摘要：鋁合金由于其強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、價(jià)格低等多重優(yōu)勢(shì)，在汽車制造、航空航天、水下裝備等各個(gè)領(lǐng)域都極具應(yīng)用前景。利用機(jī)械攪拌鑄造方法制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（yttrium oxide stabilized zirconia，YSZ）的Al-YSZ復(fù)合材料，研究納米YSZ質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋁基復(fù)合材料組織和性能的影響。研究結(jié)果表明，添加的納米YSZ均勻分布在Al基體中，不與Al基體發(fā)生反應(yīng)。同時(shí)能夠作為異質(zhì)形核劑細(xì)化晶粒，并通過Orowan強(qiáng)化機(jī)制提升復(fù)合材料的力學(xué)性能。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的納米YSZ的復(fù)合材料具有較好的強(qiáng)度和塑性。同時(shí)，在受到外力作用時(shí)，納米YSZ會(huì)發(fā)生從四方到單斜的相變，并產(chǎn)生一定的體積膨脹，在吸收能量的同時(shí)改善了復(fù)合材料內(nèi)部的晶格畸變，從而提高了鑄態(tài)復(fù)合材料的塑性。

關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料；氧化釔穩(wěn)定氧化鋯；鑄造；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TB 333文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Preparation and properties of zirconia-reinforced aluminum matrix composites

ZHANG Peng1，ZU Xiangbo1，LOU Dongge2，JIANG Yeqian1，ZHANG Bing1，ZHANG Ke1

（1.School of Materials and Chemistry，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China;

2.CHINALCO Luoyang Copper Processing Co.，Ltd.，Luoyang 471039，China）

Abstract：Aluminumalloy，due to its multiple advantages such as high strength，lightweight，and cost-effectiveness，holds significant potential for applications in various fields including automotive manufacturing，aerospace，and underwater equipment.Al-yttrium oxide stabilized zirconia（YSZ）composite materials with varying content of nano-YSZ were prepared using the mechanical stir casting method to investigate the influence of nano-YSZ and its mass fraction on the microstructure and properties of aluminum-based composites.The results reveal that the added nano-YSZ is uniformly distributed within the Al matrix without reacting with it.Additionally，it can serve as a heterogeneous nucleating agent for grain refinement and enhance the mechanical properties of the composite materialsthrough the Orowan strengthening mechanism.Composite materials with 8%mass fraction of nano-YSZ exhibit good tensile strength and ductility.This enhancement can be attributed to the tetragonal-to-monoclinic phase transformation of nano-YSZ under external forces，resulting in volumetric expansion and simultaneous absorption of energy，thereby ameliorating lattice distortion within the composite and enhancing its ductility in the as-cast state.

Keywords：aluminum-basedcomposites;yttrium oxide stabilized zirconia;casting;mechanical properties.

鋁基復(fù)合材料因其獨(dú)特的低密度、低熱膨脹系數(shù)、高比強(qiáng)度、高比剛度以及設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用和大量的研究[1-2]。為了滿足更高的性能、功能及結(jié)構(gòu)等需求，許多不同種類的增強(qiáng)體被用于鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)，而顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是其中最成熟的一個(gè)品種。

近年來，研究人員對(duì)SiC、碳納米管、石墨烯、TiB2、Al2O3等材料的關(guān)注日益增加，并嘗試將它們用于增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，取得了一定的研究成果[3-8]。陸仕平等[6]研究了TiB2顆粒和鋁基體之間的界面潤(rùn)濕性和形核效率，證明了添加一定量的陶瓷顆粒能夠提高增強(qiáng)相和Al基體之間的潤(rùn)濕性，并提高形核效率。Huang等[8]采用原位反應(yīng)法制備了Al2O3和ZrB2納米顆粒增強(qiáng)7 055 Al基復(fù)合材料。研究表明，納米顆粒相具有阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和釘扎晶界的能力，從而有效強(qiáng)化復(fù)合材料。然而，更多研究指出，添加增強(qiáng)相雖提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度，但卻犧牲了其塑性。

ZrO2基陶瓷作為形狀記憶陶瓷的代表，可以在四方和單斜結(jié)構(gòu)之間發(fā)生可逆的馬氏體相變[9]。由此，近年來關(guān)于小尺寸形狀記憶ZrO2的研究逐漸增多，伴隨著許多潛在的應(yīng)用場(chǎng)景[10-11]。四方相ZrO2由于其相變伴隨著體積膨脹（3%～5%）和剪切應(yīng)變（6%左右），多被用于陶瓷復(fù)合材料中的增強(qiáng)增韌[12-15]。鑒于鋁基體相對(duì)其他金屬材料具有更好的韌塑性，在相變過程中良好的流動(dòng)性，能夠更好地適應(yīng)相變時(shí)體積的變化，使得ZrO2/Al界面能夠更加有效傳遞機(jī)械載荷，從而提高鋁基復(fù)合材料的綜合性能[16-18]。

本研究選用納米Y2O3穩(wěn)定ZrO2（yttrium oxidestabilized zirconia，YSZ）作為增強(qiáng)相，選用純鋁作為基體，以探究YSZ對(duì)鋁基復(fù)合材料組織和性能的影響。鑒于YSZ的加入量對(duì)Al-YSZ復(fù)合材料力學(xué)性能的影響很大，本實(shí)驗(yàn)針對(duì)Al-YSZ復(fù)合材料中YSZ顆粒的含量對(duì)材料組織和性能之間的關(guān)系進(jìn)行研究。

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

純鋁錠（四川蘭德高科技產(chǎn)業(yè)有限公司）；納米YSZ粉末，如圖1所示，平均粒徑尺寸為30 nm。成分如表1所示；鋁箔，購于生物科技之家。

1.2樣品制備

1.2.1 Al-YSZ復(fù)合材料制備

首先將納米YSZ粉末包覆在鋁箔中放入200℃的烘箱中加熱干燥2 h（注意將粉末平鋪開以使其受熱均勻）。將純鋁錠置于坩堝電阻爐中，逐漸升溫至700℃。待坩堝中的鋁錠完全熔化后，用樣品鉗將預(yù)熱過的納米YSZ粉末連同鋁箔一起置于熔體中，保溫5 min。隨后使用扇葉電動(dòng)攪拌器攪拌5 min，攪拌過程中不加熱，攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min。攪拌后再靜置5 min，隨后將熔體澆鑄到在200℃烘箱中預(yù)熱過的鑄鐵模具中，開模后將復(fù)合材料在常溫水中淬火，得到含納米YSZ質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、1%、2%、4%、8%、16%的Al-YSZ復(fù)合材料。

1.3性能測(cè)試與表征

物相測(cè)試：采用D8 Advance X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）對(duì)拋光樣品表面掃描，掃描模式為連續(xù)掃描，步長(zhǎng)為0.02，掃描速度為5（°）/min。

金相組織觀察：利用線切割切出小塊樣品，逐步用80#、400#、800#、1 500#、3 000#、5 000#、7 000#砂紙進(jìn)行打磨，隨后用粒度為2μm的金剛石拋光劑進(jìn)行粗拋，最后用MgO拋光膏在海綿墊上進(jìn)行精拋。拋光好的試樣用凱勒試劑（HF、HCl、HNO3和H2O的體積比為1.0：1.5：2.5：95.0）進(jìn)行腐蝕，用無水乙醇沖洗干凈后利用電吹風(fēng)快速吹干即可觀察。Al-YSZ復(fù)合材料需要在凱勒試劑中腐蝕2 min及以上。

微觀形貌觀察：利用FEI Quanta 450場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察樣品的形貌。

維氏硬度測(cè)試：拋光后樣品可用于硬度測(cè)試。采用維氏顯微硬度儀，使用50 g外部載荷壓力，保壓時(shí)間15 s，每個(gè)樣品取5個(gè)點(diǎn)后計(jì)算平均維氏硬度。

力學(xué)性能測(cè)試：利用線切割切出拉伸試樣并進(jìn)行打磨。采用萬能材料拉伸機(jī)在室溫條件下進(jìn)行拉伸，拉伸速率設(shè)置為2.5 mm/min。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1鑄態(tài)Al-YSZ復(fù)合材料

2.1.1 XRD分析

圖2為Al-YSZ復(fù)合材料的XRD譜圖。從圖2中可以看出Al相為主峰，表明復(fù)合材料的基體為Al。在納米YSZ粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，基本檢測(cè)不到ZrO2的峰。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到2%以上開始檢測(cè)到ZrO2的峰，并且隨著納米YSZ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，峰呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)，證明了納米YSZ粉末存在于基體當(dāng)中。理論上在其他位置也應(yīng)該能檢測(cè)到ZrO2微弱的峰，但可能由于納米YSZ粉末的尺寸較小而導(dǎo)致衍射峰寬化效應(yīng)，使其衍射峰難以從基線分離[19]。從圖中并未檢測(cè)到其他物質(zhì)的峰，證明Al和納米YSZ粉末并未發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)也沒有其他雜質(zhì)的引入，保證了復(fù)合材料的純凈。

2.1.2光學(xué)顯微組織分析

圖3為Al-YSZ復(fù)合材料的金相組織圖。由圖3可知，復(fù)合材料的鑄態(tài)組織整體良好，沒有明顯的大面積鑄造缺陷，但仍存在一些黑色點(diǎn)狀，可能為鑄錠組織的縮孔。隨著納米YSZ粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的晶粒始終為等軸晶狀，與純鋁的晶粒一致。這表示，納米YSZ粉末的加入并未改變復(fù)合材料的晶粒形狀。晶粒統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。隨著納米YSZ粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐步增加，可以明顯觀察到復(fù)合材料晶粒的細(xì)化，添加納米YSZ粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%以及16%的復(fù)合材料晶粒細(xì)化最為明顯。這是由于一方面，納米YSZ不與Al基體發(fā)生反應(yīng)，而是單獨(dú)作為異質(zhì)形核劑起到形核的作用，這有利于晶粒的細(xì)化；另一方面，隨著納米YSZ粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，晶界上的納米YSZ粉末逐漸增多，從而阻礙了晶界的長(zhǎng)大，導(dǎo)致晶界加寬，從而起到細(xì)化晶粒的作用[20-21]。

2.1.3 SEM形貌分析

為了進(jìn)一步對(duì)復(fù)合材料中納米YSZ粉末的分布和形態(tài)進(jìn)行深入分析，分別對(duì)納米YSZ粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%和16%的Al-YSZ復(fù)合材料進(jìn)行了形貌分析。從圖5（a）中可以看到，Al-8%YSZ復(fù)合材料中的納米YSZ粉末均勻分布在基體上。這種細(xì)小的顆粒物質(zhì)可作為載荷傳遞的硬質(zhì)相，起到優(yōu)異的強(qiáng)化作用，從而提升復(fù)合材料的強(qiáng)度、維氏硬度和彈性模量。圖5（b）為Al-16%YSZ復(fù)合材料的掃描圖。從圖5（b）中可以看出過量的納米YSZ粉末會(huì)團(tuán)聚在復(fù)合材料的晶界處，這種團(tuán)聚現(xiàn)象一定程度上會(huì)導(dǎo)致材料的塑性嚴(yán)重下降[22]。

2.1.4力學(xué)性能分析

圖6為鑄態(tài)Al-YSZ復(fù)合材料的維氏硬度。隨著納米YSZ粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，復(fù)合材料的維氏硬度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)納米YSZ粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，復(fù)合材料的維氏硬度達(dá)到30；升高至16%時(shí)復(fù)合材料的維氏硬度提升至31。這是由于隨著納米YSZ粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，硬質(zhì)顆粒在基體中分散，起到了一定承受載荷的作用，從而提高了復(fù)合材料的維氏硬度。

圖7為鑄態(tài)Al-YSZ復(fù)合材料的拉伸曲線圖。從圖中可以看出復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨著納米YSZ粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加都有所提高。納米YSZ粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的復(fù)合材料的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到68.1 MPa和35.71%。這是由于：一方面，納米YSZ粉末的加入細(xì)化了晶粒尺寸，晶粒的細(xì)化對(duì)復(fù)合材料的強(qiáng)度有所提高；另一方面，彌散在基體上的硬質(zhì)點(diǎn)發(fā)揮了顯著的Orowan強(qiáng)化機(jī)制，阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高了滑移變形阻力，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度升高。

但與大多數(shù)增強(qiáng)相不同的是，納米YSZ粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高不僅沒有降低復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率，同時(shí)還有一定的提升。這是由于在材料變形時(shí)伴隨著納米YSZ粉末由四方相到單斜相的馬氏體相變，而這種相變通常伴隨著較大的體積變化（4%～5%），體積變化不僅會(huì)吸收一部分能量，還可能會(huì)對(duì)周圍的鋁基體產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力[9]，從而抵消在拉伸時(shí)的部分拉應(yīng)力，達(dá)到提高伸長(zhǎng)率的效果。

盡管如此，當(dāng)納米YSZ粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%時(shí)，復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率明顯下降。如圖5（b）所示，過量的納米YSZ粉末在熔煉時(shí)極易團(tuán)聚在復(fù)合材料的晶界處，從而導(dǎo)致其伸長(zhǎng)率的下降。

2.1.5拉伸斷口形貌分析

圖8為鑄態(tài)復(fù)合材料的拉伸斷口形貌圖。從圖8中可以看出，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%YSZ的復(fù)合材料的斷口呈現(xiàn)出小而淺的斷口韌窩，并伴隨著撕裂棱和解理臺(tái)階，表明復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率較差。隨著YSZ質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料斷口的韌窩逐漸變大變深，韌窩數(shù)量逐漸增多，較為密集，這表明了復(fù)合材料強(qiáng)度提升的同時(shí)仍然保留有較好的伸長(zhǎng)率。而添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%YSZ的復(fù)合材料的斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解斷裂，宏觀斷口較為平整，韌窩數(shù)量減少，出現(xiàn)了明顯的撕裂棱和河流花樣，表明了復(fù)合材料伸長(zhǎng)率的下降。

3結(jié)論

（1）納米YSZ不與Al基體發(fā)生反應(yīng)，而是單獨(dú)存在于復(fù)合材料的基體中。

（2）隨著納米YSZ質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，納米YSZ均勻分布在基體中并釘扎在晶界處，復(fù)合材料的強(qiáng)度和塑性逐漸提高。而進(jìn)一步提高納米YSZ的添加量后，在復(fù)合材料晶界處出現(xiàn)大量團(tuán)聚的現(xiàn)象，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

（3）納米YSZ粉末的加入通過細(xì)化晶粒，Orowan強(qiáng)化和傳遞載荷等共同作用，提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度。同時(shí)，由于納米YSZ粉末的四方?單斜相變，在吸收變形產(chǎn)生的能量的同時(shí)，改善了材料內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變情況和晶體缺陷，從而提高復(fù)合材料的伸長(zhǎng)率。

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（編輯：何代華）