宋帥，陳靖鶴，劉培生，程偉

(北京師范大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 射線(xiàn)束技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多孔材料在諸多工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。泡沫金屬材料在力學(xué)和物理性能上展示了良好的可控性，包括拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、疲勞、多向拉壓和導(dǎo)電性能等諸多方面[3-5]，因而具有更廣的應(yīng)用前景[6-9]。研究發(fā)現(xiàn)，閉孔泡沫材料比開(kāi)孔泡沫材料具有更高的模量和強(qiáng)度[10-12]。而金屬?gòu)?fù)合泡沫材料能夠獲得更加優(yōu)異的綜合性能[13-16]。

為了進(jìn)一步提高泡沫金屬材料的強(qiáng)度以及吸能性能，專(zhuān)家們研制出了以空心顆粒占位或增強(qiáng)的金屬?gòu)?fù)合材料。目前金屬?gòu)?fù)合多孔材料的制備工藝有很多，如攪拌鑄造法、壓力浸滲法、噴射沉積法、熔體發(fā)泡法和粉末冶金法等[13-17]，相關(guān)研究主要集中于如何提高它的力學(xué)性能。許多研究表明，復(fù)合多孔材料的力學(xué)性能受到空心顆粒體積分?jǐn)?shù)、基體和空心顆粒的材質(zhì)、空心球顆粒的尺寸、空心顆粒的半徑比、空心顆粒的球形度等因素的影響[18-21]。例如，Maria等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合金屬多孔材料的力學(xué)性能隨著空心顆粒的厚度與半徑比的增大而增大；Lin等[23]發(fā)現(xiàn)隨著Al-Mg合金中Mg含量的增加，復(fù)合制品的峰值應(yīng)力逐漸增加。

本文選用標(biāo)稱(chēng)直徑為4～5 mm的自制高強(qiáng)度陶瓷空心球?yàn)樵鰪?qiáng)體，通過(guò)粉末冶金工藝制備出輕質(zhì)6061鋁合金多孔復(fù)合材料。以商購(gòu)氧化鋁空心球所制6061鋁合金多孔復(fù)合材料為對(duì)照組，對(duì)比分析高強(qiáng)度陶瓷空心球所制6061鋁合金多孔復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣品制備

本工作采用的顆粒增強(qiáng)體為標(biāo)稱(chēng)直徑為4～5 mm的自制高強(qiáng)度陶瓷空心球。作為對(duì)比，同時(shí)選用標(biāo)稱(chēng)直徑同為4～5 mm的商購(gòu)氧化鋁空心球作為增強(qiáng)體，制備6061鋁合金多孔復(fù)合材料。自制高強(qiáng)度陶瓷空心球顆粒中包含的主要相成分為石英相和長(zhǎng)石相[24]，其參數(shù)如表1所示。將空心球與粒度為200目的6061鋁合金粉末等間距均勻混合，金屬粉末填充空心球間距并壓實(shí)。采用真空燒結(jié)爐，將空心球和6061鋁合金粉末的混合預(yù)制坯體在650 ℃燒結(jié)溫度下保溫2 h后隨爐冷卻。

表1 陶瓷空心球的參數(shù)

1.2 性能測(cè)試

1.2.1 SEM 分析

為觀察復(fù)合樣品的微觀結(jié)構(gòu)以及界面結(jié)合狀態(tài)，用砂紙打磨樣品至空心球截面露出，并進(jìn)行拋光處理。使用Hitachi公司制造的SEM4800掃描電鏡分析樣品截面的微觀結(jié)構(gòu)，并對(duì)界面位置進(jìn)行元素線(xiàn)掃描，線(xiàn)掃描的時(shí)間為180 s。

1.2.2 力學(xué)性能

以高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合多孔材料作為實(shí)驗(yàn)組，以氧化鋁空心球/6061鋁合金復(fù)合多孔材料作為對(duì)照組。為分析兩種復(fù)合多孔材料的力學(xué)性能，采用直徑和高度分別為30 mm和20 mm的圓柱形樣品，通過(guò)額定載荷為100 kN 的WDW-100/E微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以2 mm/min的施載速度進(jìn)行壓縮性能測(cè)試。兩組鋁合金復(fù)合多孔材料的強(qiáng)度指標(biāo)如表2和表3所示。

表2 高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合多孔材料的強(qiáng)度指標(biāo)

表3 氧化鋁空心球/6061鋁合金復(fù)合多孔材料的強(qiáng)度指標(biāo)

1.2.3 吸能性能

多孔材料吸能性能主要通過(guò)吸能能力W和吸能效率E來(lái)衡量，前者表示單位體積材料吸收的能量，后者為W與應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力最大值的比值，常用來(lái)確定最佳吸能狀態(tài)[25]。根據(jù)泡沫金屬材料的相關(guān)研究[26]，選取應(yīng)力值為1.3倍的屈服平臺(tái)強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變作為致密化階段的起點(diǎn)εD。為便于分析，取壓縮強(qiáng)度為屈服平臺(tái)強(qiáng)度，則εD對(duì)應(yīng)的應(yīng)力取值為1.3Rs。通過(guò)計(jì)算材料從壓縮起點(diǎn)到致密化應(yīng)變點(diǎn)εD過(guò)程中復(fù)合多孔材料的吸能能力和吸能效率，對(duì)比兩種鋁合金復(fù)合多孔材料的吸能性能。其計(jì)算公式如下[17]：

(1)

(2)

式中σm為0～εD應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力的最大值。W和E可借助壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算步長(zhǎng)為0.000 1的梯形法計(jì)算出應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)與坐標(biāo)軸所圍的面積而獲得。

復(fù)合多孔樣品的吸收性能如表4所示。

表4 復(fù)合多孔樣品的吸能性能

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)燒結(jié)狀態(tài)的影響

多孔鋁的相關(guān)研究[27]表明，多孔鋁的燒結(jié)時(shí)間應(yīng)不低于2 h。本工作將燒結(jié)時(shí)間定為2 h，分別在600 ℃、650 ℃和700 ℃下制備高強(qiáng)陶瓷空心球/鋁合金復(fù)合體，燒結(jié)狀態(tài)如圖1所示。當(dāng)燒結(jié)溫度為600 ℃時(shí)，燒結(jié)樣品表現(xiàn)出欠燒的燒結(jié)狀態(tài)，樣品上表面的金屬粉末顆粒極易脫落，表現(xiàn)為金屬粉末顆粒間的結(jié)合交叉，如圖1 (a) 所示。當(dāng)燒結(jié)溫度為650 ℃時(shí)，樣品的形狀規(guī)則、完整，沒(méi)有發(fā)生變形和開(kāi)裂，如圖1 (b) 所示，說(shuō)明適當(dāng)?shù)囊合嗫梢蕴畛漕w粒間的空隙，加快燒結(jié)頸的生長(zhǎng)速率，強(qiáng)化金屬粉末間的結(jié)合。當(dāng)燒結(jié)溫度為700 ℃時(shí)，燒結(jié)樣品發(fā)生了嚴(yán)重的變形，樣品內(nèi)部的陶瓷空心球與鋁合金基體發(fā)生分離，堆積在合金基體的外部，如圖1 (c) 所示，說(shuō)明過(guò)多的液相金屬產(chǎn)生時(shí)，多孔復(fù)合樣品容易發(fā)生較大尺寸的收縮變形。因此，多孔鋁合金復(fù)合樣品的燒結(jié)工藝選為650 ℃保溫2 h。

圖1 樣品燒結(jié)2 h狀態(tài)示例

2.2 微觀組織結(jié)構(gòu)

自制高強(qiáng)陶瓷空心球和商購(gòu)氧化鋁陶瓷空心球的截面形貌如圖2所示，兩者大不相同。圖2(a) 顯示自制高強(qiáng)陶瓷空心球具有一個(gè)厚度約為 280 μm 的致密球壁，且在球壁內(nèi)僅存在少量孤立的小尺寸閉孔隙。圖2 (b) 顯示商購(gòu)氧化鋁空心球的球壁厚度只有160 μm左右，其球壁內(nèi)側(cè)不僅存在著許多尺寸較大的孔隙結(jié)構(gòu)，而且其中的部分孔隙間還是彼此貫通的，這就大大削弱了空心球顆粒的承載能力。

圖2 陶瓷空心球截面

圖3為兩種陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合體的截面形貌。圖3 (a) 為高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合樣品，鋁合金基體表現(xiàn)出致密的金屬結(jié)構(gòu)，而在鋁合金基體與高強(qiáng)度陶瓷空心球壁之間呈現(xiàn)出一個(gè)光滑的薄層過(guò)渡相，表明金屬基體與高強(qiáng)度陶瓷空心球間存在界面反應(yīng)。而圖3 (b)清晰地顯示了氧化鋁空心球與鋁合金基體之間的分界線(xiàn)，表明氧化鋁空心球與鋁合金基體之間沒(méi)有生成過(guò)渡相。

圖3 復(fù)合多孔樣品的截面形貌

圖4為空心球界面附近區(qū)域的元素線(xiàn)掃描圖像，圖5、圖6分別為兩種空心球界面附近的元素能譜圖。

圖4 空心球界面附近元素線(xiàn)掃描圖

圖5 高強(qiáng)陶瓷空心球界面附近的元素能譜圖

圖6 氧化鋁空心球界面附近的元素能譜圖

圖4(a)顯示高強(qiáng)空心球/6061鋁合金復(fù)合樣品主要包含有Al、Mg、Si、O等元素。過(guò)渡相的Al元素含量低于金屬基體中Al元素含量，表明在過(guò)渡相中由于Mg和O等其他元素加入，降低了Al的含量。Mg元素在過(guò)渡相中的含量高于金屬基體，說(shuō)明鋁合金基體中的Mg原子在燒結(jié)過(guò)程中都向過(guò)渡相區(qū)域擴(kuò)散，形成了Mg元素的富集。Si元素則主要分布在高強(qiáng)陶瓷空心球。球壁中的Si元素與鋁合金基體中的Al和Mg較難反應(yīng)，不會(huì)引起Si元素的大量擴(kuò)散。由于空心球界面附近Si濃度較高，在靠近球壁側(cè)的過(guò)渡相中會(huì)產(chǎn)生少量擴(kuò)散。O元素在不同區(qū)域內(nèi)具有不同的分布，從高強(qiáng)空心球到鋁合金基體的方向，它的含量逐漸減小，說(shuō)明在燒結(jié)過(guò)程中，高強(qiáng)陶瓷空心球中的O原子逐漸向鋁合金基體內(nèi)部擴(kuò)散。對(duì)比圖5 (b)和(d)可以看到，Mg元素和O元素的含量在過(guò)渡相附近的鋁合金基體中相近，說(shuō)明兩種元素的原子在該位置形成了MgO。由于合金中Al元素的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Mg元素，更高的化學(xué)勢(shì)使得合金中的Al將優(yōu)先與高強(qiáng)陶瓷空心球中O反應(yīng)生成Al2O3。但Mg元素的活性比Al元素的更高，它可與Al2O3中的O原子反應(yīng)生成MgO。在這個(gè)過(guò)程中，合金中的Mg原子不斷向界面擴(kuò)散，空心球中的O原子則擴(kuò)散到鋁合金基體中。兩者造成Mg元素在界面處的過(guò)渡相中富集。該過(guò)程中發(fā)生的主要反應(yīng)如下所示：

(3)

(4)

因此，在界面過(guò)渡相中的主要生成物將包含有Al2O3、MgO。圖4 (b)顯示氧化鋁空心球/6061鋁合金樣品的主要元素為Al、Mg、O。對(duì)比圖6(b)和(c)中Mg元素和O元素的分布可以看出，雖然在鋁合金基體與氧化鋁空心球邊界處沒(méi)有明顯的過(guò)渡相生成，但在邊界處存在一個(gè)O元素的高峰。該位置存在少量的Mg元素，表明存在極其輕微的界面反應(yīng)，但沒(méi)有明顯的過(guò)渡相生成。而在氧化鋁空心球球壁中出現(xiàn)元素變化，圖中可見(jiàn)該位置為一凹陷區(qū)域，導(dǎo)致Al元素含量大量減少。而Mg元素含量的增加可能為磨金相產(chǎn)生的碎屑在凹陷位置殘留所造成。

2.3 壓縮性能

2.3.1 壓縮行為

圖7為兩組陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合體的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)?？梢钥闯龈邚?qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)更高。在彈性階段，高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合材料具有更小的應(yīng)變范圍和更高的彈性模量。當(dāng)壓縮過(guò)程進(jìn)入到屈服階段，高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合材料表現(xiàn)出一個(gè)明顯的屈服平臺(tái)，其屈服極限約為79.53 MPa；而氧化鋁空心球/6061鋁合金復(fù)合材料的屈服極限為64.56 MPa，在進(jìn)入屈服階段后，它的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而緩慢增加，在屈服過(guò)程中沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的屈服平臺(tái)。根據(jù)條件屈服強(qiáng)度的選取方式，高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合材料彈性階段的線(xiàn)性直線(xiàn)段經(jīng)平移2.5%的應(yīng)變距離后，其延長(zhǎng)線(xiàn)與應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)的交點(diǎn)位于屈服極限附近，如圖7所示，因而，選用條件屈服強(qiáng)度R2.5作為該類(lèi)無(wú)明顯屈服極限的空心球/6061鋁合金復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度。自制陶瓷空心球具有更高的強(qiáng)度，它可以阻礙鋁合金基體的塑性形變；而氧化鋁空心球抗壓載荷小且極易破碎，它無(wú)法對(duì)鋁合金基體的塑性形變產(chǎn)生阻礙作用，因此不表現(xiàn)出屈服平臺(tái)特征。

圖7 兩組陶瓷空心球/6061鋁合金樣品的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)

2.3.2 壓縮強(qiáng)度和比強(qiáng)度

兩種陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合材料的力學(xué)性能如圖8所示。

圖8 兩種陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合體的力學(xué)性能

由圖8可以看到自制高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合材料具有更高的平均壓縮強(qiáng)度(77.54 MPa)，相比商購(gòu)氧化鋁空心球/6061鋁合金復(fù)合材料(64.17 MPa)提高了20.8%，說(shuō)明具有更高強(qiáng)度的陶瓷空心球可提高空心球/6061鋁合金復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度。分析其原因，一是作為增強(qiáng)體的自制高強(qiáng)陶瓷空心球的抗壓載荷大于商購(gòu)氧化鋁空心球的抗壓載荷；二是自制陶瓷空心球與鋁合金基體間的界面反應(yīng)生成了一個(gè)過(guò)渡層，過(guò)渡層能夠增強(qiáng)界面間的結(jié)合，有利于載荷在二者傳遞，同時(shí)類(lèi)似于一個(gè)致密的保護(hù)層，對(duì)空心球起到增強(qiáng)作用。受到增強(qiáng)的陶瓷空心球能進(jìn)一步提高復(fù)合體的壓縮強(qiáng)度。而氧化鋁/6061鋁合金復(fù)合材料沒(méi)有生成過(guò)渡層，且氧化鋁空心球抗壓載荷低，因而，它的壓縮強(qiáng)度要低于高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合材料。由于兩種復(fù)合材料的表觀密度相近，高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合材料的比強(qiáng)度 (38.43 MPa·cm3·g-1) 要明顯高于氧化鋁空心球/6061鋁合金復(fù)合材料的平均比強(qiáng)度(32.48 MPa·cm3·g-1)，較后者提高了18.3%。因此，采用高強(qiáng)陶瓷空心球所制的多孔鋁合金復(fù)合材料的強(qiáng)度和比強(qiáng)度都要優(yōu)于商購(gòu)氧化鋁陶瓷空心球所制多孔鋁合金復(fù)合材料。

2.4 吸能性能

圖9為兩種復(fù)合多孔材料的吸能性能。從中可以看到高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合材料的吸能能力和吸能效率都要明顯高于氧化鋁空心球/6061鋁合金復(fù)合材料。復(fù)合多孔材料吸收能量主要依靠?jī)?nèi)部陶瓷空心球的破碎、碎片間的摩擦以及合金基體的變形來(lái)完成。自制高強(qiáng)陶瓷空心球的抗壓載荷遠(yuǎn)高于商購(gòu)氧化鋁空心球。在壓縮過(guò)程中，自制陶瓷空心球的破碎和碎片間的摩擦能夠吸收相對(duì)更多的能量。在屈服階段，高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合材料表現(xiàn)出的應(yīng)力平臺(tái)能夠增加屈服階段的應(yīng)變長(zhǎng)度，進(jìn)一步提高復(fù)合體吸收的能量。不僅如此，應(yīng)變范圍的增大也將提高復(fù)合體的能量吸收效率。而且，高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合體生成的過(guò)渡相能夠加強(qiáng)兩者間的界面結(jié)合，不僅有助于載荷在兩者間的傳遞，提高實(shí)驗(yàn)組復(fù)合體壓縮強(qiáng)度，同時(shí)也增加了復(fù)合體形變吸收的能量。因此，高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合材料的吸能性能明顯高于氧化鋁空心球/6061鋁合金復(fù)合材料。

圖9 兩種陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合體的吸能性能

3 結(jié)論

1)以標(biāo)稱(chēng)直徑為4～5 mm的自制高強(qiáng)陶瓷空心球?yàn)樵鰪?qiáng)體，6061鋁合金為基體，采用粉末燒結(jié)的方式制備輕質(zhì)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合多孔材料，其燒結(jié)時(shí)間2 h的最佳燒結(jié)溫度為650 ℃。在燒結(jié)過(guò)程中，高強(qiáng)陶瓷空心球與6061鋁合金基體會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)，Mg元素在界面處富集，并生成含有MgO和Al2O3的過(guò)渡相。

2)高強(qiáng)陶瓷空心球可以有效抑制鋁合金基體的塑性形變，復(fù)合體材料表現(xiàn)出一個(gè)明顯的屈服平臺(tái)。而氧化鋁空心球的抗壓載荷過(guò)低，復(fù)合體沒(méi)有表現(xiàn)出屈服平臺(tái)。

3)高強(qiáng)陶瓷空心球/6061鋁合金復(fù)合體中生成的過(guò)渡相不僅有利于載荷的傳遞，而且可以強(qiáng)化空心球的增強(qiáng)作用，減弱鋁合金基體的塑性形變。它的壓縮強(qiáng)度、比強(qiáng)度和吸能性能都要明顯高于商購(gòu)氧化鋁空心球/6061鋁合金多孔復(fù)合材料。說(shuō)明采用自制高強(qiáng)陶瓷空心球制備復(fù)合鋁合金多孔材料可獲得更優(yōu)異的力學(xué)性能。