简介概要

铸造氧化铝/锌合金复合材料界面的SEM观察

来源期刊：稀有金属2001年第5期

论文作者：刘小梅陈慈诰刘政朱应禄

关键词：复合材料; 锌合金; 硅; 氧化铝纤维; 界面;

摘要：利用挤压铸造制备氧化铝/锌合金复合材料,在扫描电镜(SEM)上观察复合材料的界面.在复合材料中纤维与基体间存在致密界面层,合金元素通过适当的化学反应可改善纤维与基体间的结合,在凝固过程中,纤维/基体界面上的硅在共晶体的共生生长过程起到领先相作用,导致复合材料的共晶转变是由铝硅共晶转变和锌铝共晶转变两者组成.

稀有金属 2001,(05),378-381 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.05.014

铸造氧化铝/锌合金复合材料界面的SEM观察

刘小梅朱应禄陈慈诰

南方冶金学院!赣州341000,南方冶金学院!赣州341000,南方冶金学院!赣州341000,南方冶金学院!赣州341000

摘要：

利用挤压铸造制备氧化铝 /锌合金复合材料 , 在扫描电镜 (SEM) 上观察复合材料的界面。在复合材料中纤维与基体间存在致密界面层 , 合金元素通过适当的化学反应可改善纤维与基体间的结合 , 在凝固过程中 , 纤维/基体界面上的硅在共晶体的共生生长过程起到领先相作用 , 导致复合材料的共晶转变是由铝硅共晶转变和锌铝共晶转变两者组成

关键词：

复合材料;锌合金;硅;氧化铝纤维;界面;

中图分类号： TB331

收稿日期：2000-10-18

SEM Observation on Interfaces of Cast Al₂O₃/Zn Alloy Composites

Abstract：

Alumina/Zinc alloy compsites were manufactured by squeeze casting, and the interfaces of the composite were observed on scanning electronic microscope (SEM) . The results indicate that there is the fine and close interface between the fiber and the matrix, and that alloy elements can improve combination between the fiber and the matrix in the composites. During the solidification of the composites, the silicon on the interface between the fiber and the matrix plays a leading role during the coupled growth of the eutectic so that the eutectic transformation of the composites consists of Al Si eutectic transformation and Zn Al eutectic transformation.

Keyword：

Composite; Zinc alloy; Silicon; Alumina fiber; Interface;

Received： 2000-10-18

锌合金的熔点低, 工艺简单, 价格低廉, 近年来, 对锌合金复合材料的研究日益增多。陶瓷粒子、短纤维增强锌合金复合材料不仅强度、刚度高, 而且具有优异的耐磨性, 可与青铜合金媲美 ^[1] 。与其它基体复合材料一样, 锌合金复合材料的机械性能在很大程度上受其显微组织和增强体/基体界面的控制。良好的界面可将大部分外加载荷从基体中通过界面传递和分配到增强体, 以发挥增强体的增强作用, 改善材料的性能。氧化铝具有化学性能稳定、力学性能好和价格低等优点, 是金属基复合材料的理想增强体。关于氧化铝/锌合金复合材料的界面已做了许多研究工作 ^[2,3,4] , 在氧化铝与铝合金界面上产生的某些化学反应可促进增强体与基体润湿和结合, 有利于改善材料性能。但是氧化铝/锌合金复合材料的界面研究报道甚少。基于挤压铸造氧化铝短纤维增强锌合金复合材料, 作者利用扫描电镜观察复合材料的界面及凝固组织, 讨论和分析氧化铝/锌合金界面上所产生的一些现象。

1 实验过程

实验中所用氧化铝短纤维含有 80% (质量分数) Al₂O₃, 其余为 SiO₂;纤维直径为 3～5 μm, 长度为 2～20 mm。基体合金为锌铝铜共晶合金, 经 PS-6 电感耦合等离子体-原子发射光谱仪 (ICP-AEC) 分析, 该锌合金成分 (质量分数) 为:4.0% Al, 2.9% Cu, 0.03% Mg, 其它为 Zn。

利用挤压铸造制备氧化铝/锌合金复合材料。将氧化铝短纤维制成预制块, 干燥、预热后, 在 10 MPa 压力下使液态锌合金浸渗纤维预制块;凝固、冷却后, 即制得纤维体积分数约为 15% 的氧化铝/锌合金复合材料铸锭。

从复合材料铸锭上取样, 制成金相试样, 用日立 X-650 扫描电子显微镜观察其晶粒、纤维分布、纤维与基体界面、第二相的分布及尺寸等。还对复合材料中的有关组织与界面做了能谱分析。

2 实验结果

图1是氧化铝/锌合金复合材料的低倍凝固组织及纤维在基体中的分布。由图可见, 纤维分布均匀, 未观察到缩松缺陷存在, 这表明利用挤压铸造可获得组织致密的氧化铝/锌合金复合材料。

图2是在扫描电镜下观察到的氧化铝/锌合金复合材料的高倍凝固组织。其基体合金亦是由初生相 (η) 、二元共晶体 (η+β) 和三元共晶体 (η+β+ε) 组成, 但初生相和共晶组织的晶粒较细小, 可能是氧化铝纤维在基体凝固时改变了溶质传输和能量传输过程 ^[5] , 引起晶粒数倍增的效应。进一步观察还表明, 基体中的初生相和共晶组织与氧化铝纤维所形成的界面亦不相同, 如图3所示。从图3可看出, 共晶组织与氧化铝纤维形成了致密界面, 这说明在复合材料的凝固过程中, 共晶成分熔体能润湿氧化铝纤维, 或共晶组织中的某种相与氧化铝纤维之间存在共格界面, 共晶组织能依附纤维表面连续生长;而初生相与氧化铝纤维润湿不良, 或不存在共格对应关系, 凝固后, 它们之间存在明显的界限。

用扫描电镜进一步观察氧化铝/锌合金复合材料的界面发现, 在纤维/基体界面上有相互反应迹象 (见图4) , 参与反应的主要是共晶体中的相组织, 并观察到某种相 (白色条状, 见图5) 以纤维表面为衬底长大。在锌合金中, 共晶体的β相和ε相分别是富铝相和富铜相, 可能与氧化铝纤维进行化学反应 ^[2,3,4] , 在纤维/基体界面上产生新相, 以减小界面能, 促进纤维与基体的结合。用电子探针对纤维/共晶体界面进行能谱分析, 以测定界面的化学组成;为了进行比较, 还对纤维中心部位以及界面附近的共晶体做了能谱分析, 结果见表1。由分析结果来看, 作为合金元素, 铝和铜出现了明显的富集现象;另外在界面上 (基体侧) 硅的浓度亦达到 6.64% (质量分数) 。这些硅来源于制备复合材料的过程中, 基体中的合金元素与氧化铝纤维发生了化学反应, 结果使纤维中所含的一些 SiO₂ 被还原为硅 ^[6] 。由于硅在锌、铝中的溶解度很低, 被还原出的硅或保留在纤维/基体界面上, 或随液态金属流动扩散到合金熔体中。在氧化铝/锌合金复合材料继续凝固过程中, 存在于界面上的硅有可能对复合材料的凝固组织及纤维/基体界面产生一定影响。

图1 纤维在复合材料中的分布

Fig.1 Distribution of fibers in composite

图2 复合材料的凝固组织

Fig.2 Solidifying structures of composite

图3 氧化铝/锌合金复合材料的界面

Fig.3 Interface of Al₂O₃/Zn alloy composite

(a) 纤维横截面; (b) 纤维纵截面

图4 复合材料界面的界面反应

Fig.4 Interface reaction in composite

图5 某种相在氧化铝纤维表面上生长

Fig.5 Growth of some phase on surface of alumina fiber

表1 能谱分析结果 下载原图

Table 1 Results of EDS

表1 能谱分析结果

3 讨论

通过对氧化铝/锌合金复合材料凝固组织的研究, 观察到基体中的共晶组织可依附在纤维表面形核并长大。在锌合金的凝固过程中, 若氧化铝纤维可作为共晶组织中某一相非自发形核的衬底, 那么两者之间应有共格界面。这样, 复合材料凝固时, 液态合金就可润湿纤维, 并形成致密的纤维/基体界面。

实验所使用的氧化铝纤维由 α-Al₂O₃ 和莫来石组成, 而莫来石的晶格一般可看成是由4个硅线石 (Al₂O₃·SiO₂) 晶格构成 ^[6] 。从结晶学角度来看, 复合材料的基体组成相, 如富铝的β相、富锌的η相和富铜的ε相等, 它们的晶格常数与 α-Al₂O₃ 和硅线石的晶格常数之间失配度较大, 不能作为基体组成相的非自发形核衬底。文献 [ 1] 的研究也表明, α-Al₂O₃ 颗粒在锌合金凝固时不具备非自发形核衬底的功能。但是扫描电镜实际观察到的结果并经电子探针进行微区成分分析证实, 依附在氧化铝表面形核生长的是共晶组织中的 β相 (见图3 (a) 和图5) 。

关于这种现象, 根据扫描电镜的观察结果和界面成分的能谱分析, 作者认为在复合材料的凝固过程中, 一定浓度的硅富集在界面上对基体共晶组织的形核生长和界面组成起了重要作用。在相同种类的氧化铝纤维增强硅合金的凝固组织中, 氧化铝纤维可作为初生硅和共晶体中共晶硅的非自发形核衬底 ^[6] :文献 [ 1] 在研究粒子增强锌合金复合材料时, 指出结晶硅微粒在复合材料凝固时可充当基体组织的非自发形核衬底。

挤压铸造氧化铝/锌合金复合材料是一个非平衡过程。由于凝固时溶质再分配, 大量溶质由初生η相中析出, 并向熔体中扩散, 使剩余液态合金中的溶质浓度增加。液态合金中的活性元素, 如铝、镁等, 具有强烈吸附作用, 优先富集在纤维/基体界面上, 造成局部铝、镁浓度增大, 使界面上存在化学位梯度。复合材料凝固时, 这个化学位梯度可为界面反应提供驱动力。在氧化铝/锌合金这个非平衡系统中, 由于铝、镁与氧的亲合力较硅的大, 氧化铝纤维中所含的二氧化硅可被还原 ^[4,6]

4Al+3SiO₂=2Al₂O₃+3Si (1)

2Mg+SiO₂=2MgO+Si (2)

被还原出的硅向剩余熔体扩散时, 会受到氧化铝纤维的阻挡, 因为在纤维增强金属基复合材料中, 增强体在固/液界面前沿成为溶质扩散的障碍 ^[7] 。这就使得硅只可做短距离迁移, 或者就富集在界面上。当温度降至共晶温度, 剩余熔体将发生共晶转变。在共晶转变过程中, 由于纤维/基体界面上富集了一定浓度的硅, 作者推测此过程分两步进行:

首先是铝和硅以纤维表面进行铝硅共晶转变。因为在所研究的复合材料系统中, 只有硅和纤维之间存在共格关系 ^[6] , 硅将优先在纤维表面形核生长。而此时的温度 (约372℃) 远低于铝硅共晶温度 (577℃) , 加之界面上存在一定浓度的铝 (见表1) , 所以铝硅共晶转变可优先进行。由于硅的绝对含量低, 当铝硅共晶体以“搭桥”机制生长时, 其生长距离 (即生长前沿至纤维表面距离) 不会太长, 因此, 在电镜上亦难以分辩。

其次进行锌铝共晶转变。当铝硅共晶转变中的自由硅耗尽时, 此转变就停止。由于富铝相在前一转变基础上已形成, 在剩余熔体中还将继续生长。生长时析出的锌原子富集在富铝相 (β相) 的两侧或生长前端, 为η相的形核创造了条件。当β相周围的锌原子达到一定浓度, η相就在β相的侧面形核并生长, 两相又以“搭桥”的方式交替生长, 进行锌铝共晶转变。这样, 整个共晶转变由前后两个过程以“接力”的方式进行, 直至共晶转变结束。

铝-硅进行共晶转变时, 硅总是优先于α相领先生长。根据上述分析, 可以认为在所研究的氧化铝/锌合金复合材料中, 存在于纤维/基体界面上的硅在锌合金的共晶转变中起了领先相的作用, 导致整个共晶转变分两部分进行。