高壓條件下Al2O3/Al-10Si組織演變及力學(xué)性能

張艷衡 朱冬冬 王 剛 董 多 王曉紅

（1 安徽工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，蕪湖 241000）

（2 衢州學(xué)院機(jī)械學(xué)院，衢州 324000）

文 摘 采用熱壓燒結(jié)與高壓凝固分別制備了不同壓力下Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料，研究了高壓對Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料的組織演變規(guī)律及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，高壓凝固Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料由α 相，β相和Al2O3強(qiáng)化相組成，其中α 相呈胞狀，在α 相晶界處存在少量粒徑約為0.1 μm 的顆粒狀β 相；對于不同壓力下制備的復(fù)合材料性能研究發(fā)現(xiàn)，凝固壓力增加，α 相中Si 的固溶度增加，顯微硬度及拉伸強(qiáng)度也隨之提高，顯微硬度由熱壓燒結(jié)時(shí)的55.3 HV，增加到了5 GPa 時(shí)的128.1 HV，提高了133%，拉伸強(qiáng)度由熱壓燒結(jié)時(shí)的126 MPa，增加到了5 GPa時(shí)的702 MPa，這是由于高壓導(dǎo)致α相中Si固溶度增加，形成了固溶強(qiáng)化。

0 引言

Al2O3/Al-Si 復(fù)合材料，具有比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性［1-3］良好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和軌道交通等領(lǐng)域［4-6］。隨著使用范圍的擴(kuò)大，Al2O3/Al-Si 復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度不能滿足日益增長的使用需求。目前的研究主要集中在改善Al-Si 合金的組織形貌或進(jìn)行固溶處理［7-9］，從而獲得細(xì)小均勻的顯微組織和過飽和固溶體［10-11］，以此提高力學(xué)性能來滿足工業(yè)需求。

凝固反應(yīng)在極端高壓環(huán)境下進(jìn)行，材料的熔點(diǎn)、密度、元素?cái)U(kuò)散系數(shù)和分配系數(shù)均發(fā)生極大改變［12-15］，導(dǎo)致凝固組織相的構(gòu)成和微觀形貌發(fā)生變化，形成亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)［16-17］。因此，高壓可通過影響凝固過程改變凝固組織的分布和狀態(tài)，最終達(dá)到改善材料性能的目的。近年來，高壓凝固已經(jīng)成為一項(xiàng)研究熱門。LI 等［18］在4、5 GPa 的壓力制備了不同成分的Al-Si 合金，發(fā)現(xiàn)高壓雖然沒有導(dǎo)致Al-Si 生成新的相，但是Al-Si 相圖的共晶點(diǎn)隨著壓力升高向Si方向移動(dòng)。MA等［19］研究了分別在1、2、3 GPa壓力下凝固的Al-20Si 的力學(xué)性能和強(qiáng)化機(jī)制，認(rèn)為高壓形成過飽和固溶體，從而產(chǎn)生固溶強(qiáng)化是主要強(qiáng)化機(jī)理。LIU 等［20］采用高壓凝固的方法制備了Al-7Si，并通過時(shí)效處理將硅相細(xì)化到納米級，發(fā)現(xiàn)硅相細(xì)化可以同時(shí)提高鋁硅二元合金的強(qiáng)度和延展性。MA等［21］研究了高壓凝固SiCp/Al-20Si，發(fā)現(xiàn)SiC 和高壓的共同作用下，初生Si由片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)纖維狀。

研究表明，常壓條件下，液態(tài)Al 對于Al2O3的潤濕性差［22］，隨著熔體流動(dòng)，復(fù)合材料中的Al2O3顆粒容易偏聚，導(dǎo)致常壓條件制備Al2O3/Al復(fù)合材料工藝復(fù)雜。增加凝固壓力可以提高材料界面潤濕性［23］，且抑制熔體流動(dòng)［24］，有利于獲得成分均勻的復(fù)合材料。本文主要研究高壓凝固Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料的凝固過程及組織形貌，不僅對探索高壓凝固復(fù)合材料材料組織演變規(guī)律具有重要意義，還可以開發(fā)顆粒強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用潛力，擬為制備高性能的Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

采用鋁粉（99.9%、80 μm）、硅粉（99.9%、80 μm）和α-Al2O3顆粒（20 μm），配成名義為Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料粉末（α-Al2O3顆粒為占總體積的10%），加入酒精放入球磨機(jī)內(nèi)混粉6 h，轉(zhuǎn)速為200 r/min，蒸干后得到的均勻粉末通過液壓機(jī)在冷壓模具內(nèi)制得Φ9.6 mm×10 mm 的素坯，包裹上絕緣圈放入葉臘石模具中密封。高壓實(shí)驗(yàn)在HTDS-032F型六面頂壓機(jī)上進(jìn)行，壓力到達(dá)設(shè)定值（3、4、5 GPa）后升溫至1 000℃，保溫30 min 后冷卻至室溫，卸壓得到高壓凝固試樣；熱壓燒結(jié)試樣采用JVLF211 實(shí)驗(yàn)室真空熱壓燒結(jié)爐制備，真空度為1 mPa，燒結(jié)溫度為555 ℃。熱壓與高壓試樣經(jīng)打磨拋光后使用0.5%的HF 腐蝕20 s制得金相試樣。

采用布魯克D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀（XRD）和Hitachi SU8010 掃描電子顯微鏡（SEM）分別分析不同壓力下凝固試樣的物相及顯微組織形貌；通過阿基米德排水法測試材料的密度；使用DUH-211S 島津動(dòng)態(tài)顯微硬度儀測量材料的顯微硬度，為了提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，顯微硬度值取5 次結(jié)果的平均值，并將試樣切割成2 mm×2 mm×4 mm 的壓縮試樣進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，壓縮速率為0.5 mm/min，通過測試材料的顯微硬度和抗壓強(qiáng)度研究材料的力學(xué)性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料組織形貌

圖1（a）給出了不同壓力下凝固的Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料的XRD 圖譜。結(jié)果顯示，Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料由α-Al 相、β-Si 相和Al2O3強(qiáng)化相組成，高壓凝固Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料α相衍射峰的強(qiáng)度增高，且隨著凝固壓力的升高，α 相衍射峰的強(qiáng)度繼續(xù)提高，衍射峰面積隨之增大，即α 相含量增加。高壓凝固并沒有使Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料物相組成發(fā)生改變，但改變了α相的體積分?jǐn)?shù)。

圖1 Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料XRD圖Fig.1 XRD spectra of Al2O3/Al-10Si composite

為了進(jìn)一步研究高壓凝固對于α 相中Si 固溶度的影響，采用步進(jìn)掃描對Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料α相的衍射峰進(jìn)一步分析，結(jié)果如圖1（b）所示，隨著壓力的增加，α相的衍射峰向高角度偏移。由布拉格方程可知，波長不變的情況下，衍射角增加是由于晶體的晶面間距減小所造成的，從而說明晶格常數(shù)減?。?5-26］。而Si 原子的半徑小于Al 原子半徑，晶格常數(shù)減小，說明了更多的Si 原子替換了α 相中的Al 原子，即α相中Si的固溶度增加。

圖2 為不同方法制備的Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料的組織形貌。由圖2（a）看出，熱壓燒結(jié)Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料由α 相和Al2O3強(qiáng)化相組成，且Al2O3顆粒大多彌散分布于α 相晶界處。由圖2（b）～圖2（d）可看出，高壓凝固Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料基體組織為胞晶狀的α 相，無明顯的（α+β）共晶組織，Al2O3顆粒分布于α 相晶界。Al2O3顆粒具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，在基體受力變形時(shí)，可承受部分載荷并抑制變形，從而提高材料力學(xué)性能。

對于亞共晶Al-10Si 合金，在常規(guī)凝固條件下，隨著凝固反應(yīng)進(jìn)行，液相中首先析出少量初生α-Al相，隨著初生相的增加，合金到達(dá)共晶成分，液相中形成大量的（α+β）共晶相。同時(shí)在α 相生長，熔體多余的Si元素在固-液界面前沿形成溶質(zhì)堆積，導(dǎo)致凝固界面失穩(wěn)，α相最終凝固形態(tài)呈枝晶狀。而凝固壓力變?yōu)楦邏?，Si 元素的擴(kuò)散激活能增加，擴(kuò)散速率減小，使α 相生長時(shí)Si 的析出受到抑制，凝固界面趨于穩(wěn)定，晶體的生長方式逐漸等軸化，最終導(dǎo)致Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料α相呈胞狀生長的趨勢。

圖2 Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料組織形貌Fig.2 Al2O3/Al-10Si composite microstructure

在分析高壓下凝固的Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料α相粒徑時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨凝固壓力增加，α 相晶粒尺寸無明顯變化。比較不同方法制備的Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料α相粒徑，相對于熱壓燒結(jié)，明顯發(fā)現(xiàn)在3、4、5 GPa壓力下凝固的Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料α 相晶體粒徑較小［圖2（b）～圖2（d）］。高壓可以降低晶體形核能，從而促進(jìn)晶體形核，增加晶體數(shù)量；同時(shí)，壓力升高抑制原子的長程擴(kuò)散，從而降低晶體的生長速度。在高壓的綜合作用下，Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料α 相晶粒細(xì)化。

圖3 為不同壓力下凝固的Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料β 相形貌，由圖3（a）看出，凝固壓力為3 GPa 時(shí)，Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料α 相邊界處彌散分布著細(xì)小顆粒狀的相，粒徑約為0.1 μm，長徑比基本為1∶1，經(jīng)XRD 與EDS 分析確定為β-Si。由圖3（b）、圖3（c）看出，隨著凝固壓力增加，β相顆粒尺寸不變，但整體所占體積比減少，說明高壓對于β 相晶粒的析出起到了抑制作用。

不同方法制備的Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料的能譜分析結(jié)果如表1 所示。熱壓燒結(jié)Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料α 相中Si 的固溶度為1.22%，凝固壓力為3 GPa時(shí)，Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料α相中Si的固溶度為5.22%，當(dāng)凝固壓力增加到4 GPa 時(shí)α 相中Si的固溶度達(dá)到了5.76%，5 GPa 時(shí)為6.51%。結(jié)果表明，高壓凝固會導(dǎo)致Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料α相中Si的固溶度大幅增加，與常壓相比形成過飽和固溶體。

圖3 高壓凝固Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料β相形貌Fig.3 β phase morphology of high pressure solidified Al2O3/Al-10Si composites

由于Al 與Si 的晶體結(jié)構(gòu)不共格，導(dǎo)致熱壓燒結(jié)的Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料α 相中Si 的固溶度極低。常規(guī)凝固條件下，隨著凝固反應(yīng)的進(jìn)行，α 相生長導(dǎo)致Si元素偏析，固-液界面前沿的Si固溶度升高逐漸達(dá)到共晶點(diǎn)，最終凝固組織出現(xiàn)（α+β）共晶相。凝固壓力上升達(dá)到GPa 級后，元素?cái)U(kuò)散受到抑制，Si 元素?cái)U(kuò)散速率減小，而凝固反應(yīng)進(jìn)行時(shí)固-液界面的推進(jìn)速度變化不大，逐漸導(dǎo)致更多的Si 元素滯留在α 相內(nèi)，Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料α相中Si的固溶度隨壓力的增加而增加，逐漸接近熔體中的Si 含量，α 相生長時(shí)析出的Si 元素總量減小，最終導(dǎo)致β 相體積分?jǐn)?shù)隨凝固壓力升高而減小。

表1 Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料的EDS能譜分析結(jié)果Tab.1 EDS analysis results of Al2O3/Al-10Si composites

2.2 Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料力學(xué)性能

圖4 為不同方法制備的Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料α 相顯微硬度?？梢钥闯?，熱壓燒結(jié)Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料α 相顯微硬度為55.3 HV，隨著凝固壓力升高，達(dá)到5 GPa時(shí)，Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料α相顯微硬度達(dá)到128.1 HV，與熱壓燒結(jié)相比，α 相顯微硬度顯著增加，提高了133%。隨著壓力的升高，α相中Si含量增加，更多的Si 原子代替了晶胞中的Al 原子，α 相晶格畸變增大，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料α相顯微硬度增加。

圖4 Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料α相顯微硬度Fig.4 Micro-hardness of α phase of Al2O3/Al-10Si composite

圖5為不同方法制備的Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和壓縮率均隨著壓力的增加而增加。熱壓燒結(jié)制備的Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度僅為126 MPa。凝固壓力為3 GPa時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度為458 MPa，且隨著凝固壓力增加，Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度繼續(xù)增加，4 GPa為514 MPa，凝固壓力增加為5 GPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)到了702 MPa。

圖5 Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of Al2O3/Al-10Si composite

不同方法制備的Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料的密度如表2 所示。根據(jù)計(jì)算，Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料的理論密度為2.78 g/cm3，熱壓燒結(jié)制備的材料致密度為92.4%，壓力增加到GPa 級后，材料密度已經(jīng)基本接近理論密度，致密度增加，有利于Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料力學(xué)性能提升。

表2 Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料密度Tab.2 Density of Al2O3/Al-10Si composite

隨著壓力增加，Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和壓縮率均大幅度增加。一方面，高壓導(dǎo)致Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料α 相中Si 的固溶度增加，形成固溶強(qiáng)化，增加了材料的拉伸強(qiáng)度；另一方面，就熱壓燒結(jié)而言，高壓凝固Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料施加的凝固壓力大量增加，導(dǎo)致材料致密度增加，逐漸接近1，從而提高材料的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

通過在凝固過程中施加不同壓力制備出Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料，研究了壓力對于復(fù)合材料形貌的演變及力學(xué)性能的影響，得出下列結(jié)論。

（1）高壓抑制Si 元素的擴(kuò)散析出，提高晶體生長的界面穩(wěn)定性，導(dǎo)致Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料α相等軸化，逐漸呈現(xiàn)出胞狀生長的趨勢。

（2）隨著凝固壓力的增加，高壓凝固Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料β相體積分?jǐn)?shù)減小。

（3）與燒結(jié)相比，高壓凝固Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料α 相粒徑明顯減小，且Si 的固溶度隨著凝固壓力增加而增加，顯微硬度隨之增加，凝固壓力達(dá)到5 GPa 時(shí)，α 相中Si 的固溶度為6.33%，顯微硬度達(dá)到128.1 HV，比熱壓燒結(jié)Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料α 相顯微硬度提高了133%。

（4）隨著壓力的增加，Al2O3/Al-10Si 復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度大幅度增加，壓力為5 GPa時(shí)制備的Al2O3/Al-10Si復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到了702 MPa。