简介概要

粉末冶金法制备SiCp/Al-Cu-Mg复合材料的固溶时效行为

来源期刊：稀有金属2008年第4期

论文作者：樊建中谢臻左涛肖伯律

关键词：铝基复合材料; SiC颗粒; 析出相;

摘要：通过XRD、硬度和电导率测试对比了不同固溶温度下Al-Cu-Mg合金与SiCp/Al-Cu-Mg复合材料中的析出相.XRD分析表明, 经T4处理后, 未增强基体铝合金中析出相为Al2CuMg相和CuAl2相, 而复合材料中的析出相为CuAl2相和Mg2Si相.由SiC颗粒提供的游离Si与基体中的Mg生成了Mg2Si相, 从而提高基体合金中Cu/Mg含量比, 进而影响Al2CuMg相的生成.

稀有金属 2008,(04),433-436 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.04.026

粉末冶金法制备SiC_p/Al-Cu-Mg复合材料的固溶时效行为

樊建中肖伯律左涛

北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心

摘要：

通过XRD、硬度和电导率测试对比了不同固溶温度下Al-Cu-Mg合金与SiCp/Al-Cu-Mg复合材料中的析出相。XRD分析表明, 经T4处理后, 未增强基体铝合金中析出相为Al2CuMg相和CuAl2相, 而复合材料中的析出相为CuAl2相和Mg2Si相。由SiC颗粒提供的游离Si与基体中的Mg生成了Mg2Si相, 从而提高基体合金中Cu/Mg含量比, 进而影响Al2CuMg相的生成。

关键词：

铝基复合材料;SiC颗粒;析出相;

中图分类号： TF124

作者简介：樊建中 (E-mail: jzfan@grinm.com) ;

收稿日期：2007-11-96

Behavior of Solution Treatment for SiC_p/Al-Cu-Mg Composite Fabricated by Powder Metallurgy

Abstract：

The precipitate phases of Al-Cu-Mg alloy and SiCp/Al-Cu-Mg composite at different solution treatment temperatures were studied and discussed by means of using the Brinell tester, conductivity test and X-ray diffraction techniques.The precipitate phase in the unreinforced aluminum alloys were Al2CuMg and CuAl2 under the T4 condition, but CuAl2 and Mg2Si in the composites, owing to the change of matrix composition.The addition of SiC particles provided free silicon which formed Mg2Si with Mg atom in matrix, so that the ratio of Cu to Mg in matrix increased influenced the formation of Al2CuMg.

Keyword：

aluminum composite;SiC particle;precipitate phase;

Received： 2007-11-96

近年来, SiC_p/Al复合材料以其一系列的优点已成功地应用于航空航天等领域。研究表明 ^[1,2] , 对于以可时效强化的Al-Cu-Mg合金为基体的SiC_p/Al复合材料, 经时效处理后材料的强度提高50%以上, 所获得的强化效果不亚于增强相的作用。

Tan等 ^[1] 对粉末冶金 (PM) 制备的体积分数为15%的SiC和Al₂O₃颗粒增强2618Al复合材料的研究发现, 复合材料经热处理后, 与挤压态相比, 拉伸强度与屈服强度在T4态时分别提高了59.9%和133.6%, T6态时分别提高了59%和179.6%。分析认为, 基体中的增强颗粒在承担一部分载荷的同时也造成了基体中应变的不连续性, 而复合材料的强度取决于这两者平衡的结果。

文献 [ 2] 对PM-SiC_p/Al-Cu-Mg复合材料研究表明, 与挤压态相比, T4态复合材料拉伸强度和屈服强度分别提高了68.5%和105%, 但塑性保持在同一水平。分析认为, 热处理后复合材料强度的增加, 除了得益于铝合金基体自身沉淀强化外, 受铝合金基体强度增加间接影响其他复合材料强化机制的充分发挥也是重要的影响因素。

由此可见, 复合材料热处理的研究得到了各国研究者的普遍重视。本文拟通过对PM-15%SiC_p/Al-Cu-Mg复合材料固溶时效行为的研究, 进一步探讨SiC颗粒添加对铝基复合材料的影响。

1 实验

复合材料选用α-SiC颗粒作为增强体, 颗粒体积分数为15%; 基体合金选用Al-Cu-Mg系合金 (3.2%～4.4%Cu, 1.2%～1.6%Mg, 余量为Al) 。

复合材料的制备方法采用粉末冶金法。具体过程为: 采用气雾化法制备铝合金粉末; 把SiC颗粒与合金粉末混合均匀并冷压, 将冷压坯料真空热压成坯锭, 随后将热压锭按16∶1的挤压比挤压成棒材。沿挤压方向取Φ 20 mm×10 mm的试样, 选择480, 490, 500, 510, 520, 530, 540 ℃作为固溶温度进行固溶处理, 随后自然时效96 h。未增强基体铝合金采用相同工艺制备, 并进行了固溶时效处理。

在PANalytical X′pert Pro MPD下进行X射线物相分析, 辐射源为Cu Kα。在FQR7501涡流导电仪上测试电导率, 常温布氏硬度测试在HD-1875上进行。

2 结果与分析

2.1 XRD分析

图1, 2分别示出了未增强基体铝合金和复合材料经不同固溶温度处理后的XRD结果。

由图可知, 未增强基体铝合金在480～540 ℃固溶温度处理范围内的析出相只有Al₂CuMg相, 且在490 ℃以后, 合金中不再有新相析出。与未增强基体铝合金相比较, 复合材料经一系列固溶温度处理后的主要析出相为CuAl₂相和Mg₂Si相, 而并不存在Al₂CuMg相, 且在520 ℃固溶处理后只有Mg₂Si相。为了便于进一步的比较与分析, 将不同条件下未增强基体铝合金与复合材料的析出相组成结果列于表1中。

为了解释复合材料经固溶处理后Mg₂Si析出相的存在, 本文对SiC颗粒与铝合金粉末的混合物及热压态复合材料进行了XRD分析, 结果如图3所示。由图可知, 热压态复合材料与SiC颗粒和铝合金粉末的混合物相比, 析出相组成发生了改变, 即由Al₂CuMg相和CuAl₂相转变为CuAl₂相和Mg₂Si相。

图1 未增强基体铝合金经不同固溶温度处理后的XRD图谱

Fig.1 XRD patterns of unreinforced Al alloy after solution treatment at different temperatures

图2 复合材料经不同固溶温度处理后的XRD图谱

Fig.2 XRD patterns of composite after solution treatment at different temperatures

分析复合材料经真空热压后存在Mg₂Si析出相的原因认为, Mg₂Si相是由游离Si与基体中的Mg元素在热压过程中反应生成。基体中游离Si的来源主要有两个: 一是颗粒表面本身就附有游离Si (本实验用颗粒经检测含有0.5% (质量分数) 的游离Si) ; 二是由基体与SiC颗粒表面SiO₂的界面反应生成一定量的游离Si ^[3] 。而当合金中存在Si元素时, 基体合金中的Mg元素除了部分固溶到Al中形成固溶体外, 其余部分优先与Si生成Mg₂Si相 ^[4] , 由此Mg₂Si相在复合材料热压后析出。文献 [ 5] 表明, 对于Cu/Mg值 (质量百分比) 高达18.3的LY10合金, 其强化相是θ (CuAl₂) 相, 由此可见, 高的Cu/Mg值使得Al-Cu-Mg合金只析出θ相。而在本文中复合材料基体中Mg₂Si的生成消耗了基体合金中大量的Mg原子, 从而提高了Cu/Mg值, 故复合材料热压冷却后不再析出Al₂CuMg相, 而只能析出CuAl₂相。这一变化也解释了复合材料经固溶处理后存在Mg₂Si相及Al₂CuMg相消失的原因。此后, 复合材料中的Mg₂Si相在一系列不同固溶温度处理后一直存在, 且在510 ℃时开始出现回溶, 但其变化并不明显, 如图2所示。

表1未增强基体铝合金与SiCp/Al复合材料在不同条件下的析出相组成

Table 1Precipitation composition of unreinforced Al-Cu-Mg alloy and composite in different conditions

Materials	Solution temperature/℃	Heat treatment condition	Al₂CuMg	CuAl₂	Mg₂Si
Unreinforced	480	T4	√	-	-
aluminum	490	T4	√	-	-
matrix alloy	500-540	T4	-	-	-
Composite	-	Powder mixture	√	√	-
	-	As hot pressed billet	-	√	√
	480	T4	-	√	√
	490	T4	-	√	√
	500	T4	-	√	√
	510	T4	-	√	√
	520	T4	-	-	√
	530	T4	-	√	√
	540	T4	-	√	√

图3 SiC颗粒与铝合金粉末的混合物和热压态复合材料的XRD图谱

Fig.3 XRD patterns of composite for hot pressing status and mixture of SiC and Al alloy powder (1) Composite-mixed; (2) Composite-hot pressing

同时, SiC颗粒和铝合金粉末的混合物中析出相的组成也说明, 未增强基体铝合金中的析出相为Al₂CuMg相和CuAl₂相。结合表1分析经不同固溶温度处理后的未增强基体铝合金析出相组成变化可知, CuAl₂相并没有出现, 而Al₂CuMg相也只有在480和490 ℃固溶时效处理后存在。这一变化说明, 高的固溶温度提高了基体中合金元素的固溶度, 使得未增强铝合金中的Al₂CuMg相和CuAl₂相都回溶到合金中, 而自然时效阶段形成GP区后不再析出新相。图1中Al₂CuMg相的含量随着固溶温度升高而减少即说明了这一点。

但在复合材料480～540 ℃的固溶处理温度范围内, CuAl₂相只在520 ℃时完全回溶, 如表1所示。分析认为, 这是由于基体合金中各元素的固溶度随着固溶温度的上升而获得很大提高, 从而使得在气雾化制备和热压后析出的CuAl₂相在固溶阶段逐渐回溶到基体中, 自然时效阶段完全形成GP区的缘故。复合材料中CuAl₂相的含量随着固溶温度的升高而逐渐减少即说明了这点, 如图2所示。

此外, 与在未增强基体铝合金中480 ℃时完全回溶相比, CuAl₂相在复合材料中的回溶温度有较大的提高 (表1) 。大量颗粒表面氧化层与界面以及位错的产生湮没了淬火时产生的大量空位, 延缓了GP区的形成 ^[6,7,8] , 促使复合材料中的CuAl₂相完全回溶时所需固溶温度提高。

但当固溶温度超过520 ℃时, 经固溶处理后的复合材料基体中有少量CuAl₂相出现 (图2) 。分析认为这可能主要是由于固溶温度过高引起基体合金过烧所致。当固溶温度升至530 ℃时, 基体合金开始出现过烧, 此时优先在颗粒与基体的界面附近会出现融化现象, 淬火后形成Cu原子偏聚区, 在自然时效阶段析出少量CuAl₂, 并随着过烧程度的加大而含量也相应地增加 (图2) 。

2.2 复合材料硬度分析

图4为SiC_p/Al复合材料的硬度值随固溶温度变化的曲线。由图可见, 在固溶温度为480～530 ℃阶段, 复合材料的布氏硬度值随着固溶温度的升高而增加, 在530 ℃时达到峰值。这与上述析出相的分析结果非常吻合。在480～520 ℃固溶处理阶段, CuAl₂相逐渐回溶到基体中, 固溶强化效果明显, 所以其硬度值一直上升。当复合材料在530 ℃固溶处理时, CuAl₂相回溶完毕后, Mg₂Si相的部分回溶使得形成GP区数量相对增加, 从而固溶强化效果进一步增强, 硬度值继续上升。而在540 ℃时, 即使Mg₂Si相回溶量有所增加, 固溶强化效果得到增强, 但复合材料的过烧对硬度的损害作用也远大于此, 故其硬度值迅速下降。

2.3 复合材料电导率分析

为了进一步研究复合材料析出相的变化规律, 对经不同固溶温度处理后复合材料电导率的变化进行了研究, 如图5所示。由图可见, 与硬度曲线变化规律相反, 在固溶温度为480～510 ℃阶段, 复合材料的电导率迅速下降, 这与前述XRD分析结果相符。基体合金中CuAl₂相的逐渐减少及GP区的形成使得基体合金中质点对电子的散射作用增强, 电导率迅速下降。而当CuAl₂相逐渐回溶完全后, 基体中Mg₂Si相少量的溶解 (图2) 使得电导率在固溶温度为510～530 ℃阶段进一步下降, 但趋势减缓。