简介概要

喷射共沉积SiCp/2024复合材料的显微组织与力学性能

来源期刊:中国有色金属学报2010年第1期

论文作者:高文理 苏海 张辉 刘洪波 王建华

文章页码:49 - 54

关键词:铝基复合材料;喷射共沉积;热处理;显微组织;力学性能,aluminum matrix composite; spray co-deposition; heat treatment; microstructures; mechanical properties

Key words:aluminum matrix composite; spray co-deposition; heat treatment; microstructures; mechanical properties

摘    要:利用喷射共沉积-热挤压-轧制工艺制备SiCp/2024复合材料板材。研究该复合材料轧板热处理后的显微组织及力学性能,并确定其最佳的热处理工艺条件。结果表明:轧制态复合材料组织细小均匀,晶粒尺寸为3~4 μm,SiC颗粒均匀分布在基体合金中;采用490 ℃、1 h固溶处理和170 ℃、8 h时效后,SiCp/2024复合材料轧板的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为480 MPa、358 MPa和6.4%,基体合金中存在大量细小的第二相颗粒,为Al2MgCu及Al2Cu相;峰时效状态时复合材料的布氏硬度值为228 HB,与轧板原始硬度相比较增幅达130%;喷射共沉积SiCp/2024复合材料轧板到达峰时效时间比铸造2024铝合金的短,这主要是因为喷射沉积基体合金内细小均匀的晶粒组织、基体合金内高密度的位错组态以及SiC颗粒的引入,均有利于沉淀相的提前析出。

Abstract: SiCp/2024 aluminum matrix composite sheets were fabricated by spray co-deposition, rolling and hot extrusion process. The microstructures and mechanical properties of the as-rolled composite sheets after heat treatment were investigated, and the optimum heat treatment process was determined. The results show that the fine and homogeneous grain structure is obtained in the as-rolled composite, the grains size is 3-4 μm, and the SiC particles distribute uniformly in the alloy matrix. Under the condition of 490 ℃, 1 h solid solution and 170 ℃, 8 h peak-aging heat treatment, the ultimate tensile strength, yield strength and elongation of the as-rolled composite sheets are 480 MPa, 358 MPa and 6.4%, respectively. There is a large amount of small precipitate strengthening phases in the alloy matrix at this stage, which are mainly Al2CuMg and CuAl2 phases. The Brinell hardness of as peak-aged composite is 228 HB, increased by 130% when compared with that of the original hardness. Compared with the as-cast 2024 aluminum alloy, the time required to achieve the peak aging for spray co-deposited SiCp/2024 composite is shorter, because the fine and homogeneous grain structures induced by the spray deposition increase dislocation density in the as-rolled composite after large deformation and the addition of SiC particles is advantageous for the precipitation of deposition phases.

基金信息:国家重点基础研究计划资助项目
材料设计与制备技术湖南省重点实验室开放课题资助项目



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文章编号:1004-0609(2010)01-0049-06

喷射共沉积SiCp/2024复合材料的显微组织与力学性能

高文理1, 2,苏  海2,张  辉2,刘洪波2,王建华1

(1. 湘潭大学 材料设备及制备技术湖南省重点实验室,湘潭 411105;

2. 湖南大学 材料科学与工程学院,长沙 410082)

摘  要:利用喷射共沉积?热挤压?轧制工艺制备SiCp/2024复合材料板材。研究该复合材料轧板热处理后的显微组织及力学性能,并确定其最佳的热处理工艺条件。结果表明:轧制态复合材料组织细小均匀,晶粒尺寸为3~4 μm,SiC颗粒均匀分布在基体合金中;采用490 ℃、1 h固溶处理和170 ℃、8 h时效后,SiCp/2024复合材料轧板的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为480 MPa、358 MPa和6.4%,基体合金中存在大量细小的第二相颗粒,为Al2MgCu及Al2Cu相;峰时效状态时复合材料的布氏硬度值为228 HB,与轧板原始硬度相比较增幅达130%;喷射共沉积SiCp/2024复合材料轧板到达峰时效时间比铸造2024铝合金的短,这主要是因为喷射沉积基体合金内细小均匀的晶粒组织、基体合金内高密度的位错组态以及SiC颗粒的引入,均有利于沉淀相的提前析出。

关键词:铝基复合材料;喷射共沉积;热处理;显微组织;力学性能

中图分类号:TG 146.2       文献标识码:A

Microstructures and mechanical properties of spray co-deposited
 SiCp/2024 aluminum matrix composite

GAO Wen-li1, 2, SU Hai2, ZHANG Hui2, LIU Hong-bo2, WANG Jian-hua1

(1. Key Laboratory of Material Design and Technology of Hunan Province, Xiangtan University,
Xiangtan 411105, China;

2. College of Materials Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: SiCp/2024 aluminum matrix composite sheets were fabricated by spray co-deposition, rolling and hot extrusion process. The microstructures and mechanical properties of the as-rolled composite sheets after heat treatment were investigated, and the optimum heat treatment process was determined. The results show that the fine and homogeneous grain structure is obtained in the as-rolled composite, the grains size is 3?4 μm, and the SiC particles distribute uniformly in the alloy matrix. Under the condition of 490 ℃, 1 h solid solution and 170 ℃, 8 h peak-aging heat treatment, the ultimate tensile strength, yield strength and elongation of the as-rolled composite sheets are 480 MPa, 358 MPa and 6.4%, respectively. There is a large amount of small precipitate strengthening phases in the alloy matrix at this stage, which are mainly Al2CuMg and CuAl2 phases. The Brinell hardness of as peak-aged composite is 228 HB, increased by 130% when compared with that of the original hardness. Compared with the as-cast 2024 aluminum alloy, the time required to achieve the peak aging for spray co-deposited SiCp/2024 composite is shorter, because the fine and homogeneous grain structures induced by the spray deposition increase dislocation density in the as-rolled composite after large deformation and the addition of SiC particles is advantageous for the precipitation of deposition phases.

Key words: aluminum matrix composite; spray co-deposition; heat treatment; microstructures; mechanical properties

 

颗粒增强铝基复合材料具有较高的比强度和比模量、较小的热膨胀系数以及良好的高温性能和耐磨性等优点,现已作为轻量化结构材料广泛地应用于航空航天和交通运输等领域[1?3]。目前,颗粒增强铝基复合材料的制备工艺有粉末冶金、搅拌铸造和喷射共沉积等方法,其中喷射共沉积工艺是一种较为先进的工  艺[4?5]。2000系铝合金是一种可热处理强化合金,该系合金脱溶顺序如下[6?7]

过饱和固溶体α(Al)→GP区→S″→S′→S或过饱和固溶体α(Al)→GP区→θ″→θ′→θ。

研究表明[8?11]:增强体的引入对复合材料的组织与性能产生较大的影响,将不同程度地延缓或加速基体合金的时效析出行为。如GP区的抑制,θ″和θ′相的提前析出,S″和S′相的延迟析出等。如果继续采用基体合金的热处理制度,则复合材料组织可能处于欠时效或过时效热处理状态,因此,寻找合适的热处理工艺制度,对充分发挥颗粒增强铝基复合材料的性能尤为重要。目前,有关喷射沉积SiC颗粒增强铝基复合材料及其性能的研究较多,但大部分的研究主要集中于以超高强铝合金(7000系)作为基体的复合材料。而有关多层喷射共沉积SiC颗粒增强2000系铝基复合材料组织与性能的研究报道很少,尤其是对喷射沉积法制备的SiCp/2024复合材料热处理工艺系统的研究尚未见报道。

本文作者利用多层喷射共沉积工艺?热挤压?轧制工艺制备SiCp/2024复合材料板材,研究该复合材料轧板的热处理显微组织及力学性能,系统探讨单级固溶和时效热处理制度对SiCp/2024复合材料轧板显微组织与力学性能的影响,以期对该复合材料的热处理组织与力学性能进一步的了解,从而充分利用该复合材料的力学性能。

1  实验

利用湖南大学材料学院自行研制的多层喷射共沉积圆坯装置制备SiCp/2024复合材料,基体2024铝合金的化学成分为Al-3.6Cu-1.2Mg-0.8Mn-0.2Ti-0.2Zn (质量分数,%)。雾化介质为氮气,斜喷角为30?,沉积距离为200~250 mm,雾化温度为850 ℃,沉积盘旋转速度为250 r/min,氮气压力为0.8~1.0 MPa。SiC颗粒加入量约为15%(体积分数),颗粒尺寸大小约为10~15 μm。

沉积圆柱锭坯经机加工为d160 mm的锭坯,然后在1250T卧式挤压机上进行热挤压,挤压温度为450 ℃,挤压比为9,将挤压后得到的复合材料板材进行热轧至3 mm,轧制温度为450~480 ℃,道次间退火保温时间20 min。在轧制后的板材截取试样若干个进行热处理,分别在480、490、495、500和505 ℃进行固溶处理,固溶时间为0~75 min,根据其布氏硬度确定其最佳固溶温度与时间,水淬后进行170、180和190 ℃的时效处理,时效时间为0~40 h,根据其布氏硬度确定最佳时效温度,时效时间。

X射线衍射物相分析在D?8000型全自动衍射仪上进行,采用铜靶辐射,管压为36 kV,管流为30 mA,衍射角为20?~80?。在Leitz?MM6卧式金相显微镜和JEM?6700F扫描电镜上进行显微组织观察。微观形貌观察在JEM?3010型透射电镜下进行。室温拉伸实验在Instron型电子万能试验机上进行,初始拉伸速率为0.5 mm/min。

2  结果与分析

2.1  轧制态组织

图1所示为轧制态SiCp/2024复合材料的显微组织。图2所示为轧制态SiCp/2024复合材料的EDX和XRD谱。由图1可看出,轧制态复合材料组织细小均匀,基体合金晶粒尺寸约为3~4 μm,SiC颗粒在合金基体中均匀分布(见图1(a));基体合金中存在大量细小的粒子(见图1(b))。由图2可知,在材料中存在的第二相粒子主要为长棒状的Al2CuMg和球状的CuAl2相。

图1  轧制态SiCp/2024复合材料的显微组织

Fig.1  Microstructures of as-rolled SiCp/2024 composites:   (a) Optical image; (b) SEM image

图2  轧制态复合材料的EDX和XRD谱

Fig.2  EDX spectra and XRD pattern of as-rolled composite: (a) EDX spectrum of area 1 in Fig.1(b); (b) EDX spectrum of area 2 in Fig.1(b); (c) XRD pattern

2.2  热处理工艺

图3所示为不同的固溶温度和固溶时间下SiCp/2024复合材料的硬度与时间的关系。由图3可看出,随着固溶温度的升高,材料的布氏硬度值呈先升高后降低的变化趋势,在相同的固溶温度下保温一定时间后,硬度值都存在一个峰值,并随着固溶时间的延长,硬度呈先升高后下降趋势。铝合金固溶处理的效果主要体现在固溶体中的固溶原子和空位的过饱和度。过饱和程度越高,越利于时效后合金硬度的提高。一般而言,在合金不过烧的情况下,随着固溶处理温度的提高和保温时间的延长,固溶体过饱和度增加,合金时效后硬度会有明显提高[12]。但图3结果表明,提高固溶处理温度和延长保温时间,硬度在达到峰值后呈下降趋势。这说明SiCp/2024复合材料热敏感性较高,高温处理明显影响复合材料的固溶处理效果[13]

图3  不同温度固溶复合材料的硬度与时间的关系

Fig.3  Relationships between hardness of composite and time at different solid solution temperatures

经综合比较可知:在490 ℃下固溶60 min时的强化效果最好,其布氏硬度达到峰值,为153 HB。

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