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热处理7090/SiCp铝基复合材料的组织与性能

来源期刊:中国有色金属学报2008年第5期

论文作者:孙有平 严红革 陈振华 陈刚

文章页码:829 - 829

关键词:高强铝合金;多层喷射沉积;热处理;SiCp;显微组织;力学性能

Key words:high strength aluminum alloy; multi-layer spray deposition; heat treatment; SiCp; microstructure; mechanical properties

摘    要:研究单级固溶及峰值时效处理对多层喷射沉积7090/SiCp复合材料显微组织及室温力学性能的影响,观察了挤压态、固溶及时效处理后的显微组织,并对其进行力学性能测试。结果表明:挤压态复合材料的晶粒均匀细小,基体合金中存在大量的第二相颗粒,为富铜相及MgZn2相;经过固溶处理后,复合材料的晶粒尺寸约为 3 μm,第二相颗粒明显减少,溶入基体合金中;采用475 ℃,1 h固溶处理制度,其抗拉强度为610 MPa;经过475 ℃,1 h+120 ℃,24 h时效处理后,其抗拉强度可达765 MPa。

Abstract: The effect of solid solution and peak ageing on the microstructures and ambient mechanical properties of multi-layer spray deposited 7090/SiCp composite was studied, and the microstructures of as-extruded, solid solution and ageing treatments were investigated, and the tensile properties of different stages were tested. The results show that fine and homogeneous grain structure is obtained in as-extruded composites, there are a large amount of Cu-rich particles and MgZn2 in the matrix. The grains size is about 3 μm after solid solution treatments, the precipitate particles of the second phases decrease obviously and solute into the matrix alloy. The ultimate tensile strength of the composites following solid solution treated at 475 ℃ for 1 h is 610 MPa, and the tensile strength of the composites aged at 120 ℃ for 24 h is 765 MPa.

基金信息:教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目
湖南省重点实验室资助项目



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文章编号:1004-0609(2008)05-0829-05

热处理7090/SiCp铝基复合材料的组织与性能

孙有平,严红革,陈振华,陈  刚

(湖南大学 材料科学与工程学院,长沙 410082)

摘  要:研究单级固溶及峰值时效处理对多层喷射沉积7090/SiCp复合材料显微组织及室温力学性能的影响,观察了挤压态、固溶及时效处理后的显微组织,并对其进行力学性能测试。结果表明:挤压态复合材料的晶粒均匀细小,基体合金中存在大量的第二相颗粒,为富铜相及MgZn2相;经过固溶处理后,复合材料的晶粒尺寸约为     3 μm,第二相颗粒明显减少,溶入基体合金中;采用475 ℃,1 h固溶处理制度,其抗拉强度为610 MPa;经过475 ℃,1 h+120 ℃,24 h时效处理后,其抗拉强度可达765 MPa。

关键词:高强铝合金;多层喷射沉积;热处理;SiCp;显微组织;力学性能

中图分类号:TG 146.2       文献标识码:A

Microstructures and properties of heat-treated 7090/SiCp aluminum matrix composite

SUN You-ping, YAN Hong-ge, CHEN Zhen-hua, CHEN Gang

(College of Materials and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: The effect of solid solution and peak ageing on the microstructures and ambient mechanical properties of multi-layer spray deposited 7090/SiCp composite was studied, and the microstructures of as-extruded, solid solution and ageing treatments were investigated, and the tensile properties of different stages were tested. The results show that fine and homogeneous grain structure is obtained in as-extruded composites, there are a large amount of Cu-rich particles and MgZn2 in the matrix. The grains size is about 3 μm after solid solution treatments, the precipitate particles of the second phases decrease obviously and solute into the matrix alloy. The ultimate tensile strength of the composites following solid solution treated at 475 ℃ for 1 h is 610 MPa, and the tensile strength of the composites aged at 120 ℃ for 24 h is    765 MPa.

Key words: high strength aluminum alloy; multi-layer spray deposition; heat treatment; SiCp; microstructure; mechanical properties

                    

近二十几年来,金属基复合材料(MMCs),尤其是铝基复合材料得到很大的发展,各国都对其进行了大量的研究工作。由于铝基复合材料具有质轻、比强度和比刚度高,热性能及力学性能好等优点,在所有金属基复合材料中发展最快,因而也最受人重视[1-2]

7000系铝合金是一种可以进行热处理强化的合金,通过选择合理的热处理制度能改善合金的显微组织及提高材料的硬度、强度和断裂韧性,扩展其使用范围。本文作者研究了热处理制度对高Zn(10.15%)的喷射沉积7090/SiCp复合材料组织及室温力学性能,目前虽有一些学者对高Zn含量的超高强铝合金进行了一定的研究,但其研究仍相对较少,尤其是对多层喷射共沉积SiC颗粒增强超高强铝合金基复合材料更是鲜有报道。目前,铝合金及其复合材料的固溶处理制度主要有两种:单级固溶处理[3-4]和双级固溶处理[5-8]。已有的研究结果表明,两种处理制度对材料性能与显微组织的影响存在一定的差异。本文作者主要对该复合材料进行了单级固溶处理及峰值时效处理,并探讨了固溶及时效处理对7090/SiCp显微组织及室温力学性能的影响。

1  实验

采用多层喷射共沉积技术制备7090/SiCp复合材料,实验基体合金的化学组成如表1所列,SiC增强颗粒的体积分数约为15%,其名义平均尺寸约为10 ?m。在喷射沉积过程中,采用的雾化气体为氮气,制备的沉积坯经过机加工后(d=160 mm)进行热挤压,挤压温度为420 ℃,挤压后所得的圆棒材直径为18 mm,挤压比为19.7。采用在475 ℃下保温1 h的单级固溶处理制度,室温水淬,然后在120 ℃下进行24 h的人工峰值时效处理。用MM-6型光学显微镜(OM)及JSM-6700F型扫描电子显微镜(SEM)等设备观察该复合材料的显微组织及断口形貌。用WDW-E200型电子万能试验机来进行室温拉伸实验,检测该复合材料在不同状态的室温力学性能。用D5000型X射线衍射仪来对相结构进行分析。

表1  基体合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of matrix alloy (mass fraction, %)

2  结果与分析

2.1  挤压态组织

图1所示为挤压态复合材料的显微组织及其X射线衍射谱。从图1中可看出,挤压态复合材料的显微组织比较细小,SiC增强颗粒在合金内分布比较均匀,没有团聚现象发生,基体合金内存在大量细小均匀分布的粒子(为形成的第二相增强粒子),通过XRD测试可知,在材料中存在的第二相粒子主要为MgZn2和CuAl2

图1  挤压态复合材料的显微组织和X射线衍射谱

Fig.1  Microstructure(a) and XRD pattern(b) of as-extruded composites

2.2  热处理组织

为了研究热处理制度对多层喷射共沉积7090/SiCp复合材料的显微组织及力学性能的影响,本文作者采取475 ℃,1 h单级固溶处理工艺,然后对其在120 ℃下进行保温24 h的单级峰值时效处理。

基体铝合金中的合金元素都能溶于铝,形成以铝为基体的固溶体,它们的溶解度都随温度的下降而减少。进行固溶处理时,第二相粒子会大量溶入基体合金中,迅速冷却后得到过饱和固溶体,同时会使晶粒发生一定程度的长大,并随着固溶处理温度的提高,第二相粒子溶解的数量不断增加,但晶粒长大的幅度同时也会增加。在时效过程中,这些过饱和固溶体将发生脱溶沉淀过程,形成包括GP区在内的各种过渡相或平衡次生相。它们与基体共格或半共格,且十分细小,可以大幅度提高材料的强度。

通过DSC分析(见图2)可知,在加热过程中,该复合材料在 471.8 ℃处有一个明显的吸热效应,且为不定温热效应;到474.1 ℃时,吸热反应结束,说明此时基体合金中存在相变反应。

图2  复合材料的DSC分析结果

Fig.2  DSC analysis results of composite

图3所示为复合材料在固溶及时效热处理状态下的显微组织照片。从图3中可以看出,该复合材料热处理后的显微组织仍然非常细小,与挤压态组织相比较,没有发现明显的长大现象,其晶粒尺寸约为3 μm。固溶处理后在晶界处及晶粒内分布着的黑色细小第二相粒子(其尺寸约为1~2 μm)。且其数量较固溶处理前明显减少,说明在热处理过程中,第二相粒子大量地溶入了基体合金中。

时效处理后在材料的基体上析出的粒子对材料会起沉淀强化作用。在时效时,由于析出了尺寸较小的第二相粒子,材料热处理过程中产生的位错以切断机制为主,即位错切过析出相粒子,造成表面能增加,从而起到强化作用。位错切断析出相粒子造成的强化作用从理论上可以表示为[9]

由以上公式可看出,在时效初期,即开始出现GP区或中间相,φ和r都不断增加;且随着时效时间的延长,基体合金的强度不断增加,经过一段时间后脱溶接近完成,φ趋于不变。

Al-Zn-Mg-Cu系铝合金固溶后很不稳定,有脱溶倾向,其脱溶顺序为:α过饱和固溶体→GP区(球状) →η′过渡相(MgZn2)→η平衡相(MgZn2)[10-11]

基体Al-Zn-Mg-Cu合金的主要合金元素为Zn、Mg和Cu及微量元素Zr和Ni,其中Zn和Mg的含量较高,它们会形成材料的主要强化相MgZn2,MgZn2在材料中的溶解度随着温度的降低而急剧下降,具有很强的时效硬化能力。Cu的加入可以同时提高强度和塑性。王祝堂认为,在高Zn超高强铝合金中,Cu原子溶入GP区可以提高GP区的稳定温度范围,延缓时效析出。Cu原子还可溶入η′和η相中。TOSUN等[12] 认为材料加热到固溶处理温度时,铜原子在铝合金基体中会与Al形成固溶体,快淬可以防止铜原子的扩散,因而产生过饱和的固溶体。在较低的温度下进行时效处理时,在基体内会有非常细小的,部分非共格的θ′-CuAl2析出相产生,它可以提高材料的强度。

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