劉冀念，董蓉樺，劉 炎，劉永星

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094；2.北京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100081；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

高體積分?jǐn)?shù)SiCp/7075Al復(fù)合材料的時效析出行為

劉冀念1，2，董蓉樺3，劉 炎3，劉永星3

（1.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094；2.北京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100081；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

高體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒增強(qiáng)7系鋁基復(fù)合材料（SiCp/7XXXAl）具有高比強(qiáng)度比剛度等特點(diǎn)，因此適宜作為結(jié)構(gòu)件在航空航天、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用。本文采用壓力浸滲法制備了45vol.％的SiCp/7075Al復(fù)合材料，并對復(fù)合材料和基體合金的時效行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。DSC分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的η′相和η相的放熱峰分別比基體7075合金降低了4.4℃和0.5℃。復(fù)合材料與7075鋁合金達(dá)到峰時效的時間均為9h，峰時效時復(fù)合材料與基體7075鋁合金的硬度分別提高了38.7％（從213.4到296HB）和107.6％（從98.2到203.9HB）。顆粒的加入使得基體中的位錯密度顯著增加，這有利于析出相的形核。但另一方面，合金元素在界面的偏聚會抑制析出相的析出。因此，SiCp/7075Al復(fù)合材料的析出行為是兩方面共同作用的結(jié)果。

TG金屬基復(fù)合材料;時效;析出;超強(qiáng)鋁合金;力學(xué)性能

1 引 言

金屬基復(fù)合材料（MMCs）是在金屬基體中加入增強(qiáng)體，從而彌補(bǔ)基體金屬某些方面的不足并使之獲得特殊的性能，例如高比剛度，高比強(qiáng)度，低熱膨脹系數(shù)，良好的耐磨性等［1-7］。SiCp/Al復(fù)合材料由于生產(chǎn)成本低，制造工藝簡單，從而成為金屬基復(fù)合材料研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)成功地在航空航天、汽車、精密儀器及電子設(shè)備等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

目前對SiCp/7XXXAl復(fù)合材料的研究還僅限于低體積分?jǐn)?shù)（5％～25％），制備方法也局限于粉末冶金、攪拌鑄造等。例如R.Sankar等［8］用機(jī)械合金化的方法制備出體積分?jǐn)?shù)為15％的SiCp/7075 Al復(fù)合材料，在基體中發(fā)現(xiàn)有MgZn2和Cu Al2生成，在界面上并沒發(fā)現(xiàn)有Al4C3生成。KON BAE LEE等［9］在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，用無壓浸滲的方法制備出粒徑20μm、體積分?jǐn)?shù)10％的SiCp/7075 Al復(fù)合材料?；w中Mg和Zn的存在，不但提高了合金液對顆粒的潤濕性，更促進(jìn)了浸滲的速度。這些研究發(fā)現(xiàn)低體積分?jǐn)?shù)的SiCp/7XXXAl復(fù)合材料表現(xiàn)出比商業(yè)鋁合金更好的拉伸強(qiáng)度，展現(xiàn)了SiCp/7XXXAl復(fù)合材料的優(yōu)異性能。高體積分?jǐn)?shù)SiCp/7XXXAl復(fù)合材料與低體積分?jǐn)?shù)相比，將能夠提供更高的比剛度、比強(qiáng)度，然而高體積分?jǐn)?shù)SiCp/7XXXAl復(fù)合材料制備難度高，因此研究十分匱乏。同時SiCp/7XXXAl復(fù)合材料的時效熱處理工藝通常采用基體鋁合金的工藝參數(shù)，忽略了顆粒的加入帶來的組織變化。因此，研究SiC顆粒增強(qiáng)7系鋁合金的時效析出行為對優(yōu)化工藝參數(shù)，提高航空用鋁合金的性能有著至關(guān)重要的作用。

對于SiCp/7XXXAl復(fù)合材料的時效行為，目前的研究說法不一。滕杰［10］、徐海燕［11］、張福全［12］、袁武華［13］、ZHANG YONG［14］等人的研究表明對于低體積分?jǐn)?shù)SiCp/7075Al復(fù)合材料，顆粒的加入在一定程度上加快了時效的進(jìn)程，復(fù)合材料比基體合金提前達(dá)到峰時效狀態(tài)。Hong和Gray［15］等人的結(jié)論正好相反，他們發(fā)現(xiàn)顆粒加入后時效滯后了，這是由于界面上的MgO和基體中的Mg2Si對7075鋁合金的析出相η′、η（MgZn2）有抑制作用，這使得析出相的數(shù)量減少，從而使得時效滯后。這些結(jié)論的矛盾正說明目前對于SiCp/7075Al復(fù)合材料的時效行為還有待進(jìn)一步的研究。

本文采用擠壓鑄造的方法成功制備了高體積分?jǐn)?shù)（45％）的SiCp/7075Al復(fù)合材料。研究了高體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒的加入對復(fù)合材料時效析出行為、微觀組織和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果將為優(yōu)化高體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒增強(qiáng)7系鋁合金的工藝參數(shù)，提高材料的強(qiáng)度提供數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

采用擠壓鑄造法制備SiCp/7075Al復(fù)合材料：SiC顆粒平均粒徑為5μm，體積分?jǐn)?shù)45％;基體為7075鋁合金。圖1為SiCp/7075Al復(fù)合材料鑄態(tài)下的微觀組織。

圖1 SiCp/7075Al復(fù)合材料的金相組織Fig.1 Metallographic structure of SiCp/7075Al composite

2.2 試驗(yàn)方法

對復(fù)合材料采用的熱處理工藝為在鹽浴爐中470℃保溫1h，水淬，150℃進(jìn)行時效處理，最長保溫100h。示差掃描量熱（DSC）分析設(shè)定溫度為從20℃升至500℃，升溫速率為10℃/min。拉伸試驗(yàn)在電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)（Instron-5569）上進(jìn)行，加載速率0.5mm/min，引伸計(jì)的標(biāo)距長度為10mm。采用透射電鏡（Tenai G2F30）對復(fù)合材料中的界面、位錯和析出相進(jìn)行觀察。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 時效過程中7075鋁合金及其復(fù)合材料的DSC分析

圖2為7075鋁合金及其復(fù)合材料的DSC曲線，從中可以看出，基體和復(fù)合材料都有三個放熱峰和一個吸熱峰。1、2、3分別對應(yīng)的是GP區(qū)、η′相和η相的析出導(dǎo)致的放熱峰;4代表η相的溶解吸熱峰。鋁合金和復(fù)合材料的GP區(qū)放熱峰是一致的，這說明顆粒對合金元素的偏聚過程影響不大。而復(fù)合材料η′相和η相的放熱峰分別比基體合金降低了4.4℃和0.5℃，這是由于顆粒加入后在基體中引入高密度的位錯，為η′相和η相的生長提供了更多的形核位置導(dǎo)致的。顆粒的加入還同時導(dǎo)致基體合金溶解范圍的擴(kuò)大，使得復(fù)合材料η相的溶解峰比基體合金低38.2℃。

從圖中還可以看出復(fù)合材料的峰值要低于鋁合金，這是由于復(fù)合材料中只有55vol.％的7075基體對熱流有貢獻(xiàn)，因此相比于7075鋁合金的峰值有所降低。

圖2 DSC分析結(jié)果 （a）7075鋁合金淬火態(tài);（b）SiCp/7075Al復(fù)合材料淬火態(tài)Fig.2 DSC analysis results （a）7075 alloy as quenched;（b）SiCp/7075Al composite as quenched

3.2 時效過程中7075鋁合金及其復(fù)合材料的硬度

圖3給出了7075鋁合金和SiCp/7075Al復(fù)合材料在150℃時效的硬度曲線。7075鋁合金和SiCp/ 7075Al復(fù)合材料在150℃時效時，硬度曲線的規(guī)律是一致的。首先，隨著時間的延長，硬度逐漸增大，隨后達(dá)到峰時效平臺，最后達(dá)過時效硬度逐漸降低。7075鋁合金及其復(fù)合材料達(dá)到峰時效的時間均為9h，硬度分別為203.9HB和296HB。顆粒的加入顯著提升了復(fù)合材料的硬度，峰時效時，復(fù)合材料的硬度相比于基體合金提高了45.2％。雖然鋁合金和復(fù)合材料都是在9h達(dá)到了峰時效，這與復(fù)合材料的DSC結(jié)果略有不同，但是考慮到時效硬度是每隔一小時取一個試樣，因此復(fù)合材料的峰值硬度很可能比基體鋁合金略有提前，只是在本實(shí)驗(yàn)的硬度曲線上沒有體現(xiàn)出來。這個推斷通過后續(xù)的微觀組織分析能夠得到驗(yàn)證。

3.3 時效工藝對SiCp/7075Al復(fù)合材料微觀組織的影響

圖4是7075鋁合金淬火態(tài)、峰時效和過時效的透射組織照片及其對應(yīng)的衍射斑點(diǎn)。從圖a中可以看出，鋁合金淬火后產(chǎn)生了部分位錯，這些位錯為時效過程中析出相的析出提供了有利的形核位置。從淬火態(tài)對應(yīng)的斑點(diǎn)（圖d）中可以看出，只有純凈的鋁的斑點(diǎn)，這說明合金元素還固溶在鋁基體中，還沒有熱量的輸入來促使GP區(qū)形核。圖b是峰時效時鋁合金的形貌，可以看出已經(jīng)析出了大量細(xì)小彌散的析出相，經(jīng)Nano Measure軟件計(jì)算，峰時效時析出相尺寸在3～8nm之間，平均值為5nm。其對應(yīng)的斑點(diǎn)（圖e）中發(fā)現(xiàn)了η′相和η相的斑點(diǎn)，但是此時η′相的斑點(diǎn)比較強(qiáng)，說明η相并不是主要的析出相。η′相與基體是半共格，從而產(chǎn)生應(yīng)力畸變區(qū)，產(chǎn)生強(qiáng)化，并且η′相能對位錯產(chǎn)生釘扎作用，因此此時的硬度達(dá)到最高值。圖c為過時效的微觀組織，過時效時η相成為了主要的析出相，這從對應(yīng)的斑點(diǎn)中即可以看出（圖f）。η相呈棒狀，長度近40nm，與基體不共格。析出相長大以及應(yīng)力場的釋放導(dǎo)致了鋁合金硬度的下降。

圖5是SiCp/7075Al復(fù)合材料在淬火態(tài)和150℃峰時效的顯微組織。圖a為復(fù)合材料的淬火態(tài)組織，與鋁合金相比，位錯密度有很大的提升，這主要是由于顆粒與基體的熱膨脹系數(shù)相差很大，在淬火時產(chǎn)生熱錯配應(yīng)力導(dǎo)致的。圖c對應(yīng)的斑點(diǎn)中只有鋁的衍射，同樣沒有發(fā)現(xiàn)GP區(qū)的斑點(diǎn)。圖b的峰時效的析出相與鋁合金的尺寸相當(dāng)，分布均勻。圖d的衍射中可以看出主要的析出相還是η′相。Hong和Gray［14］等人的研究發(fā)現(xiàn)顆粒加入導(dǎo)致時效的滯后，主要是由于界面上的MgO和基體中的Mg2Si對7075鋁合金的析出相η′、η（MgZn2）有抑制作用，這使得析出相的數(shù)量減少，從而使得時效滯后。

從圖5中還可以看出，界面中沒有生成MgO，基體中也沒有Mg2Si生成，這與Hong等人的研究不同。同時有文獻(xiàn)表明在晶界或者界面處的能量較高，合金元素容易向界面處運(yùn)動，會在界面處形成一定程度的偏聚現(xiàn)象［14］，這對基體的析出也會有一定的抑制作用。但是，顆粒能使基體中位錯密度升高，有利于η′和η的形核，又促進(jìn)了基體的析出。綜合這兩方面因素，導(dǎo)致了復(fù)合材料的析出略有提前。這與前文DSC和時效硬度峰的結(jié)論也是相符合的。

圖4 7075Al的時效組織（a）和（d）淬火態(tài);（b）和（e）峰時效;（c）和（f）過時效Fig.4 Microstructure of aged 7075 alloy（a）and（d）As quenched;（b）and（e）Peak aged;（c）and（f）over aged

圖5 SiCp/7075Al復(fù)合材料的時效組織（a）和（c）淬火態(tài);（b）和（d）峰時效Fig.5 Microstructure of aged SiCp/7075Al composite（a）and（c）As quenched;（b）and（d）peak aged

4 結(jié) 論

本文通過擠壓鑄造法成功制備了SiC體積分?jǐn)?shù)為45％，顆粒平均粒徑為5μm的SiCp/7075Al復(fù)合材料。并對復(fù)合材料以及基體7075鋁合金的時效行為進(jìn)行了研究，結(jié)果如下：

1.通過DSC測試發(fā)現(xiàn)，高體積分?jǐn)?shù)SiCp/7075Al復(fù)合材料的η′相和η相的析出溫度比基體合金分別降低了4.4℃和0.5℃。對復(fù)合材料的時效處理應(yīng)該采用比鋁合金稍低的溫度。

2.通過采用合理的時效處理工藝，本研究所制備的高體積分?jǐn)?shù)SiCp/7075Al復(fù)合材料的硬度較基體合金提升了45.2％（由203.9 HB提升至296HB）。

3.通過7075鋁合金和復(fù)合材料的時效組織對比發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的淬火態(tài)位錯密度比鋁合金有明顯提升，有利于析出相的形核;但是合金元素會有一定程度的界面偏聚，這種偏聚會抑制復(fù)合材料的析出。綜合這兩種因素導(dǎo)致了復(fù)合材料在宏觀時效過程中峰時效略有提前。

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Aging Behavior of High Volume Fraction SiCp/7075Al Composites

LIU Ji-nian1，2，DONG Rong-hua3，LIU Yan3，LIU Yong-xing3
（1.China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China;2.Beijing Institute of Technology，Materials Science and Engineering，Beijing 100081，China;3.Harbin Institute of Technology，Materials Science and Engineering，Harbin 150001，China）

High volume fraction SiC particle reinforced 7XXX alloy composites（SiCp/7XXXAl）are suitable for application as structural component in aerospace and automobile industries，due to their high specific strength and specific stiffness.In this paper，45 vol.％SiCp/7075Al composite was prepared by pressure infiltration method.The microstructure and aging behavior of Al alloy matrix and composite were investigated systematically.DSC results show that the exothermic peak ofη′andηin composites are reduced by 4.4℃and 0.5℃relative to 7075 alloy，respectively.The time to reach the aging peak for SiCp/7075Al composite and 7075 alloy was the same（9 hrs）.At the aging peak，the hardness of SiCp/7075Al composite and 7075 alloy have been increased by 38.7％（from 213.4 to 296HB）and 107.6％（from 98.2 to 203.9HB）respectively.It is believed that addition of SiC particles to high volume fraction makes the dislocation density of matrix increase significantly，which thus can accelerate the nucleation of precipitate.On the other hand，the segregation of alloying elements may inhibit the precipitation during aging treatment.Therefore，the aging behavior of the SiCp/7075Al composite is a comprehensive effect of the above two aspects.

Metal matrix composites;Aging behavior;precipitate;Ultrahigh strength Aluminum alloy; Mechanical properties

TB333

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.004

1673-2812（2016）03-0357-05

2015-04-02;

2015-06-15

劉冀念（1973-），男，副研究員;E-mail：zszdrh0401@163.com。