简介概要

含Si量对Mullite纤维/Al-Cu-Si复合材料及其基体合金时效行为的影响

来源期刊：中国有色金属学报2002年第1期

论文作者：李伟龙剑平景山沈保罗高升吉涂铭旌

文章页码：120 - 125

关键词：Mullite纤维；Si；Al-Cu-Si合金；时效硬化

Key words：Mullite fibre; Si; Al-Cu-Si alloy; ageing

摘要：用挤压铸造方法制备了Mullite/Al-Cu-Si复合材料。用硬度(HB)测试仪、差示扫描量热仪(DSC)和显微镜研究含Si量变化和Mullite纤维对Al-Cu-Si合金时效硬化行为的影响；元素Si、Mullite纤维以及二者同时存在对Al-Cu-Si合金时效析出序列的影响。结果表明：Si和Mullite纤维明显抑制了Al-Cu合金GP区的形成；随着含Si量增加，Al-Cu-Si合金的时效硬化过程加快；Mullite纤维对Al-Cu和Al-Cu-Si合金的时效硬化过程都具有加速作用，同时提高了基体合金的时效硬度，但相对而言，Mullite纤维对无Si的Al-Cu合金的时效硬化加速作用更为明显一些。

Abstract: Short Mullite fibre reinforced Al-4.0Cu-Si composites and their monolithic alloys with different Si content (0%，2%，5%，7%) we re fabri cated by squeeze casting.The effects of Si content and short Mullite fibre on the age-hardening behaviours of composites and the effects of Si，Mullite fibre and both of them on the precipitation procedure have be en investigated by means of hardness(HB) measurement device，differential scanning calorimeter (DSC) and optical micrograph.It is shown that GP zone formation is heavily suppressed by either Si or Mullite fibre. With the increasing of Si content，the age-hardening response of Al-Cu-Si ternary alloys is accelerated.The acceleration of ageing is observed both in Mullite fibre reinforced Al-Cu composite and in mullite fibre reinforced Al-Cu-Si composite and the aged hardness of the testing composites is largely increased.Relatively speaking，the acceleration effect of mullite fibre in silicon free (no addition of silicon) Al-Cu based compos ite is greater than that in silicon containing Al-Cu-Si based composites.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.01.024

含Si量对Mullite纤维/Al-Cu-Si复合材料及其基体合金时效行为的影响

李伟龙剑平景山沈保罗高升吉涂铭旌

四川大学制造科学与工程学院

四川大学金属材料工程系

四川大学金属材料工程系成都610065

摘要：

用挤压铸造方法制备了Mullite/Al Cu Si复合材料。用硬度 (HB) 测试仪、差示扫描量热仪 (DSC) 和显微镜研究含Si量变化和Mullite纤维对Al Cu Si合金时效硬化行为的影响 ;元素Si、Mullite纤维以及二者同时存在对Al Cu Si合金时效析出序列的影响。结果表明 :Si和Mullite纤维明显抑制了Al Cu合金GP区的形成 ;随着含Si量增加 , Al Cu Si合金的时效硬化过程加快 ;Mullite纤维对Al Cu和Al Cu Si合金的时效硬化过程都具有加速作用 , 同时提高了基体合金的时效硬度 , 但相对而言 , Mullite纤维对无Si的Al Cu合金的时效硬化加速作用更为明显一些。

关键词：

Mullite纤维;Si;AlCuSi合金;时效硬化;

中图分类号： TB333

收稿日期：2001-03-01

基金：国家自然科学基金资助项目 (5 963 10 80 );

Effects of silicon content on ageing behaviours of Mullite/Al-Cu-Si composite and its base alloy

Abstract：

Short Mullite fibre reinforced Al 4.0Cu Si composites and their monolithic alloys with different Si content (0%, 2%, 5%, 7%) were fabricated by squeeze casting.The effects of Si content and short Mullite fibre on the age hardening behaviours of composites and the effects of Si, Mullite fibre and both of them on the precipitation procedure have been investigated by means of hardness (HB) measurement device, differential scanning calorimeter (DSC) and optical micrograph. It is shown that GP zone formation is heavily suppressed by either Si or Mullite fibre. With the increasing of Si content, the age hardening response of Al Cu Si ternary alloys is accelerated.The acceleration of ageing is observed both in Mullite fibre reinforced Al Cu composite and in mullite fibre reinforced Al Cu Si composite and the aged hardness of the testing composites is largely increased.Relatively speaking, the acceleration effect of mullite fibre in silicon free (no addition of silicon) Al Cu based composite is greater than that in silicon containing Al Cu Si based composites.

Keyword：

Mullite fibre; Si; Al Cu Si alloy; ageing;

Received： 2001-03-01

时效处理是提高可时效强化铝合金及铝基复合材料综合力学性能的有效工艺手段。已有不少的研究文献指出 ^{[1,2,3,4,5,6,7]} , 铝基复合材料的时效行为不同于其基体合金, 纤维或晶须、颗粒的引入, 明显地改变了基体合金的时效析出行为。多数学者认为 ^{[1,2,3,4,5,6,7]} , 增强体的引入抑制了GP (B) 区的形成, 加速了沉淀相θ′, S′, β′等的析出过程。同时, 也有少数作者给出了相反的实验研究结果 ^[8] 。然而, 迄今为止, 有关莫来石 (Mullite) 纤维增强铝基复合材料时效行为的文献报道还不多见。作者对Mullite纤维增强Al-Cu合金复合材料的时效行为进行了实验研究 ^[9] , 同样发现了纤维对GP区的抑制作用和对θ′相析出过程的加速作用。

Al-Cu-Si三元合金中的含Si量超过一定值后, Si以独立相形式存在于合金中, 在组织中将造成众多的界面, 这种界面的存在对合金的时效行为将产生影响。西野直久等人 ^[10] 在Al-Cu-Si合金中引入硼酸铝晶须 (AB_w) , 研究了含Si量变化对复合材料及其基体合金力学性能的影响。在涉及Si和晶须对合金时效行为的影响时指出, 基体中的Si量变化对复合材料的时效硬化行为影响不显著。本文作者用莫来石 (Mullite) 短纤维增强Al-Cu-Si合金, 研究含Si量变化 (质量分数%: 0, 2, 5, 7) 和Mullite纤维以及二者同时存在时对Mullite/Al-Cu-Si铝基复合材料及其基体合金时效硬化行为的影响。

1 实验

莫来石纤维由洛阳耐火材料研究院生产, 为晶态硅酸铝中的莫来石 (Mullite) 晶型。基体合金的化学成分如表1所示。复合材料由挤压铸造方法制得, 其中纤维体积分数为18% 。铸态试样加工成40 mm×20 mm×10 mm供硬度测试, DSC试样为d4.5 mm×2 mm圆片 (80～100 mg) 。硬度试样和DSC试样分别经515 ℃, 10 h固溶处理, 冰水混和液淬火。随后在190 ℃下进行等温时效处理, 测定不同时效时间的布氏硬度HB (d5 mm, 2.45 kN, 30 s保压) 。固溶淬火后的DSC圆片试样经快速超声清洗后, 在TA2910差示扫描量热仪上进行连续升温测试, 升温速度10 ℃/min, 测温范围为RT～500 ℃。用光学显微镜观察复合材料中纤维的分布状态以及基体和复合材料中游离Si相的分布状态。

表1 基体合金Al-Cu-Si的化学成分 (质量分数, %)

Table 1 Composition of Al-Cu-Si unreinforcedalloys (mass fraction, %)

Material	Cu	Si	Al
Al-4Cu	3.98	<0.2	Bal.
Al-4Cu-2Si	4.02	2.08	Bal.
Al-4Cu-5Si	3.96	4.98	Bal.
Al-4Cu-7Si	4.10	7.05	Bal.

2 结果及讨论

2.1Al-Cu-Si合金及Mullite/Al-Cu-Si复合材料的金相组织

不同含Si量的Al-Cu-Si合金及Mullite/Al-Cu-Si复合材料的典型金相组织如图1和图2所示。随着含Si量的增加, 无论是在基体合金中, 还是在复合材料中, Si相的体积分数明显增加, Si/Al界面的数量也明显增多。容易发现, Si相在基体合金中的分布和在复合材料中的分布存在一定的差异: 在基体中, Si相主要分布在α相晶粒之间; 而在复合材料中, Si相更多地偏聚在Mullite纤维附近。

2.2含Si量对Al-Cu-Si合金及Mullite/Al-Cu-Si复合材料时效硬化行为的影响

图3分别给出了不同含Si量的Al-4.0Cu-Si合金和Mullite/Al-4.0Cu-Si复合材料190℃等温时效处理的试验结果。随着含Si量的增加, Al-Cu-Si合金和Mullite/Al-Cu-Si复合材料的时效硬化过程明显加快, 达到峰值时效所需的时间逐渐缩短, 峰值硬度也随含Si量的增加而升高。

根据Al-Cu-Si三元相图 ^[11] , Si在Al-Cu-Si中的最大固溶度为1.38%, 超过此值后, Si便以独立相的形式分布在Al-Cu-Si合金中。这一结果已被实验所证实。游离的Si相在Al-Cu-Si合金中主要分布在α相的晶界处 (图1) , 而在Mullite/Al-Cu-Si复合材料中则更多地偏聚在纤维附近 (图2) 。

众所周知, 时效是一扩散控制的过程。随着含Si量的增加, Al-Cu-Si合金中的相界面从单一的α晶界变为由α晶界和α/Si界面混和共存的多界面体系, 且随着Si含量的增加, 这种相界面成倍增加。这就为Cu原子的扩散提供了更多的通道, 从而加速了Al-Cu-Si合金的时效硬化进程。峰值硬度的升高是硬质相Si对硬度值 (HB) 的直接贡献。

Mullite纤维引入后, 如果基体合金中含Si量较低 (<1.38%) , Si完全固溶在α相中, 复合材料中的界面由Mullite/α和α/α界面所构成。此时, 纤维对Al-Cu合金的时效硬化过程具有明显的加速作用 (图4 (a) ) , 与文献 [ 9] 报道的情形完全相同。随着含Si量的增加, 复合材料中可引起时效硬化加速的因素既可来自Si相, 又可来自纤维, 二者综合作用的结果如图4 (b) ～ (d) 所示。尽管纤维对铝基复合材料具有加速时效硬化的作用, 但当基体合金中含Si量较高时, Si相对时效硬化的加速作用更为显著一些。换言之, 对Mullite/Al-Cu-Si复合材料而言, 当基体合金中含Si量超过一定值 (最大固溶度) 后, 纤维加速基体合金时效硬化的作用逐渐被Si相所掩盖。这意味着Si相的存在和均匀分布同样是加速时效硬化过程的重要因素。本文结果与文献 [ 10] 报导的情形不同, 该文指出, 160 ℃时效时, 含Si量对AB_w/Al-4.5Cu-Si复合材料时效硬化曲线没有影响, 但对Al-4.5Cu-Si基体合金的时效硬化曲线有轻微的加速硬化影响。出现这种差异, 一方面是研究的复合材料体系不同, 另一方面还可能是硬度测试方法不同, 值得在以后的实验研究中加以澄清。

图1 不同含Si量的Al-Cu-Si合金的典型金相组织 (铸态)

Fig.1 Optical micrographs of as-cast Al-Cu-Si alloys with different Si contents (a) —w (Si) <0.2%; (b) —w (Si) =2%; (c) —w (Si) =5%; (d) —w (Si) =7%

图2 不同含Si量的Mullite/Al-Cu-Si复合材料的典型金相组织 (铸态)

Fig.2 Optical micrographs of as-cast Mullite/Al-Cu-Si composites with different Si contents (a) —w (Si) <0.2%; (b) —w (Si) =2%; (c) —w (Si) =5%; (d) —w (Si) =7%

图3 含Si量对基体合金 (a) 和复合材料 (b) 时效硬化行为的影响 (时效处理温度190 ℃)

Fig.3 Effects of Si addition on age-hardening behaviour of monolithic alloys (a) and composites (b) (aged at 190 ℃) (a) —Al-4.0Cu-Si; (b) —Mullite/Al-4.0Cu-Si

2.3 DSC研究

含Si量变化对Al-Cu-Si合金及Mullite/Al-Cu-Si复合材料时效析出行为的影响, 还可以通过差示扫描量热仪 (DSC) 进行研究。此时, 由于是一连续变温过程, 因而可以获得变温时效析出的动态过程信息, 便于研究GP区、 θ″以及θ′和θ相的形成与溶解过程, 被国内外研究者广泛采用 ^[11,12] 。图5 (a) 是无Si的Al-Cu合金及Mullite/Al-Cu复合材料的DSC扫描曲线。正如文献 [ 9] 指出的那样, Mullite纤维抑制了GP区的形成, 但加速了θ′相的沉淀析出。这是由于复合材料淬火态试样中纤维附近基体中存在高密度位错, 吸收了较多的淬火空位, 使低温段由空位扩散控制的GP区的形成延缓而致。随着时效温度的升高, Cu原子不仅可以通过空位, 而且还能通过各种界面 (晶界、纤维/基体界面、位错等) 扩散, 因而θ′相的形核提前, 时效进程得以加速。游离Si相的存在也能引起淬火空位的变化和界面附近位错应力场的变化 ^[10,11,13] , 因而对DSC曲线也能产生较大的影响。如图5 (b) 所示, 无Si (Si<0.2%) Al-Cu合金DSC曲线上GP区的形成和溶解明显可见。但随着含Si量增加, GP区的形成被明显抑制, 而θ′相的析出则明显加快, 其作用原理与Mullite纤维一致。纤维和Si相同时存在时, GP区的形成被完全抑制 (图5 (c) ) , θ′相的超前析出由于有Si的存在使得两类材料的差异不如图5 (a) 那么明显。这一结果与文献 [ 10] 是一致的。同样, 在Mullite/Al-Cu-Si复合材料中, 随着含Si量的增加, DSC曲线上反映出其加速θ′相析出的特性 (图5 (d) ) , 这与文献 [ 10] 的结果不同。值得注意的是, 无论是在基体合金中, 还是在复合材料中, 游离Si相的存在加速了稳定相θ (Al₂Cu) 的形核和长大; 而同一含Si量的基体合金和复合材料相比较, Mullite纤维对θ相的析出过程无明显的影响。

3 结论

1) 合金元素Si和Mullite纤维都能明显抑制Al-Cu-Si合金GP区的形成, 但对合金的时效析出顺序没有影响。

2) 随着含Si量增加, Al-Cu-Si合金和Mullite/Al-Cu-Si复合材料的时效硬化进程都得到加快, 时效硬度升高, 达到峰值时效所需的时间缩短。

3) 无游离Si相存在时, Mullite纤维对Al-Cu合金时效硬化的加速作用十分明显; 有游离Si相存在时, 复合材料与其基体合金相比较, Mullite纤维加速时效硬化过程的作用有所减缓。这表明, 合金元素Si对Al-Cu-Si合金时效硬化行为的影响比外加Mullite短纤维的作用更大。

图4 Al-4.0Cu-Si基体合金和Mullite/Al-4.0Cu-Si复合材料时效硬化行为随含Si量变化的比较 (190 ℃时效)

Fig.4 Comparison of age-hardening behaviours of Al-4.0Cu-Si alloys and Mullite/Al-4.0Cu-Si composites with different Si contents (aged at 190 ℃) (a) —w (Si) <0.2%; (b) —w (Si) =2%; (c) —w (Si) =5%; (d) —w (Si) =7%

图5 Al-Cu-Si合金及Mullite/Al-Cu-Si复合材料的DSC扫描曲线 (升温速率10 ℃/min)

Fig.5 DSC thermograms of Al-Cu-Si alloys and Mullite/Al-Cu-Si composites (heating rate 10 ℃/min) (a) —Al-4.0Cu, base/MMC; (b) —Al-4.0Cu-Si, base; (c) —Al-4.0Cu-2.0Si, base/MMC; (d) —Al-4.0Cu-Si, MMC