2024Al/Gr/SiCp复合材料耐热性能研究
中图分类号：TG146.21文献标识码：A
颗粒强化铝基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、弹性模量高和热膨胀系数低等优点，已在航空航天、交通领域得到非常广泛的应用[1].随着近年来航空航天工业的迅猛发展对材料提出了更高的要求，为了进一步提高飞行器的性能，开发混合颗粒强化铝基复合材料越来越受到人们的关注[2-4].混合颗粒强化铝基复合材料结合了不同增强相颗粒所带来的优势，使其具有多种独特的性能，例如SiC颗粒与石墨混合强化铝基复合材料不仅具有高弹性模量，还具有良好的耐磨性能和阻尼性能[5-8].2024Al合金属于可热处理强化铝合金，耐热性也比较优异[9].通过在合金中复合添加SiC颗粒和片状石墨，可以进一步提高其模量和阻尼性能，这种混杂增强的 2024Al/Gr/SiCp复合材料在航天飞行器支撑结构件上有重要的应用价值.然而，目前关于 2024Al/Gr/SiCp复合材料耐热性能的报道很少.本文研究 2024Al/Gr/SiCp复合材料的高温拉伸性能及长时间热暴露后的室温力学性能，同时对拉伸断口进行分析，探讨SiC颗粒和石墨对材料的耐热性能的影响.
1实验方法
实验所用的惰性气体雾化2024Al合金粉末、鳞片状石墨和SiC颗粒的形貌如图1所示.2024Al合金粉末的化学成分（质量分数）为3.53%Cu，1.28%Mg，0.2%Fe，余量为Al.石墨和SiC颗粒的加入量分别为3%和10%（质量分数）
采用真空热压粉末锭坯挤压成形法制备了2024Al，2024Al/3Gr，2024Al/3Gr/10SiCp3种复合材料板.采用的挤压温度为470 ℃，挤压比为22∶1，板材的截面尺寸为40 mm×10 mm.
将挤压板材进行峰值时效处理后，分别在150 ℃，200 ℃，250 ℃和300 ℃热暴露不同时间，测量其硬度变化规律及室温拉伸性能.采用HBRVU187.5型布洛维光学硬度计进行布氏硬度测试，加载载荷为612.9 N，保荷时间为30 s，每个试样测试5个点，舍去最大值和最小值后取平均值作为测量值.在Instron3369电子万能试验机上进行室温拉伸性能测试，拉伸速度为0.5 mm/min，每种试样测量3个并取平均值作为测量值，拉伸试样断口形貌在Hitachi S4800型场发射扫描电子显微镜（SEM）上进行观察.金相组织观察在Carl ZeissAxio Lab A1型光学显微镜上进行.
2实验结果
2.1微观组织
图2为 2024Al/Gr/SiCp复合材料分别在150 ℃，200 ℃和300 ℃热暴露48 h后的金相组织.从图中可以看出，2024Al合金及复合材料在不同温度热暴露48 h后，在材料的金相组织中没有观察到明显的变化.2024Al合金粉末颗粒沿挤压方向被拉长，SiC颗粒及石墨均匀分布在基体中，且与基体具有良好的界面结合.比较图2（a）， （d）， （g）和图2（b）， （e）， （h）可以发现，随着热暴露温度的升高，基体合金的晶粒尺寸逐渐增大，这是因为高温下，基体合金中溶质原子的扩散速度加快，导致晶粒和第二相尺寸的增加.图2（c）， （f）， （i）为2024Al/3Gr/10SiC复合材料的金相组织，因SiC颗粒的加入且为挤压变形组织，在进行金相组织时无法腐蚀显现出明显的晶粒，但根据上述结果可以推断其晶粒尺寸变化趋势与基体合金大致相同.此外，复合材料增强相，尤其是硬质SiC颗粒的加入，会阻碍热暴露时晶粒的长大.
2.2硬度曲线
图3为2024Al合金及其复合材料分别在150 ℃，200 ℃，250 ℃和300 ℃热暴露96 h过程中的硬度值随时间延长的变化曲线.从图中可以看出，材料热暴露后的硬度均有所下降，且随着热暴露温度升高，材料硬度下降的幅度增大；在200 ℃时硬度下降的幅度最小，在300 ℃时硬度下降的幅度最大.这是因为热暴露温度越高，溶质原子扩散速度越快，第二相长大或粗化速度也越快，同时晶粒长大的趋势也越明显.在相同温度下，开始阶段材料的硬度下降比较明显，随着保温时间的延长，最后的硬度变化曲线处于平稳状态，几乎不发生改变.比较2024Al/3Gr/10SiC复合材料与2024Al/3Gr复合材料的硬度曲线可见，加了SiC颗粒的复合材料硬度值下降幅度比未加SiC的材料的小.比较2024Al/3Gr复合材料与基体合金的硬度变化曲线发现，随着热暴露温度升高，2024Al/3Gr复合材料硬度下降幅度比2024Al合金基体在相同温度下硬度的下降幅度小.这是因为片状石墨和SiC颗粒与基体合金之间的热膨胀系数存在差异，淬火时会在基体合金中引入大量位错，对材料具有强化作用.
从整体来看，在200 ℃及以下热暴露时，2024Al/Gr/SiCp复合材料的硬度性能曲线比较平稳.含SiC颗粒的复合材料耐热性能最好，含石墨的复合材料耐热性能次之，基体合金的耐热性能最差.在300 ℃热暴露时， 2024Al/Gr/SiCp复合材料的硬度性能曲线下降趋势明显加快.高温下，基体合金中位错攀移、晶粒长大及第二相粗化导致材料的硬度下降的作用比复合增强相的强化作用更明显，所以温度越高，硬度越低.通常AlCuMg系合金的正常服役温度一般在150 ℃以下，超过该温度后，材料的力学性能会下降[9].而本文研究制备的 2024Al/Gr/SiCp复合材料具有较好的耐热性能，主要是因为加入的SiC颗粒和石墨颗粒能够阻碍热暴露过程中的晶粒长大及阻碍位错的运动. 2.3拉伸性能
图4为在不同温度下热暴露12 h后材料的室温抗拉强度变化规律及拉伸曲线.由图可见，材料的强度随着热暴露温度的升高逐渐降低，但整体仍具有较高的强度.在200 ℃及以下，材料的整体抗拉强度下降幅度不大，具有良好的耐热性能.对比2024Al合金基体与复合材料的抗拉强度变化，可以发现基体合金的抗拉强度下降幅度更大.2024Al合金在150 ℃时抗拉强度为480 MPa，200 ℃时抗拉强度为394 MPa，下降了约90 MPa；而2024Al/3Gr/10SiCp复合材料在150 ℃时抗拉强度为424 MPa，200 ℃时抗拉强度为404 MPa，下降幅度仅为20 MPa.在300 ℃保温12 h后，材料的抗拉强度下降幅度较大.这与硬度曲线变化规律分析得到的结论相吻合，在200 ℃及以下温度，2024Al合金及其复合材料的力学性能下降幅度较小，在300 ℃时力学性能快速下降.在200 ℃及以下温度，由于SiC颗粒及石墨的加入，能钉扎位错和晶界，阻碍位错运动和晶粒长大，有效地提高材料的耐热性能.当在300 ℃时，位错和晶界运动驱动力增大，晶粒及第二相长大趋势明显，材料的强度下降.
比较 2024Al/Gr/SiCp复合材料室温及在150 ℃保温12 h后的抗拉强度，可以发现，经150 ℃热暴露12 h后，2024Al合金及复合材料的抗拉强度均有小幅的升高.部分学者[10-12＼]在研究AlCuMg系铝合金的耐热性能时也发现过类似现象.魏修宇等[12]在研究2197Al合金的高温拉伸性能及长时间热暴露后的室温力学性能时发现，在低于150 ℃的温度下热暴露100 h后，2197Al合金的强度提高了15 MPa左右，将其原因归结为：合金经过160 ℃ /16 h时效处理后，仍残留有部分的过剩溶质原子，当合金在150 ℃及以下长时间暴露时，会二次析出细小弥散的θ'（Al2Cu）强化相.本实验的基体合金中Cu含量较高，基体中除了存在S（Al2CuMg）相，多余的Cu原子会形成θ'（Al2Cu）相.θ'相作为（Al2Cu）相的过渡相，其在150 ℃热暴露时在基体中析出的可能性很大.因此，θ'相的二次析出可能是2024Al合金基体及其复合材料在150 ℃热暴露后，强度有所提高的主要原因.
图5为2024Al合金及其复合材料在200 ℃下分别热暴露12 h，24 h和48 h后的室温抗拉强度变化趋势及相应的拉伸曲线.由图可见，随着保温时间的延长，2024Al合金及其复合材料的抗拉强度均有小幅度的下降；相比于基体合金，复合材料的下降幅度更小.2024Al合金在200 ℃下保温48 h后抗拉强度为340 MPa，比未经保温处理的强度下降了140 MPa；2024Al/3Gr/10SiCp复合材料在200 ℃下保温48 h后抗拉强度仍有366 MPa，比未经过保温处理的强度仅下降了21 MPa.可见SiC颗粒和石墨的加入，减小了材料强度下降的幅度，提高了基体合金的耐热性能.热暴露保温时间对材料伸长率的影响不大，随着时间的延长，材料的伸长率一般都有小幅度的提高，基体合金伸长率的变化幅度在5%左右，复合材料的伸长率变化幅度在1%左右.
随着热暴露时间的延长，溶质原子扩散得更加充分，晶粒尺寸和第二相尺寸长大、位错攀移运动程度加剧，导致材料的抗拉强度下降、伸长率上升.
图6为2024Al合金及其复合材料在不同温度下热拉伸变形时的强度及相应的拉伸曲线.由图可见，随着拉伸温度的升高，2024Al合金及其复合材料的抗拉强度均逐渐下降.在200 ℃及以下温度，抗拉强度下降的幅度较小，在250 ℃及以上的温度下拉伸时，抗拉强度下降幅度较大.在200 ℃时，2024Al合金、2024Al/3Gr和2024Al/3Gr/10SiCp复合材料仍具有较高的力学性能，抗拉强度分别为383 MPa，377 MPa及372MPa.比较2024Al及其复合材料的抗拉强度可知，复合材料的抗拉强度下降幅度比基体合金的小.
2.4断口形貌
图7为2024Al合金及其复合材料分别在150 ℃，200 ℃和300 ℃下热暴露12 h的断口形貌.由图7（a）（b）（c）可以看出，2024Al合金的断口处出现了大量的韧窝，说明在拉伸过程中基体发生了塑性变形.随着热暴露温度的升高，合金中的韧窝尺寸变
大.造成这种现象的原因与韧窝形成机理有密切联系.一般认为，韧窝主要由微孔聚合型断裂形成，微孔聚合型的断裂过程是在外力作用下，在夹杂物、第二相粒子与基体的界面处，或在晶界、相界、大量位错塞积处形成微裂纹，因相邻微裂纹的聚合产生可见微孔洞，以后孔洞长大、增殖，最后连接形成断裂.因此，韧窝的形成与材料中的第二相粒子的特征有关，Shakeri等[13]认为微孔在第二相颗粒附近形核，而且只有当颗粒尺寸在50～500 nm之间才对韧窝的形成有影响.所以当热暴露温度升高时，第二相颗粒的长大或粗化造成断裂韧窝尺寸增大.一般情况下，韧窝尺寸越大，材料的塑性变形能力越好，伸长率也越高.这也解释了拉伸结果中，随着热暴露温度升高，合金的伸长率有一定程度升高的原因.
图7（d）（e）（f）和（g）（h）（i）分别为2024Al/3Gr和 2024Al/Gr/10SiCp的断口形貌.由图可见，复合材料的断口形貌具有两个明显的共同特征：第一，断口处存在断裂的石墨；第二，基体合金断口中存在大量的韧窝.观察发现，随着热暴露温度的升高，韧窝尺寸没有明显的变化.在 2024Al/Gr/10SiCp复合材料的断口形貌中发现了坑洞，这是由于拉伸过程中SiC被拔出基体后留下的.2024Al/3Gr与2024Al/3Gr/10SiCp复合材料的断口中韧窝尺寸变化不大，主要是受到SiC颗粒和石墨的影响.SiC颗粒和石墨的加入能阻碍基体合金在热暴露时晶粒尺寸.根据前面分析可知，颗粒尺寸对韧窝的形貌具有一定程度的影响.在一定范围内，第二相颗粒尺寸越小，韧窝尺寸也越小. 图8为2024Al合金及其复合材料分别在150 ℃，200 ℃，250 ℃及300 ℃下拉伸的断口形貌.由图可见，2024Al合金在高温下拉伸的断口具有韧性断裂的特征，断口中撕裂棱和韧窝较多.随着温度的上升，韧窝边缘被拉长的程度增大，表明高温下材料的塑性变形能力有所提高.这也解释了图6中拉伸曲线的变化情况，即随着拉伸温度升高，材料伸长率逐渐增大.2024Al/3Gr复合材料的断口中存在大量断裂的石墨，基体合金呈韧性断裂，2024Al/3Gr/10SiCp复合材料的断口处也存在断裂的石墨，但没有观察到SiC颗粒，说明在高温拉伸时SiC颗粒主要被拔出基体，基体合金呈韧性断裂.在高温下复合材料的基体合金中的韧窝呈现两种形式：小而深的韧窝，大而浅的韧窝.靠近增强相附近的韧窝小而深，距离增强相较远处的韧窝大而浅.这是因为颗粒附近的基体合金协调变形受到约束，导致韧窝小而深；而距离颗粒较远的基体合金可以充分协调变形，因而表现为断口上的韧窝大而浅.
3分析讨论
材料在热暴露过程中力学性能下降的主要原因是：基体的晶粒长大、溶质原子的急剧扩散以及强化相的长大或者粗化.因此提高材料的耐热性能的主要途径有：阻碍晶粒长大、选择高温稳定的第二相及添加陶瓷颗粒等.基体合金中析出的第二相的热稳定性与其组成元素的扩散速率有关，同时第二相的形貌与基体的界面有关；其组成元素扩散速率越快，第二相尺寸越容易长大.增强颗粒自身性能稳定，在高温下尺寸不发生变化，能有效阻碍位错的滑移和晶界的迁移，提高材料的热稳定性能[14].
2024Al/Gr/SiCp复合材料中主要的析出相为S（Al2CuMg）相和θ（Al2Cu）相. 其中弥散强化相θ相具有正方结构，为类球形，常温下具有较好的强化效果，但高温下容易长大；S（Al2CuMg）相在常温下具有良好的强化效果，且在高温下也具有一定的强化作用.在200 ℃左右时，S相和θ相发生粗化，导致合金的性能下降，通常采用添加Ag、稀土元素等以形成复杂的耐高温相来提高材料的热稳定性能[15-16].本实验中没有添加此类元素，但材料在200 ℃及以下温度具有良好的耐热性能，随着保温时间的延长，材料的硬度和强度并没有出现大幅降低.首先增强相SiC颗粒和石墨能改善材料的耐热性能，SiC颗粒和石墨高温下很稳定，尺寸几乎不发生变化，在高温下能有效地阻碍位错的运动和晶粒的长大，提高材料的强度.其次，由于增强相SiC颗粒与基体热膨胀系数差异很大，热暴露实验后，材料中形成大量的位错，大量位错与基体中的第二相相互作用，形成位错缠结或者位错网结构，能有效提高材料的强度，提高材料的耐热性能.
4结论
1） 2024Al合金及其复合材料在200 ℃及以下热暴露时，随着时间的延长，材料组织没有明显改变，其硬度和强度没有出现明显下降，具有较高的热稳定性能.SiC颗粒和石墨均能提高复合材料的热稳定性，但SiC颗粒的影响作用更明显.
2） 在300 ℃热暴露时，2024Al合金及其复合材料的硬度和强度出现了较大幅度的降低.但 2024Al/Gr/SiCp复合材料的硬度和强度下降幅度均比2024Al合金的低.
3）2024Al及其复合材料的抗拉强度随着拉伸温度升高而下降，在200 ℃拉伸时，2024Al/3Gr/10SiCp的抗拉强度达到372 MPa.复合材料的强度下降幅度比2024Al合金的小，说明SiC颗粒与石墨加入能提高材料的耐热性能.
4） 高温拉伸及热暴露后的2024Al合金的断裂机制为韧性断裂， 2024Al/Gr/SiCp复合材料的断裂机制为基体韧性断裂、石墨断裂及SiC颗粒与界面分离的混合断裂机制.
