陳亞西,關(guān)麗娜,劉春秋

(1.滁州學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院,安徽 滁州 239000；2.黑龍江蘭德超聲科技股份有限公司,黒龍江 哈爾濱 150001；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)資產(chǎn)投資經(jīng)營有限公司,黑龍江 哈爾濱 150001)

6061鋁合金具有中等強(qiáng)度、耐腐蝕、韌性好、易于成形加工、可焊性優(yōu)異、易于涂層、具有熱處理強(qiáng)化性等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、照相機(jī)零件、五金、電子配件中[1]。為了更好滿足社會(huì)需求,進(jìn)一步提高6061鋁合金材料性能(如剛度、強(qiáng)度、耐磨性、高溫性能、熱物理性能等)成為廣大科研工作者研究熱點(diǎn)之一。研究表明鋁合金中添加增強(qiáng)體是提高其性能的有效途徑之一[2-6],由于各種增強(qiáng)材料相互補(bǔ)充，混雜增強(qiáng)將明顯提高或改善單一增強(qiáng)復(fù)合材料的某些性能,從而擴(kuò)大基體材料設(shè)計(jì)的自由度[7-10]。

在液-固兩相共存區(qū)半固態(tài)金屬具有很好的流動(dòng)性和粘性,利用半固態(tài)金屬粘度可以調(diào)整的優(yōu)點(diǎn),通過選擇溫度和加強(qiáng)攪拌,克服了大部分增強(qiáng)材料與金屬母液不浸潤而難以復(fù)合的問題,可提高增強(qiáng)體與金屬基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí),半固態(tài)狀態(tài)下基體中先凝固的固體顆粒在攪拌過程中不斷與增強(qiáng)體發(fā)生摩擦和碰撞,有利于增強(qiáng)體分散,可改善制備復(fù)合材料時(shí)增強(qiáng)體的飄浮、偏析等技術(shù)難題,為復(fù)合材料的制備和成形提供了有利條件[11-12]。6061Al基體合金的半固態(tài)溫度區(qū)間為582～652 ℃,固液兩相區(qū)間較大,適合采用半固態(tài)方法進(jìn)行成形,目前相關(guān)文獻(xiàn)較少,因此研究擬采用半固態(tài)成形法制備混雜增強(qiáng)6061鋁合金復(fù)合材料。

SiC顆粒和6061Al合金具有良好的相容性,用其增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料彈性模量和耐磨性都很高,但強(qiáng)度依然偏低[2,4,12]。為進(jìn)一步提高材料強(qiáng)度,考慮向6061鋁合金中加入晶須。硼酸鋁晶須(Al18B4O33,密度為2.93 g/cm3,彈性模量為400 GPa)有著十分優(yōu)良的物理特性[13],且原料來源豐富,制造工藝較為簡單,價(jià)格低廉,僅為SiC晶須價(jià)格的1/20左右,是鋁基復(fù)合材料良好的增強(qiáng)相[6,8-9,14]。

研究選用Al18B4O33晶須與SiC顆?；祀s增強(qiáng)6061鋁合金,采用半固態(tài)成形法制備,獲得復(fù)合材料的力學(xué)性能與顯微組織,分析其增強(qiáng)機(jī)理,探索Al18B4O33晶須/SiC顆粒混雜增強(qiáng)6061鋁合金的可行性。

1 儀器、原料及制備過程

1.1 儀器

自制的半固態(tài)攪拌設(shè)備；采用日本電子JSM-6510掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀結(jié)構(gòu)；采用荷蘭Philips公司生產(chǎn)的CM-12型透射電子顯微鏡(TEM)研究界面、位錯(cuò)組態(tài)及相結(jié)構(gòu)；拉伸試驗(yàn)在INSTRON5569型電子拉伸機(jī)上進(jìn)行(變形速率為0.5 mm/min),拉伸試樣尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣示意圖

1.2 原料

6061Al合金是由東北輕合金廠生產(chǎn),其化學(xué)成分如表1所示。Al18B4O33晶須(長10～30 μm,直徑為0.5～1.0 μm)為日本四國株式會(huì)社制造。研究采用化學(xué)沉淀法在其表面制備ZnO涂層,其微觀形貌如圖2所示。SiC顆粒是由鄭州白鴿集團(tuán)有限公司生產(chǎn),平均粒徑為10 μm左右,研究采用高溫焙燒方法在表面形成一層致密SiO2膜。

表1 6061Al的化學(xué)成分

圖2 硼酸鋁晶須的表面微觀形貌

1.3 半固態(tài)成形工藝流程

在半固態(tài)狀態(tài)下輔助機(jī)械攪拌實(shí)現(xiàn)成形制備,攪拌過程中通入Ar氣體避免材料氧化。具體半固態(tài)攪拌工藝的過程為：①將6061Al合金在電阻爐中熔化,并將Al18B4O33晶須和SiC顆粒預(yù)熱到600 ℃?zhèn)溆?；②在熔化后降低?40 ℃預(yù)定的攪拌溫度,放下攪拌槳進(jìn)行攪拌,攪拌速度為300 r/min,將預(yù)熱的Al18B4O33晶須與SiC顆粒依次加入到正在攪拌的鋁合金熔體中；③繼續(xù)攪拌30 min；④將攪拌好的半固態(tài)漿料在緩慢攪拌的情況下重熔到700 ℃,攪拌目的是防止顆粒和晶須沉淀；⑤將重熔后的復(fù)合材料澆注到已經(jīng)預(yù)熱好的模具中,冷卻至室溫。

在混雜增強(qiáng)總體積含量為20%前提下,研究制備了不同Al18B4O33晶須與SiC顆粒比例混雜增強(qiáng)的6061Al復(fù)合材料,其具體材料成分如表2所示。

表2 復(fù)合材料組成與其簡寫對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料表面形貌及拉伸性能測(cè)試

在制備混雜增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí),最不易解決的就是增強(qiáng)體均勻分布的問題,尺寸和形貌差距大的兩種增強(qiáng)體之間的混合更增加了難度。研究采用半固態(tài)攪拌工藝制備的Al18B4O33晶須與SiC顆?；祀s增強(qiáng)的6061Al復(fù)合材料表面微觀形貌如圖3所示。640 ℃溫度下6061Al基體合金中固相分?jǐn)?shù)約為51.7%,機(jī)械攪拌作用將先凝固的枝晶狀固體打碎磨細(xì)成固體小顆粒,這些固體小顆粒在半固態(tài)攪拌的過程中與晶須和顆粒不斷摩擦和碰撞,改善晶須和顆粒在基體合金中的分布狀態(tài)。從圖中3可以看出,晶須與顆粒在基體中分布較均勻,沒有明顯偏聚現(xiàn)象,說明研究采用半固態(tài)狀態(tài)下輔助機(jī)械攪拌制備混雜增強(qiáng)6061Al工藝參數(shù)合理可行。

圖3 Al18B4O33晶須與SiC顆?；祀s增強(qiáng)6061Al復(fù)合材料表面顯微組織

拉伸力學(xué)性能是評(píng)價(jià)復(fù)合材料性能是否優(yōu)異的一個(gè)重要指標(biāo),對(duì)上述半固態(tài)法制備的復(fù)合材料進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測(cè)試,其結(jié)果如表3所示。

表3 Al18B4O33晶須與SiC顆?；祀s增強(qiáng)6061Al復(fù)合材料的力學(xué)性能

20%SiC顆粒的P20W0/6061Al試樣拉伸強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度為216 MPa、148 MPa,用等體積Al18B4O33晶須替換SiC顆粒,替換量分別為1%、3%、5%、7%時(shí),拉伸強(qiáng)度依次增加2.3%、15.5%、32.2%、33.9%,屈服強(qiáng)度分別增加了3.38%、9.39%、27.83%、30.61%。隨著Al18B4O33晶須添加量的增加,混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度比相同添加量的單一SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料都有了顯著提高,當(dāng)晶須添加量超過5%時(shí),增強(qiáng)效果放緩。

混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的延伸率比等添加量的SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料有明顯降低,替換量為1%、3%、5%、7%時(shí),延伸率分別降低了4%、35%、49%、63%,結(jié)果可知，混雜增強(qiáng)對(duì)于材料的彈性模量無明顯影響。

2.2 界面與斷口形貌分析

增強(qiáng)體與基體形成的界面微觀形貌結(jié)構(gòu)直接影響復(fù)合材料拉伸斷裂行為,而試樣斷口形貌是斷裂過程與行為的直接體現(xiàn)。為探究半固態(tài)法制備Al18B4O33晶須/SiC顆?；祀s增強(qiáng)6061Al鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)機(jī)理,需對(duì)拉伸前試樣界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行TEM透射表征,TEM透射形貌如圖4所示。對(duì)斷裂過程形成的斷口微觀形貌進(jìn)行表征,掃描形貌如圖5所示。

半固態(tài)法制備的基體6061Al透射形貌如圖4a所示,圖4a中能觀察到大量位錯(cuò)線；SiC顆粒與基體形成的界面如圖4b所示,界面處存在約幾十個(gè)納米厚Al2O3界面層,此界面層是Al元素和SiC顆粒表面膜層SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所形成；晶須Al18B4O33與基體所形成的界面橫截面如圖4c所示；界面縱截面如圖4e所示,圖4e中晶須表面較光滑,輪廓清晰可見,晶須結(jié)構(gòu)完整,說明基體與晶須間無嚴(yán)重的界面反應(yīng),Al18B4O33晶須表面的ZnO涂層減少了界面反應(yīng)的發(fā)生；由于界面相數(shù)量過少,無法進(jìn)行衍射斑點(diǎn)表征,對(duì)圖中Al18B4O33晶須表面A點(diǎn)進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖4d所示,從圖4d能譜分析結(jié)果可知,大量Zn元素存在于晶須的表面,說明ZnO涂層存在于晶須和基體的界面上,可有效阻止Mg與Al18B4O33的有害反應(yīng)[14-15],減少晶須損傷。

圖4 復(fù)合材料中界面及基體的TEM透射分析

P20W0/6061Al試樣拉伸斷口如圖5a所示。由圖5a可知,宏觀上斷口呈現(xiàn)脆性斷裂而微觀上有部分韌性斷裂特征,斷口表面有一定數(shù)量韌窩,但深度較淺。此外,斷口表面有與SiC顆粒尺寸相當(dāng)?shù)陌伎?應(yīng)是SiC顆粒脫粘剝離后形成的“剝落坑”；P19W1/6061Al試樣拉伸斷口如圖5b所示。與圖5a較相似,但多了些以晶須殘留在基體中的斷頭為凹點(diǎn)的“準(zhǔn)韌窩”形狀,圖5b中并未觀察到拔出的晶須或者留下的孔洞；P15W5/6061Al拉伸斷口形貌如圖5c所示。由圖5c能觀察到的“準(zhǔn)韌窩”數(shù)量比圖5b多,斷口依然呈現(xiàn)部分韌性斷裂特征；P15W5/6061Al斷口形貌如圖5d所示。由圖5d可知,韌窩深度變得更淺,“準(zhǔn)韌窩”數(shù)量較多,斷口平整度增加,韌性斷裂特征弱化；P13W7/6061Al斷口形貌如圖5e所示,斷口處“準(zhǔn)韌窩”數(shù)量多,幾乎觀察不到基體斷裂形成的韌窩,斷口非常平整,是典型的脆性斷裂形貌。

圖5 混雜增強(qiáng)復(fù)合材料斷口形貌

2.3 增強(qiáng)機(jī)制探討

通過前面的斷口形貌分析,可知SiC顆粒與Al18B4O33混雜增強(qiáng)6061Al主要是顆粒的剝落與晶須拔斷為主,現(xiàn)進(jìn)一步探討這種斷裂機(jī)制發(fā)生的原因。基體6061Al拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷裂延伸率及彈性模量分別為124 MPa、55 MPa、25%與68.9 GPa；SiC顆粒拉伸強(qiáng)度為21.0 GPa,彈性模量為450 GPa；Al18B4O33晶須拉伸強(qiáng)度為8 GPa,彈性模量為400 GPa,兩種增強(qiáng)體拉伸強(qiáng)度與彈性模量均遠(yuǎn)高于基體。因此,若將相同外加載荷條件分別施加于基體與增強(qiáng)體時(shí),基體6061Al形變量大于增強(qiáng)體。制成復(fù)合材料后,基體與增強(qiáng)體通過界面連接成一個(gè)整體,承受載荷時(shí)界面起應(yīng)變協(xié)調(diào)作用,“迫使”界面處的增強(qiáng)體應(yīng)變?cè)黾?“迫使”界面處基體減少應(yīng)變,導(dǎo)致界面兩側(cè)不同的應(yīng)力值而受到剪切力。

圖5中并未觀察到斷口處有顆粒與晶須的明顯拔出情況,可知界面結(jié)合強(qiáng)度足以抵抗此剪切應(yīng)力。在微觀結(jié)構(gòu)上,基體與增強(qiáng)體所受應(yīng)力不相等,增強(qiáng)體實(shí)際承受的應(yīng)力值大于外加載荷,基體實(shí)際承受的應(yīng)力小于外加載荷。外加載荷雖然已經(jīng)達(dá)到55 MPa,實(shí)際上基體受到的力小于此值,因而并未發(fā)生屈服；載荷增至124 MPa,基體受到的力小于此值,也并未斷裂。因此,添加增強(qiáng)體的復(fù)合材料測(cè)試屈服值與拉伸強(qiáng)度值均高于基體,與表3實(shí)測(cè)情況相符。

由于顆粒與晶須彈性模量及拉伸強(qiáng)度有差異,因而這兩種不同增強(qiáng)體的存在對(duì)于復(fù)合材料中應(yīng)力應(yīng)變重新分配效果不完全一樣,應(yīng)力應(yīng)變示意圖如圖6所示。包含顆粒的基體區(qū)域應(yīng)力示意圖如圖6a所示,施加拉力載荷F時(shí)整個(gè)區(qū)域沿外力方向拉伸,與受力方向平行且穿過顆粒直徑直線的區(qū)域顆粒承載最大(此直線上顆粒占比最大),此位置處基體承載力最小,此直線位置上應(yīng)變也最小。距離顆粒越遠(yuǎn)這種應(yīng)力應(yīng)變不均情況越不明顯,與受力方向平行且不穿過顆粒的區(qū)域基體均勻承擔(dān)載荷,且相應(yīng)應(yīng)變最大。包含晶須的基體區(qū)域應(yīng)力示意圖如圖6b所示,施加拉力載荷F拉伸時(shí)情況與顆粒相似,晶須與顆粒兩種增強(qiáng)體的存在導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分配不均。實(shí)驗(yàn)所用晶須長度為10～30 μm,顆粒平均粒徑為10 μm,所以晶須導(dǎo)致的應(yīng)力分布不均情況高于顆粒。增強(qiáng)體通過界面約束了其附近基體,導(dǎo)致其不能完全自由變形,因此基體被分割成“變形限制區(qū)”與“準(zhǔn)自由變形區(qū)域”(遠(yuǎn)離增強(qiáng)體處基體),而且晶須的這種約束限制作用大于顆粒。因而,晶須與顆?；祀s增強(qiáng)6061Al時(shí)其延伸率低于相同體積添加量的顆粒增強(qiáng),且晶須量越多,復(fù)合材料延伸率越小,表3實(shí)測(cè)數(shù)值驗(yàn)證此推論。晶須添加量為7%時(shí),大量基體的自由變形被約束,導(dǎo)致復(fù)合材料呈現(xiàn)明顯的脆性斷裂,如圖5e所示。

圖6 顆粒與晶須增強(qiáng)復(fù)合材料中應(yīng)力示意圖

斷裂是裂紋形核與擴(kuò)展的結(jié)果,需進(jìn)一步分析裂紋形核的位置。從圖5斷口微觀結(jié)構(gòu)中并未觀察到顆粒與晶須的明顯拔出情況,因此排除了晶界處萌生裂紋的可能,裂紋最初萌生的位置可能在基體內(nèi)或增強(qiáng)體斷裂。

若裂紋萌生于基體中,此時(shí)外加載荷主要由增強(qiáng)體承擔(dān),增強(qiáng)體通過界面帶動(dòng)其四周基體進(jìn)一步產(chǎn)生拉伸變形。隨著裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展,增強(qiáng)體自身被拉斷或者拔出,基體中裂紋萌生與擴(kuò)展示意圖如圖7所示。晶須因?yàn)樘L,被整體拔出難度大,最終被拔斷,在斷口上形成以斷頭為中心的突起如圖7a所示；顆粒連同包裹的基體一起被剝離拔出如圖7b所示。在圖5復(fù)合材料斷口微觀形貌中,并未發(fā)現(xiàn)以晶須斷頭為中心的突起,說明晶須顆?；祀s增強(qiáng)6061Al復(fù)合材料中裂紋并不是萌生于基體中。

圖7 基體中裂紋萌生與擴(kuò)展示意圖

研究所用晶須直徑為0.5～1.0 μm,拉伸強(qiáng)度為8 GPa；SiC顆粒拉伸強(qiáng)度為21.0 GPa；顆粒平均粒徑為10 μm,所以如果裂紋萌生位置為增強(qiáng)體斷裂處,應(yīng)該在晶須斷裂處而不是顆粒被拉斷處。晶須拉斷后,裂紋在周圍基體中擴(kuò)展,此時(shí)全部載荷由基體承擔(dān),基體將產(chǎn)生大量變形,裂紋繼續(xù)擴(kuò)展整個(gè)試樣斷裂,在斷口上形成以斷頭為中心的凹坑,如圖8所示。從圖5中大量以晶須斷頭為中心的凹坑“準(zhǔn)韌窩”的存在與圖8相符可知，采用半固態(tài)法制備的晶須/顆?；祀s增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料裂紋萌生于晶須的斷裂處。

圖8 裂紋萌生于晶須斷裂處與擴(kuò)展示意圖

3 結(jié)論

6061Al合金的半固態(tài)區(qū)間為582～652 ℃,固液兩相區(qū)間較大,適合采用半固態(tài)方法進(jìn)行成形,研究采用半固態(tài)制備技術(shù)輔助機(jī)械攪拌制備SiC顆粒與Al18B4O33混雜增強(qiáng)6061Al復(fù)合材料。拉伸測(cè)試結(jié)果表明：在混雜增強(qiáng)總體積含量為20%前提下,用等體積Al18B4O33晶須替換SiC顆粒,替換量為1%、3%、5%、7%時(shí)，拉伸強(qiáng)度依次增加2.3%、15.5%、32.2%、33.9%,屈服強(qiáng)度分別增加了3.38%、9.39%、27.83%、30.61%。隨著Al18B4O33晶須添加量的增加,混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度比相同添加量的單一SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料都有了顯著提高,當(dāng)晶須添加量超過5%時(shí)增強(qiáng)效果放緩。

混雜增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的延伸率比等添加量的SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料有明顯降低,替換量為1%、3%、5%、7%時(shí)，延伸率分別降低了4%、35%、49%、63%。

晶須與顆粒兩種增強(qiáng)體的存在導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分配不均,增強(qiáng)體約束了界面層附近基體的應(yīng)變,基體被分割成“準(zhǔn)自由變形區(qū)域”與“變形限制區(qū)”,而且晶須的限制作用大于顆粒。通過分析界面層TEM與斷口微觀形貌,結(jié)合拉伸性能測(cè)試數(shù)據(jù),推測(cè)混雜增強(qiáng)6061Al復(fù)合材料裂紋萌生于晶須斷裂處。