李奎，張照方，馬楠，李明

噴射成形制備建筑用硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料的組織與力學(xué)性能

李奎1，張照方1，馬楠2，李明3

(1. 河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，鄭州 450064；2. 中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院，新鄭 450007；3. 河南省建筑科學(xué)研究院有限公司，鄭州 450064)

采用噴射成形法制備A356鋁合金和硅質(zhì)巖顆粒增強(qiáng)A356鋁基復(fù)合材料(硅質(zhì)巖顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%)，對(duì)比了2種材料的界面組織、基體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。結(jié)果表明：所有硅質(zhì)巖顆粒都在噴射成形階段被捕獲，并均勻分布于基體材料中。硅質(zhì)巖顆粒在鋁基體內(nèi)形成良好的鑲嵌結(jié)構(gòu)，雙噴電解時(shí)未發(fā)生脫落。距離顆粒/基體界面較近區(qū)域內(nèi)形成較多位錯(cuò)，靠近界面的鋁基體內(nèi)Si含量較高，其余元素的含量基本保持不變。加入硅質(zhì)巖顆粒后，合金的抗拉強(qiáng)度從603 MPa提高到662 MPa，伸長(zhǎng)率從3.52%提高到3.92%。A356合金和硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料均為韌性斷裂，后者的拉伸斷口存在硅質(zhì)巖顆粒拔出后形成的凹坑，同時(shí)產(chǎn)生很多碎屑。

硅質(zhì)巖顆粒；鋁基復(fù)合材料；微觀組織；界面結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

硅質(zhì)巖纖維是一種比強(qiáng)度大、不易磨損、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的纖維材料，在多種樹脂基材料中發(fā)揮重要作用，在隔熱保溫材料，尤其是建筑結(jié)構(gòu)保溫墻中得到廣泛應(yīng)用[1?3]。近年來(lái)有學(xué)者添加硅質(zhì)巖纖維制備鋁基復(fù)合材料[4?6]。例如，謝雨凌[7]選擇硅質(zhì)巖纖維作為增強(qiáng)體，通過壓力浸滲工藝制得A356鋁基復(fù)合材料，對(duì)硅質(zhì)巖纖維和鋁基體界面反應(yīng)過程進(jìn)行了分析，并研究了界面結(jié)合性能的影響因素。WANG等[8]通過壓力浸滲法制得硅質(zhì)巖纖維增強(qiáng)A356鋁基復(fù)合材料，材料的延展性隨纖維含量增加而下降。高文理[9]采用噴射共沉積法制備SiCp/2024鋁基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)升高溫度和經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間熱處理后，纖維強(qiáng)度大幅降低。LI等[10]對(duì)硅質(zhì)巖短纖維實(shí)施鍍銅處理，使纖維和鋁基體之間達(dá)到更優(yōu)的結(jié)合。丁浩等[11]采用交替疊層的方式使硅質(zhì)巖纖維和Al-12Si合金箔形成三明治結(jié)構(gòu)，之后進(jìn)行真空壓力浸滲處理，在溫度為660℃并施加10 MPa壓力條件下浸滲10 min，得到致密的硅質(zhì)巖纖維/Al基復(fù)合材料，形成明顯的分層結(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)相互垂直排列的硅質(zhì)巖纖維分布形態(tài)。欒建澤等[12]將鋁合金?硅質(zhì)巖纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料應(yīng)用于汽車制造工業(yè)，制備鋁合金B(yǎng)FRP接頭，對(duì)其進(jìn)行老化測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隨低溫老化時(shí)間延長(zhǎng)，接頭的拉伸失效斷面區(qū)域內(nèi)撕裂纖維減少，接頭的失效強(qiáng)度降低。噴射成形法制備金屬材料，由于快速凝固的作用，材料成分均勻，組織細(xì)化，無(wú)宏觀偏析，沉積效率高，已成為新材料開發(fā)與應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。本文以硅質(zhì)巖顆粒作為增強(qiáng)體，采用噴射成形法制備建筑墻體用A356鋁基保溫復(fù)合材料，研究硅質(zhì)巖顆粒對(duì)該材料組織與力學(xué)性能的影響，為工業(yè)化生產(chǎn)硅質(zhì)巖顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料制備

首先以Al-40Zn，Al-20Cu與Al-50Mg合金為原料，采用熔煉法制備A356鋁合金。用石墨坩堝實(shí)施熔煉，熔煉溫度為950 ℃，整個(gè)熔煉階段都通入N2進(jìn)行保護(hù)。精煉處理后，再加熱使熔體溫度升至900 ℃，利用密封流道將熔體澆鑄到經(jīng)過預(yù)熱處理的石墨坩堝中，澆鑄工藝參數(shù)如下：合金液送料速度為2 m/min，下注速度為1.85 m/min，澆鑄30 min。所得A356鋁合金鑄錠的成分為Al-6.1Zn-2.4Mg-1.6Cu，Si與Fe的含量低于0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，鑄錠尺寸為200 mm×200 mm×80 mm。

硅質(zhì)巖來(lái)自于河南淅川西簧—下集地區(qū)寒武系統(tǒng)，通過球磨機(jī)研磨成顆粒。表1所列為硅質(zhì)巖顆粒的化學(xué)成分，圖1所示為硅質(zhì)巖顆粒的SEM形貌，粒徑在2~10 μm范圍內(nèi)。硅質(zhì)巖顆粒的表觀密度為2.68 g/cm3，能夠承受的使用溫度范圍為12~924 K。

表1 硅質(zhì)巖顆粒的化學(xué)成分

圖1 硅質(zhì)巖顆粒的SEM形貌

利用WC-15大型噴射成形設(shè)備制備硅質(zhì)巖顆粒增強(qiáng)A356復(fù)合材料，霧化壓力為0.3~0.55 MPa，噴槍夾角為20，噴槍與模具的距離為350 mm。將A356鋁合金鑄錠加熱至950 ℃，然后經(jīng)密封流道澆入已預(yù)熱至300 ℃的石墨坩堝中，再通過直徑為5 mm 的導(dǎo)液管流出。通過送粉設(shè)備將硅質(zhì)巖顆粒傳輸?shù)届F化器內(nèi)，并通入高壓N2使其達(dá)到均勻的混合狀態(tài)。在圓形316L不銹鋼基板上沉積直徑為100 mm、長(zhǎng)度為250 mm的圓柱形硅質(zhì)巖/A356鋁基復(fù)合材料?？紤]到實(shí)際墻體用保溫材料的組成，確定硅質(zhì)巖顆粒的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為4.5%。采用相同的方法制備A356鋁合金。將A356鋁合金和硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料先進(jìn)行600 ℃ /2 h固溶處理+淬火，然后再250 ℃/12 h時(shí)效+空冷 處理。

1.2 性能測(cè)試

利用HeliosNanolab600i掃描電鏡(SEM)觀察A356合金和硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料的微觀組織與形貌，INCAO- XFORD能譜儀(EDS)表征材料的元素組成。用Titan G260?300透射電鏡(SEM)觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械打磨將透射電鏡試樣減薄到80 μm，再實(shí)施雙噴電解，電解液由硝酸與甲醇按體積比1:3混合而成。用DA-300M密度測(cè)試儀測(cè)定材料的密度。按照GB/T 1039—1992標(biāo)準(zhǔn)，利用Instron3369拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)定材料的拉伸性能，控制拉伸速度為1.2 mm/min，拉伸試樣尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣尺寸

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織

圖3所示為噴射成形法制備的A356鋁合金和硅質(zhì)巖/A356鋁基復(fù)合材料的SEM形貌。由圖可見，A356合金內(nèi)存在微小孔隙，其相對(duì)密度接近94.2%。硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料的相對(duì)密度為95.8%，硅質(zhì)巖顆粒彌散分布于基體鋁合金中，未產(chǎn)生顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒尺寸基本都在2~10 μm范圍內(nèi)，與所用硅質(zhì)巖顆粒的尺寸一致，這表明噴射成形過程中所有顆粒都被捕獲并在基體內(nèi)均勻分布。此外還發(fā)現(xiàn)，基體內(nèi)存在微孔，而增強(qiáng)顆粒和基體組織形成緊密結(jié)合。

圖3 A356合金和硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料的SEM形貌

(a) A356 alloy; (b) Siliceous rock/A356 composite

2.2 界面結(jié)構(gòu)

圖4所示為硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料的TEM圖。從圖4(a)可見硅質(zhì)巖顆粒在基體中形成良好的鑲嵌結(jié)構(gòu)，對(duì)材料進(jìn)行雙噴電解時(shí)硅質(zhì)巖顆粒未發(fā)生脫落，表明顆粒和鋁基體形成強(qiáng)力結(jié)合。距離顆粒/基體界面較近的區(qū)域內(nèi)形成較多位錯(cuò)，位錯(cuò)源主要位于硅質(zhì)巖顆粒和A356鋁基體的結(jié)合界面處。圖4(c)所示為硅質(zhì)巖顆粒與基體合金的界面形貌，圖中的 A，B和C區(qū)域分別為硅質(zhì)巖顆粒、界面和靠近界面的A356基體側(cè)，可見硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料形成了明顯的界面區(qū)域。

圖4 硅質(zhì)巖顆粒/A356鋁基復(fù)合材料的TEM圖

(a) Siliceous rock particles; (b) Interface; (c) Matrix side

對(duì)圖4(c)中的硅質(zhì)巖顆粒、A356基體側(cè)及其界面進(jìn)行EDS元素含量分析，結(jié)果列于表2。從表2可知，靠近界面的鋁基體內(nèi)(C區(qū)域)Si含量較高，其余各元素的含量基本不變，未檢測(cè)出K和Na。相比之下，界面處(B區(qū)域)的Si含量顯著降低，同時(shí)Al含量增加。界面和硅質(zhì)巖顆粒內(nèi)的元素含量存在較大差異，硅質(zhì)巖顆粒中的SiO2和鋁基體在高溫下發(fā)生反應(yīng)生成Al2O3，因此界面區(qū)域的Al含量明顯高于硅質(zhì)巖顆粒內(nèi)的Al含量。雖然Si與Al不發(fā)生反應(yīng)，但由于Si存在濃度梯度，會(huì)向Al組織中擴(kuò)散，從而提高鋁基體內(nèi)的Si含量，同時(shí)界面處的Si含量降低。

表2 硅質(zhì)巖顆粒、界面及A356基體側(cè)的EDS元素分析結(jié)果

2.3 力學(xué)性能

圖5所示為對(duì)A356合金和硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線，對(duì)應(yīng)的拉伸性能列于表3。由表3可知，與A356鋁合金比，加入硅質(zhì)巖顆粒作為增強(qiáng)體的鋁基材料具有更高的抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率，抗拉強(qiáng)度從603 MPa提高到662 MPa，伸長(zhǎng)率從3.52%增大至3.92%。圖6所示為A356合金和硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料的拉伸斷口SEM形貌?？梢娺@2種材料都發(fā)生韌性斷裂，斷面平整，形成眾多韌窩。硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料內(nèi)形成了硅質(zhì)巖顆粒拔出而留下的凹坑，同時(shí)產(chǎn)生很多碎屑，經(jīng)分析認(rèn)為此類碎屑是由于拔出硅質(zhì)巖顆粒期間鋁基體破碎而產(chǎn)生的。由于硅質(zhì)巖顆粒和鋁基體之間形成很強(qiáng)的結(jié)合面，由此提升了兩者的結(jié)合強(qiáng)度，引起靠近硅質(zhì)巖顆粒區(qū)域的鋁組織發(fā)生塑性變形。

表3 A356鋁合金和硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料的拉伸性能

圖5 A356鋁合金和硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料的應(yīng)力?應(yīng)變曲線

圖6 A356合金和硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料的拉伸斷口SEM形貌

(a) A356 alloy; (b) Siliceous rock/A356 composite

3 結(jié)論

1) 采用噴射成形工藝制備A356鋁合金和硅質(zhì)巖顆粒增強(qiáng)A356復(fù)合材料，A356鋁合金存在孔隙，致密度約為94.0%；硅質(zhì)巖顆粒均勻分布在基體材料中，硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料的相對(duì)密度為95.8%。

2) 硅質(zhì)巖顆粒在鋁基體內(nèi)形成良好的鑲嵌結(jié)構(gòu)，顆粒與基體緊密結(jié)合?；w內(nèi)距離界面較近的區(qū)域形成較多位錯(cuò)。與遠(yuǎn)離界面的鋁基體組織相比，靠近界面的鋁基體內(nèi)Si含量更高，其余元素的含量基本不變。

3) 與A356鋁合金比，硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料具有更高的抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率，抗拉強(qiáng)度從603 MPa提高到662 MPa，伸長(zhǎng)率從3.52%增加至3.92%。這2種材料都發(fā)生韌性斷裂，硅質(zhì)巖/A356復(fù)合材料的拉伸斷口表面有凹坑，并產(chǎn)生許多碎屑。

[1] DHAND V, MITTAL G, RHEE K Y. A short review on basalt fiber reinforced polymer composites[J]. Composites Part B, 2015, 73(7): 166?180.

[2] 霍光, 王學(xué)兵, 況春江, 等. 噴射成形過共晶AlSi合金錠坯的漸變組織研究[J]. 粉末冶金工業(yè), 2011, 21(6): 26?29. HUO Guang, WANG Xuebin, KUANG Chunjiang, et al. The grain structure research of spray forming AiSi alloy[J]. Powder Metallurgy Industry, 2011, 21(6): 26?29.

[3] 吳增榮, 胡永俊, 代明江, 等. 氣體溫度對(duì)冷噴涂7075鋁合金涂層性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(1): 318?325. WU Zengrong, HU Yongjun, DAI Mingjiang, et al. Effect of gas temperature on properties of cold sprayed 7075 aluminum alloy coatings[J]. Surface Technology, 2020, 49(1): 318?325.

[4] 周愷, 謝發(fā)勤, 吳向清, 等. 鋁、鎂、鈦基材料微弧氧化涂層摩擦學(xué)性能研究進(jìn)展[J]. 稀有金屬材料與工程, 2019, 48(11): 3753?3763. ZHOU Kai, XIE Faqin, WU Xiangqing, et al. Research progress on tribological properties of micro arc oxidation coatings on aluminum, magnesium and titanium based materials[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2019, 48(11): 3753?3763.

[5] 劉丘林, 王艷群. 噴射成形6061鋁合金的顯微組織與力學(xué)性能研究[J]. 粉末冶金工業(yè), 2015, 25(3): 17?22. LIU Qiulin, WANG Yanqun. Study on microstructure and mechanical properties of spray formed 6061 aluminum alloy[J]. Powder Metallurgy Industry, 2015, 25(3): 17?22.

[6] DONG J F, WANG Q Y, GUAN Z W. Material properties of basalt fibre reinforced concrete made with recycled earthquake waste[J]. Construction and Building Materials, 2017, 130(6): 241?251.

[7] 謝雨凌, 汪明亮, 馬乃恒, 等. 玄武巖纖維增強(qiáng)鋁基材料的界面反應(yīng)及力學(xué)性能分析[J]. 鑄造技術(shù), 2013(7): 803?806. XIE Yuling, WANG Mingliang, MA Naiheng, et al. Interface reaction and property of basalt fiber reinforced Al-based composites[J]. Founder Technology, 2013(7): 803?806.

[8] WANG Z W, YUAN Y B, ZHENG R X, et al. Microstructures and mechanical properties of extruded 2024 aluminum alloy reinforced by FeNiCrCoAl3particles[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(4): 2366?2373.

[9] 高文理, 蘇海, 張輝, 等. 噴射共沉積SiCp/2024材料的顯微組織與力學(xué)性能[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2010, 20(1): 49?54. GAO Wenli, SU Hai, ZHANG Hui, et al. Microstructure and mechanical properties of spray co-deposited SiCp/2024 aluminum matrix composite[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2010, 20(1): 49?54.

[10] LI M, MA K, JIANG L, LAVERNIA E J. Synthesis and mechanical behavior of nanostructured Al 5083/n-TiB2metal matrix composites[J]. Materials Science and Engineering A, 2016, 656(3): 241?248.

[11] 丁浩, 崔喜平, 許長(zhǎng)壽, 等. 連續(xù)玄武巖纖維增強(qiáng)鋁基層狀復(fù)合材料的制備與力學(xué)特性[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2018, 54(8): 1171? 1178. DING Hao, CUI Xiping, XU Changshou, et al. Fabrication and mechanical characteristics of multilaminated aluminum matrix composites reinforced by continuous basalt fibers[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2018, 54(8): 1171?1178.

[12] 欒建澤, 那景新, 譚偉, 等. 服役低溫老化對(duì)鋁合金?玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料粘接接頭力學(xué)性能的影響及失效預(yù)測(cè)[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2020, 12(56): 1?9. LUAN Jianze, NA Jingxin, TAN Wei, et al. Effect of service low-temperature aging on mechanical properties of aluminum alloy-basalt fiber reinforced polymer composite bonding joints and failure prediction[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2020, 12(56): 1?9.

Microstructure and mechanical properties of siliceous rock/A356 composites for construction prepared by spray forming

LI Kui1, ZHANG Zhaofang1, MA Nan2, LI Ming3

(1. Henan Vocational College of Architecture, Department of Civil Engineering, Zhengzhou 450064, China; 2. School of Information and Business, Zhongyuan University of Technology, Xinzheng 450007, China; 3. Henan Institute of Building Science Co., Ltd., Zhengzhou 450064, China)

The A356 aluminum alloys and siliceous rock particles reinforced A356 aluminum matrix composites (mass fraction of siliceous rock particles is 4.5%) were prepared by spray molding. The interface structure, aluminum matrix structure and mechanical properties were compared. The results showed that all of the siliceous rock particles could be captured and uniformly distributed in the aluminum matrix during the spray forming. The siliceous rock particles formed a good mosaic structure in the aluminum matrix, and did not fall off during the double-spray electrolysis. Many dislocations were formed in the area close to the particle/matrix interface. The Si content in the Al matrix near the interface was higher, while the amount of other elements remained unaltered. Compared with A356 aluminum alloy, the tensile strength of siliceous rock/A356 composites increased from 603 MPa to 662 MPa, and the elongation increased from 3.52% to 3.92%. Both of the A356 alloy and siliceous rock/A356 composite were ductile fracture. The tensile fracture surface of siliceous rock/A356 composites was pitted by the pulled-out grains of siliceous rock, and many debris were generated.

siliceous rock particles; aluminum matrix composites; microstructures; interface structure; mechanical properties

TG146.2

A

1673-0224(2020)04-358-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51679092)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(18B4134002)

2020?02?08；

2020?05?05

李奎，講師，碩士。電話：0731-55176250；E-mail: maoya97685lx@126.com

(編輯 湯金芝)