崔 巖， 董和謙， 曹雷剛， 楊 越， 蒙 毅

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院， 北京 100144)

非連續(xù)增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因其具有高比強(qiáng)度、高比剛度、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)越性能，在航空航天及汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用[1-2]，其中高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)材料的結(jié)構(gòu)/熱控多功能一體化，已實(shí)際應(yīng)用于精密儀器和電子封裝領(lǐng)域[3]。SiCp/Al復(fù)合材料的制備方法主要包括浸滲法(如壓力浸滲和無(wú)壓浸滲)、鑄造法(如攪拌鑄造和擠壓鑄造)和粉末冶金法等[4]。其中，浸滲法和鑄造法均屬于液態(tài)法，高溫復(fù)合過(guò)程中SiC易與熔鋁發(fā)生界面反應(yīng)生成有害產(chǎn)物Al4C3，降低復(fù)合材料的力學(xué)性能[5]。熔鋁中添加Si和Mg元素不僅可以提高鋁合金的流動(dòng)性，有效抑制界面反應(yīng)[6]，而且基體中的Mg2Si相也可以提高復(fù)合材料的性能[7-8]，因此液態(tài)法制備SiCp/Al復(fù)合材料多選用Al-Mg-Si基體合金。但是，高鎂高硅鋁合金屬于鑄造鋁合金，塑性較差，所制備的高體積分?jǐn)?shù)鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能難以再次提升。

粉末冶金法制備SiCp/Al復(fù)合材料主要包括熱壓燒結(jié)[9]、放電等離子體燒結(jié)[10]和熱等靜壓燒結(jié)[11]等工藝，制備溫度較低，可有效避免界面反應(yīng)[12]。因此采用粉末冶金法制備復(fù)合材料時(shí)，鋁合金基體的選擇范圍較廣。若選用可熱處理強(qiáng)化鋁合金制備復(fù)合材料，則可以通過(guò)類(lèi)似于鋁合金時(shí)效強(qiáng)化的方式來(lái)調(diào)控復(fù)合材料的微觀組織和力學(xué)性能[13]。2024硬鋁合金是一種典型的可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐熱性和機(jī)加工性能，因此常被用于制作承受高循環(huán)載荷的結(jié)構(gòu)件，是航空航天工業(yè)中使用最為廣泛的鋁合金材料之一[14]。2024鋁合金的主要強(qiáng)化相為θ相(Al2Cu)與S相(Al2CuMg)，析出序列為[15]：過(guò)飽和固溶體→GP區(qū)→θ″→θ′→θ和過(guò)飽和固溶體→GP區(qū)→S″→S′→S。峰時(shí)效時(shí)復(fù)合材料基體中主要強(qiáng)化相為θ″相與S″相，當(dāng)θ′相與S′相析出時(shí)復(fù)合材料進(jìn)入過(guò)時(shí)效狀態(tài)，并且伴隨θ相與S相生成并粗化，強(qiáng)化效果下降。本文選用2024鋁合金作為基體，采用粉末冶金熱等靜壓工藝制備體積分?jǐn)?shù)為55%的SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，對(duì)比分析了固溶時(shí)效工藝對(duì)高體積分?jǐn)?shù)SiCp/2024Al復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文選用平均粒度分別為12 μm和19 μm的SiC顆粒和2024鋁合金粉末作為增強(qiáng)體和基體材料，按照SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)55%的配比進(jìn)行稱(chēng)重。將兩種粉末放入行星式球磨機(jī)中混合6 h，然后將混合粉末放入鋁合金包套中，抽真空后封閉包套，采用真空熱等靜壓工藝制備SiCp/2024Al復(fù)合材料。其中，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min，球料質(zhì)量比為4∶1；熱等靜壓工藝溫度為580 ℃，施加壓力為60 MPa，燒結(jié)時(shí)間為3 h。

采用線切割將制得的SiCp/2024Al復(fù)合材料切割成尺寸分別為10 mm×10 mm×5 mm的硬度測(cè)試試樣和58 mm×7 mm×7 mm的三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試試樣，同時(shí)切割相同尺寸的2024鋁合金硬度試樣作為對(duì)照組。熱處理試驗(yàn)具體步驟：將試樣放入旋風(fēng)爐內(nèi)，在493 ℃固溶處理2 h，取出試樣置入4 ℃的冷水中淬火，然后將試樣放入191 ℃的耐高溫硅油中進(jìn)行0～20 h時(shí)效處理，每隔2 h取出一組試樣進(jìn)行硬度測(cè)試。依次用180～2000號(hào)砂紙打磨經(jīng)固溶時(shí)效處理的復(fù)合材料試樣，分別采用光學(xué)顯微鏡和Sigma-300掃描電鏡分析微觀組織和斷口形貌。采用HBRVS-187.5數(shù)顯布洛維硬度計(jì)測(cè)量不同時(shí)效時(shí)間下復(fù)合材料與2024鋁合金的布氏硬度(載荷砝碼為187.5 kg，保壓時(shí)間為10 s)，每個(gè)狀態(tài)的試樣測(cè)試8次并取平均值。采用MTS微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能測(cè)試，精確度等級(jí)為0.5級(jí)，試驗(yàn)機(jī)壓頭的行進(jìn)速率為1 mm/min，測(cè)試跨距50 mm。復(fù)合材料加載過(guò)程中的應(yīng)變量采用JHDJ-8高速靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)變片靈敏度系數(shù)為(2.08±1)%。采用DahoMeter DH-300電子密度儀測(cè)試復(fù)合材料的密度。采用Tecnai F30場(chǎng)發(fā)射透射電鏡分析不同時(shí)效狀態(tài)SiCp/2024Al復(fù)合材料基體區(qū)域的微觀組織形貌和析出相類(lèi)型。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋁合金與復(fù)合材料的時(shí)效硬度分析

圖1為2024鋁合金和SiCp/2024Al復(fù)合材料時(shí)效不同時(shí)間后的硬度。由圖1(a)可知，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)， 2024鋁合金的硬度先升高后降低，在時(shí)效8 h時(shí)達(dá)到最大值(143 HBW)，在時(shí)效8～16 h硬度變化較小，在時(shí)效16 h后硬度逐漸下降。由圖1(b)可知，SiCp/2024Al復(fù)合材料的時(shí)效硬度曲線也呈先升高后降低的趨勢(shì)，但又有所不同。時(shí)效4 h時(shí)復(fù)合材料的硬度即達(dá)到最大值(281 HBW)，之后硬度逐漸降低至267 HBW(14 h)，時(shí)效14～18 h硬度又略微提高，隨后逐漸下降。由此可知，相比于2024鋁合金，復(fù)合材料提前達(dá)到峰時(shí)效狀態(tài)。已有研究表明，SiC顆粒會(huì)改變鋁合金的時(shí)效析出行為，加速析出相的形成[16-17]。

圖1 2024鋁合金(a)與SiCp/2024Al復(fù)合材料(b)的191 ℃人工時(shí)效硬度曲線

試驗(yàn)測(cè)得燒結(jié)態(tài)SiCp/2024Al復(fù)合材料的硬度為255 HBW，經(jīng)過(guò)固溶處理后提升至278 HBW，這是因?yàn)镾iC與鋁基體熱膨脹系數(shù)差異較大，淬火過(guò)程中會(huì)使基體產(chǎn)生大量位錯(cuò)，復(fù)合材料硬度得以提升。然而，時(shí)效處理對(duì)復(fù)合材料硬度影響不大，僅提升至281 HBW(4 h)，相對(duì)硬度增量為1%。而2024鋁合金硬度則由113 HBW(固溶態(tài))提高至143 HBW(8 h)，相對(duì)硬度增量為27%，可見(jiàn)時(shí)效處理對(duì)復(fù)合材料硬度的提高作用遠(yuǎn)低于鋁合金，這是由于復(fù)合材料含有55%體積分?jǐn)?shù)的SiC顆粒，SiC顆粒本身硬度高于鋁合金基體，能起到有效承載作用[18]，因此時(shí)效過(guò)程硬度變化不明顯。

2.2 復(fù)合材料微觀組織分析

圖2為燒結(jié)態(tài)SiCp/2024Al復(fù)合材料的微觀組織形貌?？梢钥闯?，復(fù)合材料內(nèi)部沒(méi)有明顯孔洞缺陷，SiC顆粒分布較均勻，顆粒與鋁基體結(jié)合緊密。試驗(yàn)按照SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)為55%配料，據(jù)此可計(jì)算出SiCp/2024Al復(fù)合材料的理論密度為3.007 g/cm3。而通過(guò)阿基米德排水法實(shí)測(cè)復(fù)合材料的密度為3.019 g/cm3，故復(fù)合材料相對(duì)密度為100.4%。這進(jìn)一步說(shuō)明采用熱等靜壓工藝制備的SiCp/2024Al復(fù)合材料內(nèi)部SiC顆粒與Al基體結(jié)合緊密。

圖2 燒結(jié)態(tài)SiCp/2024Al復(fù)合材料微觀組織

為了進(jìn)一步揭示時(shí)效過(guò)程中SiCp/2024Al復(fù)合材料的微觀組織演變，采用透射電鏡分析了復(fù)合材料的時(shí)效析出行為，結(jié)果如圖3～圖6所示。由圖3可知，燒結(jié)態(tài)SiCp/2024Al復(fù)合材料的Al基體中主要含有3種 析出相。其中，一種為顏色較深的圓形相，根據(jù)圖3(d) 的能譜分析結(jié)果可知，該相為Al-Fe-Mn(-Si)、Al-Cu-Mn等難溶粗大相，由于其熔點(diǎn)較高，固溶處理時(shí)不會(huì)回溶于基體[15,19]；另外兩種分別為顏色較淺的圓盤(pán)狀與針狀物相，圓盤(pán)狀相尺寸在50～200 nm之間，數(shù)量較多且彌散分布于基體中，針狀相尺寸在100～600 nm之間，數(shù)量相對(duì)較少。結(jié)合選區(qū)電子衍射分析結(jié)果(圖3(b, c))與能譜分析結(jié)果(圖3(e))可知，兩種相均為θ(Al2Cu)相。此外，還可以在圖3(a)中發(fā)現(xiàn)鋁基體內(nèi)存在大量位錯(cuò)，這與Song等[20]的研究結(jié)果相符。由于本文所用復(fù)合材料中SiC顆粒的體分較高(55%)，因此SiC與Al基體之間存在大量界面，在冷卻過(guò)程中生成位錯(cuò)的數(shù)量也會(huì)大幅提高。

圖3 燒結(jié)態(tài)SiCp/2024Al復(fù)合材料的TEM分析結(jié)果

圖4為時(shí)效4 h后SiCp/2024Al復(fù)合材料的微觀組織分析結(jié)果。由圖4(a)可知，此時(shí)Al基體中含有較多的GP區(qū)和S″相、少量S′相及少量難溶相。圖4(b～d)分別為沿[100]Al方向拍攝的GP區(qū)、S″相與S′相的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖像?？梢?jiàn)GP區(qū)直徑在5 nm以下，截面呈白亮色，沒(méi)有特定的晶體結(jié)構(gòu)，它一般在時(shí)效早期析出，通常被認(rèn)為是合金在早期快速?gòu)?qiáng)化的原因[21-22]。S″相呈針狀，直徑在5 nm左右，與基體共格；S′相與基體呈非共格關(guān)系，其晶格常數(shù)為b=0.910 nm，c=0.723 nm，這與文獻(xiàn)[22]中描述S′相的b=0.904 nm，c=0.720 nm相符。

圖4 時(shí)效4 h后SiCp/2024Al復(fù)合材料的TEM分析結(jié)果

圖5為時(shí)效14 h后SiCp/2024Al復(fù)合材料的微觀組織分析結(jié)果。由圖5(a)可知，此時(shí)在Al基體中幾乎觀察不到GP區(qū)，S′相成為主要強(qiáng)化相，同時(shí)存在少量S″相及難溶相。此外，合金中存在橢圓狀的物相且呈線形集中分布，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)其為Al-Cu 相(圖5(b))，結(jié)合文獻(xiàn)[18]可知，該相為θ相。

圖5 時(shí)效14 h后SiCp/2024Al復(fù)合材料的TEM分析結(jié)果

圖6為時(shí)效18 h后SiCp/2024Al復(fù)合材料的微觀組織分析結(jié)果。由圖6(a)可知，此時(shí)基體中存在大量的S′相和S相，呈棒狀均勻分布在鋁基體中，同時(shí)可觀察到θ相與難溶相存在。圖6(b)為S相HRTEM照片，據(jù)此可知S相與S′相結(jié)構(gòu)基本相同，僅晶格參數(shù)有所差別。經(jīng)測(cè)量，S相晶格常數(shù)為b=0.922 nm，c=0.728 nm，這與文獻(xiàn)[22]中S相的b=0.925 nm，c=0.718 nm相符。從圖6還可以發(fā)現(xiàn)，S相與Al的位向關(guān)系為[010]S//[021]Al、[001]S//[012]Al、[100]S//[100]Al，與文獻(xiàn)[21,23]中S相與Al基體的位向關(guān)系相符。

圖6 時(shí)效18 h后SiCp/2024Al復(fù)合材料的透射電鏡分析結(jié)果

時(shí)效析出強(qiáng)化是可熱處理強(qiáng)化鋁合金常用的強(qiáng)化手段。時(shí)效過(guò)程中過(guò)飽和固溶體會(huì)發(fā)生原子偏聚并形成均勻分布的析出相，變形過(guò)程中析出相會(huì)與位錯(cuò)發(fā)生相互作用，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，達(dá)到強(qiáng)化合金的效果。2024鋁合金的主要溶質(zhì)元素為Cu和Mg，時(shí)效過(guò)程中析出的第二相主要為θ相與S相，其析出序列分別為[15]過(guò)飽和固溶體→GP區(qū)→θ″→θ′→θ和過(guò)飽和固溶體→GP區(qū)→S″→S′→S。根據(jù)微觀組織分析結(jié)果，SiCp/2024Al復(fù)合材料在時(shí)效4 h時(shí)，基體鋁合金中主要強(qiáng)化相為GP區(qū)和S″相，但同時(shí)存在少量S′相及難溶相。由于2024鋁合金峰時(shí)效時(shí)的主要強(qiáng)化相為θ″相與S″相[24]，析出S′相說(shuō)明SiCp/2024Al復(fù)合材料此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入過(guò)時(shí)效階段，而此時(shí)其硬度仍然較高，這是由于基體區(qū)域的主要析出相為S″相和GP區(qū)，兩者均與基體共格，且呈彌散分布，在共格強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化的共同作用下硬度未表現(xiàn)出明顯降低。隨著SiCp/2024Al復(fù)合材料進(jìn)入過(guò)時(shí)效狀態(tài)，基體中主要析出相轉(zhuǎn)變?yōu)棣认嗯cS′相，與鋁基體失去共格關(guān)系，強(qiáng)化效果減弱，硬度逐漸降低，時(shí)效14 h時(shí)硬度值降為267 HBW。時(shí)效14～18 h時(shí)SiCp/2024Al復(fù)合材料的硬度略有提高，這是由于S′相逐漸轉(zhuǎn)化為S相，并且S′與S相數(shù)量增加。由圖6(a)可知，時(shí)效18 h時(shí)Al基體中的S′與S相數(shù)量明顯多于時(shí)效14 h的，沉淀強(qiáng)化效果加強(qiáng)。隨時(shí)效時(shí)間繼續(xù)增加，S相逐漸長(zhǎng)大，SiCp/2024Al復(fù)合材料的硬度再次下降。

2.3 復(fù)合材料的力學(xué)性能分析

由微觀組織分析結(jié)果可知SiCp/2024Al復(fù)合材料在時(shí)效4 h時(shí)已經(jīng)進(jìn)入過(guò)時(shí)效階段，并且通過(guò)觀察其時(shí)效硬度曲線可知，時(shí)效2 h時(shí)的硬度與時(shí)效4 h接近，故推測(cè)在時(shí)效2 h時(shí)即達(dá)到峰時(shí)效，因此對(duì)燒結(jié)態(tài)與時(shí)效2 h的SiCp/2024Al復(fù)合材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試，結(jié)果列于表1。由表1可知，固溶時(shí)效處理對(duì)復(fù)合材料的斷裂應(yīng)變影響不大，但可以顯著提高材料的抗彎強(qiáng)度，從燒結(jié)態(tài)的633 MPa提高到747 MPa，提高幅度為18.20%。

表1 SiCp/2024Al復(fù)合材料燒結(jié)態(tài)與時(shí)效2 h后的力學(xué)性能

材料在受載時(shí)引起給定的殘余變形(永久變形)的應(yīng)力稱(chēng)為條件屈服極限[25]，由于高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料多用于精度極高的重要結(jié)構(gòu)件，允許的殘余變形較低，因此試驗(yàn)測(cè)量了殘余變形分別為0.01%、0.05%、0.1%時(shí)的條件屈服極限，用于表征復(fù)合材料抵抗微塑性變形的能力。圖7是一組(4根)試樣中抗彎強(qiáng)度最接近平均值的SiCp/2024Al復(fù)合材料對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由圖7可得出不同殘余變形對(duì)應(yīng)的條件屈服極限，如圖8所示。由此可知，盡管時(shí)效處理后SiCp/2024Al復(fù)合材料的彈性模量從202 GPa降低到183 GPa，但是殘余變形在0.01%以上時(shí)，條件屈服極限增大，即復(fù)合材料抵抗微塑性變形的能力提高，這對(duì)其在精密儀器等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義[3]。

圖7 SiCp/2024Al復(fù)合材料燒結(jié)態(tài)與時(shí)效2 h后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 SiCp/2024Al復(fù)合材料燒結(jié)態(tài)與時(shí)效2 h后的不同殘余變形對(duì)應(yīng)的條件屈服極限

圖9為燒結(jié)態(tài)與時(shí)效2 h后的SiCp/2024Al復(fù)合材料的彎曲斷口形貌。首先，在宏觀形貌上，燒結(jié)態(tài)復(fù)合材料的斷面為曲面，而固溶時(shí)效處理后的斷面非常平整，近似為平面。在微觀形貌上，燒結(jié)態(tài)與時(shí)效2 h后的斷口均表現(xiàn)為SiC顆粒的解理斷裂與鋁合金的韌性斷裂，未見(jiàn)SiC與Al基體的脫粘現(xiàn)象，說(shuō)明SiCp/2024Al復(fù)合材料增強(qiáng)體與基體之間結(jié)合緊密。其次，燒結(jié)態(tài)SiCp/2024Al復(fù)合材料斷面的基體區(qū)域韌窩分布不均勻，而時(shí)效2 h后的斷面基體區(qū)域韌窩相對(duì)較淺但分布均勻。由微觀組織分析可知，燒結(jié)態(tài)SiCp/2024Al復(fù)合材料Al基體中含有較多尺寸不一的第二相，受力過(guò)程中可以在第二相分布較少的區(qū)域發(fā)生均勻變形，對(duì)應(yīng)斷口處可觀察到韌窩的存在，而在第二相含量較多的區(qū)域容易產(chǎn)生微裂紋擴(kuò)展開(kāi)裂，對(duì)應(yīng)斷口處韌窩會(huì)不明顯，且會(huì)導(dǎo)致斷裂平面發(fā)生偏移，故而燒結(jié)態(tài)SiCp/2024Al復(fù)合材料的宏觀斷面不平整。而在峰時(shí)效狀態(tài)時(shí)，SiCp/2024Al復(fù)合材料中將析出大量θ″相與S″相，并均勻分布于鋁合金基體中，因此在受力過(guò)程中發(fā)生均勻變形，故而固溶時(shí)效處理后的SiCp/2024Al復(fù)合材料宏觀斷面平整。

圖9 燒結(jié)態(tài)(a)與時(shí)效2 h后(b)的SiCp/2024Al復(fù)合材料彎曲斷口形貌

3 結(jié)論

1) 采用粉末燒結(jié)制備的55%體積分?jǐn)?shù)SiCp/2024Al復(fù)合材料組織致密，SiC顆粒與鋁合金結(jié)合良好。通過(guò)固溶時(shí)效處理可以有效提高其硬度，與鋁合金相比，SiCp/2024Al復(fù)合材料提前達(dá)到峰時(shí)效狀態(tài)。

2) SiCp/2024Al復(fù)合材料時(shí)效時(shí)的硬度曲線存在兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值因Al基體中生成大量θ″相與S″相所產(chǎn)生，是共格強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化共同作用的結(jié)果；第二個(gè)峰值是Al基體中S相數(shù)量增加使沉淀強(qiáng)化作用加強(qiáng)所產(chǎn)生。

3) SiCp/2024Al復(fù)合材料經(jīng)固溶時(shí)效處理后，抗彎強(qiáng)度和抵抗微塑性應(yīng)變的能力都大幅提高，其中抗彎強(qiáng)度由燒結(jié)態(tài)的633 MPa提升到時(shí)效2 h后的747 MPa，提高了18.20%。