ZrO2增强铝基复合材料的半固态组织与性能分析.pdf

第5 9 卷第4 期 20 07 年11 月 有色金属 N O n f e r r o u 8M e a l s V o I ．5 9 ，N o ．4 N o v e m b e r200 7 Z r 0 2 增强铝基复合材料的半固态组织与性能分析 李 超，刘靖，韩静涛，安．林 北京群技大学材料科学与工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘 要利用半固态成形技术翩备氧化错颗粒增强的铝基复合材料非树枝晶坯料并压铸成试件。对试件的组织和性能进行 分析探讨。‘结果表明，复合材料的抗拉强度随氧化锫含量的增加先增后减，延伸率随氧化锆含量的增加而降低。 一 关键词金属材料；铝基复合材料；半固态成形；氧化镥；抗拉强度；延伸率 中图分类号1 “ G 1 4 6 ．2 1 ；T G l l l ．4 ；T B 3 3 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 4 0 0 0 1 一0 3 金属基复合材料 M e t a lM a t r i xC o m p o s i t e s ，简 称M M C 是以金属、合金或金属间化合物为基体， 含有增强成分的复合材料J 。M M C 问世以来，就 以其高的比强度、比刚度及良好的热稳定性、耐磨 性、尺寸稳定性及成分可设幢J 等优点得到了关注， 成为材料研究和开发的热点。特别是颗粒增强金属 基复合材料 P a r t i c u l a t eR e i n f o r c e dM e t a lM a t r i x C o m p o s i t e s ，简称P R M M C 在航空航天、汽车、仪器 仪表等领域有着广泛的应用前景。而半固态成形技 术是近年来金属成形技术的热点，是一种利用在液 态金属中均匀地分布一定量的球状固体颗粒的浆料 或配料进行近终成形的技术，可获得高强度，高质量 的金属零件。研究结果表明半固态成形工艺尤其适 用于加工颗粒增强型金属基复合材料【 oJ 。近年 来，Z r 0 2 在高新技术领域中的应用异常活跃。特别 是在陶瓷材料中利用Z r 0 2 的Z 如 t 一Z 内2 m 相 变增韧可以大幅度的提高基体材料的室温力学性 能∞J 。从这一角度出发，尝试了利用半固态成形技 术制备颗粒增强铝基复合材料，利用机械搅拌的方 法制备了复合材料的非树枝晶坯料。经过二次加热 和半固态成形得到铝基复合材料的半固态成形件， 并对其组织和性能进行了探讨分析。 1实验方法 1 ．1 试验材料 试验用铝基材料为A 3 5 6 硅铝合金，熔点 6 1 5 ．1 2 。二元共晶温度为5 7 6 ℃，化学成分如表1 所 示。所添加氧化锆的技术指标和化学组成如表2 和 收稿日期2 0 0 6 一0 1 1 7 作者简介李超 1 9 7 9 一 ，男．河北涉县人。硕士生，主要从事金 属基复合材料等方面的研究。 表3 所示。 表1 铝合金A 3 5 6 坯料的化学成分 T a b l e1 C o m p o m e n to fA 3 5 6 型号烧失量／％平均粒径D 5 c 以m 比表面积／ n 1 2 g 壁坌兰翌 三坚些兰 堕璺堕 皇旦 堕竺垄 含量／％ 9 4 ．55 ．30 ．0 30 ．0 30 ．0 10 ．5 1 ．2 试验过程 采用机械搅拌的方法得到复合材料的非树枝晶 坯料，设备如图l 所示。加热装置为3 k W 石墨坩埚 电阻炉，炉温控制温度精度为2 “ 1 2 ，搅拌装置采用 无极调速电机转速从0 ～1 0 0 0 r ／m i n 无极调速。 图1复合材料制备装置示意 F i g ．1 S c h e m eo fc o m p o s i t e sp r e p a r a t i o na p p a r a t u a 首先对氧化锆颗粒进行预处理，包括将颗粒加 热到3 0 0 E 保温约3 0 m i n ，以便除去一部分水分。接 万方数据 2 有色金属 第5 9 卷 着将A 3 5 6 铝棒加热到6 5 0 ℃熔化后保温5 m i n ，随 后将温度降到半固态温度区间进行半固态处理。将 3 0 0 ℃左右的颗粒加入到温度为6 0 5 ℃的基体金属 中，同时通过调速电机的高速搅拌使铝液的动力黏 度下降，流动性增加，利用半固态合金液的触变特 性，使得高速运动的铝液与氧化锆颗粒相互碰撞来 捕获氧化锆粒子，从而使氧化锆颗粒能均匀地分布 于熔体中。搅拌时间为3 0 m i n 。浇注前，模子要预 热，浇注过程中，动作要迅速。这样冷却凝固后得到 复合材料的非树枝晶坯料。 ‘ 通过上述方法得到含不同百分含量氧化锆的复 合材料非树枝晶坯料，然后用中频感应加热设备对 坯料进行二次加热后进行半固态压铸，得到复合材 料的压铸件，从中截取如图2 所示棒材，进行强度的 测试。 图2 拉伸试样 F i g ．2 S c h e m eo ft e n s i l es a m p l e ● 三 q 2 试验结果与分析 2 ．1 复合材料的组织 将不同百分含量氧化锆的复合材料坯料分别取 样编号，经过磨平，抛光，浸蚀后，在金相显微镜下进 行显微观察和照相。抛光时以钻石研磨膏作为抛光 剂，使用的浸蚀剂为0 ．5 ％的H F ，浸蚀时间为3 m i n 。 最后得到的不同百分含量氧化锆的复合材料的金相 组织如图3 所示。 a 一3 ％； b 一8 ％； c 一1 2 ％； d 一2 0 ％ 图3 不同氧化锆含量的复合材料组织 F i g ．3M e t a U o g r a p h i cs t r u c t u r eo fc o m p o s i t ew i t hd i f f e r e n tZ r C hc o n t e n t s 由图3 可见，在半固态状态下，几乎未见树枝经过拉伸试验，得到了复合材料的抗拉强度和 晶。这主要是因为在半固态状态下，一方面液相中延伸率随氧化锆含量增大的变化曲线，如图4 和图 的很多微小区域中存在着结构涨落和能量涨落，在5 所示。 ” 这些微小区域中大量存在着符合形核条件的晶坯， 热运动会使一些晶坯借助涨落达到某一规定的临界 尺寸以上而形成大量晶核，金属晶核的成长取决于 晶界附近液态金属的温度分布，机械搅拌使得整个 温度的分布趋于均匀，并且使得形成的晶核随着搅 拌漩涡进行漂移，从而使得晶核难以像静态下结晶 一样形成树枝晶。另一方面，强烈的搅伴所产生的 剪切作用会打碎已生成的树枝状的初生固相，分离 的枝晶臂可以作为晶核形成新的晶体。总而言之， 搅拌引起金属的宏观流动，既改变了初生固相形核． 的动力条件，也改变了其长大的动力条件，细小的初 生固相枝晶没有进一步发展成粗大的枝晶，而是转 变为球状或非枝晶晶粒。．同时，增强体颗粒氧化锆 随着搅拌作用均匀的分布于半固态组织中，但是在 氧化锆含量为2 0 ％时，团聚现象比较严重。 2 ．2 复合材料的性能 Z r 0 2 懈t m 图4 复合材料的抗拉强度与Z r 0 2 含量的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i po ft e n s i l es t r e n g t h a n dc o n t e n to fZ 如 复合材料的抗拉强度随着氧化锆含量的增加而 增加的趋势，是氧化锆颗粒强化作用的结果。首先， 在钇稳定氧化锆颗粒中，由于稳定剂Y 2 0 3 的引入 万方数据 第4 期李超等z 她增强铝基复合材料的半固态组织与性能分析 3 Z r O 含量，％ 图5复合材料的延伸率与Z r 0 2 含量的关系 F i g ．5 R e l a t i o n s h i po fe l o n g a t i o na n dc o n t e n to fZ r O z 以及基体对t - 7 ．r 0 2 的束缚作用，使得基中部分t ． Z r 0 2 在冷却过程中以亚稳态保存下来。这些亚稳 t - Z r 0 2 在裂纹尖端应力场的作用下发生相变，产生 体积膨胀，从而对裂纹形成压应力，阻碍裂纹扩展， 提高裂纹扩展能量消耗，起到增韧的作用，从而提高 了复合材料的抗拉强度。这就是著名的￡．z r 0 2 应 力诱导相变增韧机理。其次，增强体颗粒在基体中 弥散分布，增加了基体和颗粒的相界，并且使得相界 周围晶格发生严重畸变，起到了晶界强化的作用，从 而对基体起到了强化作用。然而，复合材料中，增强 体颗粒的含量越高，所起到的强化作用也就 越明显。同时由于氧化锆颗粒与铝液的浸润性很 参考文献 差，在实际制备复合材料过程中，往往出现增强体颗 t 粒的团聚现象，随着增强体颗粒含量的增加，这种团 聚现象也就越有可能出现，这样可能导致缺陷的产 生，受到外加载荷作用时，很容易在这些团聚处断 裂，从而降低了材料强度。氧化锆颗粒与铝的浸润 性差也会导致颗粒与基体结合强度不够，因此继续 增加增强体颗粒的含量时，材料的强度由于受到颗 粒与基体结合强度的限制而下降。在这两者相互作 用下，复合材料的抗拉强度先随着氧化锆含量的增 加而增加，当氧化锆含量达到一定程度后，材料的抗 拉强度随着氧化锆含量的增加反而下降了。 由图5 可以看出，由于氧化锆的加入，复合材料 的延伸率普遍不高，大约1 ％～2 ％，并且呈下降趋 势，低于合金的3 ％。这主要是弥散分布的锆颗粒 使铝合金基体的形变行为受到制约，其次可能由于 工艺原因造成颗粒有局部偏聚的倾向，而且随着氧 化锆含量的增加局部偏聚现象严重，从而导致延伸 率随氧化锆含量的增加而下降。 3结论 在试验条件下，复合材料的抗拉强度先随氧化 锆含量的增加而增加，在达到一定的程度后，抗拉强 度随氧化锆含量的增加而减弱，复合材料的延伸率 随氧化锆含量的增加而降低。 [ 1 ] 王俊英，杨启志，林化春．金属基复合材料的进展、问题与前景展望[ J ] ．青岛建筑工程学院学报，1 9 9 9 ，2 0 4 9 0 9 5 ． [ 2 ] 刘耀辉，李庆春，何镇明．金属基铸造颗粒复合材料[ J ] ．复合材料学报，1 9 8 9 ，6 1 5 5 ． [ 3 ] 康永林，毛卫民，胡壮麒．金属材料半固态加工理论与技术[ M ] ．北京科学技术出版社，2 0 0 4 1 2 0 ． [ 4 ] 全燕鸣，方立高，陈赛克．颗粒增强铝基复合材料铸造方法评述与实践[ J ] ．轻合金加工技术，1 9 9 8 ，2 6 4 4 8 ． [ 5 ] 苏华钦，朱鸣芳，高志强．半固态铸造的现状及发展前景[ J ] ．特种铸造及有色合金，1 9 9 8 ，2 0 3 1 6 ． [ 6 ] 靳喜海，黄向红，阚艳梅，等．四方氧化锆相变增韧及其影响因素[ J ] ．陶瓷学报，1 9 9 9 ，2 0 3 1 6 4 1 6 6 ． M i c r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t yo fS e m i s o l i dF o r m e dP a r t sw i t hZ r t h “ ’’ R e i n f o r c e dA l u m i n u mC o m p o s i t e L JC h a o ，L j U r i n g ，H A N J i n g - t a o ，A NL i n S c h o o lo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b ，s t r a c t ． T h eb l a n ka n dp r e s s u r ec a s t i n gp a r t so fn o n - d e n d r i t eZ r 0 2 ／A 3 5 6c o m p o s i t ea r ep r e p a r e db yt h es e m i s o l i d f o r m i n gt e c h n o l o g y ，．a n dt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h ep a r t sarei n v e s t i g a t e d ．I ti ss h o w e d b yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st h a tt h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ep a r t si si n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fz hc o n t e n ta n dt h ee l o n g a t i o nr a t ei sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fZ r 0 2c o n t e n t ．。 K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A 1m a t r i xc o m p o s i t e ；s e m i s o l i df o r m i n g ；Z r 0 2 ；t e n s i l es t r e n g t h ；e l o n g a t i o n 万方数据