熱處理對半固態(tài)擠壓SiCp/2024復(fù)合材料的影響
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馬郁柏 閻峰云 劉興丹 趙紅娟
（1．蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室；
2．蘭州理工大學(xué)有色金屬合金及加工教育部重點實驗室）
摘要 采用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、電子探針等研究了固溶處理對半固態(tài)擠壓SiCp/2024復(fù)合材料的組織和性能的影響。結(jié)果表明，SiCp/2024復(fù)合材料經(jīng)過500℃×12 h固溶和170℃×16 h時效處理后，抗拉強度達到了478MPa，硬度(HV)為150，而在未熱處理之前材料硬度(HV)僅為86，抗拉強度也只有350 MPa。
關(guān)鍵詞 SiCp/2024復(fù)合材料；固溶溫度；時效溫度；力學(xué)性能
SiCp增強鋁基復(fù)合材料，由于制造工藝簡單，成本低，可批量生產(chǎn)，且可用常規(guī)的金屬加工方法——鑄造、粉末冶金、擠壓、軋制、鍛造、旋壓等制造成各種形狀復(fù)雜的零件和型材，成為金屬基復(fù)合材料的主要研究方向之一，并在航空航天、軍工、汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。影響SiCp增強鋁基復(fù)合材料組織和性能的因素很多，如基體成分、SiCp尺寸、熱處理工藝等，其中熱處理工藝對其影響較為明顯。
通過粉末半固態(tài)觸變擠壓技術(shù)制取棒狀SiCp／2024復(fù)合材料，研究了熱處理對其組織和性能的影響。
1 試驗方法
采用a-SiC粉末作為增強體，其平均顆粒尺寸為2.5um，純度大于98%，呈不規(guī)則的多棱角；以2024A1粉末作為基體材料，其平均粒徑為20um，呈類球狀。
對粉末半固態(tài)觸變擠壓工藝制備的SiCp/2024復(fù)合材料進行熱處理（SiC體積分數(shù)為10%）。主要流程見圖1。
由于SiCp含有一些雜質(zhì)相和雜質(zhì)元素，為了減少這些雜質(zhì)對試驗的影響，采用12%的鹽酸去除雜質(zhì)，以達到凈化的目的。Al。C3在潮濕環(huán)境中穩(wěn)定性差，使得增強體表面受損傷，直接影響復(fù)合材料的力學(xué)性能。為了防止Al。C。生成，在SiC除雜后，對其進行1000℃，保溫6h的高溫處理。將處理好的SiCp與2024A1粉末在高能球磨機內(nèi)混料2h，冷壓成尺寸為45 mm×60 mm的預(yù)制樣。在真空條件下，先升溫至300℃保溫30 min，再升至580℃保溫th后隨爐冷至室溫。將真空燒結(jié)后的預(yù)制樣加熱至570℃保溫1 h，使預(yù)制樣半固態(tài)均勻化，然后在壓力機下觸變成形，得到+12 mm的復(fù)合材料。對2024A1差熱分析可知，其過燒溫度為505.3。C。在保證不發(fā)生過燒及晶粒長大的條件下，選擇盡量高的固溶溫度，有利于獲得最大過飽和均勻固溶體。因此采取500 0C，分別進行1、6、12、16 h固溶處理，室溫水淬。選取最佳固溶條件后，再在170℃，分別保溫12、14、16、20、24 h進行人工時效處理。
運用JSM-1700F掃描電鏡、電子探針對復(fù)合材料固溶后的組織進行觀察；利用WDW-100電子萬能實驗機測定拉伸性能，拉伸速率為1 mm/min;用HBRVU-187.5宏觀硬度測試儀檢測試樣硬度，每個試樣取3個點測量，取平均值。
2 結(jié)果與分析
2.1 固溶時間對復(fù)合材料組織的影響
復(fù)合材料在進行固溶處理時，第二相粒子如Mg、Cu等會大量溶入基體中，迅速冷卻后得到過飽和固溶體。隨著固溶溫度逐漸升高，基體中的第二相粒子溶解地越來越充分。圖2為復(fù)合材料在500℃固溶不同時間第二相掃描電鏡照片。從圖2看出，在固溶th時，由于固溶時間較短，殘留在基體中的第二相很多，沒有充分溶解到基體中，隨著固溶時間的延長，第二相粒子溶解越來越充分。當(dāng)固溶時間達到16 h時，大部分可溶相已溶解，僅剩下少量不可溶的相存在于基體中。在電子探針下對復(fù)合材料中的第二相進一步分析，見表1。結(jié)果表明，少數(shù)含有Al、C、Si元素的夾雜相在經(jīng)過相應(yīng)的固溶處理后并未消失。
2.2 固溶時間對復(fù)合材料性能的影響
圖3為復(fù)合材料在不同固溶時間處理后的抗拉強度和硬度�？梢钥吹�，隨著固溶時間的延長，復(fù)合材料的抗拉強度大幅度地提高，尤其是在保溫初期。在保溫12 h時達到最大值，但隨時間繼續(xù)延長，抗拉強度開始下降。
另外，隨著時間的延大，硬度先增大后降低，在12h時達到最大值。這是因為2024A1合金中合金元素是Cu和Mg，其溶入a-Al基體形成過飽和固溶體，對合金產(chǎn)生固溶強化，當(dāng)保溫時間低于12 h時合金中的元素未充分溶入a-Al基體中，當(dāng)大于12 h時基體合金已經(jīng)發(fā)生形核再長大，變成了碎晶或枝狀晶，因此降低了復(fù)合材料的抗拉強度和硬度。
圖4為SiCp/2024A1復(fù)合材料在固溶1、6、12 h后的拉伸斷口。復(fù)合材料的斷裂包括SiC顆粒脆性斷裂、界面脫粘開裂、基體合金撕裂3種形式。在固溶處理1 h時，復(fù)合材料中的縮松、縮孔現(xiàn)象較明顯，片層狀的斷裂紋也較多。當(dāng)時間達到6h時，O-CuAl2相和S—CuAl：Mg相逐漸固溶，在斷裂部位，有大量的韌窩產(chǎn)生。固溶處理后，復(fù)合材料的性能得到固溶強化，強化相在Al基體中呈彌散形式分布。當(dāng)?shù)竭_12 h時，斷口處可看到SiCp的斷裂，說明強化相進一步溶入晶粒內(nèi)部，在晶粒間起到強烈的釘扎作用，進一步提高了合金的強度。
2.3 時效處理對復(fù)合材料性能的影響
2024A1合金的典型時效析出過程：a相過飽和固溶體一GP (I)區(qū)一GP( II)區(qū)一∥7相一口相一O-CuAlz相。圖5為SiCp/2024A1復(fù)合材料經(jīng)500℃×12 h的固溶處理后在170。C時效處理的XRD譜。
從圖5中可以看到，復(fù)合材料在經(jīng)過時效處理后，不同保溫時間下，合金基體內(nèi)相組成的峰值大小不同，且同時有口相和S相析出。復(fù)合材料在經(jīng)時效處理后，力學(xué)性能得到了較大的提高。圖6為經(jīng)170℃時效處理后硬度和抗拉強度變化曲線，硬度從12 h后開始上升，至16 h達到最高值，之后隨著時效時間的延長，硬度開始下降。與之前固溶處理后最高點相比，硬度(HV)提高了21。在16 h之后，由于析出相開始長大以及軟化，故復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。
3 結(jié)論
(1) SiCp/2024復(fù)合材料經(jīng)過500℃×12 h固溶和170℃×16 h時效處理后，抗拉強度達到了478 MPa，硬度(HV)為150，而在未熱處理之前材料硬度(HV)僅為86，抗拉強度也只有350 MPa。
(2)固溶處理后，組織中的第二相粒子溶人基體得到飽和的固溶體，再經(jīng)時效處理，固溶體中的S—CuAl2 Mg相與O-CuAl2相析出，使得復(fù)合材料性能與之前未熱處理時有了較大的提高。
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