2024Al/Gr/SiCp复合材料耐热性能研究

严红革 胡程进 陈吉华 苏斌

摘要：研究了采用真空热压法制备的2024Al/Gr/SiCp复合材料高温拉伸性能及长时间热暴露后的室温力学性能，同时对拉伸断口进行分析，探讨了SiC颗粒和石墨对材料耐热性能的影响.结果表明：2024基体合金和2024Al/Gr/SiCp复合材料在200 ℃及以下热暴露时，复合材料的强度下降幅度较小，但基体合金的强度下降幅度明显比复合材料的大，这与增强相SiC颗粒与石墨提高了材料的耐热性能有关.在300 ℃热暴露条件下，2024基体合金和2024Al/Gr/SiCp复合材料的力学性能快速下降.2024Al及其复合材料的高温拉伸性能随拉伸温度升高而下降，在200 ℃及以下温度抗拉强度较好，250 ℃及以上温度抗拉强度快速下降.高温拉伸和热暴露处理后的2024铝合金基体的断裂机制为韧性断裂，2024Al/Gr/SiCp复合材料的断裂机制为基体韧性断裂及石墨断裂、SiC颗粒与界面分离的混合断裂机制.

关键词：2024Al/Gr/SiC复合材料；热暴露；耐热性能；断裂机制

中图分类号：TG146.21文献标识码：A

颗粒强化铝基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、弹性模量高和热膨胀系数低等优点，已在航空航天、交通领域得到非常广泛的应用[1].随着近年来航空航天工业的迅猛发展对材料提出了更高的要求，为了进一步提高飞行器的性能，开发混合颗粒强化铝基复合材料越来越受到人们的关注[2-4].混合颗粒强化铝基复合材料结合了不同增强相颗粒所带来的优势，使其具有多种独特的性能，例如SiC颗粒与石墨混合强化铝基复合材料不仅具有高弹性模量，还具有良好的耐磨性能和阻尼性能[5-8].2024Al合金属于可热处理强化铝合金，耐热性也比较优异[9].通过在合金中复合添加SiC颗粒和片状石墨，可以进一步提高其模量和阻尼性能，这种混杂增强的 2024Al/Gr/SiCp复合材料在航天飞行器支撑结构件上有重要的应用价值.然而，目前关于 2024Al/Gr/SiCp复合材料耐热性能的报道很少.本文研究 2024Al/Gr/SiCp复合材料的高温拉伸性能及长时间热暴露后的室温力学性能，同时对拉伸断口进行分析，探讨SiC颗粒和石墨对材料的耐热性能的影响.

1实验方法

实验所用的惰性气体雾化2024Al合金粉末、鳞片状石墨和SiC颗粒的形貌如图1所示.2024Al合金粉末的化学成分（质量分数）为3.53%Cu，1.28%Mg，0.2%Fe，余量为Al.石墨和SiC颗粒的加入量分别为3%和10%（质量分数）

采用真空热压粉末锭坯挤压成形法制备了2024Al，2024Al/3Gr，2024Al/3Gr/10SiCp3种复合材料板.采用的挤压温度为470 ℃，挤压比为22∶1，板材的截面尺寸为40 mm×10 mm.

将挤压板材进行峰值时效处理后，分别在150 ℃，200 ℃，250 ℃和300 ℃热暴露不同时间，测量其硬度变化规律及室温拉伸性能.采用HBRVU187.5型布洛维光学硬度计进行布氏硬度测试，加载载荷为612.9 N，保荷时间为30 s，每个试样测试5个点，舍去最大值和最小值后取平均值作为测量值.在Instron3369电子万能试验机上进行室温拉伸性能测试，拉伸速度为0.5 mm/min，每种试样测量3个并取平均值作为测量值，拉伸试样断口形貌在Hitachi S4800型场发射扫描电子显微镜（SEM）上进行观察.金相组织观察在Carl ZeissAxio Lab A1型光学显微镜上进行.

2实验结果

2.1微观组织

图2为 2024Al/Gr/SiCp复合材料分别在150 ℃，200 ℃和300 ℃热暴露48 h后的金相组织.从图中可以看出，2024Al合金及复合材料在不同温度热暴露48 h后，在材料的金相组织中没有观察到明显的变化.2024Al合金粉末颗粒沿挤压方向被拉长，SiC颗粒及石墨均匀分布在基体中，且与基体具有良好的界面结合.比较图2（a）， （d）， （g）和图2（b）， （e）， （h）可以发现，随着热暴露温度的升高，基体合金的晶粒尺寸逐渐增大，这是因为高温下，基体合金中溶质原子的扩散速度加快，导致晶粒和第二相尺寸的增加.图2（c）， （f）， （i）为2024Al/3Gr/10SiC复合材料的金相组织，因SiC颗粒的加入且为挤压变形组织，在进行金相组织时无法腐蚀显现出明显的晶粒，但根据上述结果可以推断其晶粒尺寸变化趋势与基体合金大致相同.此外，复合材料增强相，尤其是硬质SiC颗粒的加入，会阻碍热暴露时晶粒的长大.

2.2硬度曲线

图3为2024Al合金及其复合材料分别在150 ℃，200 ℃，250 ℃和300 ℃热暴露96 h过程中的硬度值随时间延长的变化曲线.从图中可以看出，材料热暴露后的硬度均有所下降，且随着热暴露温度升高，材料硬度下降的幅度增大；在200 ℃时硬度下降的幅度最小，在300 ℃时硬度下降的幅度最大.这是因为热暴露温度越高，溶质原子扩散速度越快，第二相长大或粗化速度也越快，同时晶粒长大的趋势也越明显.在相同温度下，开始阶段材料的硬度下降比较明显，随着保温时间的延长，最后的硬度变化曲线处于平稳状态，几乎不发生改变.比较2024Al/3Gr/10SiC复合材料与2024Al/3Gr复合材料的硬度曲线可见，加了SiC颗粒的复合材料硬度值下降幅度比未加SiC的材料的小.比较2024Al/3Gr复合材料与基体合金的硬度变化曲线发现，随着热暴露温度升高，2024Al/3Gr复合材料硬度下降幅度比2024Al合金基体在相同温度下硬度的下降幅度小.这是因为片状石墨和SiC颗粒与基体合金之间的热膨胀系数存在差异，淬火时会在基体合金中引入大量位错，对材料具有强化作用.

从整体来看，在200 ℃及以下热暴露时，2024Al/Gr/SiCp复合材料的硬度性能曲线比较平稳.含SiC颗粒的复合材料耐热性能最好，含石墨的复合材料耐热性能次之，基体合金的耐热性能最差.在300 ℃热暴露时， 2024Al/Gr/SiCp复合材料的硬度性能曲线下降趋势明显加快.高温下，基体合金中位错攀移、晶粒长大及第二相粗化导致材料的硬度下降的作用比复合增强相的强化作用更明显，所以温度越高，硬度越低.通常AlCuMg系合金的正常服役温度一般在150 ℃以下，超过该温度后，材料的力学性能会下降[9].而本文研究制备的 2024Al/Gr/SiCp复合材料具有较好的耐热性能，主要是因为加入的SiC颗粒和石墨颗粒能够阻碍热暴露过程中的晶粒长大及阻碍位错的运动.