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C顆粒對Cp/AZ91D復合材料鑄態(tài)顯微組織的影響

2020-11-02 02:45:00宋文婷張素卿劉科高
山東科學 2020年5期
關鍵詞:鑄態(tài)熔體晶粒

宋文婷,張素卿,劉科高

(1.山東建筑大學 材料科學與工程學院,山東 濟南 250101;2.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)山東省科學院新材料研究所 山東省輕質高強金屬材料重點實驗室,山東 濟南 250014)

鎂合金作為密度最小的金屬結構材料,具有比剛度高,減震減噪性能、力學性能和物理性能優(yōu)異等特點[1-4],在航空航天、電子產(chǎn)品和軍事等很多領域應用廣泛[5]。然而,因鎂合金強度低、塑性差,在諸多場合的應用受到限制。通過添加增強相,制備鎂基復合材料可使得這一本質特征得以改善。鎂合金中常用的增強相有SiC,TiC,Al2O3,AlN,CNTs,GNPs,Cp等[6-7],其中,CNTs,GNPs,Cp等碳質增強相對鎂基復合材料有較好的強化效果[8],成為近幾年的研究熱點。

Cp作為日益受歡迎的鎂基復合材料,其增強相有很大的優(yōu)勢,與其他增強相相比,Cp密度低、價格低廉,并且具有優(yōu)異的力學、光學、電學、熱學性能[9]。目前比較常用的制備技術主要有粉末冶金[10]、攪拌鑄造[7]、擠壓鑄造[11]、自蔓延合成法[12]、復合鑄造[13]等工藝方法。但目前制備工藝還是存在很多問題,Cp密度比較小,且顆粒間的范德瓦耳斯力容易造成Cp的團聚,形成復合材料組織缺陷,進而影響其性能。如何保證Cp在鎂合金中均勻分布,并且盡可能引入更高質量分數(shù)的Cp,是目前制備Cp/AZ91D復合材料的難點之一。為解決上述問題,本文通過復合鑄造工藝制備了組織細小均勻的Cp/AZ91D復合材料,具體研究了C顆粒添加制備Cp/AZ91D復合材料的鑄造工藝參數(shù),根據(jù)實驗結果研究了C顆粒對于凝固行為的影響,并對其影響機理展開分析。結果表明,本文方法有效提高了Cp/AZ91D復合材料中Cp的添加量,解決了Cp分布不均勻造成組織性能缺陷的問題。

1 實驗材料及方法

1.1 Cp/AZ91D復合材料制備

本實驗所用的原材料為商用AZ91D的鑄錠和亞微米級石墨顆粒(青島騰盛達碳素有限公司)。圖1所示為10 000目Cp的SEM(Zeiss Evoma10型)圖。Cp呈不規(guī)則顆粒狀,大小為1~5 μm,具有皺褶、卷曲、重疊的片層結構,片層尺寸細小。另外,Cp片層間透光性良好,如圖1(b)中紅色箭頭所示,可以清晰看到片層狀的Cp。

將Cp/AZ91D復合粉末球磨,隨后進行冷壓、熱擠壓處理,得到C顆粒質量分數(shù)為5%的擠壓預制棒。將AZ91D合金在井式熔煉爐中熔化,合金熔化后,升溫至780 ℃,保溫30 min。隨后將不同含量的擠壓預制棒放入坩堝,預制棒熔化后進行機械攪拌。保溫不同時間后,在740 ℃澆鑄到不銹鋼模具中得到Cp/AZ91D復合材料鑄態(tài)坯料。熔煉過程采用SF6+CO2混合氣體進行保護。工藝參數(shù)如表1所示。

表1 Cp/AZ91D復合材料工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of Cp/AZ91D composite materials

1.2 實驗方法

采用Zeiss Axio observer Alm型光學顯微鏡進行鑄態(tài)組織形貌觀察。采用D/max-rB型X射線衍射儀分析物相變化,實驗采用光管類型為Cu靶,實驗電壓為20 kV,掃描速度為2(°)/min。采用XHV-1000型顯微硬度儀對材料進行硬度檢測,實驗選用載荷為1.96 N,保持時間為30 s,每組試樣檢測5個點,取平均值。

對鑄態(tài)坯料進行T4固溶處理(435 ℃下固溶處理保溫2 h),金相試樣制備后經(jīng)腐蝕液腐蝕進行金相檢測,采用線性截距法測量顯微組織晶粒度。

2 實驗結果與討論

2.1 不同Cp質量分數(shù)對復合材料顯微組織的影響

由圖2可以看出,在Cp質量分數(shù)低于1.5%時,Cp保持彌散分布(圖2(a)~2(c)),隨Cp質量分數(shù)增加,Cp更為密集(圖2(d))。當Cp質量分數(shù)達到1.5%后,繼續(xù)提高Cp質量分數(shù),顆粒尺寸迅速增加(圖2(d)紅色箭頭所示)。

(a )Cp(3000倍下) (b) Cp的局部放大圖(10 000倍下)圖1 原材料Cp的SEM圖Fig.1 SEM image of the raw material Cp

圖2 添加不同質量分數(shù)Cp的Cp/AZ91D復合材料Cp分布金相Fig. 2 Metallograph of Cp distribution of Cp/AZ91D composites with different mass fractions of Cp

凝固行為的改變導致Cp/AZ91D復合材料顯微組織中α-Mg晶粒大小的變化。圖3為添加不同質量分數(shù)Cp的Cp/AZ91D鑄態(tài)組織,可以看出,未添加Cp的鑄態(tài)組織枝晶粗大,有明顯的的二次枝晶臂(圖3(a)),添加少量的Cp可以細化晶粒(圖3(b)、3(c)),繼續(xù)提高Cp質量分數(shù)細化效果不太明顯(圖3(d))。

添加適量的Cp會使復合材料的致密性提高。AZ91D鎂合金鑄態(tài)中存在大量的縮松縮孔等試樣缺陷(圖3(a)紅色箭頭),加入Cp后,隨著Cp質量分數(shù)的提高孔隙率會逐漸降低,缺陷逐漸減少(圖3(b)紅色箭頭)。當Cp質量分數(shù)超過1.5%后,組織致密性再度降低,缺陷由此增多(圖3(d)紅色箭頭)。

圖3 添加不同質量分數(shù)Cp的Cp/AZ91D復合材料鑄態(tài)金相組織Fig.3 As-cast metallographic structure of Cp/AZ91D composites with different mass fractions of Cp

AZ91D合金和Cp/AZ91D復合材料中均檢測出α-Mg和共晶相β-Mg17Al12,添加Cp質量分數(shù)為0.5%~1.5%時,未顯示Cp的衍射峰,這歸因于其在復合材料中質量分數(shù)較低。隨著Cp質量分數(shù)的提高,當達到2.0%時,XRD(圖4)衍射圖中發(fā)現(xiàn)了Cp的一個微弱峰值,繼續(xù)提高Cp質量分數(shù)至2.5%,在XRD衍射圖中發(fā)現(xiàn)了Cp的兩個峰,且峰值強度高于質量分數(shù)為2.0%的峰值。詳見圖4。

圖4 Cp及添加不同質量分數(shù)Cp的Cp/AZ91D復合材料的XRD圖譜Fig.4 The XRD diagram of Cp and Cp/ AZ91D composite with different mass fractions of Cp

將Cp/AZ91D鑄態(tài)組織進行固溶處理測量晶粒大小,實驗結果見圖5~6??梢钥吹郊尤胭|量分數(shù)0.5%的Cp,晶粒尺寸迅速降低,由176.25 μm降低到50.19 μm(圖5(b))。隨著Cp質量分數(shù)的提高,晶粒細化效果減弱,當Cp質量分數(shù)為1.5%時,α-Mg晶粒尺寸最細小,為32 μm左右(圖5(c))。然而,隨著Cp質量分數(shù)的進一步提高,平均晶粒尺寸也隨著小幅增大,且顯微組織差異性增大,大尺寸α-Mg晶粒達到50 μm左右(圖5(d))。

圖5 添加不同質量分數(shù)Cp的Cp/AZ91D復合材料固溶金相組織Fig.5 Solid solution metallographic structure of Cp / AZ91D composites with different mass fractions of CP

圖6 Cp質量分數(shù)與Cp/AZ91D復合材料晶粒尺寸的關系Fig. 6 Relationship between the grain size of Cp/AZ91D composites and mass fraction of Cp

傳統(tǒng)觀點認為,顆粒在熔體中將在界面能最小化的驅使下,最終趨向于合并,但是這一理論并不能很好地解釋上述現(xiàn)象[14]。Chen等[15]認為顆粒在高溫熔體中存在自穩(wěn)定效應,與熔體潤濕性較差的顆粒合并時存在較大的能量壁壘,高溫熔體中顆粒熱能較大,這二者的協(xié)同作用減弱了顆粒間范德瓦耳斯力,導致高溫熔體中顆粒能夠自穩(wěn)定分布。

因此,當Cp質量分數(shù)小于1.5%時,隨著質量分數(shù)的提高,Cp能夠在熔體中彌散分布(圖2(a)~2(c)),晶粒尺寸逐漸降低,硬度也隨之提高。 Cp質量分數(shù)高于1.5%時,隨著質量分數(shù)的提高,顆粒間距進一步變小,熔體中Cp合并形成大尺寸顆粒(圖2(d)),進而吸引更多的Cp合并,顆粒偏聚在晶界處,晶粒尺寸小幅度增加,硬度有所降低,但加入的Cp含量足夠多,所以硬度降低幅度不大。可以發(fā)現(xiàn),與純AZ91D鎂合金硬度值(65.95 HV)相比,Cp質量分數(shù)為1.5%的 Cp/AZ91D復合材料的硬度值最高(89.07 HV),與未添加Cp相比提高了35.06%(圖7)。這種提升可能歸因于晶粒細化和Cp固有的高強度。

圖7 Cp質量分數(shù)與Cp/AZ91D復合材料硬度的關系Fig.7 Relationship betweenthe hardness of Cp/AZ91D composite and mass fraction of Cp

2.2 保溫時間對Cp/AZ91D復合材料組織的影響

如圖8所示,隨著保溫時間的延長,Cp在基體中保持彌散分布,然而,Cp尺寸和間距逐漸增大,逐漸有團聚的趨勢,但顆粒分布依然基本均勻。Cp質量分數(shù)為1.5%時,隨保溫時間的增加均未顯示Cp的衍射峰,這歸因于Cp在復合材料中質量分數(shù)偏低。

圖8 不同保溫時間的Cp/AZ91D鎂基復合材料Cp分布金相Fig. 8 Metallograph of Cp distribution of Cp/AZ91D magnesium matrix composites with different holding times

從圖9可以看出,Cp對晶粒的細化效果隨著保溫時間的變化而改變。加入Cp保溫5 min以后,一次枝晶臂長度變短,二次枝晶臂消失(對比圖9(a),9(b))。繼續(xù)延長保溫時間,晶粒尺寸進一步細化(圖9(c))。然而,當保溫時間超過15 min時,α-Mg枝晶粗化,晶粒尺寸變大(圖9(d))。

另外,從圖9還可以看出,Cp/AZ91D復合材料的致密度隨保溫時間的變化而變化。AZ91D合金中存在著縮松縮孔等鑄造缺陷(圖9(a)紅色箭頭所示),加入Cp以后,隨著保溫時間的延長,鑄造缺陷逐漸減少(圖9(b)紅色箭頭所示)。然而,當保溫時間超過15 min以后,缺陷又隨著時間的延長而增多(圖9(d)紅色箭頭所示)。保溫時間過短,熔體內(nèi)溫度分布并不完全均勻,熔體澆注溫度不均勻或較低將導致熔體黏度和表面張力降低,進而影響熔體的充型和流動能力[16],造成孔隙率偏高。保溫時間過長,就如前面所述Cp團聚造成熔體流動性下降。

圖9 不同保溫時間的Cp/AZ91D復合材料鑄態(tài)金相組織Fig. 9 As-cast metallographic structure of Cp/AZ91D composites with different holding times

對試樣進行固溶處理(圖10(a)~10(d)),發(fā)現(xiàn)保溫時間在15 min以內(nèi)時,隨保溫時間的延長,晶粒尺寸逐漸降低。保溫時間超過15 min以后,隨著保溫時間的延長,晶粒尺寸逐漸增大(圖11)。Cp/AZ91D復合材料組織均勻性隨保溫時間延長,基本保持一致。

圖10 不同保溫時間的Cp/AZ91D復合材料固溶金相組織Fig.10 Solid solution metallographic structure of Cp/AZ91D composites with different holding time

圖11 保溫時間與Cp/AZ91D復合材料晶粒尺寸關系Fig.11 Relationship between the holding time and grain size of Cp/AZ91D composites

根據(jù)Chen等[15]提出的顆粒在高溫熔體中的自穩(wěn)定效應,顆粒在發(fā)生合并時要突破能量壁壘,能量壁壘可以根據(jù)公式(1)進行計算。

Wbarrier=S(σ顆粒-σ顆粒-Mg)=SσMgcosθ

(1)

其中,S為有效界面面積;σ顆粒為Cp的表面能;σ顆粒-Mg為Cp與熔體的界面能;σMg為熔體的表面張力;θ為Cp與熔體的接觸角。通過該公式可以看出,Cp與熔體的接觸角越小,能量壁壘越高,顆粒越容易保持穩(wěn)定。

現(xiàn)有理論證實,在Cp/AZ91D復合材料熔體中,Cp與AZ91D熔體的潤濕性很差,Cp與AZ91D有可能發(fā)生式(2)[17-20]界面反應,降低顆粒與熔體間的能量壁壘。

(2)

根據(jù)熱力學理論,780 ℃的熔煉溫度遠高于臨界反應溫度,因而上述反應均可自發(fā)進行。由此,界面自由能的降低改善了Cp與熔體的潤濕性,兩者之間的接觸角變大[21]。進而,Cp的合并幾率增加。部分Cp合并以后,顆粒間距增大,能量壁壘與界面能最小化將達到新的平衡。因此,隨著保溫時間的延長,Cp尺寸增大,但是仍能夠保持彌散分布。

從圖12可以看出,隨著保溫時間的增加,硬度隨之升高,但升高幅度不大。隨后隨著保溫時間增加,硬度略微下降。與純AZ91D鎂合金硬度值(65.95 HV)相比,保溫15 min的Cp/AZ91D復合材料的硬度值最高(89.07 HV),提高了35.06%。這種提升同樣歸因于晶粒細化和Cp顆粒固有的高強度。其后,隨著保溫時間進一步增加,晶粒尺寸變得不均勻。通過計算可以得出,保溫30 min比15 min的復合材料硬度降低5.9%,降幅較小。

圖12 保溫時間與Cp/AZ91D復合材料硬度的關系Fig.12 Relationship between the holding time and hardness of Cp/AZ91D composites

3 結論

本文采用復合鑄造工藝制備了Cp/AZ91D復合材料,分析了Cp添加含量和保溫時間對鑄態(tài)顯微組織和硬度的影響,得出以下結論:

(1)添加Cp質量分數(shù)為1.5%,保溫15 min可以獲得最理想的Cp/AZ91D復合材料鑄態(tài)組織。Cp在基體中分布均勻,鑄態(tài)組織整體細化均勻,晶粒尺寸從176.25 μm降低到32.00 μm,硬度提高35.06%。

(2)隨著Cp質量分數(shù)提高,Cp/AZ91D復合材料的晶粒尺寸先迅速降低后增加,添加Cp質量分數(shù)為1.5%時晶粒細化效果最好,硬度檢測結果最優(yōu)。

(3)隨著保溫時間的增加,Cp/AZ91D復合材料晶粒尺寸先降低后升高,15 min的晶粒細化效果最好,硬度檢測最優(yōu),并且Cp添加量影響大于保溫時間。

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