非稳定态氧化锆自强化铝基复合材料的制备与性能.pdf

第6 l 卷第2 期 2 009 年5 月 有色金属 N 0 n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 l 。N o ．2 M a y200 9 非稳定态氧化锆自强化铝基复合材料的制备与性能 张学辉，韩静涛，刘靖 北京科技大学材料科学与工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘 要采用机械搅拌法将非稳定态氧化锫分别以o ．3 ％．7 ％，l o ％加入到7 0 7 5 铝合金中，得到半固态浆料及铝基复合材 料坯料，再触变成形。对比分析复合材辩和基体合金的组织和性能。结果表明，添加适量非稳定态氧化锫呵使铝合金枝晶转变为 等轴晶，复合材料的冲击韧性a 。和抗拉强度“分别比基体合金提高2 5 ．9 ％和5 ．5 ％，延伸率则降低5 4 ％。 关键词金属材料；复合材料；非稳定态氧化错；铝基 中图分类号T G l 4 6 ．2 l ；T B 3 3 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 l ‘一0 2 l l 2 0 0 9 0 2 一o 0 0 1 0 4 金属基复合材料是以金属、合金或金属间化合 物为基体，含有增强成分的复合材料。铝基复合材 料是其中研究应用得最广的一种，研究主要集中在 两个方面一是采用连续纤维增强；二是采用颗粒增 强。采用颗粒增强的铝基复合材料具有制备工艺简 单、材料各向同性、应用范围更广、工业化生产潜力 更大等优点⋯，因而颗粒增强的铝基复合材料的研 究受到广泛重视。 颗粒增强铝合金的制备方法有很多种，机械搅 拌法是一种重要方法。机械搅拌法又可分为液态机 械搅拌和半固态机械搅拌。液态搅拌时合金的黏度 小，流动性好，易于操作，但容易夹杂、发生界面反应 和卷入气体。半固态搅拌容易造成合金元素偏析， 但温度低可避免界面反应，同时半固态浆料中初生 颗粒对添加粒子有分散和捕捉作用，可防止添加粒 子的上浮、下沉和聚集，从而使添加粒子在半固态浆 料中均匀分散，能明显提高复合材料的强度【2 _ 4J 。 非稳定态氧化锆作为陶瓷基体中的添加相被广泛采 用，其中亚稳的￡相在受到应力作用下可以转变为 稳定的优相，并产生体积膨胀和剪切应变，这一相 变对基体具有增韧作用【5J ，可以大幅度提高基体材 料的室温力学性能。 利用非稳定态氧化锆的f 相转变为优相能起 到强化作用的特性，综合液态搅拌和半固态搅拌的 优点，采用液态半固态双重机械搅拌的方式将非稳 定态氧化锗加入到铝合金基体中，解决颗粒分散均 匀性问题，研究制备出非稳定态氧化锆强化的铝基 收稿日期2 0 0 7 一0 4 一1 6 作者简介张学辉 1 9 7 2 一 ，男 ’可北唐山市人。硕士生，主要从事 金属基复合材料等方面的研究。 复合材料。 1实验方法 1 ．1 试验材料 试验用的基体材料是7 0 7 5 铝合金，是一种轻型 结构材料，常用作重要的结构件、挤压件和锻件，合 金的化学成分见表1 。所添加颗粒材料是非稳定态 氧化锆超细粉，具有高强度、高硬度、高耐磨性的特 点，平均粒径0 ．8 9 肚m ，其中t 相占7 0 ．4 ％，m 相占 2 9 ．6 ％，成分组成见表2 。 表l7 0 7 5 铝合金化学成分／％ T a b l elC h e m i c a l ∞m D 0 s i t i o no f7 0 7 5 ～ 堕坌垫坚空竺壁皇型 含量／％ 5 ．6 2 ．5 1 ．8 0 ．1 00 ．1 50 ．1 2 余量 1 ．2 复合材料制备过程 为增加非稳定态氧化锆颗粒与铝合金熔体的润 湿性，在加入前对其进行预处理在箱式加热炉中 3 0 0 ℃预热l h 。将基体合金加热到6 7 0 ℃熔化，先用 搅拌器进行低速搅拌5 m i n 以保证化学成分均匀，然 后在氩气保护下液态机械搅拌加入氧化锫颗粒 加 入质量分数为0 ，3 ％，7 ％，1 0 ％ ，颗粒添加速度不 能过快，搅拌转速为3 5 0 r ／m i n 。颗粒完全加入后， 缓慢冷却到半固态温度6 4 0 ℃保温，并以2 0 0r ／m i n 的转速搅拌2 0 m i n 以使颗粒分散均匀，再浇注成半 固态坯料。复合材料制备装置示意见图1 。复合材 料坯料再二次加热到半固态温度区间，保温一段时 万方数据 2 有色金属第6 1 卷 间，然后在预热的模腔中触变挤压成形。成形件进 行T 6 热处理在加热炉内进行4 0 m i n4 9 0 ℃的固溶 处理，出炉用4 0 ℃水进行淬火，再1 6 h1 3 5 ℃的时效 处理，然后在空气中自然冷却。 搅拌器 氩 图1复合材料制备装置示意 F i g ．1S c h 锄eo ff a d l i t yf o r ∞m p ∞i t 瞄p r 印a r a t i o n 2 试验结果与讨论 2 ．1 非稳定态氧化锆对铝合金液态铸造组织的影响 经过观察，非稳定态氧化锆的加入对铝合金液 态铸造组织产生影响，见图2 。在没有添加Z 她 3 Y 的铝合金中枝晶仍表现为长柱状晶，见图2 a 。当Z 如 3 Y 加入量为3 ％时，枝晶主干长度 缩小；二次臂变粗，有明显的等轴化趋向，见图2 b 。当Z 蛾 3 Y 加入量为7 ％时，枝干长度大大 缩短，长柱状晶几乎等轴化，晶粒趋于近似不规则的 球形，见图 c 。当Z 如 3 Y 加入量为1 0 ％时，晶 粒呈现圆整化形貌，见图 d 。从以上比较可知，当 Z 她 3 Y 加入量为7 ％～1 0 ％时，可使得枝晶从长 柱状晶转化为近似的等轴晶。 a 一O ％z 如 3 Y ； b 一3 ％z n 3 Y ； c 一7 ％z 如 3 Y ； d 一1 0 ％Z r 0 2 3 Y 图2z 她 3 Y 对液态铸造组织的影响 F i g ．2 E f f e c to fZ r Q 3 Y o nl i q u i d c 够t i | l gs t r u c t u r e 2 ．2 复合材料和基体合金性能的对比研究 利用X 射线衍射仪进行测试，经过对衍射花样 进行分析，根据￡．Z 如 1 1 1 峰，7 ，1 ．Z 如 1 1 1 和 1 1 17 峰的相对强度来计算m ．Z 她相的相对含量 矗．她，计算式为邑．媳 J 拼 1 1 1 J 。 1 1 l ， ／ J 。 1 1 1 f 。 1 1 1 ， J f 1 1 1 1 0 0 ％o 对含1 0 ％Z 如 3 Y 的复合材料做拉伸和冲击试验后分析相组成， 结果如图3 所示。在原始材料中优相和￡相分别 为2 9 ．6 ％和7 0 ．4 ％，经过拉伸试验后m 相和￡相 分别为5 8 ％和4 2 ％，冲击试验后，，l 相和￡相分别 为6 3 ％和3 7 ％。可见经过拉伸和冲击后复合材料 中优相氧化锆增加，￡相氧化锆减少，说明在应力 作用下￡相发生了向m 相的转变。拉伸后￡相氧 化锆为4 2 ％，冲击后￡相氧化锆为3 7 ％，说明冲击 比拉伸使更多的￡相发生了相变，这可能是因为冲 击过程时间很短，氧化锆瞬时受到的应力很大，从而 使更多的z 相发生了转变。这对于提高材料性能是 有益的。 图3 非稳定态氧化锆的相变化 F i g ．3P h a 靶c l l a n g eo f 加2 3 Y 基体合金和复合材料抗拉强度、冲击韧性和延 伸率情况如图4 ～图6 历示。由图4 可知含3 ％， 7 ％，1 0 ％非稳定态氧化锆的复合材料抗拉强度比基 万方数据 第2 期张学辉等非稳定态氧化锗自强化铝基复合材料的制备与性能3 体合金分别提高了2 ．4 ％，4 ．4 ％，5 ．5 ％。可见与基 体合金相比，添加非稳定态氧化锆后复合材料的抗 拉强度提高了，但抗拉强度提高的幅度不是很大。 这是因为非稳定态氧化锆颗粒在基体中弥散分布， 增加了基体和颗粒的相界，由于颗粒和基体的热膨 胀失配致使相界周围晶格发生畸变，阻止基体晶面 的滑移，引起外加载荷重新分配，提高了承载能力， 从而对基体起到了弥散强化作用。 芷 蒌 警 蠡 图4 氧化锆含量与抗拉强度的关系 R g ．4 R e l a t i o no ft ∞S i l es t r e n g t ht o ∞n t 目l t s0 fZ r o l 3 Y 由图5 可知随非稳定态氧化锆含量的增加，复 合材料冲击韧性比基体合金分别提高了1 3 ．3 ％， 2 0 ％，2 5 ．9 ％，可见添加非稳定态氧化锆对复合材料 的冲击韧性有大幅提高，这是由于非稳定态氧化锆 中的亚稳态的￡相在复合材料制备过程中保存了下 来，f 相在应力的作用下向优相转变，并产生体积 膨胀和剪切应变，从而对基体产生压应力，使裂纹扩 展受阻，增加裂纹延伸的能量消耗，提高了断裂能， 起到相变增韧的作用。 图6 可知复合材料延伸率比基体合金分别降低 了5 4 ％，5 9 ％，6 5 ％，可见添加非稳定态氧化锆降低 了复合材料的塑性。这主要是因为非稳定态氧化锆 颗粒的加入使基体形变行为受到制约。且随加入颗 粒量的增多阻止基体形变的程度增加；其次，颗粒在 基体中没有充分分散开而是偏聚成团，而且随着加 入量的增加局部偏聚现象越严重，从而导致延伸率 随颗粒含量的增加而下降。 参考文献 图5 氧化锆含量与冲击韧性的关系 F 奄．5R 幽t j ∞0 fi m p a c ts t 】n 朗g t ht 0o ∞t 朗t so fZ r o b 3 Y 建 静 垂 捌 图6 氧化锆含量与延伸率的关系 F i g ．6 R e l a t i o no fe b 。n g a t i o nt o ∞n t ∞t so fZ r 0 2 3 Y 3结论 加入7 ％～1 0 ％的非稳定态氧化锆可使7 0 7 5 铝合金枝晶转化为等轴晶。因为t 相向m 相转变 起到相变增韧的作用，复合材料冲击韧性随非稳定 态氧化锆含量增加而增加，由于非稳定态氧化锆颗 粒的弥散强化作用，复合材料的抗拉强度有所提高， 加入1 0 ％非稳定态氧化锆使冲击韧性和抗拉强度 分别提高了2 5 ．9 ％和5 ．5 ％。添加的非稳定态氧化 锆颗粒使基体形变行为受到制约和颗粒偏聚成团致 使复合材料的塑性比基体合金降低了5 4 ％，这一问 题还有待于进一步研究解决。 [ 1 ] 王双喜，刘雪敬，孙家森．铝基复合材料的制备工艺[ J ] ．热加工工艺，2 0 0 6 ，3 5 1 6 5 6 9 ． [ 2 ] 刘贯军，李文芳，杜军．铝镁复合材料的润湿性探究[ J ] ．铸造，2 0 0 6 ，5 5 9 9 1 1 9 1 5 ． [ 3 ] 白芸，韩恩厚。谭若兵，等．铝基复合材料性能的研究现状[ J ] ．材科保护，2 0 0 3 ，3 6 9 5 7 ． [ 4 ] 黄永攀，李道义，王锐，等．铸造法制备颗粒增强铝基复合材料[ J ] ．上海有色金属，2 0 0 4 ，2 5 2 6 5 6 7 ． [ 5 ] 靳喜海．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 ． 下转第1 7 页，C o r I t i n u e do np ．1 7 备3，f，担肇钽量 万方数据 第2 期 薛文颖等脉冲电解法制备纳米晶金属镍的摩擦性能1 7 W e a rP m p e r t i 髂o fN a n o ．s t r u c t u r eN i c k e IF o i l sP 他p a r e db yP u I 靶- e l e c t r o d e p 0 晤i t i o n x u Ew 砌一∥，矿，L J 嫩勘玎矿，y A N G №雄一z i 挖矿，s 劢￡Ny 0 行g ．砌矿 口．订增5 把地K 纠L 口6 D r n 幻删0 ，R o 陇孵 A “￡o 舰口哟以，6 ．K 掣k 6 0 m 幻删弦A 冠湎f ，D 缈口，z d 了k 纽僧9 厂 M a ￡P 以出 以超妇￡删矿E d “c 口￡i 鲫 ，N D r 跣∞s 细1 z 魄i t 梆i 砂，s 鲫弦甥11 0 0 0 4 ，C h f 触 A b s t r a c t T h en a n o c r y s t a l l i n e n c n i c k e lc o a t i n g sw i t hat h i c k n e S So fa b o u t6 0 肛ma r ep r e p a r e db yp u l 跎一e l e c t r o d e p o S i t i o np r o c e s S ．T h ea V e r a g eg r a i ns i z eo fd e p o s i t e dc o a t i n gw i t ht h ee l e c t r o l y s i sp a r a m e t e r so fp u l S e dc u r r e n td e n s i t y6 l O 一2A ／m 2 ，p H 4 ．5 ，T 5 0 ℃，o n t i m e ￡o n 0 fl m sa n do f f t i m e ￡o f f o f2 5 m s ，i sa b 。u t2 0 n ma n dt h e m i c r o h a r d n e s sV a l u ec a nb ea sh i g ha L s6 ．3 7 G P a ．T h eg r a i ns i z eo ft h ed e p o s i t e dc o a t i n gi sd e c r e a s e dw i t ht h e d e c r e a s eo f ￡∞／￡o f fw i t ht h e ∞n s t a n tc u r r e n td e n s i t y ，b u tt h eh a r d n e s sv a l u ei sr e v e r 跎d ．T h ew e a rr e s i s t a n c eo f t h ep r e p a r e dn a n o c r y s t a l l i n ef i l mi ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dc o m p a r e dt ot h en o m a ln i c k e lm a t e r i a l ．U n d e ra c o 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5a l u m i n u ma l I o yb ym e c h a n i c a ls t i r r i n g ，a n dt h ed o S a g eo f z i r c o n i ai s0 ％，3 ％，7 ％， 1 0 ％， r e s p e c t i v e l y ． T h es e m i S 0 l i ds l u r r ya n dt h es t o c ko ft h ec o m p o s i t e sa r e o b t a i n e d ，a n dt h ec o m p o s i t e sa r ep r e p a r e db yt h i x o f o m l i n g ．T 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 i e so ft h e ∞m p o s i t e Sa n dt h em a t r i xa l l o ya r ec o n t r a s t i V e l ya n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea l u m i n u md e n d “t i cg r a i ni s c h a n g e dt oe q u i a x e dg r a i nb ya d d i t i o n o fp r o p e rq u a n t i t yp a r t i a l l ys t a b i l i z e dz i r c o n i a ，c o m p a r i S o nt ot h e a l u m i n u mm a t r i xa l l o y ，t h ei m p a c tS t r e n g t ha n dt e n S i l es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t 既a r ei n c r e a S e db yaf a c t o ro f 2 5 ．9 ％a n d5 ．5 ％，r e s p e c t i v e l y ，b u tt h ee l o n g a t i o np 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