黃申，徐穎，王學(xué)民

(1. 南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016；2. 中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 成都 610500)

0 引言

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能非常優(yōu)異，具有比強(qiáng)度高、比剛度高、熱膨脹系數(shù)好、二次加工性等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、汽車工業(yè)以及運(yùn)動(dòng)器械，應(yīng)用范圍廣泛，具有很好的發(fā)展前景[1]。其制備方法包括粉末冶金法、噴射沉積法、攪拌鑄造法以及擠壓鑄造法等。粉末冶金法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料通常的步驟為混料、成形、燒結(jié)。本文所用材料主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的風(fēng)扇葉片導(dǎo)流葉片。

有研究顯示，不同熱處理工藝后的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能有顯著差異。由于碳化硅顆粒和鋁合金基體之間的熱膨脹系數(shù)差異較大，當(dāng)復(fù)合材料進(jìn)行熱處理工藝之后，顆粒與基體的界面附近會(huì)產(chǎn)生較大的熱殘余應(yīng)力場(chǎng)，會(huì)影響到復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能[2-3]。通常認(rèn)為，熱處理會(huì)引起復(fù)合材料顯微組織變化，包括SiC顆粒在基體中的分布以及顆粒/基體界面的結(jié)合等，進(jìn)而會(huì)影響材料的力學(xué)性能。專門的熱處理技術(shù)會(huì)使得復(fù)合材料獲得最佳的力學(xué)性能，所以為了使材料性能更加優(yōu)異，關(guān)于熱處理工藝對(duì)于材料結(jié)構(gòu)和性能影響的研究有非常重要的工程意義。

本文以未經(jīng)熱處理和經(jīng)過(guò)T6熱處理的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料為研究對(duì)象，開展顆粒大小、元素成分及分布的檢測(cè)以及靜態(tài)力學(xué)性能的測(cè)試，以此為基礎(chǔ)深入地分析T6熱處理對(duì)于碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及方法

本次實(shí)驗(yàn)所用的復(fù)合材料為碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，增強(qiáng)相為17%體積分?jǐn)?shù)的SiC顆粒，基體為2009鋁合金。其中2009鋁合金的主要質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 2009鋁合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

試驗(yàn)對(duì)比的兩種材料前幾步制備工藝完全相同，僅在最后一步是否經(jīng)過(guò)T6熱處理有區(qū)別。兩種材料均采用粉末冶金的方法制備，經(jīng)過(guò)擠壓成型，經(jīng)過(guò)T6熱處理工藝(500°固溶處理、淬火、170°人工時(shí)效)制備而成。

首先利用TESCAN MAIA3掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)組織觀察碳化硅顆粒的形狀、大小及分布等特征；之后利用EDS能譜分析儀對(duì)SEM同一視場(chǎng)材料微區(qū)的元素成分進(jìn)行檢測(cè)分析；然后在Instron萬(wàn)能電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行復(fù)合材料的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)試復(fù)合材料的力學(xué)性能，包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及彈性模量等，并記錄試件拉伸過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理對(duì)于材料微觀組織結(jié)構(gòu)的影響

圖1為未熱處理試樣和T6熱處理試樣在5K(5000)倍的放大倍數(shù)下的SEM照片，圖2為兩種試樣在10K(10000)倍的放大倍數(shù)下的SEM照片。由圖可知：兩種試樣中的SiC顆粒形狀都很不規(guī)則并存在一定的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，且兩種試樣中SiC顆粒的粒徑大小都不是非常均勻。

圖1 5K倍下的SEM照片

圖2 10K倍下的SEM照片

圖3為未熱處理試樣和T6熱處理試樣的EDS面分析對(duì)比圖；圖4和圖5分別為未熱處理試樣和T6熱處理試樣的元素分布圖。 結(jié)合SEM照片以及EDS分析結(jié)果可以看出，未熱處理試樣中明亮的白色部分主要成分為Cu元素、Ni元素及Fe元素等形成的塊狀化合物，而經(jīng)過(guò)T6熱處理的試樣中Cu元素則較為均勻地分散在鋁合金基體中。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[4]分析，很有可能是在熱處理過(guò)程中，固溶處理后Al2Cu和Mg2Si溶解，Cu元素在基體中均勻分布。還有可能是SiC顆粒與鋁合金基體之間發(fā)生界面反應(yīng)，形成析出物，析出物的出現(xiàn)是T6熱處理之后微觀組織結(jié)構(gòu)改變的主要原因[5]。

圖3 未熱處理試樣的EDS面掃描分析結(jié)果

圖4 未熱處理試樣的EDS元素分析結(jié)果

圖5 T6熱處理試樣的EDS元素分析結(jié)果

2.2 熱處理對(duì)于材料靜力學(xué)性能的影響

將兩種試樣分別用Instron電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，兩種材料的拉伸試驗(yàn)件采用相同的尺寸，標(biāo)距為50mm，尺寸圖及實(shí)物圖如圖6和圖7所示。

圖6 拉伸試樣的尺寸圖

圖7 拉伸試樣的實(shí)物圖

將未經(jīng)熱處理材料和T6熱處理材料的試驗(yàn)件都分別在1×10-3/s、2×10-3/s和4×10-3/s 3種不同的應(yīng)變加載速率下進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)。

選取未熱處理試樣和T6熱處理試樣各9件，每個(gè)應(yīng)變速率下試驗(yàn)件各3件，將每個(gè)應(yīng)變速率下試驗(yàn)件的應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)∑骄档玫矫x應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖8為未熱處理試樣在3種應(yīng)變速率下的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線；圖9為T6熱處理試樣在3種應(yīng)變速率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；圖10為兩種材料各9件試驗(yàn)件拉伸過(guò)程中名義應(yīng)力-應(yīng)變的取平均值后得到的對(duì)比圖。

圖8 未熱處理試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖9 T6熱處理試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

兩種材料經(jīng)過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)后得到的力學(xué)性能參數(shù)的對(duì)比如表2所示。

圖10 未熱處理試樣和T6熱處理試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

表2 SiCp/Al復(fù)合材料力學(xué)性能對(duì)比

通過(guò)對(duì)比分析兩種材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖和力學(xué)性能參數(shù)可以看出：T6熱處理前后材料的彈性模量基本沒(méi)有變化，因?yàn)閺椥阅Ａ渴且粋€(gè)對(duì)熱處理和組織變化很不敏感的量。但經(jīng)過(guò)T6熱處理后，材料屈服強(qiáng)度提高了51.66%，抗拉強(qiáng)度提高了75.93%，延伸率下降了54.17%，表明材料強(qiáng)度和剛度的增加是以犧牲材料的延展性為代價(jià)的。總體來(lái)說(shuō)，T6熱處理工藝對(duì)于碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料靜力學(xué)性能的提高是非常顯著的，但復(fù)合材料的延展性有所下降[6-7]。

結(jié)合之前的微觀組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的對(duì)比分析，可以看出：經(jīng)過(guò)T6熱處理，材料力學(xué)性能提高的主要原因在于微觀組織結(jié)構(gòu)的改變。T6熱處理之后，復(fù)合材料中的碳化硅顆粒得到一定程度的細(xì)化并且在鋁合金基體中分布更加均勻，使得材料的靜態(tài)力學(xué)性能得到較大提高，主要體現(xiàn)在屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的提高。另外，熱處理可能會(huì)導(dǎo)致基體中產(chǎn)生位錯(cuò)，位錯(cuò)的存在改變了復(fù)合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能[3]。另外一個(gè)可能的原因是復(fù)合材料的組織中會(huì)產(chǎn)生析出相，彌散分布于基體中。析出相在界面區(qū)域積累，起到沉淀強(qiáng)化的作用，導(dǎo)致復(fù)合材料的硬化，從而提高了材料力學(xué)性能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)T6熱處理對(duì)于17%SiCp/2009Al材料的靜力學(xué)性能和微觀組織結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論。

1)經(jīng)過(guò)T6熱處理，17%SiCp/2009Al復(fù)合材料中的Cu元素在基體中分布更加均勻，并且T6熱處理試樣中Cu元素、Fe元素與Ni元素等形成聚集成塊狀化合物的現(xiàn)象相較于未熱處理試樣更少。

2)T6熱處理對(duì)于17%SiCp/2009Al復(fù)合材料靜力學(xué)性能的提升比較明顯，經(jīng)過(guò)熱處理之后材料的屈服強(qiáng)度提高了51.66%，抗拉強(qiáng)度提高了75.93%，但材料的彈性模量基本不變且延伸率下降了54.17%。材料經(jīng)過(guò)T6熱處理后，微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響了材料的力學(xué)性能。