sicp6066al復合材料制備工藝對增強體顆粒分布均勻性的影響

sicp6066al復合材料制備工藝對增強體顆粒分布均勻性的影響

sic-qip型鋁基材料具有強度高、比模大、強度好、尺寸穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點。廣泛應用于汽車工業(yè)、航空、軍事等重要領(lǐng)域。增強體顆粒在基體中的分布均勻性是影響顆粒增強金屬基復合材料(PRMMCs)力學性能的重要因素。采用粉末冶金法(PM)制備PRMMCs時,顆粒的分布均勻性很大程度上取決于混粉方法和具體的工藝參數(shù)?；旆鄯椒軌蚝芎玫貙崿F(xiàn)增強體分布的宏觀均勻性,但微觀均勻性較差,并且存在疏松、多孔等缺陷。為此采用熱擠壓工藝可很大程度上消除缺陷,使材料進一步致密化,且通過基體發(fā)生強烈塑性變形帶動增強顆粒發(fā)生再分布,改善材料的微觀均勻性。本實驗采用PM法制備10%(體積分數(shù),下同)SiCp/6066Al復合材料,研究混粉方法、熱擠壓工藝對增強體顆粒分布均勻性的影響,以尋求實現(xiàn)增強體顆粒均勻分布的有效方法。1實驗材料和方法1.1sic顆粒尺寸實驗材料為α型SiC顆粒增強6066Al基復合材料。其中SiC顆粒的含量為10%,名義尺寸5μm;基體材料采用6066Al合金粉,粉體粒度-325目(≤45μm),其化學成分見表1。1.2高水勢不等重鋼球球磨混料制備試驗實驗采用PM制備工藝,其具體流程如下:(1)在制備過程中為防止SiCp吸附的水分帶入混合粉末中影響制備質(zhì)量,對SiCp進行了200℃/6h預先烘干處理。(2)實驗中采用高能球磨混料,將6066Al粉、SiCp粉末以及不同大小配比的鋼球加入行星式高能球磨機中進行球磨混料。球磨罐轉(zhuǎn)速為240r/min,連續(xù)混料4h,出粉后即獲得SiCp/6066Al復合粉末。(3)冷等靜壓后包套除氣,為提高真空度采用緩慢加熱抽真空的方法。(4)隨后進行低溫快速熱擠壓。試樣采用正擠壓,擠壓溫度380℃,擠壓比20∶1,擠壓速度0.5mm/s。(5)將擠壓所得棒材進行T6熱處理,并利用光學顯微鏡、掃描電鏡等儀器進行組織觀察。2結(jié)果與討論2.1sicp在6006al粉體中的擴散分布圖1為6066Al粉及SiC顆粒的原始形貌,圖2給出了采用高能球磨法混料后SiCp/6066Al復合粉末形貌和冷等靜壓態(tài)下坯料金相照片。對比圖1b和圖2a發(fā)現(xiàn),SiCp明顯細化,棱角被鈍化,多數(shù)顆粒在亞微米范圍內(nèi)。6066Al粉發(fā)生較大塑性變形,破碎的SiCp被擠入其中,形成具有冷焊條紋的復合粉末(圖2a中的1,2區(qū)域;圖3a中的1,2,3區(qū)域)。值得注意的是,采用高能球磨法混料得到了SiCp在6066Al基體粉末中的彌散均勻分布(圖2b)。SiCp/6066Al復合粉末中SiCp之所以彌散均勻分布在6066Al基體中,主要原因如下:首先,高能球磨法混料具有常規(guī)機械混粉的功能,通過擴散、對流、剪切三種混合機制的共同作用,逐漸提高粉末混合物的均勻度。其次,高速轉(zhuǎn)動的球磨機帶動鋼球破碎SiCp獲得潔凈表面,同時在鋼球的輾壓和沖擊下很容易破碎6066Al粉表面的氧化膜,暴露出新鮮無氧化物的表面,以利于基體與增強體顆粒的結(jié)合。再次,由于球磨機轉(zhuǎn)速很高,輸出的能量足以使6066Al粉發(fā)生較大的塑性變形,在鋼球表面產(chǎn)生冷焊層。被破碎的SiCp不斷被擠入冷焊層中,一定厚度的冷焊層因加工硬化而脫落,接著又被破碎冷焊。如此反復進行,細小的SiCp機械地被鑲嵌在6066Al粉末上,實現(xiàn)彌散分布。因此,高能球磨法是改善增強體顆粒形貌、細化增強體顆粒粒度、提高增強體顆粒均勻性的有效方法。2.2sicp分布的微觀均勻性圖3a為球磨混料后冷等靜壓態(tài)下坯料金相磨面,圖3b為圖3a對應的SiCp面分布像,圖4為低溫快速熱擠壓后T6態(tài)材料顯微組織。比較圖3和圖4可知,兩者在鋁合金基體形態(tài)和SiCp分布方面存在顯著差異。冷等靜壓態(tài)毛坯組織中,6066Al基體粒子較粗大(平均粒徑25μm)具有明顯粒子界面,絕大部分SiCp隨機地分布在6066Al基體粒子的邊界上,且存在疏松、孔洞等缺陷。由SiCp面分布像(圖3b)可以看出,雖然高能球磨法顯著改善了SiCp分布均勻性,但偏聚現(xiàn)象仍存在。圖4顯示經(jīng)低溫快速熱擠壓后,基體粒子的界面被消除,致密度大為提高,鋁合金基體晶粒細化(6～14μm),SiCp分布的微觀均勻性明顯改善。究其原因,SiCp/6066Al復合材料的塑性變形是通過鋁合金基體的塑性變形來實現(xiàn)的。當基體塑性變形時,在SiCp和基體之間存在相互作用,即SiCp對鋁合金基體的塑性變形存在明顯的阻礙作用。那些嚴重阻礙基體塑性變形的SiCp,即長徑比相對較大且排列方向與合金變形方向不一致的顆粒,將致使其與鋁合金基體界面近旁產(chǎn)生大量的位錯,在這些大量位錯的作用下SiCp會受到垂直于其長軸方向的剪切力作用,從而迫使非等軸的SiCp發(fā)生偏轉(zhuǎn)來調(diào)整其方位,形成其在基體粒子邊界上順著變形方向的定向排列;而阻礙較小的等軸顆粒,將會隨著基體的塑性流動而被順序拖動,通過這種“隨波逐流”作用使得SiCp逐漸遠離團聚區(qū)域的中心,在鋁合金基體粒子逐漸延長的邊界上均勻分布,以此消除SiCp的叢聚現(xiàn)象。有關(guān)研究表明:只要按足夠擠壓比進行擠壓成型,擠壓溫度對材料致密度的影響并不大。本實驗采用20∶1擠壓比,保證消除材料缺陷達到合理致密度的條件下,進行380℃低溫快速熱擠壓。此溫度下基體鋁合金塑性較高溫擠壓時低,其對大顆粒增強體的偏轉(zhuǎn)阻礙較大,同時快速擠壓使得更多的大顆粒增強體來不及發(fā)生偏轉(zhuǎn),而在瞬間強大應力作用下發(fā)生斷裂,使得增強體顆粒進一步細化,得到更多對基體塑性變形阻礙較小的等軸顆粒并隨著基體的塑性流動而“隨波逐流”,實現(xiàn)SiCp微觀分布均勻性。2.3sic顆粒微觀分布均勻性的影響因素圖5給出了增強體顆粒微觀分布狀態(tài)的簡單示意圖。由文獻可知,全面地描述增強體顆粒微觀分布均勻性有兩方面要求:(1)不同微區(qū)域中增強體顆粒數(shù)量的分布均勻性;(2)各個微區(qū)域內(nèi)是否存在顆粒的偏聚以及偏聚的程度。粉末混合物的均勻性受增強體粉末和基體粉末的密度、形貌和粒度等因素的影響。6066Al粉和SiC顆粒二者密度差異不大(分別為2.72,3.2g/cm3),故對粉末混合的均勻性影響不大。6066Al粉呈近球形而SiC顆粒為有棱角的不規(guī)則外形,不規(guī)則形狀的顆粒較球形顆粒難以均勻混合。兩種粉末粒度的差別是影響粉末混合均勻性的關(guān)鍵,首先SiC顆粒細小容易團聚,其次根據(jù)幾何配置關(guān)系,只有當RSiC/RAl≤0.225時,SiC粉末才可能均勻分布于Al粉中,本實驗中6066Al粉和SiC顆粒平均粒度分別為25μm和5μm,二者差異較大,因此必然導致SiC顆粒的嚴重偏聚。采用常規(guī)機械混合粉末時,由于混料機轉(zhuǎn)速較低,除受上述制約增強體顆粒均勻分布的不利因素影響外,同時還受混粉方式和混粉時間的影響,只能使兩種粉末以分離形式實現(xiàn)宏觀位置上的均勻混合(圖5a)。而采用高能球磨法混料,由于球磨機高速轉(zhuǎn)動,輸出的能量足以使基體粉末發(fā)生大量塑性變形同時破碎增強體顆粒,破碎的SiC顆粒被擠入基體粉末中,借助鋼球表面冷焊層產(chǎn)生、脫落的反復過程,從而實現(xiàn)增強體SiCp在6066Al基體粉末中的均勻分布。因此,高能球磨法能夠很好地滿足增強體顆粒微觀分布均勻性的第一方面的要求,即在更小的微區(qū)域中實現(xiàn)增強體顆粒數(shù)量的分布均勻性(圖5b)。雖然高能球磨法比常規(guī)機械混粉法更有效地改善增強體顆粒的分布均勻性,且各微區(qū)內(nèi)偏聚程度明顯改觀,但各個微區(qū)中的偏聚仍然存在(圖5b),與增強體顆粒微觀分布均勻性的要求相距甚遠。進而采用低溫快速熱擠壓對材料進行塑性加工,在較低溫度下利用基體鋁合金塑性低,對大顆粒增強體的偏轉(zhuǎn)阻礙較大,快速擠壓使絕大部分大顆粒增強體來不及發(fā)生偏轉(zhuǎn),導致顆粒的斷裂破碎,使得增強體顆粒進一步細化。同時低溫快速擠壓通過強大的物理變形量而使斷裂顆粒間被基體材料所填充,而不作為損傷存在于材料中。此時SiC顆?；旧暇鶠榧毿〉容S顆粒,對基體塑性變形阻礙較小,更易隨著基體的塑性流動而發(fā)生彌散均勻的再分布,以此改善或消除微區(qū)內(nèi)增強體顆粒的偏聚(圖5c)。從而達到增強體顆粒微觀分布均勻性的第二方面的要求,即消除各微區(qū)域內(nèi)增強體顆粒的偏聚或盡可能降低偏聚的程度,真正實現(xiàn)增強體顆粒微觀分布均勻性。3速熱擠壓和高能球磨法(1)高能球磨法是改善增強體顆粒形貌、細化增強體顆粒粒度、提高增強體顆粒分布均勻性的最有效