氧化锆增强铝基复合材料的制备及性能研究

摘要：铝合金由于其强度高、质量轻、价格低等多重优势，在汽车制造、航空航天、水下装备等各个领域都极具应用前景。利用机械搅拌铸造方法制备了不同质量分数纳米氧化钇稳定氧化锆（yttrium oxide stabilized zirconia，YSZ）的Al-YSZ复合材料，研究纳米YSZ质量分数对铝基复合材料组织和性能的影响。研究结果表明，添加的纳米YSZ均匀分布在Al基体中，不与Al基体发生反应。同时能够作为异质形核剂细化晶粒，并通过Orowan强化机制提升复合材料的力学性能。添加质量分数为8%的纳米YSZ的复合材料具有较好的强度和塑性。同时，在受到外力作用时，纳米YSZ会发生从四方到单斜的相变，并产生一定的体积膨胀，在吸收能量的同时改善了复合材料内部的晶格畸变，从而提高了铸态复合材料的塑性。

关键词：铝基复合材料；氧化钇稳定氧化锆；铸造；力学性能

中图分类号：TB 333文献标志码：A

Preparation and properties of zirconia-reinforced aluminum matrix composites

ZHANG Peng1，ZU Xiangbo1，LOU Dongge2，JIANG Yeqian1，ZHANG Bing1，ZHANG Ke1

（1.School of Materials and Chemistry，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China;

2.CHINALCO Luoyang Copper Processing Co.，Ltd.，Luoyang 471039，China）

Abstract：Aluminumalloy，due to its multiple advantages such as high strength，lightweight，and cost-effectiveness，holds significant potential for applications in various fields including automotive manufacturing，aerospace，and underwater equipment.Al-yttrium oxide stabilized zirconia（YSZ）composite materials with varying content of nano-YSZ were prepared using the mechanical stir casting method to investigate the influence of nano-YSZ and its mass fraction on the microstructure and properties of aluminum-based composites.The results reveal that the added nano-YSZ is uniformly distributed within the Al matrix without reacting with it.Additionally，it can serve as a heterogeneous nucleating agent for grain refinement and enhance the mechanical properties of the composite materialsthrough the Orowan strengthening mechanism.Composite materials with 8%mass fraction of nano-YSZ exhibit good tensile strength and ductility.This enhancement can be attributed to the tetragonal-to-monoclinic phase transformation of nano-YSZ under external forces，resulting in volumetric expansion and simultaneous absorption of energy，thereby ameliorating lattice distortion within the composite and enhancing its ductility in the as-cast state.

Keywords：aluminum-basedcomposites;yttrium oxide stabilized zirconia;casting;mechanical properties.

铝基复合材料因其独特的低密度、低热膨胀系数、高比强度、高比刚度以及设计灵活等优势得到了广泛的应用和大量的研究[1-2]。为了满足更高的性能、功能及结构等需求，许多不同种类的增强体被用于铝基复合材料的增强，而颗粒增强铝基复合材料是其中最成熟的一个品种。

近年来，研究人员对SiC、碳纳米管、石墨烯、TiB2、Al2O3等材料的关注日益增加，并尝试将它们用于增强铝基复合材料，取得了一定的研究成果[3-8]。陆仕平等[6]研究了TiB2颗粒和铝基体之间的界面润湿性和形核效率，证明了添加一定量的陶瓷颗粒能够提高增强相和Al基体之间的润湿性，并提高形核效率。Huang等[8]采用原位反应法制备了Al2O3和ZrB2纳米颗粒增强7 055 Al基复合材料。研究表明，纳米颗粒相具有阻碍位错运动和钉扎晶界的能力，从而有效强化复合材料。然而，更多研究指出，添加增强相虽提高了复合材料的强度，但却牺牲了其塑性。

ZrO2基陶瓷作为形状记忆陶瓷的代表，可以在四方和单斜结构之间发生可逆的马氏体相变[9]。由此，近年来关于小尺寸形状记忆ZrO2的研究逐渐增多，伴随着许多潜在的应用场景[10-11]。四方相ZrO2由于其相变伴随着体积膨胀（3%～5%）和剪切应变（6%左右），多被用于陶瓷复合材料中的增强增韧[12-15]。鉴于铝基体相对其他金属材料具有更好的韧塑性，在相变过程中良好的流动性，能够更好地适应相变时体积的变化，使得ZrO2/Al界面能够更加有效传递机械载荷，从而提高铝基复合材料的综合性能[16-18]。

本研究选用纳米Y2O3稳定ZrO2（yttrium oxidestabilized zirconia，YSZ）作为增强相，选用纯铝作为基体，以探究YSZ对铝基复合材料组织和性能的影响。鉴于YSZ的加入量对Al-YSZ复合材料力学性能的影响很大，本实验针对Al-YSZ复合材料中YSZ颗粒的含量对材料组织和性能之间的关系进行研究。

1实验材料及方法

1.1实验材料

纯铝锭（四川兰德高科技产业有限公司）；纳米YSZ粉末，如图1所示，平均粒径尺寸为30 nm。成分如表1所示；铝箔，购于生物科技之家。

1.2样品制备

1.2.1 Al-YSZ复合材料制备

首先将纳米YSZ粉末包覆在铝箔中放入200℃的烘箱中加热干燥2 h（注意将粉末平铺开以使其受热均匀）。将纯铝锭置于坩埚电阻炉中，逐渐升温至700℃。待坩埚中的铝锭完全熔化后，用样品钳将预热过的纳米YSZ粉末连同铝箔一起置于熔体中，保温5 min。随后使用扇叶电动搅拌器搅拌5 min，搅拌过程中不加热，搅拌转速为300 r/min。搅拌后再静置5 min，随后将熔体浇铸到在200℃烘箱中预热过的铸铁模具中，开模后将复合材料在常温水中淬火，得到含纳米YSZ质量分数分别为0、1%、2%、4%、8%、16%的Al-YSZ复合材料。

1.3性能测试与表征

物相测试：采用D8 Advance X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD）对抛光样品表面扫描，扫描模式为连续扫描，步长为0.02，扫描速度为5（°）/min。

金相组织观察：利用线切割切出小块样品，逐步用80#、400#、800#、1 500#、3 000#、5 000#、7 000#砂纸进行打磨，随后用粒度为2μm的金刚石抛光剂进行粗抛，最后用MgO抛光膏在海绵垫上进行精抛。抛光好的试样用凯勒试剂（HF、HCl、HNO3和H2O的体积比为1.0：1.5：2.5：95.0）进行腐蚀，用无水乙醇冲洗干净后利用电吹风快速吹干即可观察。Al-YSZ复合材料需要在凯勒试剂中腐蚀2 min及以上。

微观形貌观察：利用FEI Quanta 450场发射扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察样品的形貌。

维氏硬度测试：抛光后样品可用于硬度测试。采用维氏显微硬度仪，使用50 g外部载荷压力，保压时间15 s，每个样品取5个点后计算平均维氏硬度。

力学性能测试：利用线切割切出拉伸试样并进行打磨。采用万能材料拉伸机在室温条件下进行拉伸，拉伸速率设置为2.5 mm/min。

2实验结果及分析

2.1铸态Al-YSZ复合材料

2.1.1 XRD分析

图2为Al-YSZ复合材料的XRD谱图。从图2中可以看出Al相为主峰，表明复合材料的基体为Al。在纳米YSZ粉末质量分数较小时，基本检测不到ZrO2的峰。随着质量分数增加到2%以上开始检测到ZrO2的峰，并且随着纳米YSZ的质量分数增加，峰呈现逐渐增强的趋势，证明了纳米YSZ粉末存在于基体当中。理论上在其他位置也应该能检测到ZrO2微弱的峰，但可能由于纳米YSZ粉末的尺寸较小而导致衍射峰宽化效应，使其衍射峰难以从基线分离[19]。从图中并未检测到其他物质的峰，证明Al和纳米YSZ粉末并未发生反应，同时也没有其他杂质的引入，保证了复合材料的纯净。

2.1.2光学显微组织分析

图3为Al-YSZ复合材料的金相组织图。由图3可知，复合材料的铸态组织整体良好，没有明显的大面积铸造缺陷，但仍存在一些黑色点状，可能为铸锭组织的缩孔。随着纳米YSZ粉末质量分数的增加，复合材料的晶粒始终为等轴晶状，与纯铝的晶粒一致。这表示，纳米YSZ粉末的加入并未改变复合材料的晶粒形状。晶粒统计结果如图4所示。随着纳米YSZ粉末质量分数的逐步增加，可以明显观察到复合材料晶粒的细化，添加纳米YSZ粉末质量分数为8%以及16%的复合材料晶粒细化最为明显。这是由于一方面，纳米YSZ不与Al基体发生反应，而是单独作为异质形核剂起到形核的作用，这有利于晶粒的细化；另一方面，随着纳米YSZ粉末质量分数的增加，晶界上的纳米YSZ粉末逐渐增多，从而阻碍了晶界的长大，导致晶界加宽，从而起到细化晶粒的作用[20-21]。

2.1.3 SEM形貌分析

为了进一步对复合材料中纳米YSZ粉末的分布和形态进行深入分析，分别对纳米YSZ粉末质量分数为8%和16%的Al-YSZ复合材料进行了形貌分析。从图5（a）中可以看到，Al-8%YSZ复合材料中的纳米YSZ粉末均匀分布在基体上。这种细小的颗粒物质可作为载荷传递的硬质相，起到优异的强化作用，从而提升复合材料的强度、维氏硬度和弹性模量。图5（b）为Al-16%YSZ复合材料的扫描图。从图5（b）中可以看出过量的纳米YSZ粉末会团聚在复合材料的晶界处，这种团聚现象一定程度上会导致材料的塑性严重下降[22]。

2.1.4力学性能分析

图6为铸态Al-YSZ复合材料的维氏硬度。随着纳米YSZ粉末质量分数的不断增加，复合材料的维氏硬度呈现上升趋势。当纳米YSZ粉末的质量分数为8%时，复合材料的维氏硬度达到30；升高至16%时复合材料的维氏硬度提升至31。这是由于随着纳米YSZ粉末质量分数的增加，硬质颗粒在基体中分散，起到了一定承受载荷的作用，从而提高了复合材料的维氏硬度。

图7为铸态Al-YSZ复合材料的拉伸曲线图。从图中可以看出复合材料的抗拉强度和伸长率随着纳米YSZ粉末质量分数的增加都有所提高。纳米YSZ粉末质量分数为8%的复合材料的强度和伸长率分别达到68.1 MPa和35.71%。这是由于：一方面，纳米YSZ粉末的加入细化了晶粒尺寸，晶粒的细化对复合材料的强度有所提高；另一方面，弥散在基体上的硬质点发挥了显著的Orowan强化机制，阻碍了位错运动，提高了滑移变形阻力，导致材料的强度升高。

但与大多数增强相不同的是，纳米YSZ粉末质量分数的提高不仅没有降低复合材料的伸长率，同时还有一定的提升。这是由于在材料变形时伴随着纳米YSZ粉末由四方相到单斜相的马氏体相变，而这种相变通常伴随着较大的体积变化（4%～5%），体积变化不仅会吸收一部分能量，还可能会对周围的铝基体产生一定的压应力[9]，从而抵消在拉伸时的部分拉应力，达到提高伸长率的效果。

尽管如此，当纳米YSZ粉末的质量分数为16%时，复合材料的伸长率明显下降。如图5（b）所示，过量的纳米YSZ粉末在熔炼时极易团聚在复合材料的晶界处，从而导致其伸长率的下降。

2.1.5拉伸断口形貌分析

图8为铸态复合材料的拉伸断口形貌图。从图8中可以看出，添加质量分数为1%YSZ的复合材料的断口呈现出小而浅的断口韧窝，并伴随着撕裂棱和解理台阶，表明复合材料的伸长率较差。随着YSZ质量分数的增加，复合材料断口的韧窝逐渐变大变深，韧窝数量逐渐增多，较为密集，这表明了复合材料强度提升的同时仍然保留有较好的伸长率。而添加质量分数为16%YSZ的复合材料的断口呈现准解断裂，宏观断口较为平整，韧窝数量减少，出现了明显的撕裂棱和河流花样，表明了复合材料伸长率的下降。

3结论

（1）纳米YSZ不与Al基体发生反应，而是单独存在于复合材料的基体中。

（2）随着纳米YSZ质量分数的提高，纳米YSZ均匀分布在基体中并钉扎在晶界处，复合材料的强度和塑性逐渐提高。而进一步提高纳米YSZ的添加量后，在复合材料晶界处出现大量团聚的现象，降低了复合材料的力学性能。

（3）纳米YSZ粉末的加入通过细化晶粒，Orowan强化和传递载荷等共同作用，提高了复合材料的强度和硬度。同时，由于纳米YSZ粉末的四方−单斜相变，在吸收变形产生的能量的同时，改善了材料内部的应力应变情况和晶体缺陷，从而提高复合材料的伸长率。

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（编辑：何代华）