简介概要

热处理对粉末冶金法制备Wp/2024Al复合材料力学性能的影响

来源期刊：稀有金属2008年第6期

论文作者：杨剑练友运毛昌辉

关键词：铝基复合材料; 热处理; 力学性能;

摘要：利用粉末冶金法制备了钨颗粒体积分数分别为5%,8%,10%的Wp/2024Al复合材料,挤压态复合材料W颗粒分散均匀,沿挤压方向钨颗粒呈带状分布.复合材料经过热处理后拉伸强度得到提高,延伸率则发生下降;同一工艺制备的Wp/2024Al复合材料480℃固溶时抗拉强度达到最大值;随着固溶温度的升高.复合材料屈服强度有一定的增加.延伸率下降;随着W含量的增加,T4态复合材料的抗拉强度和屈服强度升高,而延伸率下降.断口观察表明.挤压态和热处理态复合材料断口上存在大量韧窝,W颗粒没有发生开裂,热处理态复合材料发生界面脱开现象.

稀有金属 2008,32(06),723-727 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.06.003

热处理对粉末冶金法制备W_p/2024Al复合材料力学性能的影响

练友运毛昌辉

北京有色金属研究总院先进电子材料研究所

摘要：

利用粉末冶金法制备了钨颗粒体积分数分别为5%, 8%, 10%的Wp/2024Al复合材料, 挤压态复合材料W颗粒分散均匀, 沿挤压方向钨颗粒呈带状分布。复合材料经过热处理后拉伸强度得到提高, 延伸率则发生下降;同一工艺制备的Wp/2024Al复合材料480℃固溶时抗拉强度达到最大值;随着固溶温度的升高, 复合材料屈服强度有一定的增加, 延伸率下降;随着W含量的增加, T4态复合材料的抗拉强度和屈服强度升高, 而延伸率下降。断口观察表明, 挤压态和热处理态复合材料断口上存在大量韧窝, W颗粒没有发生开裂, 热处理态复合材料发生界面脱开现象。

关键词：

铝基复合材料;热处理;力学性能;

中图分类号： TB331

作者简介：毛昌辉 (E-mail:jsjian-y@163.com) ;

收稿日期：2008-07-22

Effect of Heat Treatment on Mechanical Properties of W_p/2024Al Composites Prepared by Powder Metallurgy

Abstract：

The composites of 2024Al with 5% (in volume) W particles, 8%W and 10%W, respectively were fabricated by powder metallurgy method. In the extruded composites, the W particles uniformly dispersed in the 2024 aluminum matrix, and the clustering of the W particles also observed locally. After heat treatment, the tensile strength of the composites increased, and the elongation of the composites decreased. The ultimate tensile strength of Wp/2024Al composite treated in 480 ℃ solution achieved maximum. The yield strength increased and the elongation decreased, as the temperature of solution treatment increased. With the content of W particles increasing, the ultimate tensile strength of the composites increased and the yield strength of the composites decreased. Fractographic analysis revealed that there were many dimples on the fracture surfaces of extruded and heat-treated composites, the W particles did not crack and the heat treated composites showed interfacial decoherence of W particles.

Keyword：

aluminum matrix composites; heat treatment; tensile properties;

Received： 2008-07-22

目前, 颗粒增强金属基复合材料在制备工艺、断裂性能及疲劳性能等方面的研究取得了显著的进步 ^[1] 。铝基复合材料中增强颗粒通常为陶瓷颗粒如SiC ^[2,3] , Al₂O₃ ^[4] 等, 金属间化合物颗粒Ni-Al ^[5] , Fe-Al ^[6] 和Ti-Al ^[7] 等也被用于作为铝基的增强颗粒。金属W由于具有高的刚度, 强度和硬度, 可以用作制备Ti/W ^[8,9] 复合材料, 制备的复合材料具有很高的拉伸性能和硬度。本文以金属W作为铝基复合材料的增强颗粒, 通过粉末冶金法制备了含有W颗粒的铝基复合材料, 制备的铝基复合材料还可以作为一种新型的防射线和粒子辐射屏蔽材料。

1 实验

复合材料基体选用2024Al合金, 基体合金粉末通过气雾化法制得, 平均粒度为45 μm, 实验中选用的增强体W颗粒的平均粒度为3 μm, 制备了W颗粒体积分数分别为5%, 8%, 10%的W_p/2024Al复合材料。复合材料的制备方法采用粉末冶金法, 首先将配制的粉末在混料机上进行混合, 充入Ar气保护, 混合时间为16 h; 将混合粉末进行真空热压; 然后将热压坯锭在480 ℃进行热挤压, 挤压比14∶1。复合材料在470～500 ℃固溶, 冷水淬火, 自然时效96 h (T4态) 。为了便于比较, 采用相同工艺制备了2024铝合金基体棒材, 并进行了相同固溶时效热处理。

复合材料W_p/2024Al沿挤压方向加工成标准拉伸试样 (标距段长30 mm, 直径5 mm) 。使用岛津万能实验机在室温下进行拉伸试验。在S4800型扫描电镜下观察复合材料的微观组织和拉伸断口形貌。

2 结果与讨论

2.1 挤压态力学性能

图1为挤压态复合材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率。从图中可以发现, 未添加W颗粒的2024Al基体合金其抗拉强度要高于含有W颗粒的复合材料, 而屈服强度则略低。另外2024Al的延伸率则要明显高于复合材料。挤压态复合材料的抗拉强度、屈服强度分别达到了310, 190 MPa, W颗粒含量的变化对挤压态复合材料力学性能没有明显影响。另外复合材料都有较高的塑性, 延伸率达到11%以上。

2.2 T4态力学性能

图2是2024Al合金经过热处理后力学性能, 经过热处理复合材料的拉伸强度大幅提高, 490 ℃固溶的拉伸试样其抗拉强度和屈服强度达到最大值, 而且T4态2024Al的延伸率也得到了提高。 2024 铝合金是热处理可强化的变形铝合金, 其强化相为S (Al₂CuMg) , CuAl₂及MnAl₆等相。基体铝合金经T4热处理后强度的增加是由于固溶时效形成析出相导致沉淀强化作用引起的。

图3 (a) , (b) , (c) 分别是T4态复合材料5%W/2024Al, 8%W/2024Al和10%W/2024Al经不同固溶温度处理后的力学性能。与挤压态的复合材料相比, T4态复合材料的抗拉强度得到了很大的提高, 而延伸率则出现了一定的下降。含有W颗粒体积分数5%, 8%, 10%的T4态复合材料其抗拉强度和延伸率随固溶温度的变化趋势是一致的, 480 ℃固溶热处理复合材料抗拉强度达到最大值, 固溶温度继续升高抗拉强度发生下降; 而屈服强度随着固溶温度的升高而有一定的增加, 延伸率随着固溶温度的提高发生下降。 T4态2024Al基体最大抗拉强度达到540 MPa, 而T4态复合材料最大抗拉强度略低于基体合金。主要是由于以下原因造成的: W颗粒界面存在着基体合金元素的富集, W颗粒界面的合金元素Cu和Mg含量均明显高于在基体内部; 复合材料中颗粒的团聚也会导致复合材料的强度下降; 文献报道分析 ^[10] , Mg元素富集可能在界面形成脆性相MgO, 因而界面结合强度降低; 另外固溶温度越高, 复合材料中合金元素Cu和Mg在界面处的富集增加, 从而导致高的固溶温度下, 复合材料的力学性能较低。

图4是W颗粒含量变化对T4态复合材料力学性能的影响对比图。随着W含量的增加, T4态复合材料的抗拉强度升高, 而延伸率则发生下降。从图中可以发现W颗粒含量对复合材料力学性能的影响较小, W颗粒含量从5%增加到10%, 复合材料的抗拉强度和屈服强度分别只增加了6%和7%。

图5是固溶时间对复合材料力学性能的影响。复合材料在480 ℃固溶1 h, 淬火, 自然时效96 h, 其抗拉强度和延伸率都达到最大值。随着固溶时间延长, 复合材料的力学性能发生下降。

图1 挤压态复合材料的力学性能

Fig.1 Tensile properties of extruded composites

图2 T4态2024Al的力学性能

Fig.2 Tensile properties of heat-treated 2024Al

图3 T4态复合材料的力学性能

Fig.3 Tensile properties of heat-treated composites (a) 5%W/2024Al; (b) 8%W/2024Al; (c) 10%W/2024Al

2.3 微观结构

图6是复合材料10%W_p/2024Al的微观组织图。图6 (a) 是热压态复合材料的微观组织, 经过真空热压成型, 铝合金粉末颗粒发生了一定的变形, 但是没有破碎; 添加的W颗粒分布在基体颗粒的边界处, 存在一定的团聚现象。图6 (b) 是挤压态复合材料的微观组织 (经腐蚀过) , 通过热挤压使W颗粒在复合材料中的分散得到改善, W颗粒在复合材料垂直于挤压方向分散比较均匀, 但是也能够发现部分W颗粒的团聚, 平行于挤压方向W颗粒呈带状分布。采用阿基米德排水法测试复合材料的密度, 热压态复合材料致密度达到97%, 热挤压后复合材料的密度可以达到理论密度。

2.4 断口分析

图7是复合材料8vol%W_p/2024Al在不同固溶温度下热处理及挤压态的断口形貌, 图中可见, 挤压态复合材料断口上的韧窝尺寸比较均匀; 经不同的固溶温度处理的复合材料在断口特征上有很大差别, 480 ℃固溶热处理态的复合材料断口上均呈现出形状不均匀的韧窝, 而且韧窝较浅; 500 ℃固溶热处理态的复合材料韧窝较少, 且W颗粒与基体之间开裂现象相对增多。固溶热处理后W颗粒与基体的界面处存在Mg, Cu元素富集时, 常常造成材料产生界面脱开的断口形貌 ^[10] , 另外由于W颗粒与基体合金的热膨胀系数相差很大, 因此热处理会在W颗粒界面处产生较大的应力集中, 从而导致在复合材料在拉伸过程中发生W颗粒的界面脱开现象, 这种断裂形式对材料的性能是非常不利的。

图4 W含量对T4态复合材料力学性能的影响 (480 ℃固溶1 h)

Fig.4 Effect of the content of W particles on the tensile properties of T4 status composites

图5 固溶时间对复合材料10% W/2024Al力学性能的影响 (480 ℃固溶)

Fig.5 Effect of solution treated time on the tensile properties of T4 status 10% W/2024Al composites

图6 复合材料10%Wp/2024Al的微观组织 (SEM)

Fig.6 Microstructure of 10%W_p/2024Al composite (SEM) (a) Hot-pressed; (b) Extrusion billet (transverse orientation) ; (c) Extrusion billet (longitudinal orientation)

图7 复合材料10%Wp/2024Al拉伸断口SEM照片

Fig.7 SEM images of tensile fracture surfaces of the 10%W_p/2024Al composite (a) Hot-pressed; (b) T4 (480 ℃ solid solution) ; (c) T4 (500 ℃ solid solution)

3 结论

利用粉末冶金方法制备了W体积分数为5%, 8%, 10%的W_p/2024Al复合材料。复合材料中W颗粒分散比较均匀, 但是也存在局部颗粒团聚现象; 复合材料经过热处理后拉伸性能得到提高, 复合材料的力学性能接近2024Al合金, 断裂延伸率则发生下降; 480 ℃固溶的复合材料抗拉强度达到最大值, 固溶温度继续升高抗拉强度发生下降, 而屈服强度随着固溶温度的升高有一定的增加, 延伸率发生下降。随着W含量的增加, T4态复合材料的抗拉强度升高, 而延伸率则发生下降。复合材料480 ℃固溶1 h达到最佳力学性能。断口观察表明挤压态和热处理态复合材料断口上存在大量韧窝, W颗粒没有发生开裂, 热处理态复合材料发生界面开裂现象。