納米SiCp/108Al復(fù)合材料的組織與性能

李劍云，謝敬佩，b，王愛琴，b，朱鵬飛

納米SiCp/108Al復(fù)合材料的組織與性能

李劍云a，謝敬佩a，b，王愛琴a，b，朱鵬飛a

(河南科技大學(xué)a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南洛陽(yáng)471023)

采用粉末冶金法制備了不同體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒增強(qiáng)的納米SiCp/108Al復(fù)合材料。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡對(duì)復(fù)合材料的微觀組織及拉伸斷口形貌進(jìn)行了表征，測(cè)定了復(fù)合材料的相對(duì)密度、硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率，分析了納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料組織及性能的影響。分析結(jié)果表明:添加納米SiC顆粒的SiCp/108Al復(fù)合材料組織明顯細(xì)化，性能得到提高。當(dāng)納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，復(fù)合材料組織的晶粒最細(xì)小，缺陷較少，同時(shí)納米SiC顆粒分布均勻，復(fù)合材料的性能最佳，相對(duì)密度達(dá)到98%。復(fù)合材料的硬度達(dá)到102HV，抗拉強(qiáng)度達(dá)到348 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到229 MPa，分別比108Al基體提高了34%、26%和43%。當(dāng)納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，SiC顆粒會(huì)出現(xiàn)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致復(fù)合材料的性能降低。

粉末冶金;納米SiC顆粒;鋁基復(fù)合材料;組織;性能

0 引言

碳化硅(SiC)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，由于具有高比強(qiáng)度、高比剛度、低密度、耐高溫和良好的耐磨性等性能［1－3］，在航空航天、國(guó)防工業(yè)、汽車、能源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。SiC顆粒的尺寸對(duì)鋁基復(fù)合材料的性能有很大影響，理論上，SiC顆粒的尺寸越細(xì)小，對(duì)材料性能的增強(qiáng)效果越明顯，這是因?yàn)榧?xì)小的顆粒不僅自身很少存在結(jié)構(gòu)缺陷，同時(shí)其周圍還具有更高的熱錯(cuò)配位錯(cuò)密度［4－5］。文獻(xiàn)［6］采用粉末冶金法，制備了SiC體積分?jǐn)?shù)為5%的納米SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到215 MPa，比純鋁提高了110%。文獻(xiàn)［7］采用高能球磨和熱擠壓相結(jié)合的方法制備了Al/納米SiC顆粒復(fù)合材料，在納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，其極限抗拉強(qiáng)度為(205±18)MPa，延伸率為(17±3)%。但是納米SiC顆粒由于顆粒細(xì)小、比表面積大、比表面能大，極易團(tuán)聚導(dǎo)致顆粒粒徑增大，從而影響增強(qiáng)效果。同時(shí)，納米SiC顆粒與Al基體的潤(rùn)濕性差，熱膨脹系數(shù)差別較大，容易發(fā)生界面反應(yīng)產(chǎn)生硬脆相，導(dǎo)致納米顆粒在基體中難以均勻分布，產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象［8］。文獻(xiàn)［9］發(fā)現(xiàn)納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5%時(shí)，無(wú)法制備出合格的拉伸樣品。文獻(xiàn)［10］研究了納米SiC體積分?jǐn)?shù)分別為1%、3%、5%的增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的拉伸性能，發(fā)現(xiàn)SiC體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象十分明顯，復(fù)合材料的延伸率大大降低。

目前，對(duì)于納米SiC增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究［11］較少，本文采用粉末冶金法制備了納米SiCp/ 108Al復(fù)合材料，就納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合材料的微觀組織、相對(duì)密度、硬度、拉伸性能和斷口形貌的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的基體為惰性氣體霧化制粉得到的108Al粉，平均粒度為7 μm，基體化學(xué)成分見表1，其掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)形貌見圖1a。增強(qiáng)體為采用化學(xué)氣相沉積法制備的納米SiC顆粒，平均粒度為80 nm，其透射電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)形貌見圖1b。

表1108 Al粉基體化學(xué)成分%

圖1 復(fù)合材料原始粉末形貌

1.2 制樣過程

混料:分別稱取體積分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%的納米SiC顆粒，與108Al粉混合，先裝入球磨罐中干混12 h，球料質(zhì)量比為8∶1。隨后，加入一定量的液體分散劑，在行星球磨機(jī)上濕混20 h，將混合均勻的粉末于真空干燥箱中干燥。單向壓制:采用500 MPa壓力的油壓機(jī)，將混合后的復(fù)合粉末壓制成Φ 75 mm×60 mm的冷壓坯。燒結(jié):將壓制好的坯料放入充有氮?dú)獗Ｗo(hù)的管式爐中燒結(jié)，燒結(jié)溫度為560℃，保溫4 h后隨爐冷卻。熱擠壓:將燒結(jié)好的坯料加熱至480℃進(jìn)行熱擠壓，擠壓比為15∶1，擠壓速率為1 mm/s，獲得Φ 19 mm的復(fù)合材料棒材。熱處理:對(duì)復(fù)合材料依次進(jìn)行300℃保溫2 h隨爐冷卻的退火處理，520℃保溫4 h水淬的固溶處理，180℃保溫6 h空冷的時(shí)效處理。

為了對(duì)比，采用相同工藝過程將單一108Al粉制成棒材。

1.3 性能測(cè)試與微觀組織觀察

將復(fù)合材料棒材車削加工成拉伸試樣，軸向平行于擠壓方向，拉伸試棒形狀及尺寸如圖2所示。在SHIMADZU(日本島津)AG-I 250 kN電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率，拉伸速率為0.1 mm/min，每種成分復(fù)合材料均測(cè)試3根，求平均值;用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合材料拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340—1999《顯微硬度測(cè)試方法》，用HVS-1000A型顯微硬度計(jì)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，試驗(yàn)力選取0.98 N，保載時(shí)間為15 s，每個(gè)試樣測(cè)10個(gè)點(diǎn)，求平均值。

自不同成分復(fù)合材料拉斷試棒的端頭相同部位切割下金相試樣，采用阿基米德排水法測(cè)定試樣的實(shí)際密度，采用混合定律計(jì)算復(fù)合材料的理論密度，計(jì)算復(fù)合材料的相對(duì)密度。經(jīng)打磨拋光腐蝕后，用Olympus PMG3型光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行觀察。

將復(fù)合材料切割成0.3 mm厚的薄片，打磨至50 μm以下，沖裁成Φ 3 mm的圓片，在GATAN-691型離子減薄儀上減薄出孔;在JEM-2100型透射電子顯微鏡下，對(duì)復(fù)合材料中納米SiC顆粒的分布和微觀組織進(jìn)行觀察。

圖2 拉伸試棒形狀及尺寸示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的微觀組織

圖3為不同體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒的納米SiCp/108Al復(fù)合材料的金相組織。由圖3可以看出:熱擠壓后復(fù)合材料的晶粒沿?cái)D壓方向拉長(zhǎng)，組織中分布著塊狀初生Si顆粒，與108Al基體(見圖3a)相比，復(fù)合材料的晶粒明顯細(xì)化。這是由于在燒結(jié)和熱擠壓過程中，納米SiC顆粒的存在會(huì)成為非勻質(zhì)形核的核心，從而促進(jìn)材料的形核率，同時(shí)增強(qiáng)顆粒的加入也會(huì)在很大程度上阻礙晶粒的長(zhǎng)大并誘發(fā)再結(jié)晶，因而使得復(fù)合材料的晶粒尺寸得到細(xì)化。晶粒越細(xì)，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，在受到外力發(fā)生塑性變形時(shí)，可分散在更多的晶粒內(nèi)，受力較均勻。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系，材料的強(qiáng)度和硬度隨著晶粒尺寸的增大而降低，可以預(yù)見納米SiCp/108Al復(fù)合材料的性能要優(yōu)于108Al基體。但從圖3b～圖3e可以看出:隨著納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的孔洞缺陷增多。當(dāng)納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時(shí)，缺陷尤為明顯，組織中有大量孔洞，這可能是由于納米SiC顆粒達(dá)到一定量時(shí)不能在基體中均勻分布，包裹在108Al粉顆粒上，在燒結(jié)過程中，SiC顆粒聚集在基體的晶界上，影響108Al基體的燒結(jié)融合［12］，使晶界上產(chǎn)生孔洞缺陷。通過比較可以看出:當(dāng)納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，納米SiCp/ 108Al復(fù)合材料的晶粒最細(xì)小，孔洞缺陷相對(duì)較少，組織較好。

圖3不同體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒的納米SiCp/108Al復(fù)合材料的金相組織

圖4 為不同體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒的納米SiCp/108Al復(fù)合材料的TEM組織。由圖4可知:納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為1%和2%時(shí)(見圖4a和圖4b)，SiC顆粒分布較為均勻，幾乎沒有出現(xiàn)顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒與108Al基體結(jié)合較好，界面干凈，組織中存在著較多位錯(cuò)。位錯(cuò)是由于SiC顆粒與108Al基體的熱膨脹系數(shù)存在差異，溫度的變化引起108Al基體與增強(qiáng)體產(chǎn)生熱錯(cuò)配，繼而產(chǎn)生塑性殘余應(yīng)力，提高位錯(cuò)密度，起到強(qiáng)化作用［13］。納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)的顆粒間距要比體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)更為平均，分散性更好。納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為3%和4%(見圖4c和圖4d)的微觀組織明顯不同于納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為1%和2%的微觀組織，可以看到明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚體尺寸接近1 μm。根據(jù)文獻(xiàn)［10］可以推測(cè)納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為3%和4%時(shí)，對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)化作用不明顯。

2.2 復(fù)合材料的性能

2.2.1 復(fù)合材料的相對(duì)密度和硬度

圖5為不同體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒的納米SiCp/108Al復(fù)合材料的相對(duì)密度和硬度曲線。由圖5可以看出:復(fù)合材料的相對(duì)密度隨著納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加先增加后降低。納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)從0%增加到2%時(shí)，相對(duì)密度逐漸增加，在2%時(shí)達(dá)到最大(為98%)，這是因?yàn)楫?dāng)SiC顆粒密度大于108Al基體時(shí)，復(fù)合材料的相對(duì)密度隨SiC體積分?jǐn)?shù)的增加必然增加。SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到3%時(shí)，復(fù)合材料的相對(duì)密度略有降低，這是因?yàn)榧{米SiC顆粒的表面能比較大，化學(xué)活性較高，極易吸附大量氣體和其他固體雜質(zhì)，在壓制過程中容易形成孔隙，燒結(jié)時(shí)氣體排出后形成孔洞缺陷，從而影響復(fù)合材料的相對(duì)密度。同時(shí)，隨納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，團(tuán)聚現(xiàn)象明顯，不能夠均勻地分散于108Al基體中，燒結(jié)過程中粉末顆粒間的相互黏結(jié)和空隙的填充都需要物質(zhì)的遷移［14］，而團(tuán)聚現(xiàn)象增大了在燒結(jié)過程中納米SiC顆粒對(duì)物質(zhì)的遷移阻力，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的相對(duì)密度降低。

圖4 不同體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒的納米SiCp/108Al復(fù)合材料的TEM組織

從圖5中還可以看出:復(fù)合材料的硬度隨著納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)較少(＜2%)時(shí)，硬度逐漸增加，這是由于納米SiC顆粒對(duì)108Al基體起到了彌散強(qiáng)化的作用，細(xì)小的硬質(zhì)相顆粒彌散分布在基體中，能夠有效地承受載荷。當(dāng)納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，復(fù)合材料的硬度達(dá)到102HV，比108Al基體提高了34%。但是當(dāng)納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)超過2%時(shí)，復(fù)合材料的硬度開始減小，這是由于納米SiC顆粒在達(dá)到一定體積分?jǐn)?shù)時(shí)，團(tuán)聚成尺寸較大的增強(qiáng)體，不能有效發(fā)揮細(xì)小顆粒的彌散強(qiáng)化作用，因此導(dǎo)致復(fù)合材料的硬度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

2.2.2 復(fù)合材料的拉伸性能

表2為不同體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒的納米SiCp/108Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率。從表2中可以得出:納米SiC顆粒對(duì)108Al基體拉伸性能有著明顯的增強(qiáng)作用。納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、4%的復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度與108Al基體相比，分別提高了7%、26%、14%和9%;屈服強(qiáng)度與108Al基體相比，分別提高了13%、43%、19%和16%。這是由于納米SiC顆粒表面積大，與108Al基體結(jié)合的界面多，對(duì)108Al基體的約束作用強(qiáng)，彌散分布的納米顆粒還起到了釘扎位錯(cuò)的作用，因而材料強(qiáng)度明顯提高。但是納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)超過2%時(shí)，強(qiáng)度的提高并不明顯，這是因?yàn)榧{米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)細(xì)小顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，使納米SiC顆粒的強(qiáng)化作用明顯降低。從表2中還可看出:復(fù)合材料的延伸率隨著納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加而降低，這可能是因?yàn)榧{米SiC顆粒的加入有效地促進(jìn)了108Al基體與SiC顆粒之間的界面形成，容易導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展［15］，致使延伸率降低。

圖5 納米SiCp/108Al復(fù)合材料的相對(duì)密度和硬度曲線

表2 納米SiCp/108Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率

圖6為不同體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒的納米SiCp/108Al復(fù)合材料的拉伸斷口形貌。由圖6可見:不同成分復(fù)合材料的斷口形貌有一定差異。未加SiC顆粒的108Al基體中塑性變形相對(duì)較大，斷口中分布一些韌窩，有一定韌性斷裂的特征。添加1%和2%納米SiC顆粒的復(fù)合材料，斷口形貌中主要分布著淺而小的韌窩，有少許塑性變形區(qū)域，但存在著一些孔洞。這主要是因?yàn)榧{米SiC顆粒和Si顆粒與Al結(jié)合有缺陷，從顆粒處萌生裂紋，導(dǎo)致復(fù)合材料韌性較差，延伸率降低，屬于脆性斷裂。當(dāng)納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)超過2%時(shí)，斷口形貌較為復(fù)雜，出現(xiàn)了明顯裂紋和孔洞，說明此時(shí)復(fù)合材料的界面結(jié)合較差，這是因?yàn)閳F(tuán)聚體存在處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋的概率增大，同時(shí)幾乎沒有出現(xiàn)韌窩，呈現(xiàn)類似冰糖狀的形貌，說明此時(shí)塑性較低，屬于脆性斷裂。

圖6 不同體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒的納米SiCp/108Al復(fù)合材料的拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

(1)納米SiC顆粒的加入對(duì)108Al基體有著較強(qiáng)的增強(qiáng)作用，復(fù)合材料微觀組織中晶粒明顯細(xì)化，性能得到提高。當(dāng)納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，復(fù)合材料的組織較為致密，顆粒分布較為均勻，納米SiC顆粒與108Al基體結(jié)合較好，性能達(dá)到最優(yōu)，硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為102HV、348 MPa、229 MPa，較108Al基體分別提高了34%、26%、43%。

(2)當(dāng)納米SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)超過2%時(shí)，出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚體尺寸接近1 μm，復(fù)合材料的組織中出現(xiàn)了較多孔洞缺陷，物理機(jī)械性能均降低，強(qiáng)化作用不明顯。

(3)未加納米SiC顆粒的108Al基體的延伸率為6.2%，拉伸斷口形貌中有韌性斷裂的特征;添加納米SiC顆粒的復(fù)合材料延伸率較低，斷裂機(jī)制為脆性斷裂。

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TB333.12

A

1672－6871(2017)05－0001－06

10.15926/j.cnki.issn1672－6871.2017.05.001

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51371077)

李劍云(1992－)，女，河南南陽(yáng)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，主要從事金屬基復(fù)合材料的研究.

2017－01－12