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　　引用 SiCp/Al复合资料显微构造与性能的研讨

　　任德亮 丁占来 齐海波 樊云昌

　　［摘要］ 通过搅拌熔炼和液态模锻制备了SiC颗粒体积分数分辨为5%和10%的铝基复合材料。研究了固溶时效处理参数对复合材料微观结构与性能的影响，优选了T6热处理工艺。

　　要害词： 铝基复合材料 热处理 微观结构 力学性能

　　Study on the Microstructures and Properties of SiCp/Al Alloy Matrix Composite

　　［ABSTRACT］ The SiCp/Al alloy composite containing 5% and 10% SiC particles were fabricated by melt stirring and squeeze casting. The specimens of the cast composites were then heat－treated with different T6 processes and thus the effects of the technological parameters of the solution treatment and artificial aging treatment on the microstructures and properties were examined. The optimum T6 heat treatment circle was determined.

　　Keywords: SiCp/Al alloy matrix composite Heat treatment Microstructure Mechanical property

　　金属基复合材料(MMC)因具有高比强度、比模量，耐高温、耐磨损以及热膨胀系数小、尺寸稳固性好等优良的物理性能和力学性能而成为各国高新技巧材料研讨开发的主要范畴。其中颗粒增强金属基复合材料，尤其是SiC颗粒增强的铝基复合材料(SiCp/Al)，因具有各向同性，制作本钱低，可用传统的金属加工工艺(铸造、挤压、轧制、焊接等)进行加工，而成为国外MMCs发展的重要方向之一［1～3］，在航空航天、军事范畴及汽车、电子仪表等行业显示出宏大的利用潜力。

　　采用搅拌铸造法制作颗粒增强铝基复合材料，可以应用传统的熔铸装备，是制造MMCs本钱较低的一种方式。液态模锻(或挤压铸造)是液态金属成形的一种先进技巧，它能增长液态金属的充模才能，降低铸件的空隙率。因此，本课题采用搅拌熔炼与液态模锻成形相联合的办法。

　　本文对铸态和热处理态的SiCp/Al复合材料的微观结构进行了剖析，研讨了固溶时效处理参数对材料性能的影响，旨在为其利用供给理论根据。

　　1 实验方式

　　铝基复合材料通过搅拌熔炼及液态模锻工艺制备而成。铝合金基体的成分相似于ZL109合金，如表1所示，其固相点温度用美国PE公司DTA-1700型差热剖析仪测定结果为557℃。增强组分为绿色α-SiC颗粒，均匀粒度为10μm。基体铝合金采取中频感应炉熔炼，USB显微镜，通进氩气作为熔液的维护气体及精炼剂。在熔炼进程中，熔液用调速电机驱动的特制石墨搅拌器进行搅拌。当铝合金熔液的温度到达720℃左右时，将预处理后的SiC颗粒参加到持续搅拌着的铝合金熔液中。待搅拌均匀并经精炼后，将复合材料熔液浇铸到?50mm×110mm的钢模中，并在必定的机械压力下直接凝固成形。制造的2种复合材料中，SiC颗粒的体积分数分离为5%和10%(材料代号分离为ZL109/SiCp/5和ZL109/SiCp/10)。同时，用雷同的工艺方式制备了基体铝合金的铸造试样，以便与复合材料进行比拟。

　　表1 铝合金基体的成分 % 各种材料的T6热处理工艺参数试验(即固熔处理的温度和时光，人工时效的温度和时光)，是按正交试验计划设计的。采取的正交表为L9(34)，因素程度如表2所示。

　　表2 因素程度表 注：A?固溶温度；B?固溶时间；C?时效温度；D?时效时间。

　　对经不同工艺热处理后的试样，在HB-3000型布氏硬度计上进行硬度测定。通过火析硬度测试成果，从中得出Zui佳T6热处理工艺，并依据此工艺对各种材料的拉伸试样进行热处理。铸态及热处理态的各种材料试样在XJG-05型光学显微镜和配有X射线能谱仪的KYKY-2800型扫描电子显微镜上进行显微结构的观测剖析。金相试样所用腐化剂为0.5%(质量分数)氢氟酸水溶液。

　　复合材料及未增强基体合金的室温拉伸性能试验是在日本产岛津AG-50KNE型试验机上进行的。拉伸试样标距为25mm，直径为5mm，标志长度为25mm；拉伸应变速率为6×10－4s－1。

　　2 试验结果与分析

　　2.1 材料微观构造

　　不同SiC含量的铝基复合材料的光学微观结构如图1所示。从图中可以看出，SiC颗粒(渺小的深玄色不规矩多变形)在铝合金基体中的散布基础上是均匀的，且随着SiC颗粒的参加量增添，α相(白色树枝状)枝晶破碎、间距减小，共晶硅颗粒分布更加均匀。

　　

　　(a)基体铝合金ZL109

　　

　　(b)复合材料ZL109/SiCp/5

　　

　　(c)复合材料ZL109/SiCp/10

　　图1 铸态材料的光学显微结构

　　Fig.1 Optical microstructure of cast material

　　在用搅拌法制备SiC颗粒加强铝基复合材料时，有两种对材料不利的现象可能产生：一是SiC颗粒可能与基体合金发生界面反映，天生脆性界面层；二是SiC颗粒可能在基体中散布不均匀，发生偏析。

　　在SiC颗粒增强的铝基复合材料中，可能发生的界面反映为：

　　4Al+3SiC＝Al4C3+3Si

　　由于本试验所用的基体合金中含有高达12%的Si，在复合材料的制备条件下(720℃)，根本上克制了上述反映的产生［4］，因而在SEM的高倍显微镜察看下，基体与颗粒的界面处未发现有Al4C3界面层存在。

　　铝基复合材料中SiC颗粒的偏析可分为宏观和微观两种。由于SiC颗粒的密度(3.2g/cm3)大于铝基体的密度(约为2.7g/cm3），SiC颗粒在铝合金熔液中有沉降的趋势，因而熔液在炉内、浇包内或铸模内静置都有可能造成宏观上的偏析。然而，在复合材料的制备过程中，熔液在炉内一直处于搅拌之中，且搅拌完成之后就立即进行浇铸、挤压凝固，所以根本上避免了此种偏析的发生。而微观偏析是在凝固过程中发生的，复合材料熔液结晶时，疏散的SiC颗粒受到α枝晶凝固前沿的推移，进进Zui后凝固的枝晶间，并随着共晶硅的凝固结晶而分布在共晶硅颗粒之间，见图1。这样，SiC颗粒就在α枝晶间形成偏析。固然微观偏析的发生难以完整避免，但可通过加快熔液凝固速度(如降低模具的预热温度)来减小这种偏析的水平。

　　图2为3种材料经T6热处理后的微观结构照片。从中可以看出，热处理后的加强颗粒尺寸及散布状况基础坚持不变，但基体中的共晶硅颗粒得到球化并稍微有所长大。同时，从照片(a)，(b)和(c)的比拟中还发明，复合材料的共晶硅颗粒尺寸小于未增强的基体铝合金中的共晶硅尺寸。经热处理后的复合材料的基体微观结构产生这些变更的原因还有待探讨。

　　

　　(a)未增强的基体铝合金

　　

　　(b)复合材料ZL109/SiCp/5

　　

　　(c)复合材料ZL109/SiCp/10

　　图2 热处置态资料的光学显微构造

　　Fig.2 Optical microstructure

　　of material after heat treatment

　　2.2 T6热处理工艺和硬度测定

　　对经不同T6工艺热处理后的复合材料和基体铝合金试样进行了布氏硬度的测定。通过对测定结果的极差分析得知，Zui佳T6工艺可能为下述3者之一：

　　(a)510℃固溶处理6h+150℃人工时效8h。

　　(b)510℃固溶处置8h+170℃人工时效8h。

　　(c)490℃固溶处理8h+150℃人工时效10h。

　　为断定Zui佳T6工艺，再次把一批试样分离以510℃和490℃的温度进行固溶处理，然后以150℃和170℃的温度进行不同时光的时效处理。处理后的材料硬度与工艺参数的关系曲线如图3所示，得出510℃固溶处理6h并立即进行150℃人工时效8h为Zui佳T6热处理工艺。

　　

　　(a)510℃固溶处理6h，150℃人工时效

　　

　　(b)490℃固溶处理6h，150℃人工时效

　　图3 热处理后的材料布氏硬度与工艺参数关系曲线

　　Fig.3 Dependence of Brinell hardness on the

　　process parameters of material after heat treatment

　　在对材料进行T6热处理工艺试验的进程中发明，固溶处理后的SiC颗粒增强铝基复合材料，在室温下的静止空气中放置24～36h，比未经静置的材料硬度降低约15%。这与Sameul等人所做的铝基复合材料T6热处理试验的成果十分相近。他们把固溶处理后的试样在室温下静置一天后再时效，与未经此静置的材料拉伸性能相比，σ0.2和σb分辨下降了14%和6%，而塑性却增添了大约40%。

　　2.3 拉伸性能

　　热处理后的复合材料和基体铝合金试样，在岛津AG-50KNE型拉伸试验机上进行了室温拉伸试验。表3所示的试验结果表明，与未加强的基体合金相比，复合材料ZL109/SiCp/10的杨氏模量进步了21%，σb和σ0.2分辨增添了9%和19%，延长率却下降了87%。这与D.O.Kennedy等人的实验成果相一致。

　　表3 复合材料和基体合金的室温拉伸性能 众所周知，SiC颗粒参加到基体铝合金中往，会使材料的杨氏模量和屈从强度得到提高，但却引起材料塑性和断裂韧性的显明降低。Flom和Arsenault曾将塑性和韧性的降低回因于SiC颗粒的不均匀分布和在较弱的增强体?基体间界面的裂纹萌生。

　　对于铝基复合材料，一般都要经过固溶及人工时效处理，以进一步进步其力学性能。Taya等人曾对SiCp/6061铝基复合材料的T6热处理强化机理进行研究，他们把复合材料的强化回因于两个方面，即由淬火冷却进程中金属基体与增强颗粒间热膨胀错合应变引起的高密度位错和人工时效过程中的铝合金基体中的沉淀相析出。

　　3 结论 (1)采取搅拌熔炼?液态模锻工艺制备的SiC颗粒体积分数为10%的铝基复合材料，SiC增强颗粒分布基础均匀，与在同等条件下制备的未增强基体合金相比，复合材料的初晶α相枝晶破碎、间距较小，共晶硅颗粒分布更均匀。

　　(2)通过对复合资料固溶、时效的正交实验，断定SiCp/Al复合材料的Zui佳T6热处置工艺为：510℃固溶6h，60℃温水淬火，150℃人工时效8h。同时发明，复合材料在固溶处理后室温静置24～36h后再时效，与未经静置的试样相比，其硬度下降约15%。

　　(3)热处理后的材料室温力学性能试验结果表明，复合材料比未增强基体合金的杨氏模量有显着进步，强度有所增长，而塑性则显明降低。

　　河北省博士基金赞助项目。

　　作者单位：任德亮 丁占来 齐海波 樊云昌 石家庄铁道学院

　　参考文献 1 Clyne T W, Withers P J. An introduction to metal matrix composites. Cambridge: Cambridage University Press, 1993,1～10

　　2 Ray S. Synthesis of cast metal matrix particulate composites. J. Mater. Sci., 1993,28:5397～5413

　　3 Davis J R, et al. Aluminum－matrix composites, ASM specialty handbook aluminum and aluminum alloys. ASM International Handbook Committee, 1994,160～169

　　4 黄泽文.金属基复合材料的大范围生产和商品化发展.材料导报，1996，10(增刊)：18～25


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