半固態(tài)粉末軋制法制備SiCp/AA2024復合帶材的顯微組織與力學性能

王騰，劉允中，莫灼強，安瑤瑤

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半固態(tài)粉末軋制法制備SiCp/AA2024復合帶材的顯微組織與力學性能

王騰，劉允中，莫灼強，安瑤瑤

(華南理工大學國家金屬材料近凈成形工程技術研究中心，廣州 510640)

以組合霧化法制備的2024鋁合金粉末和SiC顆粒為原材料，采用半固態(tài)粉末軋制法，在575～635 ℃溫度下制備10% SiCp/AA2024復合帶材，研究粉末加熱溫度對帶材顯微組織與力學性能的影響，并與相同條件下制備的AA2024鋁合金帶材進行對比。結果表明：升高粉末加熱溫度可促進AA2024粉末變形或破碎，所得10% SiCp/AA2024復合帶材具有半固態(tài)特征的球狀或近球狀顯微組織。與AA2024合金帶材相比，SiCp/AA2024復合帶材的基體晶粒更加細小。SiC顆粒與液相Al沒有發(fā)生顯著的界面反應，未生成對體系有害的Al4C3物質。SiCp/AA2024復合帶材和AA2024合金帶材的屈服強度、抗拉強度及伸長率都隨粉末加熱溫度適當升高而提高，SiCp/AA2024帶材的屈服強度和抗拉強度分別在366～412 MPa和425～514 MPa之間，均明顯高于AA2024合金帶材，伸長率為3.1%~4.9%，斷裂方式主要為脆性斷裂。AA2024帶材的屈服強度在265~348 MPa范圍內，抗拉強度為362~423 MPa，拉伸斷裂方式隨加熱溫度升高由脆性斷裂向韌性斷裂轉變。

半固態(tài)粉末軋制；SiCp/AA2024復合帶材；粉末加熱溫度；顯微組織；力學性能

顆粒增強鋁基復合材料具有良好的高溫力學性能、較好的抗腐蝕性能、較低的熱膨脹系數(shù)及良好的耐磨性和耐疲勞性，廣泛應用于航空航天、軍事工業(yè)、汽車工業(yè)、電子信息和高速機械等領域[1?2]。目前對顆粒增強鋁基復合材料有較多的研究，主要集中在棒狀或塊狀復合材料，對板狀鋁基復合材料的研究仍然較少。鋁基復合材料板材的制備方法主要有鑄錠冶金(鑄造加軋制)法[3]、粉末軋制法[4]、半固態(tài)軋制法[5?6]以及噴射軋制法[7]，其中最常用的是鑄錠冶金(鑄造加軋制)法及粉末軋制法。鑄錠冶金法通常分為兩步，即先鑄造制備塊狀復合材料，然后進行軋制以獲得板帶材，其工藝流程長，并且由于增強顆粒的密度一般小于基體合金，在鑄造時容易出現(xiàn)增強顆粒上浮或團聚等缺陷。粉末軋制法需要添加粘結劑，且軋制成形后需要燒結以提高其致密性，燒結過程中粘結劑的揮發(fā)導致材料的致密性降低[8?9]。噴射軋制法需要大型昂貴的設備，且工藝復雜，成本高。半固態(tài)軋制法可獲得具有良好力學性能的板帶材，但半固態(tài)漿料制備及輸送困難的問題有待解決。劉允中等[10]結合半固態(tài)軋制與粉末軋制的優(yōu)點，提出半固態(tài)粉末軋制法，將粉末在惰性氣體保護下加熱至鋁合金粉末的半固態(tài)溫度區(qū)間，然后將半固態(tài)粉體進行軋制成形，在一步工序內直接軋制出鋁合金板帶材，羅霞[11?14]采用該技術制備出性能良好的7050鋁合金板材。顧才鑫[15]對2024鋁合金粉末在585 ℃保溫40 min后軋制，獲得形貌規(guī)整、無表觀缺陷且晶粒細小均勻的等軸晶帶材，帶材相對密度達到93.28%。莫灼強[16]在此基礎上制備出碳化硼顆粒增強鋁基復合板材。由于SiC比B4C更便宜，且在鋁基復合材料中應用廣泛，因此，本文作者以2024鋁合金粉末和SiC顆粒作為基體粉末和增強顆粒，采用半固態(tài)粉末軋制法制備SiCp/AA2024復合帶材，研究加熱溫度對帶材力學性能與顯微組織的影響，對提高2024鋁合金復合板材的性能具有重要意義。

1 實驗

1.1原料

所用原料為組合霧化法制備的AA2024鋁合金粉末與SiC顆粒。圖1所示為AA2024合金粉末與SiC顆粒的SEM形貌。由圖可見AA2024合金粉末粒徑 小于75 um，形貌為球狀，SiC顆粒為不規(guī)則形狀，粒徑小于25 um。圖2所示為AA2024鋁合金粉末的DSC曲線，可圖可知AA2024合金粉末的半固態(tài)溫度區(qū)間為519.4~651.5 ℃。

圖1 AA2024合金粉末與SiC顆粒的SEM形貌

圖2 AA2024鋁合金粉末的DSC曲線

1.2帶材的制備

采用自制的帶加熱系統(tǒng)的粉末軋制機制備10% SiCp/AA2024復合帶材和2024鋁合金帶材。首先按照1:9的體積比稱量SiC顆粒與AA2024鋁合金粉末，在V型混粉機中混合均勻，得到SiC顆粒體積分數(shù)為10%的10% SiCp/AA2024混合粉末。根據(jù)圖2中AA2024粉末的半固態(tài)溫度區(qū)間為519.4~651.5 ℃，將SiC/AA2024混合粉末分別加熱至575，590，605，620和635 ℃，保溫50 min，獲得半固態(tài)粉末。將半固態(tài)粉末送進預熱到300 ℃的軋輥中，在惰性氣氛(氬氣)下軋制成致密帶材，帶材的厚度約為3 mm，寬度約為100 mm。圖3所示為半固態(tài)粉末軋制示意圖，軋制力為20 kN，軋輥直徑為150 mm，寬100 mm，輥縫為1.0 mm，軋輥轉速為0.4 rad/s。以AA2024合金粉末為原料，采用相同的工藝與粉末加熱溫度制備AA2024合金帶材。采用單道次熱軋對AA2024合金帶材和SiCp/AA2024復合帶材進行致密化處理，帶材加熱溫度為495 ℃，加熱時間為30 min，壓下量為20%，軋制速度為0.34 m/s。

圖3 半固態(tài)粉末軋制示意圖

1.3性能測試

利用X射線衍射儀(D8 ADVANCE)分析帶材的物相組成。用金相顯微鏡(LEICA DMI 5000M)觀察AA2024鋁合金帶材與SiCp/AA2024復合帶材的金相組織，通過掃描電鏡(NOVA NANOSEM 430和Quanta 200)對帶材的顯微組織、微區(qū)成分以及試樣拉伸斷口形貌進行觀察與分析。用MT5105微機控制電子萬能試驗機測試帶材的抗拉強度，加載速度為0.5 mm/min，每組取3個試樣進行測試，取其平均值。拉伸試驗參照國標GB/T 228.1—2010進行，試樣寬度為12.5 mm，厚度為2.0 mm，原始標距為60 mm。

2 結果與討論

2.1 顯微組織與形貌

圖4所示為不同溫度下軋制的SiCp/AA2024復合帶材金相組織，從圖4(a)和(b)觀察到基體粉末的原始顆粒邊界，孔隙數(shù)量較多、尺寸較大。原因是在粉末的半固態(tài)溫度范圍內，溫度較低時，粉末內的液相(基體面上的黑點)量較少，且分散于粉末內部，粉末仍然保持其固相特征，即具有較強的變形抗力，難以使顆粒發(fā)生變形，因此觀察到原始形貌的基體粉末顆粒；由于液相較少，軋制過程中液相難以被擠出來，不能在粉末顆粒間流動與填充，因此孔隙數(shù)量較多、尺寸較大。從圖4(c)，(d)，(f)可見，隨軋制溫度升高，由于粉末中液相增多，在軋制力的作用下被擠出，在Al-Al以及Al-SiC之間流動與填充，因而帶材中的孔隙數(shù)量與尺寸都減小，獲得較致密的顯微組織。另外，基體粉末破碎后裸露出新的金屬表面，在液相的潤濕作用下，凝固過程中新金屬表面與新金屬表面之間以及新金屬表面與SiC顆粒表面之間實現(xiàn)焊合，升高加熱溫度可提高Al-Al以及Al-SiC之間的冶金結合。從圖4還看出，SiC顆粒較均勻地分布于基體合金中，沒有出現(xiàn)明顯的SiC顆粒團聚現(xiàn)象。從圖4(f)可見大部分SiC顆粒沿鋁合金晶界分布，只有很少的SiC顆粒分布于晶粒的內部。在SiCp/AA2024復合材料凝固過程中，大部分SiC顆粒在軋制力作用下隨液相流動推移至晶界，只有極少數(shù)SiC顆粒在鋁合金液相中起到形核質點的作用。

圖5所示為在不同溫度下軋制的AA2024鋁合金帶材的金相組織。從圖5可知，2024合金帶材的相對密度以及Al-Al之間的冶金結合隨粉末加熱溫度的升高而增強，帶材的顯微組織具有半固態(tài)組織的特征，即AA2024合金帶材的顯微組織為球狀或近球狀晶粒，與顧才鑫等[18]的研究結果相符。隨粉末加熱溫度升高，帶材中的孔隙減少，帶材組織更致密，其變化趨勢和主要原因與SiCp/AA2024復合帶材基本一致。然而，對比圖4和圖5，在粉末加熱溫度為575 ℃條件下，AA2024帶材中存在較多保持原始形貌的AA2024合金粉末顆粒，而復合帶材中只有較少保持原形貌的AA2024粉末顆粒，主要原因是：在軋制過程中不規(guī)則形狀的SiC顆粒對鋁合金粉末表面有輾壓作用，促使半固態(tài)AA2024粉末破碎，因此SiCp/AA2024復合帶材中只有較少保持原形貌的AA2024粉末顆粒。另外，由于軋制過程中SiC顆粒促使半固態(tài)AA2024粉末破碎，使得鋁合金粉末粒度變細，而根據(jù)羅霞的研究結果[17]，鋁合金粉末粒度越細，其半固態(tài)粉末軋制帶材的晶粒越細小，因此在相同軋制條件下SiCp/AA2024復合帶材的基體晶粒尺寸比AA2024合金帶材的晶粒尺寸更細小。

圖4 不同溫度下軋制的SiCp/AA2024復合帶材金相組織

圖5 不同溫度下軋制的AA2024合金帶材金相組織

圖6所示為半固態(tài)粉末軋制AA2024合金帶材與SiCp/AA2024復合帶材的SEM形貌?？梢钥闯觯诜勰┘訜釡囟葹?75 ℃條件下，這2種帶材中均可觀察到粉末的原始顆粒邊界及孔隙，SiCp/AA2024復合帶材的孔隙主要分布在SiC顆粒周圍。在粉末加熱溫度為635 ℃條件下，帶材中粉末的原始顆粒邊界及孔隙幾乎完全消失，液相主要分布在晶界處；基體粉末與SiC顆粒間幾乎不存在孔隙，二者形成良好的冶金結合。

圖6 半固態(tài)粉末軋制法制備AA2024及SiCp/AA2024復合帶材的SEM形貌

通過對比AA2024合金與SiCp/AA2024帶材的金相組織(圖4和5所示)與SEM形貌(圖6所示)可知，在半固態(tài)粉末軋制過程中，適當提高粉末加熱溫度有利于獲得更細小的基體晶粒，從而提高帶材的相對密度和冶金結合。在粉末加熱溫度為635 ℃條件下制備的AA2024合金帶材和SiCp/AA2024復合帶材具有最佳顯微組織。莫灼強等[19]在采用半固態(tài)粉末軋制法制備B4C/AA2024復合帶材時，在粉末加熱溫度為640 ℃條件下，由于液相數(shù)量過多，軋制過程中液相向帶材兩邊偏聚，從而導致帶材基體的部分顯微組織出現(xiàn)粗化，且在凝固時有可能產(chǎn)生收縮裂紋。

2.2界面特征

圖7所示為粉末加熱溫度為635 ℃條件下制備的SiCp/AA2024復合帶材的界面形貌，圖8所示為復合帶材的XRD譜。SiC顆粒與AA2024的界面處觀察不到顯著的微縫隙(如圖7(a)所示)，說明SiC顆粒與基體合金顆粒間形成了良好的冶金結合，并且界面干凈平直，無界面反應層，沒有形成復雜的第二相析出(如圖7(b)所示)，說明在軋制過程中SiC與液相沒有發(fā)生劇烈的反應。從圖7(c)觀察到Al基體面有針狀析出相，由圖8判斷該針狀析出相為θ相(CuAl2)。

圖7 在635 ℃加熱條件下制備的SiCp/AA2024復合帶材的TEM形貌

在SiCp/Al基復合材料中，通常在溫度高于660 ℃情況下，SiC顆粒容易與基體合金發(fā)生界面反應，生成Al4C3，其反應式為：4Al(l)+3SiC(s)→Al4C3(s)+3Si(s)。研究表明，Al4C3對材料的力學性能有較大的影響。溫度越高，越容易生成Al4C3，在采用攪拌鑄造法制備SiCp/Al復合材料時，在界面可觀察到連續(xù)的Al4C3相，主要是因為攪拌鑄造法的鋁液溫度通常高達700 ℃，而在700 ℃溫度下，SiC與鋁液的反應相當激烈，從而生成大量的Al4C3相。半固態(tài)粉末軋制法的粉末加熱溫度一般低于650 ℃，因此SiCp/AA2024復合帶材的界面中觀察不到Al4C3，圖8中沒有Al4C3相的衍射峰。

圖8 不同溫度下軋制的SiCp/AA2024復合帶材的XRD譜

2.3 力學性能

表1所列為不同溫度下半固態(tài)粉末軋制AA2024合金帶材和SiCp/AA2024復合帶材經(jīng)過單道次熱軋后的力學性能。從表1看出，2種帶材的抗拉強度和伸長率均隨粉末軋制溫度升高而顯著提高，主要原因是半固態(tài)粉末軋制溫度對熱軋后帶材顯微組織的影響比較復雜，但是總的趨勢是升高粉末軋制溫度可顯著降低帶材中孔隙的數(shù)量和尺寸，提高帶材的致密度，并促進SiC與基體合金的冶金結合，顯著改善帶材的顯微組織，從而提高最終帶材的力學性能。而對帶材進行單道次20%壓下率的熱軋主要只是起進一步致密化的作用。SiCp/AA2024復合帶材的屈服強度、抗拉強度比AA2024合金帶材有顯著提高，但塑性下降明顯，原因是SiCp/AA2024復合帶材經(jīng)過進一步熱軋致密化后，SiC顆粒與基體之間的冶金結合進一步加強，SiC顆粒成為承受外力的載體，拉伸過程中通過基體將拉應力轉移到SiC顆粒上，因此SiCp/AA2024復合帶材具有更高的抗拉強度。然而，SiC顆粒的存在使基體組織不連續(xù)，導致其韌性降低，因而復合帶材具有較低的伸長率。

表1 不同溫度下軋制的AA2024帶材和SiCp/AA2024復合帶材熱軋后的力學性能

圖9所示為SiCp/AA2024復合帶材和AA2024合金帶材的拉伸斷口形貌。在粉末加熱溫度為575 ℃條件下制備的SiCp/AA2024復合帶材斷口面上僅觀察到撕裂面，不存在韌窩與撕裂棱(如圖9(a)所示)，表明復合帶材的斷裂為脆性斷裂。在635 ℃下制備的復合帶材斷口表面觀察到少量的韌窩和較多的撕裂面(如圖9(c)所示)，表明復合帶材的斷裂仍然以脆性斷裂為主。對于AA2024合金，在粉末加熱溫度為575 ℃條件下制得的帶材，其斷口表面觀察到大量的撕裂棱，韌窩較少(如圖9(d)所示)，表明其斷裂方式主要以脆性斷裂為主；隨粉末加熱溫度升高到605 ℃，帶材的斷口表面有大量剪切面和韌窩(如圖9(e)所示)，表明其斷裂方式為混合斷裂；當粉末加熱溫度升高到635 ℃時，帶材斷口表面觀察到大量的韌窩及少量的剪切面(如圖9(f)所示)，表明其斷裂方式為韌性斷裂。這說明隨粉末加熱溫度升高，AA2024帶材的斷裂方式由脆性斷裂向韌性斷裂轉變。

圖9 不同溫度下軋制的AA2024和SiCp/AA2024復合帶材的拉伸斷口形貌

3 結論

1)半固態(tài)粉末軋制法可制備性能良好的SiCp/ AA2024復合帶材。隨粉末加熱溫度升高，帶材更致密，SiC與基體合金形成良好的冶金結合，獲得細小的球狀或近球狀顯微組織。與AA2024合金帶材相比，SiCp/AA2024復合帶材的基體晶粒更細小。

2) SiC顆粒與基體不發(fā)生顯著的界面反應，沒有生成對體系危害較大的Al4C3相。

3) 粉末在575~635 ℃范圍內加熱，SiCp/AA2024復合帶材和AA2024帶材的屈服強度、抗拉強度及伸長率都隨加熱溫度升高而顯著提高。SiCp/AA2024復合帶材的屈服強度介于366~412 MPa之間，抗拉強度為425~514 MPa，伸長率為3.1~4.9%，斷裂方式以脆性斷裂為主；與AA2024合金帶材相比，SiCp/AA2024復合帶材具有更高的屈服強度和抗拉強度，但韌性 略低。

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(編輯 湯金芝)

Microstructures and mechanical properties of SiCp/AA2024 composite strips prepared by semi-solid powder rolling process

WANG Teng, LIU Yunzhong, MO Zhuoqiang, AN Yaoyao

(National Engineering Research Center of Near-Net-Shape Forming for Metallic Materials, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

10% SiCp/AA2024 composite strips and 2024 aluminum alloy strips were prepared by semi-solid powder rolling process at the temperature from 575 ℃ to 635 ℃, using hybrid atomized 2024 aluminum alloy powders and SiC particles as raw materials. Compared with the AA2024 strips, the effect of holding temperature on the microstructure of strips was studied. The results show that the increase of the holding temperature could promote the deformation and broken of AA2024 powders, and the prepared 10% SiCp/AA2024 composite strips have spherical or nearly spherical semi-solid microstructures. Compared with the AA2024 strip, the microstructure of SiCp/AA2024 composite strips is finer under the same condition. SiC particles and liquid phase do not have any significant interface reaction nor generate Al4C3phase which is harmful. The yield strength and tensile strength of SiCp/AA2024 composite strips and 2024 aluminum alloy strips increase respectively with powders holding temperature increasing. The yield strength of SiCp/AA2024 composite strips is in the range of 366?412 MPa and its tensile strength is in the range of 425?514 MPa. Its elongation rate is in the range of 3.1?4.9% and the main fracture mechanism of SiCp/AA2024 composite strips is brittle fracture. The yield strength of AA2024 composite strips is in the range of 265?348 MPa and its tensile strength is in the range of 362?423 MPa. And its tensile fracture mechanism changes from brittle fracture to ductile fracture with the increasing of holding temperature.

semi-solid powder rolling process; SiCp/AA2024 composite strips; powders holding temperature; microstructures; mechanical properties

TF123.112

A

1673-0224(2017)02-292-09

廣東省科技計劃資助項目(2014B010129002, 2016B090913001, 2016A020220005)

2016?11?21；

2016?12?31

劉允中，教授，博士。電話：020-87110081；E-mail: yzhliu@scut.edu.cn