；三道次后顆粒的尺寸基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此后能量會(huì)在SiC顆粒與基體的界面處累積，促進(jìn)界面的有效結(jié)合。

2.2 ECAPT變形對(duì)微晶尺寸與位錯(cuò)密度的影響

將得到的原始XRD數(shù)據(jù)導(dǎo)入MDI Jade軟件，經(jīng)過扣除背底、平滑、分離Kα2、校正儀器寬化及物相檢索后，得到如圖4所示的SiCp/Al復(fù)合粉末ECAPT變形前、1道次和4道次ECAPT變形后的XRD衍射圖譜。從圖中可以看出，經(jīng)1道次變形后，基體材料的晶粒取向發(fā)生明顯變化，(200)面的相對(duì)峰強(qiáng)明顯升高，4道次變形后晶粒取向又逐步趨近于PDF卡片中標(biāo)準(zhǔn)鋁粉的峰強(qiáng)分布，即4道次變形后材料內(nèi)部組織逐步恢復(fù)均勻。與此同時(shí)，變形后的試樣通過XRD并未檢測到脆性相Al4C3，這表明未發(fā)生有害的界面反應(yīng)，或者界面反應(yīng)較輕微以致產(chǎn)物不足以檢測出來。

利用Integral Breadth法[13]計(jì)算試樣內(nèi)部的微晶尺寸和位錯(cuò)密度，其表達(dá)式如公式(1)所示：

圖3 250℃不同道次試樣的顯微組織

式中：為X射線的波長，=0.154184 nm，為微觀應(yīng)變，為微晶尺寸，0為峰值處對(duì)應(yīng)的衍射角度。

位錯(cuò)密度()通過公式(2)可以獲得：

式中：2指衍射峰積分寬度；為伯格斯矢量，且面心立方結(jié)構(gòu)有；為晶格常數(shù)，通過MDI Jade軟件可以獲得，≈0.404 nm[14]。

表1 微晶尺寸和位錯(cuò)密度

圖4 不同SiCp/Al試樣的XRD圖譜

2.3 ECAPT變形對(duì)界面反應(yīng)的影響

圖6所示為壓縮斷口的SEM照片。從圖6可以看出，對(duì)于SiCp/Al復(fù)合材料，裂紋往往在界面處萌生并擴(kuò)展，因?yàn)榕c基體材料相比，界面可以提供能量要求較低的路徑，即當(dāng)裂紋在兩組成部分之間的區(qū)域擴(kuò)展時(shí)的臨界應(yīng)變能釋放率Gc低于裂紋在這兩部分之內(nèi)擴(kuò)展時(shí)的臨界應(yīng)變能釋放率，裂紋就會(huì)沿著界面擴(kuò)展[15]。因此，對(duì)于復(fù)合材料來說，界面是極其重要且關(guān)乎性能的組成部分，較高的界面強(qiáng)度能夠保證外加載荷可以由基體傳遞到增強(qiáng)顆粒而不產(chǎn)生裂紋。

圖5 不同試樣的衍射峰擬合直線

圖6 壓縮斷口的SEM照片(1p，250 ℃)

本研究采用的ECAPT制備法，可以使SiCp/Al復(fù)合粉末在遠(yuǎn)低于Al熔點(diǎn)的溫度實(shí)現(xiàn)固結(jié)，相比常規(guī)制備方法可在很大程度上避免高溫下基體Al和SiC顆粒易發(fā)生的有害界面反應(yīng)，詳見式(3)。此外，經(jīng)改性處理的SiC顆粒表面的SiO2層可避免SiC與Al的直接接觸，并通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)對(duì)界面起到有效的保護(hù)作用，如式(4)所示：

3SiC+4Al→Al4C3+3Si (3)

4Al+3SiO2→2Al2O3+3Si (4)

反應(yīng)(3)的生成物Al4C3屬脆性相，它以大塊狀或不連續(xù)的桿狀、棱狀存在于界面時(shí)，會(huì)顯著降低界面的強(qiáng)度、增加腐蝕敏感性，對(duì)整體性能極為不利[16]。反應(yīng)(4)能夠生成結(jié)合力較強(qiáng)的共價(jià)鍵，增強(qiáng)SiC與Al界面的結(jié)合強(qiáng)度，阻礙粗大脆性相Al4C3的生成。此外，大塑性變形的應(yīng)變能為基體及增強(qiáng)體元素的相互擴(kuò)散提供了能量，促進(jìn)元素的擴(kuò)散，從而大大改善SiCp/Al復(fù)合材料的界面狀態(tài)。

圖7所示為1道次變形試樣界面處的透射電鏡照片，其中區(qū)域Ⅰ為SiC顆粒，區(qū)域Ⅱ?yàn)锳l基體，二者之間的光亮帶即為界面，該亮帶的存在起到過渡銜接的作用，避免了SiC顆粒與基體之間出現(xiàn)屬于弱界面結(jié)合方式的普通機(jī)械咬合，該處未發(fā)現(xiàn)塊狀的Al4C3脆性相生成。

圖7 SiCp/Al復(fù)合材料界面的TEM照片(1p，250 ℃)

圖8所示為高溫氧化處理后SiC顆粒的XPS分析曲線。通過檢測Si 2p的電子結(jié)合能，尋得的兩譜峰100.6 eV和103.2 eV分別對(duì)應(yīng)SiC和SiO2，再次驗(yàn)證經(jīng)高溫氧化處理的SiC表面形成了SiO2包覆膜。從圖8(c)中4道次ECAPT變形后的復(fù)合材料界面處的X射線光電子能譜的分析圖譜可知，檢測到Al 2p的電子結(jié)合能為74.2 eV的譜峰，該峰對(duì)應(yīng)于Al2O3中的Al 2p峰，這表明界面處的SiO2與基體Al發(fā)生了保護(hù)反應(yīng)。值得注意的是，并未檢測出對(duì)材料性能不利的Al4C3中的Al 2p峰(73.6 eV)，與XRD和TEM的分析結(jié)果相吻合?；赬PS半定量分析理論，利用圖8中(b)和(c)的譜峰2和1的面積比考量ECAPT變形對(duì)界面保護(hù)反應(yīng)的反應(yīng)程度的影響。1道次與4道次變形后的的雙峰面積比依次為0.55:1和0.82:1，即隨變形道次增加，Al2O3含量增多，界面的保護(hù)反應(yīng)程度增大。

圖8 XPS圖譜

2.4 ECAPT變形對(duì)相對(duì)密度、顯微硬度和壓縮性能的影響

復(fù)合材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)決定材料的宏觀性能，除前文提到的顯微組織、微晶尺寸、位錯(cuò)密度及界面反應(yīng)程度，粉體材料內(nèi)部含有孔隙的多少(后文用相對(duì)密度做表征)也與性能有密切聯(lián)系。圖9所示為變形道次與相對(duì)密度和顯微硬度的關(guān)系。由圖9可以發(fā)現(xiàn)，隨變形道次增加，試樣的相對(duì)密度和顯微硬度均呈現(xiàn)明顯的升高趨勢。變形溫度相同時(shí)，變形道次增加，位錯(cuò)密度逐漸升高，材料的加工硬化效果越來越明顯，材料的硬度明顯升高，4道次后達(dá)到53 HV，相比1道次的硬度提高約10%。與此同時(shí)SiC顆粒逐步破碎、細(xì)化，使得團(tuán)聚現(xiàn)象得到改善，孔隙得到有效閉合，相對(duì)密度提高。在相同的變形溫度下，試樣的相對(duì)密度與顯微硬度密切相關(guān)，即材料越致密，顯微硬度越高。此外，致密效果的提升，位錯(cuò)密度的增大，以及界面結(jié)合強(qiáng)度的改善也使得材料的壓縮性能得到提高。圖10所示為變形道次與材料壓縮性能的關(guān)系，可見4道次變形后材料的屈服強(qiáng)度相比1道次提高了16%。

圖9 變形道次與相對(duì)密度和顯微硬度的關(guān)系

3 結(jié)論

1) 隨ECAPT變形道次增加，SiC顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象得到改善，微晶尺寸逐漸減小，位錯(cuò)密度降低。

圖10 變形道次與SiCp/Al壓縮性能的關(guān)系

2) 界面處SiO2與基體Al發(fā)生保護(hù)反應(yīng)生成Al2O3，且反應(yīng)程度隨變形道次增加而加劇。此外，并未發(fā)生有害的界面反應(yīng)，無Al4C3脆性相生成。

3) 試樣的致密效果和顯微硬度均隨道次增加呈明顯的升高趨勢；在致密效果提升，位錯(cuò)密度增大，以及界面結(jié)合狀況改善的綜合作用下，材料的壓縮性能得到顯著提高，4道次變形后材料的屈服強(qiáng)度比1道次提高16%。

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(編輯 高海燕)

Effect of equal channel angular pressing and torsion on microstructure and mechanical properties of SiCp/Al composite

LIU Hongli, LI Ping, XUE Kemin, QIAN Chenhao

(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei230009, China)

The severe plastic deformation can make a great difference to the microstructure and mechanical properties of materials. In this paper, based on the SiCp/Al composite powder, different ECAPT deformation processes in various severities were carried out. The microstructure evolution, mechanical properties and interfacial reaction of different samples were analyzed by OM, XRD, TEM and XPS, as well as draining method and mechanical property test. The results show that the agglomeration of particles and the dislocation density of the samples improve evidently and the crystallite sizes decrease with increasing the passes number. Protective reaction of SiO2and Al occurs at the interface, and the degree raises with the passes number. There is no harmful chemical reaction and no brittle phase of Al4C3appearing at the interface. The microhardness and yield strength of the material improve 10% and 16% respectively after 4 passes deformation, compared with 1 pass deformation material.

SiCp/Al composite material; equal channel angular pressing and torsion (ECAPT); microstructure; interfacial reaction; mechanical properties; severe plastic deformation

TB331; TG376

A

1673?0224(2016)06?817?07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175138)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-13-0765)

2015?12?07；

2016?03?12

薛克敏，教授，博士。電話：0551-62901368；E-mail: xuekm0721@sina.com