謝娟烘，史國劍

(廣東理工學院 智能制造學院，廣東 肇慶 526100)

復合材料是指由有機類聚合物、無機類非金屬或金屬等幾類不同相材料通過復合工藝制備的新型材料[1-2]，既能保持各組成材料的特色，又可以通過設計使得各組分性能協(xié)同補充，從而獲得了原始單組分材料無法存在的屬性。聚焦各類復合材料[3-5]，鋁基材料是較為特殊的，其表征出低熱膨脹系數(shù)、高比強度、高比模量等特性，引起了研究人員的注意。顆粒增強相鋁基復合材料，是今后材料研究的新方向，這也是這一增強相顆粒的優(yōu)勢特性，如耐磨性能、低膨脹系數(shù)等，其在軍事工業(yè)、地面/移動通訊電子設備、汽車電子材料等領域均在大力發(fā)展[6-8]。

王涵等[9]采用等溫熱壓縮實驗研究不同變形條件下原位TiB2顆粒增強7075型(屬于Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁)鋁基復合材料的熱成形行為，材料在低溫和高應變速率下的主要損傷機制是顆粒斷裂和界面脫黏，而在高溫和低應變速率下主要是基體的韌窩斷裂。范才河等[10]在制備技術上，引入了噴射成形技術，實現(xiàn)了7A04型(屬于Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁)鋁合金制備，同時以此為基礎，將玄武巖顆粒作為增強相，制備出了增強7A04鋁合金，進一步把握增強7A04鋁合金的屈服強度參數(shù)，最大值為667 MPa，相對未增強材料，增幅10.4%，關注極限拉伸強度參數(shù)，最大值為696 MPa，相對未增強材料，增幅10.1%。Wang等[11]采用選擇性激光熔化(SLM)方法成功制備了高熵合金(HEA)顆粒增強的鋁基復合材料，由于HEA相的存在和高位錯密度，使用優(yōu)化參數(shù)制造的復合材料具有高強度(888～914 MPa)。張孫藝等[12]選定CeO2顆粒作為增強相，引入的是攪拌摩擦技術，實現(xiàn)了5083型(屬于Al-Mg-Si系合金)鋁基復合材料的制備，在基體中，CeO2顆粒所呈現(xiàn)出的分散程度隨著加工道次的增加而增強，添加CeO2顆?？梢蕴岣卟牧系挠捕群湍湍バ浴u等[13]采用固液混合澆注結(jié)合超聲處理制備納米Al2O3/2024型(屬于Al-Cu-Mg系合金)復合材料，所得復合材料具有細晶粒微觀結(jié)構、合理的Al2O3納米顆粒在基體中分布和低孔隙率，與基體相比，質(zhì)量分數(shù)為1%的納米Al2O3/2024復合材料的極限抗拉強度和屈服強度分別提高了37%和81%。陳云等[14]采用超聲輔助機械攪拌工藝制備了納米TiN顆粒含量為0.3%(質(zhì)量份數(shù))的TiN/Al-5Cu-0.5Mn鋁基復合材料，晶粒尺寸由182.74 μm降低至69.61 μm，顆粒團聚平均尺寸也從197.08 nm減少至173.92 nm。制備的Al-5Cu-0.5Mn復合材料的屈服強度、抗拉強度、硬度相比Al-5Cu-0.5Mn基體合金分別增加了16.73%，14.99%和11.68%。

本文采用粉末冶金工藝，以SiC顆粒為增強相制備出鋁基復合材料，經(jīng)由對該材料的密度分析、硬度、力學等諸多方面的性能分析，分析了燒結(jié)溫度、時效時間、SiC顆粒體積分數(shù)對這一材料的影響，基體選定為鋁或鋁合金，選用SiC來作為增強顆粒，依據(jù)設計的規(guī)定，按照特定比例，優(yōu)化其分布，打造材料復合，其所具有的性能是單一金屬不可能具有的，本文中筆者分析了燒結(jié)溫度等工藝參數(shù)對SiC顆粒增強鋁基復合材料的性能產(chǎn)生的影響，為制備高性能金屬基復合材料提供了參考。

1 實驗部分

1.1 原料

SiC顆粒：XY-SIC-10，粒徑為10.4 μm，質(zhì)量分數(shù)不小于99.9%，上海巷田納米材料有限公司；鋁粉：JHA47，粒徑為47.4 μm，質(zhì)量分數(shù)不小于99.8%，湖南金昊新材料科技股份有限公司；銅粉：TL-CD40,粒徑為45.2 μm，質(zhì)量分數(shù)不小于99.7%，銅陵銅基粉體科技有限公司；無水乙醇：化學純，500 mL，質(zhì)量分數(shù)不小于99.5%,國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器及設備

FA1004型電子天平：上海恒平科學儀器有限公司；HBS3000-312型顯微硬度計：萊州市蔚儀試驗器械制造有限公司；CMT5105型電子萬能試驗機：蘇州檢卓儀器科技有限公司。

1.3 實驗過程

將一定量的三種粉末倒入研缽中，加入無水乙醇作為分散劑，均勻研磨約1～2 h，混合均勻后烘干，然后將粉末裝入直徑為60 mm圓柱形模具中進行壓制，壓力為200 MPa、保壓時間為1 min，結(jié)束后將壓坯放入高強石墨熱壓模內(nèi)，燒結(jié)過程中通過改變燒結(jié)溫度來研究工藝參數(shù)對復合材料性能影響，本實驗采用箱式電阻爐對復合材料完成基礎的熱處理操作，而這主要是經(jīng)由固溶強化及析出強化等手段，來提升這些材料的性能。

1.4 分析及測試

硬度按照GB/T 231.2—2002進行測試；屈服強度按照GB/T 232—2010進行測試；拉伸強度按照GB/T 228.1—2010進行測試；密度根據(jù)阿基米德排水法測試計算獲得：使用天平稱量樣品在空氣中質(zhì)量m1，放入蒸餾水中稱量質(zhì)量m2，根據(jù)排水法等體積獲得樣品的密度為ρ樣品=m1×ρ水/m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)溫度對密度影響

表1是燒結(jié)溫度對所制備樣品密度的影響。從表1可以看出隨著燒結(jié)溫度升高，對應樣品密度也表現(xiàn)出正相關增加趨勢。這是因為隨著燒結(jié)溫度的升高，樣品中孔洞減少，由于固相燒結(jié)工藝本質(zhì)上就是一個熱力學過程，提升燒結(jié)溫度可以加速推進原材料中原子擴散，從而減少孔洞數(shù)量，改善界面結(jié)合強度，所以能夠提升材料的密度和力學性能。

表1 燒結(jié)溫度對于樣品密度的影響

2.2 燒結(jié)溫度與時效時間對硬度的影響

圖1是不同燒結(jié)溫度對應樣品布氏硬度變化曲線。

燒結(jié)溫度/℃

從圖1可以看出，所制備復合材料硬度隨著燒結(jié)溫度的升高而增加，強化源在這里以SiC為主，觀察燒結(jié)變形狀況，溫度參數(shù)提升的情況下，SiC顆粒與鋁基體會進行更好的結(jié)合，而結(jié)合越充分，其強度也會正向增加。對于外部載荷而言，其會通過鋁基體，繼而傳遞給SiC顆粒。隨著燒結(jié)溫度的升高，基體材料中的空洞數(shù)量減少，SiC顆粒和金屬Al之間的界面結(jié)合強度得到增強，進而促使了材料硬度的增加。

圖2樣品不同時效時間之后的硬度曲線。由圖2可知，所有時效時間下樣品布氏硬度都會伴隨燒結(jié)溫度的增加而有所升高。樣品硬度會隨著時效時間延長而增加，在20 h達到最大值，之后會減小。研究表明，AlCu合金中的時效序列為G.P.區(qū)→θ″相→θ′相→θ相[15-16]。觀察時效峰值，其硬度值在這時取最大值，后面硬度便開始表現(xiàn)出下降態(tài)勢，原因是θ相形成[17]。

時效時間/h

2.3 燒結(jié)溫度對力學性能影響

圖3是不同燒結(jié)溫度對應復合材料樣品的屈服與抗拉強度。從圖3可以看到，材料的屈服強度和拉伸強度隨著燒結(jié)溫度升高而增大，當外加應力或者是位錯而直接導致的局部應力達到臨界值后，SiC顆粒在這種情況下會有所斷裂，進而強化該復合材料。如果SiC顆粒與鋁基體之間只有很低的結(jié)合強度，復合材料在受到較小的外加應力下，便可能會由于界面脫黏而失效，因此提升界面結(jié)合強度是改善復合材料力學性能的方式之一。而通過燒結(jié)過程中燒結(jié)溫度的調(diào)整則可以有效的改善材料的力學性能，這是因為燒結(jié)溫度的提高，基體材料中的孔洞數(shù)量降低，增強相SiC顆粒和基體Al材料件的界面結(jié)合強度獲得提升，進行力學性能也獲得增強。

燒結(jié)溫度/℃

2.4 體積分數(shù)與時效時間對硬度影響

圖4是復合材料硬度隨SiC顆粒體積分數(shù)和時效時間的變化曲線。從圖4可以看出，布氏硬度伴隨體積分數(shù)的增加而有所增加，伴隨時效時間的增加則先增后減。硬度隨著顆粒體積分數(shù)的增加而增大，這與以前的研究結(jié)果是一致的，SiC顆粒體積分數(shù)取值在一定區(qū)間內(nèi)增加，其與基體表面接觸面積增加，能夠承載更多的載荷。與時效時間所表現(xiàn)的規(guī)律與圖2是一致的，即時效的峰值出現(xiàn)在20 h，之后會減小。研究表明，AlCu合金中的時效序列為G.P.區(qū)→θ″相→θ′相→θ相[15-16]。觀察時效峰值，其對應硬度取值，此時也表現(xiàn)為極大值，后面硬度出現(xiàn)下降態(tài)勢，原因在于θ相形成[17]。

時效時間/h

2.5 體積分數(shù)與時效時間對力學性能影響

圖5和圖6分別是復合材料屈服強度和抗拉強度隨SiC顆粒體積分數(shù)和時效時間關聯(lián)曲線，在體積分數(shù)參數(shù)提升的條件下，屈服強度、抗拉強度會有所下降，在時效時間增加時，復合材料強度首先表征出提升態(tài)勢，在峰值后，會呈現(xiàn)出下降態(tài)勢，峰值對應的時效，具體是20 h。

時效時間/h

時效時間/h

對于復合材料而言，其彈性變形中的載荷，大部分都會施加給SiC顆粒，當載荷增加時，更多應力會集中分布在SiC顆粒與孔洞，材料首先是微塑性變形。若持續(xù)增大載荷，SiC承載的應力將會進一步提升。鋁基體材料中的SiC顆粒，所具備的失效應變是偏低的，在接近抗拉強度時，便會在力的作用下開裂。若SiC顆粒本身的體積分數(shù)相對較大，其開裂出來的顆粒數(shù)量，自然也就更多。對于拉伸變形，一旦SiC顆粒開裂，SiC顆粒的承載能力會大幅削弱，還可能會誘發(fā)裂紋，影響材料本身的強度。

3 結(jié) 論

在對鋁基復合材料進行制備的時候，以SiC顆粒為增強相，通過分析其特性，引入粉末冶金技術，以及全面分析材料性能，基于力學、密度、硬度分析等方法，提取出最適宜的SiC顆粒體積分數(shù)、時效時間等這些相關的指標。

(1)在燒結(jié)時間部分：讓燒結(jié)溫度參數(shù)增加，對于降低孔洞、強化原子擴散，優(yōu)化界面強度存在積極作用，材料硬、密度指標均會增長，因此密度和硬度隨著燒結(jié)時間增加而增加，硬度隨著時效時間先升高后降低，在溫度600 ℃，時間20 h時具有最大值97.228 N/mm2，屈服和抗拉強度也與溫度變化成正比。

(2)在SiC顆粒體積分數(shù)部分：增加體積分數(shù)，其抗拉強度、屈服強度表征出下降態(tài)勢，但硬度指標，其與該參數(shù)保持正向相關性。聚焦硬度、強度均隨時效時間先增加后減少，最大值出現(xiàn)在體積分數(shù)為25%，時間為20 h處89.263 N/mm2，屈服和抗拉強度在5%體積分數(shù)時最大值為205.087 MPa和277.956 MPa。