颗粒尺寸对SiCp/6061Al复合材料组织及性能的影响

郭向沛，谢敬佩，王爱琴，王荣旗，吴文杰

(河南科技大学 a.材料科学与工程学院；b.有色金属共性技术河南省协同创新中心，河南 洛阳 471023)



颗粒尺寸对SiCp/6061Al复合材料组织及性能的影响

郭向沛a,b，谢敬佩a,b，王爱琴a,b，王荣旗a,b，吴文杰a,b

(河南科技大学 a.材料科学与工程学院；b.有色金属共性技术河南省协同创新中心，河南 洛阳 471023)

选用冷等静压+烧结+热挤压的方法，制备了增强体SiC颗粒体积分数为35%时，4种不同SiC颗粒尺寸(7.5 μm、15.0 μm、25.0 μm、40.0 μm)的SiCp/6061Al复合材料。测定了复合材料的热膨胀系数及力学性能。利用扫描电镜对复合材料微观组织进行了表征，探究了增强体颗粒尺寸对SiCp/6061Al复合材料组织和性能的影响。由分析结果可知：复合材料中SiC颗粒分布比较均匀，且随着SiC颗粒尺寸的增大，其在基体中分布的均匀度得到提升。此外，当SiC颗粒尺寸逐步减小时，SiCp/6061Al复合材料的抗拉强度值也逐渐增大，热膨胀系数也越低。当SiC颗粒尺寸为7.5 μm时，复合材料的断裂主要以界面处撕裂和基体材料的开裂为主。当SiC颗粒尺寸为40.0 μm的时候，复合材料断裂主要以SiC颗粒断裂为主。当颗粒尺寸处于两者之间时，复合材料界面撕裂和SiC颗粒断裂的共同作用决定复合材料的断裂。

粉末冶金；复合材料；颗粒尺寸；热膨胀；抗拉强度

0 引言

6061铝合金属于能够通过热处理强化的Al-Mg-Si系铝合金，其塑性好、密度低，而力学性能，尤其是相对耐磨性不高。随着现代科学技术的飞速发展，人们对材料的要求越来越高，传统的6061铝合金已经不能满足当今工业的发展要求，因此Al基复合材料应运而生[1-3]。研究表明：在基体合金中添加微米级SiC颗粒制备成的SiCp/Al复合材料，拥有许多如高比强度和比刚度的优良特性，同时还具有受热稳定性好、耐磨和耐蚀等一系列优点，鉴于以上所述原因，该复合材料已被大规模应用在航空航天、军事等领域[4-6]。粉末冶金法是以基体粉末与增强体颗粒为原料进行配料、压制、烧结成金属制品的制备工艺。粉末冶金法的优点是可以根据实际需要控制增强体的体积分数和粒径，此外，粉末冶金法制备复合材料的烧结温度较低，可以有效减少或者抑制增强体与基体之间的界面反应，形成洁净平滑的界面，从而显著提高复合材料的性能。所以，粉末冶金是制备颗粒增强金属基复合材料的重要方法之一[7-8]。

颗粒增强金属基复合材料比较突出的特点在于功能和性能的可设计性。可以通过调整增强体尺寸、体积分数、热处理工艺等来改变复合材料的力学性能和物理性能。在增强体体积分数一定的情况下，可以通过改变颗粒尺寸来对复合材料的性能进行调节，不仅能充分发挥颗粒强化的作用，还能显著降低成本[9-10]。但是，当前情况下，颗粒尺寸对复合材料的微观结构组织、力学和物理性能所产生的作用，人们还缺乏系统的研究。本文采用粉末冶金方法制备SiCp/6061Al复合材料，探究颗粒尺寸对复合材料显微组织、性能的影响，旨在为实现高性能、轻质、低膨胀铝基复合材料的研发提供理论基础和工艺支持。

1 试验方法

试验采用颗粒尺寸分别为7.5 μm、15.0 μm、25.0 μm、40.0 μm的α-SiC颗粒作为增强材料，其性能参数如表1所示。基体材料采用气雾化法制备的平均粒径为10.0 μm 的6061Al粉(质量分数>99.8%)，化学成分如表2所示。

表1 α-SiC增强体颗粒物理性质

表2 6061Al粉末的化学成分(质量分数) %

采用QM-BP行星式球磨机混料，转数为280 r/min，选择φ5 mm和φ10 mm两种直径的钢球搭配组成磨球，球料质量比为1∶1，球磨时间为3 h。首先，将上述不同尺寸的α-SiC颗粒按规定的体积分数分别与平均粒径为10.0 μm 的6061Al粉混合，并将混合均匀的粉料装入模具中，利用冷等静压的方法，用油压机将混合粉末压制成坯；然后将压制好的坯料放入氩气气氛保护炉中进行固相烧结，以2 ℃/min加热到560 ℃，保温3 h，再缓慢冷却至室温，得到SiCp/6061Al烧结复合材料；再将坯料在480 ℃左右热挤压成复合材料试样。

经热挤压后的复合材料热膨胀系数的测试在PCY-Ⅲ热膨胀系数测定仪上进行(变形范围为0～5 mm，分辨率为1 μm；最高温度为1 600 ℃，分辨率为1 ℃)。试验之前，首先将挤压出试样线切割成φ5 mm×50 mm的圆柱形棒状试样。拉伸试验在岛津AG-I 250 kN精密万能材料试验机上进行，拉伸速率为0.5 mm/min，试样的尺寸按标准试样要求进行。每种尺度增强体制备成的复合材料分为1组，每组测定3次然后取平均值，用JSW-5610LV扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)对试样微观组织及断口微观形貌进行仔细观察。

2 试验结果分析

2.1 颗粒尺寸对SiCp/6061Al复合材料微观组织的影响

图1 不同颗粒尺寸SiCp/6061Al复合材料SEM图像

图1给出了体积分数为35%的4种不同颗粒尺寸(7.5 μm、15.0 μm、25.0 μm、40.0 μm)的SiCp/6061Al复合材料的扫描电镜形貌，图中灰色区域为Al，深灰色有棱角的颗粒为SiC。由图1可知：SiC颗粒在6061铝基体的微观组织中分布的整体均匀性较好，没有出现很明显的团聚和气孔。当颗粒尺寸为40.0 μm时，如图1a所示，颗粒尺寸分布均匀，但随着颗粒尺寸的降低，如图1b～图1d所示，颗粒数量越来越多，SiC颗粒的分布也越来越不均匀。从图1d可以看出：当颗粒尺寸为7.5 μm时，复合材料中有轻微的颗粒团聚现象。这是因为当SiC颗粒尺寸较小时，其比表面积较大，表面能也较高，颗粒与颗粒之间的相互吸引如范德华力也较大，因此容易产生团聚现象。此外，只有当增强颗粒分布均匀、与基体结合良好时才会出现图1a和图1b中的白色析出相，这也可以在某种程度上起到强化基体、促进基体与增强颗粒结合的作用。

2.2 颗粒尺寸对SiCp/6061Al复合材料热膨胀系数的影响

含4种不同颗粒尺寸SiC复合材料，在不同温度下的热膨胀系数值如表3所示。从表3中可以看出：4种颗粒尺寸的复合材料热膨胀系数均在温度升高和增强体颗粒尺寸增大时，出现不同程度的增加。此外，由数据还可以推算出：颗粒尺寸的减小，可以明显降低复合材料热膨胀系数随温度的增加速率。

表3 SiCp/6061Al复合材料在不同温度下的热膨胀系数 10-6 K-1

当复合材料由制备温度冷却到室温时，由于增强体SiC颗粒和Al基体的热膨胀系数存在巨大的差异，SiC颗粒的室温热膨胀系数为4.70×10-6K-1，而Al的室温热膨胀系数为25.30×10-6K-1，因此在颗粒周围会产生高密度位错。文献[11]的研究表明，复合材料中因热错配差异形成的位错密度ρ可以表示为：

(1)

式中：b为基体Al的柏氏矢量；f为基体的体积分数；dp和fp分别是增强体颗粒的直径和体积分数；αp和αM分别是增强体和基体的热膨胀系数；△T为制备温度与室温之差。从式(1)可以看出：增强体颗粒尺寸与位错密度成反比，即颗粒尺寸越小，基体中的位错密度越高。

文献[12]的研究表明：相比于未增强基体的屈服强度，因热错配形成的高密度位错会使复合材料的原位屈服强度显著增加，基体的原位屈服强度可以表示为：

(2)

式中：σmy代表基体在复合材料中的原位屈服强度；σm0代表基体在被增强以前的屈服强度；α为一个常数(对Al，α取1.25)；μm代表基体铝合金的剪切模量。由式(2)可以计算出：若颗粒尺寸减小，复合材料中的位错密度将不断增大，基体在复合材料中的原位屈服强度也随着增大。

复合材料的热膨胀本质可以归结为以下两个部分：材料点阵结构中的质点间平均间距随温度升高而增大；材料在加热过程中产生的塑性松弛。因此复合材料在升温过程中总伸长量可以表示为：

△L=△L1+△L2，

(3)

式中：△L代表在升温过程中复合材料的总伸长量；△L1代表材料在自然热胀冷缩状态下的伸长量；△L2代表由于塑性松弛所产生的伸长量。

前面已经讨论了颗粒尺寸减小时，基体在复合材料中的原位屈服强度将随之减小，从而导致了材料在受热时而带来的热错配应力不容易松弛，即△L2值较小，因此复合材料的热膨胀系数随着颗粒尺寸的减小而减小。此外，当体积分数含量一定时，颗粒数目越多，它们之间的距离也越小，这样能够有效阻止基体的热膨胀，所以较小的颗粒尺寸可显著降低复合材料的热膨胀系数在升温过程中的增加速率。

2.3 颗粒尺寸对SiCp/6061Al复合材料力学性能的影响

表4 不同颗粒尺寸SiCp/6061Al复合材料的抗拉强度

表4为不同颗粒尺寸SiCp/6061Al复合材料的抗拉强度。从表4中可以看出：随着颗粒尺寸从7.5 μm增加到40.0 μm，复合材料的抗拉强度从298 MPa下降到212 MPa。在前面已经表述过，尽管40.0 μm SiCp/6061Al复合材料中颗粒分布最均匀，但是抗拉强度却最低，因此，可以看出颗粒尺寸对SiCp/6061Al复合材料的拉伸性能影响很大。

颗粒增强金属基复合材料的强化机制一般可以分为直接强化和间接强化。直接强化是指载荷通过界面由基体传递到增强体，两者共同承受载荷。增强体和基体确定后，界面便成为了有效载荷传递的关键，因此界面的结合状态在颗粒增强金属基复合材料的性能起到了关键性作用[13]。间接强化是基体微观结构的重大变化引起的，如增强体与基体间的热膨胀系数差异引起的热错配应变，使位错密度增大，从而产生的位错强化[14]，在基体再结晶过程中，增强体颗粒能阻止晶粒边界的移动而引起细晶强化等[15]。

从以上颗粒增强金属基复合材料的强化机制来分析其对材料的抗拉强度所产生的影响，可以归纳为以下几个方面：首先，对于含相同体积分数SiC颗粒的复合材料来说，SiC颗粒尺寸越小，数量就越多，SiC颗粒与Al基体之间的界面越多，因此能够更有效地把基体中的载荷传递到增强体中，从而提升复合材料的强度；其次，在上节中已经讨论过，由于SiC颗粒与Al基体之间的巨大热膨胀系数差，因此，复合材料从制备温度冷却到室温的时候会产生高密度位错，而该位错的密度与颗粒尺寸有很大的关系，颗粒尺寸越小，位错密度越大，这种高密度位错能显著提升复合材料力学性能；再次，颗粒尺寸大的SiC颗粒更容易产生缺陷，这种有缺陷的SiC颗粒不能有效承受载荷，同时在承受载荷的过程中会成为裂纹源，从而降低复合材料的拉伸强度。

2.4 颗粒尺寸对SiCp/6061Al复合材料拉伸断口影响

图2 不同颗粒尺寸SiCp/6061Al复合材料的断口形貌

图2为不同颗粒尺寸SiC颗粒增强6061Al复合材料的拉伸断口。从图2a可以看出：当SiC颗粒尺寸为7.5 μm时，在微观组织中出现了颗粒团聚，在颗粒团聚的区域极易出现孔洞等缺陷，这些颗粒的团聚区容易失去载荷和承受外加载荷的能力，当外力增加时，在该团聚区域萌生裂纹并逐步扩展形成有缺陷的断面。随着颗粒尺寸增大，当SiC颗粒粒径为15.0 μm，如图2b所示，断面开始出现裸露聚集的SiC颗粒，基体合金的韧窝较规则，撕裂棱上的韧窝较小。随着颗粒尺寸不断增大，SiC颗粒越来越多的裸露出来，颗粒出现断裂的比例也越来越大。颗粒尺寸为40.0 μm的SiCp/6061Al复合材料的断口中，如图2d所示，韧窝大而少，基体撕裂棱上的小韧窝较少，复合材料中的SiC发生解理开裂，属于脆性断裂。

3 结论

(1)采用粉末冶金的方法制备出的SiCp/6061Al复合材料，SiC颗粒在其组织中分布比较均匀，且SiC颗粒分布的均匀性会随着其尺寸的增大而提高。

(2)SiCp/6061Al复合材料的抗拉强度会随着SiC颗粒尺寸的减小而升高，当颗粒尺寸由7.5 μm增大到40.0 μm时，复合材料的抗拉强度从298 MPa下降到212 MPa。颗粒尺寸较小时，复合材料的受热膨胀系数及其随温度的增加速率也会明显减小。小尺寸颗粒的复合材料，可以明显减小复合材料的热膨胀系数以及热膨胀系数随温度增加的速率。

(3)当SiC颗粒尺寸为7.5 μm时，复合材料的断裂主要以界面处撕裂和基体的开裂为主。当SiC颗粒尺寸为40.0 μm的时候，复合材料断裂主要以SiC颗粒断裂为主。当颗粒尺寸处于两者之间时，复合材料界面撕裂和SiC颗粒断裂的共同作用决定复合材料的断裂。

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国家自然科学基金项目(51371077)

郭向沛(1987-),男,河南安阳人,硕士生;谢敬佩(1957-),男,河南安阳人,教授,博士,博士生导师,主要从事金属基复合材料的研究.

2015-01-20

1672-6871(2015)06-0001-04

TF124

A