2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料耐熱性能研究

嚴(yán)紅革 胡程進(jìn) 陳吉華 蘇斌

摘要：研究了采用真空熱壓法制備的2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料高溫拉伸性能及長時(shí)間熱暴露后的室溫力學(xué)性能，同時(shí)對拉伸斷口進(jìn)行分析，探討了SiC顆粒和石墨對材料耐熱性能的影響.結(jié)果表明：2024基體合金和2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料在200 ℃及以下熱暴露時(shí)，復(fù)合材料的強(qiáng)度下降幅度較小，但基體合金的強(qiáng)度下降幅度明顯比復(fù)合材料的大，這與增強(qiáng)相SiC顆粒與石墨提高了材料的耐熱性能有關(guān).在300 ℃熱暴露條件下，2024基體合金和2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料的力學(xué)性能快速下降.2024Al及其復(fù)合材料的高溫拉伸性能隨拉伸溫度升高而下降，在200 ℃及以下溫度抗拉強(qiáng)度較好，250 ℃及以上溫度抗拉強(qiáng)度快速下降.高溫拉伸和熱暴露處理后的2024鋁合金基體的斷裂機(jī)制為韌性斷裂，2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料的斷裂機(jī)制為基體韌性斷裂及石墨斷裂、SiC顆粒與界面分離的混合斷裂機(jī)制.

關(guān)鍵詞：2024Al/Gr/SiC復(fù)合材料；熱暴露；耐熱性能；斷裂機(jī)制

中圖分類號：TG146.21文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

顆粒強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、彈性模量高和熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，已在航空航天、交通領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用[1].隨著近年來航空航天工業(yè)的迅猛發(fā)展對材料提出了更高的要求，為了進(jìn)一步提高飛行器的性能，開發(fā)混合顆粒強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料越來越受到人們的關(guān)注[2-4].混合顆粒強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料結(jié)合了不同增強(qiáng)相顆粒所帶來的優(yōu)勢，使其具有多種獨(dú)特的性能，例如SiC顆粒與石墨混合強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料不僅具有高彈性模量，還具有良好的耐磨性能和阻尼性能[5-8].2024Al合金屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，耐熱性也比較優(yōu)異[9].通過在合金中復(fù)合添加SiC顆粒和片狀石墨，可以進(jìn)一步提高其模量和阻尼性能，這種混雜增強(qiáng)的 2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料在航天飛行器支撐結(jié)構(gòu)件上有重要的應(yīng)用價(jià)值.然而，目前關(guān)于 2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料耐熱性能的報(bào)道很少.本文研究 2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料的高溫拉伸性能及長時(shí)間熱暴露后的室溫力學(xué)性能，同時(shí)對拉伸斷口進(jìn)行分析，探討SiC顆粒和石墨對材料的耐熱性能的影響.

1實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用的惰性氣體霧化2024Al合金粉末、鱗片狀石墨和SiC顆粒的形貌如圖1所示.2024Al合金粉末的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為3.53%Cu，1.28%Mg，0.2%Fe，余量為Al.石墨和SiC顆粒的加入量分別為3%和10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

采用真空熱壓粉末錠坯擠壓成形法制備了2024Al，2024Al/3Gr，2024Al/3Gr/10SiCp3種復(fù)合材料板.采用的擠壓溫度為470 ℃，擠壓比為22∶1，板材的截面尺寸為40 mm×10 mm.

將擠壓板材進(jìn)行峰值時(shí)效處理后，分別在150 ℃，200 ℃，250 ℃和300 ℃熱暴露不同時(shí)間，測量其硬度變化規(guī)律及室溫拉伸性能.采用HBRVU187.5型布洛維光學(xué)硬度計(jì)進(jìn)行布氏硬度測試，加載載荷為612.9 N，保荷時(shí)間為30 s，每個(gè)試樣測試5個(gè)點(diǎn)，舍去最大值和最小值后取平均值作為測量值.在Instron3369電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能測試，拉伸速度為0.5 mm/min，每種試樣測量3個(gè)并取平均值作為測量值，拉伸試樣斷口形貌在Hitachi S4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）上進(jìn)行觀察.金相組織觀察在Carl ZeissAxio Lab A1型光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1微觀組織

圖2為 2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料分別在150 ℃，200 ℃和300 ℃熱暴露48 h后的金相組織.從圖中可以看出，2024Al合金及復(fù)合材料在不同溫度熱暴露48 h后，在材料的金相組織中沒有觀察到明顯的變化.2024Al合金粉末顆粒沿?cái)D壓方向被拉長，SiC顆粒及石墨均勻分布在基體中，且與基體具有良好的界面結(jié)合.比較圖2（a）， （d）， （g）和圖2（b）， （e）， （h）可以發(fā)現(xiàn)，隨著熱暴露溫度的升高，基體合金的晶粒尺寸逐漸增大，這是因?yàn)楦邷叵?，基體合金中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速度加快，導(dǎo)致晶粒和第二相尺寸的增加.圖2（c）， （f）， （i）為2024Al/3Gr/10SiC復(fù)合材料的金相組織，因SiC顆粒的加入且為擠壓變形組織，在進(jìn)行金相組織時(shí)無法腐蝕顯現(xiàn)出明顯的晶粒，但根據(jù)上述結(jié)果可以推斷其晶粒尺寸變化趨勢與基體合金大致相同.此外，復(fù)合材料增強(qiáng)相，尤其是硬質(zhì)SiC顆粒的加入，會阻礙熱暴露時(shí)晶粒的長大.

2.2硬度曲線

圖3為2024Al合金及其復(fù)合材料分別在150 ℃，200 ℃，250 ℃和300 ℃熱暴露96 h過程中的硬度值隨時(shí)間延長的變化曲線.從圖中可以看出，材料熱暴露后的硬度均有所下降，且隨著熱暴露溫度升高，材料硬度下降的幅度增大；在200 ℃時(shí)硬度下降的幅度最小，在300 ℃時(shí)硬度下降的幅度最大.這是因?yàn)闊岜┞稖囟仍礁撸苜|(zhì)原子擴(kuò)散速度越快，第二相長大或粗化速度也越快，同時(shí)晶粒長大的趨勢也越明顯.在相同溫度下，開始階段材料的硬度下降比較明顯，隨著保溫時(shí)間的延長，最后的硬度變化曲線處于平穩(wěn)狀態(tài)，幾乎不發(fā)生改變.比較2024Al/3Gr/10SiC復(fù)合材料與2024Al/3Gr復(fù)合材料的硬度曲線可見，加了SiC顆粒的復(fù)合材料硬度值下降幅度比未加SiC的材料的小.比較2024Al/3Gr復(fù)合材料與基體合金的硬度變化曲線發(fā)現(xiàn)，隨著熱暴露溫度升高，2024Al/3Gr復(fù)合材料硬度下降幅度比2024Al合金基體在相同溫度下硬度的下降幅度小.這是因?yàn)槠瑺钍蚐iC顆粒與基體合金之間的熱膨脹系數(shù)存在差異，淬火時(shí)會在基體合金中引入大量位錯(cuò)，對材料具有強(qiáng)化作用.

從整體來看，在200 ℃及以下熱暴露時(shí)，2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料的硬度性能曲線比較平穩(wěn).含SiC顆粒的復(fù)合材料耐熱性能最好，含石墨的復(fù)合材料耐熱性能次之，基體合金的耐熱性能最差.在300 ℃熱暴露時(shí)， 2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料的硬度性能曲線下降趨勢明顯加快.高溫下，基體合金中位錯(cuò)攀移、晶粒長大及第二相粗化導(dǎo)致材料的硬度下降的作用比復(fù)合增強(qiáng)相的強(qiáng)化作用更明顯，所以溫度越高，硬度越低.通常AlCuMg系合金的正常服役溫度一般在150 ℃以下，超過該溫度后，材料的力學(xué)性能會下降[9].而本文研究制備的 2024Al/Gr/SiCp復(fù)合材料具有較好的耐熱性能，主要是因?yàn)榧尤氲腟iC顆粒和石墨顆粒能夠阻礙熱暴露過程中的晶粒長大及阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動.