文章编号：1004-0609(2008)03-0433-06

SiC_p/Al-Fe-V-Si复合材料组织与性能的热稳定性

贺毅强¹，陈振华¹，王  娜²，郝  亮¹，陈志钢¹，陈  刚¹

(1. 湖南大学 材料科学与工程学院，长沙 410082；

2. 淮海工学院 机械工程学院，连云港 222005)

摘  要：为研究SiC_P/Al-Fe-V-Si复合材料的热稳定性，对多层喷射沉积技术制备的SiC颗粒增强Al-Fe-V-Si合金经过不同温度下的热稳定性实验后进行了硬度检测，并对其显微组织进行了电镜观察。结果表明：随着基体合金材料中Fe含量的提高，复合材料的组织和力学性能具有更好的高温稳定性。添加SiC颗粒后，SiC颗粒向基体中注入Si，由于基体中Si浓度的提高，减慢了合金中第二相弥散粒子的粗化和分解，与未添加SiC颗粒的合金材料相比，添加SiC颗粒复合材料的组织和力学性能具有更好的高温稳定性。

关键词：多层喷射沉积；SiC；Al-Fe-V-Si合金；热稳定性

中图分类号：TG 146.2　　     文献标识码：A

Thermostability of hardness and microstructure of

HE Yi-qiang¹, CHEN Zhen-hua¹, WANG Na², HAO Liang¹, CHEN Zhi-gang¹, CHEN Gang¹

(1. College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082;

2. College of Mechanical Engineering, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005, China)

Abstract: The Al-Fe-V-Si alloys reinforced with SiC particles were prepared by multi –layer spray deposition, the hardness was measured by Brinell hardness tester, and the microstructures were observed by TEM. The results show that, with Fe content in the composites increasing, the thermostability of the composites is improved further. The SiC particles injecting Si into matrix slow the coarsening and decomposition of second-phase dispersion particulates by elevation of Si concentration. Compared with alloys without SiC particles, the alloys with SiC particles are characterized with microstructure and mechanical property of better thermostability.

Key words: multi-layer spray deposition; SiC; Al-Fe-V-Si alloy; thermostability

快速凝固Al-Fe-V-Si合金组织由于在α-Al基体上弥散分布高体积分数的细小近球状硅化物粒子，因此，具有良好的室温和高温综合性能。但该合金在冷速较低的条件下容易生成粗大的初生金属间化合物相粒子、初生准晶相及粗胞晶组织，且容易造成显微组织不均匀，从而损害了其力学性能^[1-2]。有研究发现，Al-Fe-V-Si合金挤压件呈现出一层细小的硅化物粒子及一层粗大的硅化物粒子带状组织，对其力学性能有影响^[3]。因此，研究高温下合金显微组织及性能变化显得尤为重要和必要。有学者研究了Al-8.5Fe-1.3V- 1.7Si合金在不同温度下的热稳定性，发现合金在  540 ℃退火100 h后出现了针状组织，但未研究Al-Fe- V-Si/SiC复合材料的热稳定性^[4-5]。有学者对Al-8.5Fe- 1.3V-1.7Si(质量分数，%)进行了热暴露实验，发现在427 ℃暴露100 h后室温拉伸性能基本保持不变，在超过427 ℃后，脆性断口出现，拉伸性能突然下降。在482 ℃暴露100 h后，在拉伸断口观察到Al₁₃Fe₄，但没有涉及复合材料^[3]。HAMBLETON等^[6]对比研究了未添加SiC颗粒和添加SiC颗粒强化的Al-Fe-V-Si合金，发现未强化的合金在550 ℃暴露100 h后出现了粗大的Al₁₃Fe₄相，但强化合金在600 ℃下暴露100 h后也没有出现Al₁₃Fe₄相。前期研究发现，运用多层喷射沉积技术能够制备出组织细小均匀、性能优良的Al-Fe-V-Si/SiC复合材料，且在热加工过程中保持组织和性能稳定^[7-8]。本文作者研究了不同成分的Al-Fe- V-Si/SiC复合材料在不同温度下退火后显微组织和力学性能的变化，并对比研究了未添加SiC颗粒的Al-Fe-V-Si合金组织和力学性能的演变，研究了SiC颗粒以及成分和温度对热稳定性的影响，为在实际应用中最大限度地利用材料的高温性能提供指导。

1  实验方法

在湖南大学材料学院自行研制的多层喷射沉积设备^[9]上制备了Al-Fe-V-Si/SiC复合材料，基体合金材料的名义成分分别为Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si(FVS0812)和Al-10Fe-1.3V-2Si(FVS1012)(质量分数)，添加的SiC颗粒的平均粒度为10 μm，体积分数为15%，用于对比研究的合金名义成分为Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si。沉积坯经过挤压－轧制工艺获得厚度为1.5 mm左右的薄板，挤压比为11，挤压温度和轧制温度均为490 ℃。对3类成品薄板(FVS0812、FVS0812/15SiC_P、FVS1012/ 15SiC_P)同炉进行退火处理，退火工艺如表1所列。退火试样在HBRVU-187.5型布洛维光学硬度计上测试硬度，用JSM-5600型透射电镜观察显微组织变化。

表1  合金及复合材料的退火工艺

Table 1  Annealing parameters of alloys and composites

2  结果与分析

2.1  硬度的演变

图1所示为FVS0812/15SiC_P、FVS1012/15SiC_P及FVS0812在不同温度下退火不同时间的硬度曲线。由图1可看出，无论是否添加SiC颗粒，材料经过   250和350 ℃下退火，其硬度都没有下降，反而有所上升，如FVS0812/15SiC_P和FVS1012/15SiC_P在250 ℃经短时间(FVS1012/SiC_P退火10 h左右，FVS0812/SiC_P退火25 h左右)退火后，其硬度有一定程度的上升。这种在200~400 ℃间短时间退火硬度反而上升的现象也有报道^[10-11]。有人将此归因于材料在退火处理过程中晶粒的粗化，认为晶粒适度粗化能降低不均匀变形程度和防止流变软化的发生，从而使材料强度和塑性都有所提高^[12]。但也有学者认为这和材料中的某种原子簇聚有关，Al-Fe-V-Si合金在300~427 ℃的热处理促使了簇聚的形成，从而使材料硬度有所提高^[13]。由图1(d)可知，没有添加SiC的FVS0812合金材料在 500 ℃退火数小时后，硬度就有明显下降；退火10 h后，其硬度(HB)从135下降到了125，退火50 h后下降到了115，这与文献[5]中FVS0812合金经540 ℃退火100 h后硬度无明显下降也有一定的区别。而FVS0812/15SiC_P和FVS1012/15SiC_P在550 ℃退火 200 h后硬度都没有明显下降(见图1(e))；3种材料经600 ℃退火1 h后，硬度明显下降，而FVS1012/15SiC_P下降不明显(见图1(f))；经630 ℃退火，3种材料的硬度都迅速下降，但FVS0812更为显著(见图1(g))。

图1  Al-Fe-V-Si合金及其复合材料在不同温度下退火不同时间的硬度变化

Fig.1 Hardness change of Al-Fe-V-Si alloy and composites annealing at different temperatures for different time: (a) 250 ℃; (b) 350 ℃; (c) 450 ℃; (d) 500 ℃; (e)    550 ℃; (f) 600 ℃; (g) 630 ℃

图2所示为3种材料在不同温度退火相同时间后硬度对比。由图2可看出，当温度高于450℃后，添加SiC颗粒的复合材料与未添加SiC颗粒的合金材料相比，其热稳定性能表现出比较明显的优势，同时，Fe含量较高的FVS1012/15SiC_P与Fe含量相对较低的FVS0812/15SiC_P相比，其耐热性能也更加优异。

图2  Al-Fe-V-Si合金及其复合材料在不同温度下退火的硬度变化

Fig.2  Hardness change of Al-Fe-V-Si alloy and composites annealing at different temperatures (250, 350, 450, 500 and   550 ℃ for 200 h, 600 and 630 ℃ for 10 h)

由图1和2可看出，与未添加SiC颗粒的FVS0812合金材料相比，添加SiC颗粒后的FVS0812/15SiC_P复合材料的力学性能具有更高的热稳定性；而与FVS0812/15SiC_P相比，FVS1012/15SiC_P的力学性能的热稳定性更优异。退火过程中显微组织的演变也正好证明了这一点。

2.2  显微组织的演变

图3所示为Al-Fe-V-Si合金及其复合材料在不同温度下退火不同时间的显微组织变化。由图3可以看出，通过喷射沉积工艺制备的耐热铝合金及其复合材料，其弥散细小的α-Al₁₂(Fe, V)₃Si为体心立方相，粗化率极小，不易分解，在高达550 ℃时仍保持其类球形貌，具有良好的热稳定性。由图3(a)和(b)可看出，其第二相(Al₁₂(Fe,V)₃Si)粒子尺寸和形状都相近，都为近球状，尺寸为50~80 nm，位错缠结在第二相粒子上，由此可看出，在变形过程中弥散细小的第二相粒子对位错的钉扎作用。而未添加SiC颗粒的FVS0812材料的第二相粒子相对粗大，约为500 nm，由于颗粒粗大，不能有效钉扎位错，因此，无位错缠结现象。由图3(d)~(f)可知，FVS0812/15SiC_P中的第二相粒子有一定程度的长大，为100~200 nm。而FVS1012/15SiC_P中的第二相粒子几乎没有长大(约为100 nm)，依然保持细小弥散(见图3(e))。由图3(d)和(e)可看出，第二相粒子上没有位错缠结现象，这是由于在退火过程中发生回复。而FVS0812在550 ℃下退火200 h后其晶界已经平直化，这是由于其第二相粒子粗大，钉扎晶界的能力差，因而容易再结晶。经600 ℃退火10 h后，FVS0812/15SiC_P中的第二相粒子已经聚集长大(400~500 nm)(见图3(g))，而FVS1012/15SiC_P中的第二相粒子略有长大(100~150 nm)(见图3(h))。而未添加SiC颗粒的FVS0812合金中经600 ℃退火10 h后，第二相粒子明显长大，已经有六方结构的h-AlFeSi生成(见图3(i))，这种相在文献[14]中也出现，其晶格参数为a=2.514 nm，c=1.257 nm。

图3  Al-Fe-V-Si合金及其复合材料退火前及在不同温度下退火不同时间的显微组织

Fig.3  Microstructures of Al-Fe-V-Si alloys and composites before annealing and annealing different time at different temperatures: (a) FVS0812/15SiC_P, as rolled; (b) FVS1012/15SiC_P, as rolled; (c) FVS0812, as rolled; (d) FVS0812/15SiC_P, 550 ℃ for 200 h; (e) FVS1012/15SiC_P, 550 ℃ for 200 h; (f) FVS0812, 550 ℃ for 200 h; (g) FVS0812/15SiC_P, 600 ℃ for 10 h; (h) FVS1012/15SiC_P, 600 ℃ for 10 h; (i) FVS0812, 600 ℃ for 10 h

2.3 分析

弥散强化型材料的强度不仅取决于基体和弥散相的本性，还取决于弥散相的含量、分布和粒度、形态以及弥散相与基体的结合情况。根据合金强化理论，合金强化在高温下下降的主要原因在于：1) 基体发生了结晶软化；2) 溶质原子急剧扩散；3) 强化相长大或者粗化；4) 位错攀移和晶界迁移。

在上叙因素中，强化相长大和粗化是一个很重要的因素，屈服强度与第二相粒子的半径和体积分数的关系可以表示为

由式(1)可知，耐热铝合金中的强化相在高温下长大速率较低，这就要求加入的合金元素在基体中具有较低的平衡固溶度和扩散等，从而产生大量不易转变的及粗化的第二相质点，细小的弥散分布在铝基体上，钉扎位错，阻碍晶界滑移，提高再结晶温度，推迟再结晶，从而改善合金的性能。

喷射沉积工艺是一种典型的非平衡凝固，其主要作用有：减少偏析、细化晶粒、增大固溶度及形成细小的亚稳相。通过喷射沉积工艺制备的耐热铝合金及其复合材料，由于喷射沉积工艺的高冷却速率(10³~10⁴ K/s)，析出弥散细小的α-Al₁₂(Fe,V)₃Si的体心立方相，这种硅化物是从微共晶或二十面体组织中分解而来，晶格常数为1.25~1.26 nm，大约是铝基体(0.404 9 nm)的3倍，因而粗化率极小，比Al-Fe小3~ 4数量级。这种硅化物也十分稳定，不易分解，在高达500 ℃时仍保持其类球形貌和亚稳bcc结构，具有很高的热稳定性，因此，无论合金材料还是添加SiC颗粒的复合材料都具有良好的耐热性^[15]。

而通过喷射共沉积SiC颗粒后进一步提高了Al-Fe-V-Si合金的组织和性能的热稳定性。未添加SiC颗粒的FVS0812合金中的弥散粒子比添加SiC颗粒的FVS0812/SiC_P和FVS1012/SiC_P复合材料的弥散粒子要粗大得多，合金材料在600 ℃退火10 h后显微组织发生了明显变化，第二相粒子长大和转变，并生成了粗大的六方相，严重降低了其力学性能，因此，经   600 ℃以上温度退火后，其硬度迅速下降。而添加SiC颗粒时，在高温下SiC颗粒溶解，向基体中注入Si原子，使基体中Si浓度提高，从而有效地延缓了Al₁₂(Fe,V)₃Si粒子的分解与长大，使之在高温退火过程中保持细小弥散状态，这一点在文献[6]中也有相似论述。同时可看出，FVS1012/SiC_P与FVS0812/SiC_P相比，其第二相粒子的体积分数更高，且在退火过程中更能有效地保持弥散细小。

根据式(1)，在退火过程中，保持r愈小、愈高，则σ_0.2愈高。因此，在退火过程中，与FVS0812合金相比，FVS0812/SiC_P的热稳定性更高。而与FVS1012/SiC_P与FVS0812/SiC_P相比，则可能是由于其第二相粒子的体积分数更高，相互抑制了粗化的趋势，因而更能保持弥散细小。因此，与FVS0812/SiC_P相比，FVS1012/SiC_P具有更好的热稳定性。

3  结论

1) 通过喷射沉积工艺制备的耐热铝合金及其复合材料的弥散粒子在长期高温过程中保持类球状，粗化速率低，即使经550 ℃退火200 h后，组织无明显变化，硬度下降不明显，具有优异的热稳定性。

2) SiC的添加提高了基体的冷却速率，细化了基体组织，在退火过程中抑制第二相粒子的长大与分解，因此，添加了SiC颗粒的复合材料组织和性能具有更好的热稳定性。

3) 复合材料的热稳定性随着铁含量的提高而提高。与FVS0812/SiC_P相比，FVS1012/SiC_p在高温退火过程中，其组织更能保持弥散细小，性能也更稳定，特别是当温度高于450 ℃时，这种优势逐渐明显。

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(50304008)

收稿日期：2007-06-15；修订日期：2007-12-29

通讯作者：陈振华，博士生导师，教授；电话：0731-8821648；E-mail: ant210@sina.com

(编辑 李艳红)