喷射成形制备建筑用硅质岩/A356复合材料的组织与力学性能

李奎，张照方，马楠，李明

喷射成形制备建筑用硅质岩/A356复合材料的组织与力学性能

李奎1，张照方1，马楠2，李明3

(1. 河南建筑职业技术学院 土木工程系，郑州 450064；2. 中原工学院 信息商务学院，新郑 450007；3. 河南省建筑科学研究院有限公司，郑州 450064)

采用喷射成形法制备A356铝合金和硅质岩颗粒增强A356铝基复合材料(硅质岩颗粒的质量分数为4.5%)，对比了2种材料的界面组织、基体结构和力学性能。结果表明：所有硅质岩颗粒都在喷射成形阶段被捕获，并均匀分布于基体材料中。硅质岩颗粒在铝基体内形成良好的镶嵌结构，双喷电解时未发生脱落。距离颗粒/基体界面较近区域内形成较多位错，靠近界面的铝基体内Si含量较高，其余元素的含量基本保持不变。加入硅质岩颗粒后，合金的抗拉强度从603 MPa提高到662 MPa，伸长率从3.52%提高到3.92%。A356合金和硅质岩/A356复合材料均为韧性断裂，后者的拉伸断口存在硅质岩颗粒拔出后形成的凹坑，同时产生很多碎屑。

硅质岩颗粒；铝基复合材料；微观组织；界面结构；力学性能

硅质岩纤维是一种比强度大、不易磨损、化学性质稳定的纤维材料，在多种树脂基材料中发挥重要作用，在隔热保温材料，尤其是建筑结构保温墙中得到广泛应用[1−3]。近年来有学者添加硅质岩纤维制备铝基复合材料[4−6]。例如，谢雨凌[7]选择硅质岩纤维作为增强体，通过压力浸渗工艺制得A356铝基复合材料，对硅质岩纤维和铝基体界面反应过程进行了分析，并研究了界面结合性能的影响因素。WANG等[8]通过压力浸渗法制得硅质岩纤维增强A356铝基复合材料，材料的延展性随纤维含量增加而下降。高文理[9]采用喷射共沉积法制备SiCp/2024铝基复合材料，发现升高温度和经过长时间热处理后，纤维强度大幅降低。LI等[10]对硅质岩短纤维实施镀铜处理，使纤维和铝基体之间达到更优的结合。丁浩等[11]采用交替叠层的方式使硅质岩纤维和Al-12Si合金箔形成三明治结构，之后进行真空压力浸渗处理，在温度为660℃并施加10 MPa压力条件下浸渗10 min，得到致密的硅质岩纤维/Al基复合材料，形成明显的分层结构，并出现相互垂直排列的硅质岩纤维分布形态。栾建泽等[12]将铝合金−硅质岩纤维增强树脂复合材料应用于汽车制造工业，制备铝合金BFRP接头，对其进行老化测试发现，随低温老化时间延长，接头的拉伸失效断面区域内撕裂纤维减少，接头的失效强度降低。喷射成形法制备金属材料，由于快速凝固的作用，材料成分均匀，组织细化，无宏观偏析，沉积效率高，已成为新材料开发与应用的一个热点。本文以硅质岩颗粒作为增强体，采用喷射成形法制备建筑墙体用A356铝基保温复合材料，研究硅质岩颗粒对该材料组织与力学性能的影响，为工业化生产硅质岩颗粒增强铝基复合材料提供理论参考。

1 实验

1.1 材料制备

首先以Al-40Zn，Al-20Cu与Al-50Mg合金为原料，采用熔炼法制备A356铝合金。用石墨坩埚实施熔炼，熔炼温度为950 ℃，整个熔炼阶段都通入N2进行保护。精炼处理后，再加热使熔体温度升至900 ℃，利用密封流道将熔体浇铸到经过预热处理的石墨坩埚中，浇铸工艺参数如下：合金液送料速度为2 m/min，下注速度为1.85 m/min，浇铸30 min。所得A356铝合金铸锭的成分为Al-6.1Zn-2.4Mg-1.6Cu，Si与Fe的含量低于0.2%(质量分数)，铸锭尺寸为200 mm×200 mm×80 mm。

硅质岩来自于河南淅川西簧—下集地区寒武系统，通过球磨机研磨成颗粒。表1所列为硅质岩颗粒的化学成分，图1所示为硅质岩颗粒的SEM形貌，粒径在2~10 μm范围内。硅质岩颗粒的表观密度为2.68 g/cm3，能够承受的使用温度范围为12~924 K。

表1 硅质岩颗粒的化学成分

图1 硅质岩颗粒的SEM形貌

利用WC-15大型喷射成形设备制备硅质岩颗粒增强A356复合材料，雾化压力为0.3~0.55 MPa，喷枪夹角为20，喷枪与模具的距离为350 mm。将A356铝合金铸锭加热至950 ℃，然后经密封流道浇入已预热至300 ℃的石墨坩埚中，再通过直径为5 mm 的导液管流出。通过送粉设备将硅质岩颗粒传输到雾化器内，并通入高压N2使其达到均匀的混合状态。在圆形316L不锈钢基板上沉积直径为100 mm、长度为250 mm的圆柱形硅质岩/A356铝基复合材料。考虑到实际墙体用保温材料的组成，确定硅质岩颗粒的含量(质量分数)为4.5%。采用相同的方法制备A356铝合金。将A356铝合金和硅质岩/A356复合材料先进行600 ℃ /2 h固溶处理+淬火，然后再250 ℃/12 h时效+空冷 处理。

1.2 性能测试

利用HeliosNanolab600i扫描电镜(SEM)观察A356合金和硅质岩/A356复合材料的微观组织与形貌，INCAO- XFORD能谱仪(EDS)表征材料的元素组成。用Titan G260−300透射电镜(SEM)观察材料的微观结构，通过机械打磨将透射电镜试样减薄到80 μm，再实施双喷电解，电解液由硝酸与甲醇按体积比1:3混合而成。用DA-300M密度测试仪测定材料的密度。按照GB/T 1039—1992标准，利用Instron3369拉伸试验机测定材料的拉伸性能，控制拉伸速度为1.2 mm/min，拉伸试样尺寸如图2所示。

图2 拉伸试样尺寸

2 实验结果

2.1 显微组织

图3所示为喷射成形法制备的A356铝合金和硅质岩/A356铝基复合材料的SEM形貌。由图可见，A356合金内存在微小孔隙，其相对密度接近94.2%。硅质岩/A356复合材料的相对密度为95.8%，硅质岩颗粒弥散分布于基体铝合金中，未产生颗粒团聚现象，颗粒尺寸基本都在2~10 μm范围内，与所用硅质岩颗粒的尺寸一致，这表明喷射成形过程中所有颗粒都被捕获并在基体内均匀分布。此外还发现，基体内存在微孔，而增强颗粒和基体组织形成紧密结合。

图3 A356合金和硅质岩/A356复合材料的SEM形貌

(a) A356 alloy; (b) Siliceous rock/A356 composite

2.2 界面结构

图4所示为硅质岩/A356复合材料的TEM图。从图4(a)可见硅质岩颗粒在基体中形成良好的镶嵌结构，对材料进行双喷电解时硅质岩颗粒未发生脱落，表明颗粒和铝基体形成强力结合。距离颗粒/基体界面较近的区域内形成较多位错，位错源主要位于硅质岩颗粒和A356铝基体的结合界面处。图4(c)所示为硅质岩颗粒与基体合金的界面形貌，图中的 A，B和C区域分别为硅质岩颗粒、界面和靠近界面的A356基体侧，可见硅质岩/A356复合材料形成了明显的界面区域。

图4 硅质岩颗粒/A356铝基复合材料的TEM图

(a) Siliceous rock particles; (b) Interface; (c) Matrix side

对图4(c)中的硅质岩颗粒、A356基体侧及其界面进行EDS元素含量分析，结果列于表2。从表2可知，靠近界面的铝基体内(C区域)Si含量较高，其余各元素的含量基本不变，未检测出K和Na。相比之下，界面处(B区域)的Si含量显著降低，同时Al含量增加。界面和硅质岩颗粒内的元素含量存在较大差异，硅质岩颗粒中的SiO2和铝基体在高温下发生反应生成Al2O3，因此界面区域的Al含量明显高于硅质岩颗粒内的Al含量。虽然Si与Al不发生反应，但由于Si存在浓度梯度，会向Al组织中扩散，从而提高铝基体内的Si含量，同时界面处的Si含量降低。

表2 硅质岩颗粒、界面及A356基体侧的EDS元素分析结果

2.3 力学性能

图5所示为对A356合金和硅质岩/A356复合材料的拉伸应力−应变曲线，对应的拉伸性能列于表3。由表3可知，与A356铝合金比，加入硅质岩颗粒作为增强体的铝基材料具有更高的抗拉强度与伸长率，抗拉强度从603 MPa提高到662 MPa，伸长率从3.52%增大至3.92%。图6所示为A356合金和硅质岩/A356复合材料的拉伸断口SEM形貌。可见这2种材料都发生韧性断裂，断面平整，形成众多韧窝。硅质岩/A356复合材料内形成了硅质岩颗粒拔出而留下的凹坑，同时产生很多碎屑，经分析认为此类碎屑是由于拔出硅质岩颗粒期间铝基体破碎而产生的。由于硅质岩颗粒和铝基体之间形成很强的结合面，由此提升了两者的结合强度，引起靠近硅质岩颗粒区域的铝组织发生塑性变形。

表3 A356铝合金和硅质岩/A356复合材料的拉伸性能

图5 A356铝合金和硅质岩/A356复合材料的应力−应变曲线

图6 A356合金和硅质岩/A356复合材料的拉伸断口SEM形貌

(a) A356 alloy; (b) Siliceous rock/A356 composite

3 结论

1) 采用喷射成形工艺制备A356铝合金和硅质岩颗粒增强A356复合材料，A356铝合金存在孔隙，致密度约为94.0%；硅质岩颗粒均匀分布在基体材料中，硅质岩/A356复合材料的相对密度为95.8%。

2) 硅质岩颗粒在铝基体内形成良好的镶嵌结构，颗粒与基体紧密结合。基体内距离界面较近的区域形成较多位错。与远离界面的铝基体组织相比，靠近界面的铝基体内Si含量更高，其余元素的含量基本不变。

3) 与A356铝合金比，硅质岩/A356复合材料具有更高的抗拉强度与伸长率，抗拉强度从603 MPa提高到662 MPa，伸长率从3.52%增加至3.92%。这2种材料都发生韧性断裂，硅质岩/A356复合材料的拉伸断口表面有凹坑，并产生许多碎屑。

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Microstructure and mechanical properties of siliceous rock/A356 composites for construction prepared by spray forming

LI Kui1, ZHANG Zhaofang1, MA Nan2, LI Ming3

(1. Henan Vocational College of Architecture, Department of Civil Engineering, Zhengzhou 450064, China; 2. School of Information and Business, Zhongyuan University of Technology, Xinzheng 450007, China; 3. Henan Institute of Building Science Co., Ltd., Zhengzhou 450064, China)

The A356 aluminum alloys and siliceous rock particles reinforced A356 aluminum matrix composites (mass fraction of siliceous rock particles is 4.5%) were prepared by spray molding. The interface structure, aluminum matrix structure and mechanical properties were compared. The results showed that all of the siliceous rock particles could be captured and uniformly distributed in the aluminum matrix during the spray forming. The siliceous rock particles formed a good mosaic structure in the aluminum matrix, and did not fall off during the double-spray electrolysis. Many dislocations were formed in the area close to the particle/matrix interface. The Si content in the Al matrix near the interface was higher, while the amount of other elements remained unaltered. Compared with A356 aluminum alloy, the tensile strength of siliceous rock/A356 composites increased from 603 MPa to 662 MPa, and the elongation increased from 3.52% to 3.92%. Both of the A356 alloy and siliceous rock/A356 composite were ductile fracture. The tensile fracture surface of siliceous rock/A356 composites was pitted by the pulled-out grains of siliceous rock, and many debris were generated.

siliceous rock particles; aluminum matrix composites; microstructures; interface structure; mechanical properties

TG146.2

A

1673-0224(2020)04-358-05

国家自然科学基金资助项目(51679092)；河南省高等学校重点科研项目(18B4134002)

2020−02−08；

2020−05−05

李奎，讲师，硕士。电话：0731-55176250；E-mail: maoya97685lx@126.com

(编辑 汤金芝)