热处理对半固态挤压SiCp/2024复合材料的影响

 马郁柏  阎峰云  刘兴丹  赵红娟

（1．兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室；

 2．兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室）

摘要  采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针等研究了固溶处理对半固态挤压SiCp/2024复合材料的组织和性能的影响。结果表明，SiCp/2024复合材料经过500℃×12 h固溶和170℃×16 h时效处理后，抗拉强度达到了478MPa，硬度(HV)为150，而在未热处理之前材料硬度(HV)仅为86，抗拉强度也只有350 MPa。

关键词  SiCp/2024复合材料；固溶温度；时效温度；力学性能

 SiCp增强铝基复合材料，由于制造工艺简单，成本低，可批量生产，且可用常规的金属加工方法——铸造、粉末冶金、挤压、轧制、锻造、旋压等制造成各种形状复杂的零件和型材，成为金属基复合材料的主要研究方向之一，并在航空航天、军工、汽车等领域有着广泛的应用。影响SiCp增强铝基复合材料组织和性能的因素很多，如基体成分、SiCp尺寸、热处理工艺等，其中热处理工艺对其影响较为明显。

 通过粉末半固态触变挤压技术制取棒状SiCp／2024复合材料，研究了热处理对其组织和性能的影响。

1  试验方法

 采用a-SiC粉末作为增强体，其平均颗粒尺寸为2.5um，纯度大于98%，呈不规则的多棱角；以2024A1粉末作为基体材料，其平均粒径为20um，呈类球状。

对粉末半固态触变挤压工艺制备的SiCp/2024复合材料进行热处理（SiC体积分数为10%）。主要流程见图1。

 由于SiCp含有一些杂质相和杂质元素，为了减少这些杂质对试验的影响，采用12%的盐酸去除杂质，以达到净化的目的。Al。C3在潮湿环境中稳定性差，使得增强体表面受损伤，直接影响复合材料的力学性能。为了防止Al。C。生成，在SiC除杂后，对其进行1000℃，保温6h的高温处理。将处理好的SiCp与2024A1粉末在高能球磨机内混料2h，冷压成尺寸为45 mm×60 mm的预制样。在真空条件下，先升温至300℃保温30 min，再升至580℃保温th后随炉冷至室温。将真空烧结后的预制样加热至570℃保温1 h，使预制样半固态均匀化，然后在压力机下触变成形，得到+12 mm的复合材料。对2024A1差热分析可知，其过烧温度为505.3。C。在保证不发生过烧及晶粒长大的条件下，选择尽量高的固溶温度，有利于获得最大过饱和均匀固溶体。因此采取500 0C，分别进行1、6、12、16 h固溶处理，室温水淬。选取最佳固溶条件后，再在170℃，分别保温12、14、16、20、24 h进行人工时效处理。

  运用JSM-1700F扫描电镜、电子探针对复合材料固溶后的组织进行观察；利用WDW-100电子万能实验机测定拉伸性能，拉伸速率为1 mm/min;用HBRVU-187.5宏观硬度测试仪检测试样硬度，每个试样取3个点测量，取平均值。

2  结果与分析

2.1  固溶时间对复合材料组织的影响

复合材料在进行固溶处理时，第二相粒子如Mg、Cu等会大量溶入基体中，迅速冷却后得到过饱和固溶体。随着固溶温度逐渐升高，基体中的第二相粒子溶解地越来越充分。图2为复合材料在500℃固溶不同时间第二相扫描电镜照片。从图2看出，在固溶th时，由于固溶时间较短，残留在基体中的第二相很多，没有充分溶解到基体中，随着固溶时间的延长，第二相粒子溶解越来越充分。当固溶时间达到16 h时，大部分可溶相已溶解，仅剩下少量不可溶的相存在于基体中。在电子探针下对复合材料中的第二相进一步分析，见表1。结果表明，少数含有Al、C、Si元素的夹杂相在经过相应的固溶处理后并未消失。

2.2  固溶时间对复合材料性能的影响

图3为复合材料在不同固溶时间处理后的抗拉强度和硬度。可以看到，随着固溶时间的延长，复合材料的抗拉强度大幅度地提高，尤其是在保温初期。在保温12 h时达到最大值，但随时间继续延长，抗拉强度开始下降。

 另外，随着时间的延大，硬度先增大后降低，在12h时达到最大值。这是因为2024A1合金中合金元素是Cu和Mg，其溶入a-Al基体形成过饱和固溶体，对合金产生固溶强化，当保温时间低于12 h时合金中的元素未充分溶入a-Al基体中，当大于12 h时基体合金已经发生形核再长大，变成了碎晶或枝状晶，因此降低了复合材料的抗拉强度和硬度。

图4为SiCp/2024A1复合材料在固溶1、6、12 h后的拉伸断口。复合材料的断裂包括SiC颗粒脆性断裂、界面脱粘开裂、基体合金撕裂3种形式。在固溶处理1 h时，复合材料中的缩松、缩孔现象较明显，片层状的断裂纹也较多。当时间达到6h时，O-CuAl2相和S—CuAl：Mg相逐渐固溶，在断裂部位，有大量的韧窝产生。固溶处理后，复合材料的性能得到固溶强化，强化相在Al基体中呈弥散形式分布。当到达12 h时，断口处可看到SiCp的断裂，说明强化相进一步溶入晶粒内部，在晶粒间起到强烈的钉扎作用，进一步提高了合金的强度。

2.3  时效处理对复合材料性能的影响

2024A1合金的典型时效析出过程：a相过饱和固溶体一GP (I)区一GP( II)区一∥7相一口相一O-CuAlz相。图5为SiCp/2024A1复合材料经500℃×12 h的固溶处理后在170。C时效处理的XRD谱。

从图5中可以看到，复合材料在经过时效处理后，不同保温时间下，合金基体内相组成的峰值大小不同，且同时有口相和S相析出。复合材料在经时效处理后，力学性能得到了较大的提高。图6为经170℃时效处理后硬度和抗拉强度变化曲线，硬度从12 h后开始上升，至16 h达到最高值，之后随着时效时间的延长，硬度开始下降。与之前固溶处理后最高点相比，硬度(HV)提高了21。在16 h之后，由于析出相开始长大以及软化，故复合材料的力学性能下降。

3  结论

 (1) SiCp/2024复合材料经过500℃×12 h固溶和170℃×16 h时效处理后，抗拉强度达到了478 MPa，硬度(HV)为150，而在未热处理之前材料硬度(HV)仅为86，抗拉强度也只有350 MPa。

 (2)固溶处理后，组织中的第二相粒子溶人基体得到饱和的固溶体，再经时效处理，固溶体中的S—CuAl2 Mg相与O-CuAl2相析出，使得复合材料性能与之前未热处理时有了较大的提高。