原位自生纳米Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的力学性能

铝基复合材料(Aluminum matrix composites,AMCs)是在传统铝合金基体中引入增强相使之与基体产生协同耦合效应,使其比强度、导电导热性能、耐磨损和耐腐蚀等性能提高[1] 因此,铝基复合材料在航空航天、交通运输和国防军工等领域得到了广泛的应用[1~3] 按照增强相的形态,铝基复合材料可分为纤维增强、晶须增强、碳纳米片/管增强以及颗粒增强 颗粒增强铝基复合材料的微观组织均匀、性能各向同性、热膨胀系数较低,其制备工艺简单、易于二次加工且成本较低[4~6] 颗粒增强铝基复合材料常用的增强颗粒,有TiB2、TiC、SiC、Si3N4、B4C、ZrB2以及Al2O3等[6~9] Al2O3的强度高、弹性模量高、耐磨损、没有有害反应、化学稳定性高且成本较低[10],是较为理想的铝基复合材料增强体 表1列出了部分常见Al2O3颗粒增强Al基复合材料的力学性能,可见添加Al2O3可显著提高合金的力学性能

Table 1

表1

表1部分常见的Al2O3颗粒增强Al基复合材料的力学性能

Table 1Mechanical properties of part common Al2O3 particle reinforced Al matrix composite

Composition	Tensile Strength /MPa	Utimate tensile strength /MPa	Hardness (HB)	Ref.
Al	241.5	-	70	[11]
Al+5% Al2O3	262.2	-	76
Al+10% Al2O3	276.0	-	80
Al(A359)	103.7	-	-	[12]
Al(A359)+4% Al2O3	120.6	-	-
Al(7075)	-	210	-	[1]
Al(7075)+4% Al2O3	-	226	-

Al2O3颗粒增强铝基复合材料的制备方法,有外加法和原位法 与外加法相比,原位法有界面纯净、与基体结合牢固、分布较为均匀和形貌良好等优点[13, 14] 张再磊等[15]用半固态搅拌法向铝熔体中加入SiO2粉末原位反应制备α-Al2O3p/ZL109复合材料,在不同挤压力下进行成形实验 结果表明,α-A12O3p/ZL109复合材料铸件内的缺陷明显减少,其铸态和热处理态的硬度、抗拉强度、伸长率都明显高于ZL109基体合金 Ma等[16]研究了不同质量分数Al2O3/Al-12Si复合材料的性能,发现5% Al2O3/Al-12Si复合材料的力学性能最优(为286 MPa) Cheng等[17] 用机械合金化和热等静压法制备原位Al2O3颗粒增强Al-5Si复合材料,发现原位生成的Al2O3颗粒能抑制共晶Si的生长,但是高温下的长时间固相原位反应以及Si扩散产生了增强颗粒的偏析 Zhao等[18]先球磨冷压随后加热的方式,在Al-CuO体系中制备Al2O3/Al复合材料,发现CuO的粒径对样品的微观结构有重要的影响 较小的CuO颗粒可降低反应温度,缩小加热阶段中不同反应阶段反应温度的范围,使原位Al2O3颗粒的尺寸和分布更加均匀 刘磊等[19]用高能球磨后通气氧化的方法制备原位纳米Al2O3/Al复合材料,其硬度为纯铝的3.1倍 Yu等[18]用球磨-冷压-烧结的方法在Al-ZnO体系中原位制备Al2O3/Al复合材料,发现Al2O3颗粒的分布强烈依赖烧结产品的冷却速度

目前制备纳米Al2O3增强铝基复合材料,采用粉末冶金原位法的较多,用铸造法的较少 牟姝妤等[14]用放热弥散和重熔稀释方法,在Al-SiO2反应体系中原位制备纳米α-Al2O3p/A356复合材料,对其挤压铸造使Si相细化,α-Al树枝晶破碎成尺寸更细小的枝晶 本文选用Al-纳米ZnO原位反应体系,以Al-Zn-Cu合金为基体,将球磨与铸造相结合制备纳米Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料并研究其力学性能

1 实验方法

实验用材料有：Al锭(纯度99.9%)、Zn锭(纯度99.9%)、Cu锭(纯度99.9%)、Al-10Zr合金锭(纯度99.8%)、Al粉(平均粒径为100 μm,纯度99.9%)和纳米ZnO粉末(粒径小于100 nm,纯度99.9%)

将质量比为4∶1的Al粉和纳米ZnO粉末与不锈钢球(球粉质量比为10∶1)放入JM-5L搅拌球磨机内,加入适量的乙醇后以100 r/min的转速湿磨4 h制备出Al-ZnO混合粉末,任何将其放入真空干燥箱中烘干 烘干后的铝粉与ZnO粉末混合较为均匀,如图1所示 将混合粉末倒入内径为20 mm的不锈钢模具中在400 MPa的压力下冷压,制成若干个直径为20 mm厚度为5 mm的预制块

图1



图1球磨后Al-ZnO混合粉末的面扫能谱

Fig.1Energy spectrum scan of Al-ZnO powder after ball milling

将Al、Zn、Cu、Al-10Zr合金放入坩埚并置于电阻炉中,将温度升至720℃ 合金完全熔化后将溶体降温到600℃,进行机械搅拌并加入Al-ZnO预制块,随后将熔体升温至850℃并保温30 min,最后继续机械搅拌并将熔体降温至720℃,随后将溶体浇注成尺寸为90 mm×70 mm×30 mm的铸锭 复合材料铸锭的化学成分,列于表2

Table 2

表2

表2Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料铸锭的成分(质量分数,%)

Table 2Al2O3/Al-Zn-Cu composite material composition (mass fraction, %)

Elements	Zn	Cu	Zr	O	Al
Content	6.6	2.1	0.14	1.4	Bal.

将复合材料铸锭放入500 mm二辊(冷)热轧机中热轧,开轧温度为420℃,开轧厚度为30 mm,轧制6个道次(25、20、16、12、8、6 mm),每道轧制后将铸锭回炉保温10 h后空冷 使用JHF-27型电阻炉将轧制后的材料进行热处理,热处理工艺为固溶处理+时效处理,固溶温度为460℃,保温1 h后水冷；时效处理温度为170℃,保温24 h后空冷

用岛津XRD-7000 X射线衍射仪分析复合材料的组成 用搭载有能谱(EDS)和电子背散射衍射(EBSD)的Zeiss Gemini SEM 300场发射扫描电子显微镜(SEM)观察材料的微观组织形貌 用JEM-2100透射电子显微镜(TEM)观察复合材料颗粒 扫描电镜样品和EBSD样品的制备：先用粒度为W2.5的金刚石机械抛光至镜面,然后用30%硝酸甲醇溶液(质量分数)进行电解抛光,电压为20 V 用JEM-2100型透射电子显微镜(TEM)观察复合材料颗粒 透射电镜样品的制备：从复合材料上切取直径为3 mm、厚度为0.5 mm的薄片并机械打磨至40 μm厚,使用TenuPol-5型电解双喷减薄仪将其电解减薄(电解液是30%硝酸甲醇溶液),电压为21 V,温度为-30℃ 用WDW-100型电子万能试验机测试材料的室温拉伸性能,试样平行段的尺寸为42 mm×10 mm,应变速率为10-2 s-1

2 实验结果2.1 Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的微观结构

图2给出了Al-ZnO粉末和Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的XRD谱 与标准衍射图谱比对的结果表明,在复合材料(图2b)的XRD谱中出现了明显的Al2O3衍射峰而未见ZnO衍射峰,表明加入的ZnO完全与合金基体反应生成了Al2O3颗粒 在图2b中出现的Al2Cu衍射峰,对应含Cu铝合金中常见的析出相

图2



图2Al-ZnO粉末和复合材料的XRD谱

Fig.2XRD patterns of Al-ZnO powder (a) and composite materials (b)

图3给出了轧制和热处理后Al-Zn-Cu基体合金和Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的EBSD谱 可以看出,两种材料的晶粒呈等轴状,都没有各向异性 复合材料的平均晶粒尺寸(约106 μm)明显小于基体合金的平均晶粒尺寸(约253 μm),表明原位增强颗粒的生成可材料显著细化 同时,增强颗粒还能细化其他第二相的平均尺寸和分布状态 图4给出了背散射电子照片(BSE),可见轧制热处理后Al-Zn-Cu基体合金(图4a)的晶界处仍有连续且尺寸较大的析出相,但是Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料(图4b)内的析出相分布较为均匀

图3



图3轧制热处理后Al-Zn-Cu基体合金和Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的EBSD谱

Fig.3EBSD patterns of Al-Zn-Cu base alloy (a) and Al2O3/Al-Zn-Cu composite (b) after rolling + heat treatment

图4



图4轧制热处理后Al-Zn-Cu基体合金和Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的背散射照片

Fig.4BSE images of Al-Zn-Cu base alloy (a) and Al2O3/Al-Zn-Cu composite (b) after rolling + heat treatment

为了确定复合材料中增强颗粒以及析出相的成分对其进行能谱分析,图5给出了Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的能谱面扫 从图5可见,基体中有高密度颗粒,尺寸为纳米尺度且分布较为均匀 这表明,Al-ZnO的原位反应后再轧制+热处理可生成尺寸较小的增强颗粒 元素的分布情况表明,这些颗粒/析出相有两种,分别富集O和Cu元素,富集Cu元素的析出相沿晶界分布

图5



图5轧制热处理后Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的EDS面扫

Fig.5EDS mapping of Al2O3/Al-Zn-Cu composite after rolling + heat treatment

为了分析增强颗粒和析出相的种类,对复合材料进行透射电镜观察 图6给出了轧制热处理后复合材料的透射电镜照片和析出相的选区电子衍射(SAED)结果 结果表明,析出相形状可分为两种：一种为球状或椭球状颗粒(图6a中的1#),另一种为长径比较大的棒状析出相(图6a中2#) 电子选区衍射分析结果表明,图6a中的1#为α-Al2O3,带轴为[1ˉ2ˉ1](如图6b所示),尺寸约为140 nm；图6a中的2#为Al2Cu,带轴为[21ˉ1ˉ](如图6c所示),与基体保持半共格关系,其长度约为150 nm

图6



图6轧制热处理后Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的TEM照片和选区电子衍射

Fig.6TEM image of Al2O3/Al-Zn-Cu composite (a) and SAED of α-Al2O3 (b) and Al2Cu/α-Al (c) after rolling + heat treatment

2.2 Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的拉伸性能

图7给出了Al-Zn-Cu基体合金和Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的应力应变曲线 从图7可见,复合材料的拉伸强度高于基体合金,轧制和热处理后复合材料的拉伸强度(398.2 MPa)比同样处理的基体合金拉伸强度(197.6 MPa)提高约100%,总伸长率提高约98% 材料的拉伸强度、屈服强度和总伸长率,列于表3

图7



图7Al-Zn-Cu基体合金和纳米Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的应力应变曲线

Fig.7Stress-strain curve of Al-Zn-Cu matrix alloys and nano Al2O3/Al-Zn-Cu composites

Table 3

表3

表3Al-Zn-Cu基体合金和Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的拉伸强度、屈服强度和总伸长率

Table 3Tensile strength, yield strength and total elongation of Al-Zn-Cu base alloy and Al2O3/Al-Zn-Cu composite

Samples	Tensile strength, σt/MPa	Yield strength, σ0.2/MPa	Total elongation, At/%
As-cast Al-Zn-Cu	159.4±10.2	97.7±7.1	15.7±3.1
Rolling + heat treatment Al-Zn-Cu	197.6±11.7	166.5±7.9	16.9±5.1
As-cast Al2O3/Al-Zn-Cu	235.5±15.5	187.2±8.9	15.8±5.5
Rolling + heat treatment Al2O3/Al-Zn-Cu	398.2±12.8	249.1±5.5	33.5±9.5

图8给出了铸态和轧制热处理态的Al-Zn-Cu基体合金以及纳米Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的拉伸断口形貌 由图8可见,4种材料的拉伸断口分布着较为明显的韧窝,其形状为圆形或椭圆形 这表明,四种材料的拉伸断裂模式均为韧性断裂,在Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的韧窝底部可观察到第二相粒子 与其他三种材料相比,轧制热处理后复合材料的断口韧窝最深,与其较高的总伸长率相符

图8



图8Al-Zn-Cu基体和纳米Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的断口形貌

Fig.8Tensile fracture morphology of Al-Zn-Cu matrix alloys and nano Al2O3/Al-Zn-Cu composites (a) As-cast Al-Zn-Cu; (b) Rolling + heat treatment Al-Zn-Cu; (c) As-cast Al2O3/Al-Zn-Cu; (d) Rolling + heat treatment Al2O3/Al-Zn-Cu

3 讨论

从图3可见,纳米增强颗粒的生成显著细化了基体合金的晶粒组织 Schultz等[21]的研究表明,增强颗粒沿晶界分散分布会限制基体合金晶粒的粗化 另外,基体中的增强颗粒作为晶界的成核源,能抑制合金晶粒长大和细化基体的晶粒 Ferguson等[22]也认为,Al基复合材料中亚微米以及纳米尺寸的增强颗粒通过异质形核和晶界钉扎使合金晶的粒组织细化,复合材料的平均晶粒尺寸[22]为

D=Dalloy(1+pf)-1/2

式中Dalloy为基体合金平均晶粒尺寸,p为经验常数,f为增强颗粒体积分数 式(1)表明,随着增强颗粒体积的增大复合材料的晶粒减小 根据Hall-Petch关系,平均晶粒尺寸的减小使材料的强度显著提高 同时,弥散分布的增强体颗粒阻碍位错运动,而高硬度纳米Al2O3颗粒可通过Orowan机制强烈钉扎位错,从而使合金的强度大幅提高

值得注意的是,轧制+热处理使纳米Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料强度提高的同时,延伸率也大幅度提高 其原因是,在基体合金晶界尤其是三叉晶界处连续分布的大尺寸Al2Cu析出相(图4a)使晶界的结合力降低,而纳米Al2O3增强颗粒能细化Al2Cu并使Al2Cu更弥散地分布在基体中 同时,轧制和热处理也在一定程度上消除了铸态中的孔洞等缺陷,使复合材料强度提高的同时塑性也大幅度增加

4 结论

(1) 将纳米ZnO粉末和Al粉球磨后冷压成Al-ZnO预制块,然后将其加到Al-Zn-Cu熔体中进行Al-ZnO原位反应生成纳米Al2O3增强颗粒,再进行机械搅拌可制备出原位自生纳米Al2O3/Al-Zn-Cu基复合材料

(2) 通过异质形核和晶界钉扎的共同作用,纳米Al2O3颗粒能使Al-Zn-Cu合金的晶粒组织和Al2Cu析出相细化

(3) 纳米Al2O3颗粒的生成使基体合金的拉伸性能显著提高 轧制+热处理使Al2O3/Al-Zn-Cu复合材料的拉伸强度比相同处理的基体合金提高约100%,总伸长率提高约98%

参考文献

View Option 原文顺序文献年度倒序文中引用次数倒序被引期刊影响因子

[1]

Imran M, Khan A R A.

Characterization of Al-7075 metal matrix composites: a review

[J]. J. Mater. Res. Technol., 2019, 8: 3347

DOIURL [本文引用: 3]

[2]

Gao Y H, Liu G, Sun J.

Recent progress in high-temperature resistant aluminum-based alloys: Microstructural design and precipitation strategy

[J]. Acta Metall. Sin., 2021, 57: 129

高一涵, 刘 刚, 孙 军.

耐热铝基合金研究进展: 微观组织设计与析出策略

[J]. 金属学报, 2021, 57: 129

[3]

Wu M W, Hua L, Zhou J X, et al.

Advances in thermal conductive aluminum alloys and aluminum matrix composites

[J]. Mater. Rev., 2018, 32: 1486

[本文引用: 1]

吴孟武, 华 林, 周建新 等.

导热铝合金及铝基复合材料的研究进展

[J]. 材料导报, 2018, 32: 1486

[本文引用: 1]

[4]

Yashpal, Sumankant, Jawalkar C S, et al.

Fabrication of aluminium metal matrix composites with particulate reinforcement: A review

[J]. Mater. Today: Proc., 2017, 4: 2927

[本文引用: 1]

[5]

Gobalakrishnan B, Rajaravi C, Udhayakumar G, et al.

Effect of ceramic particulate addition on aluminium based ex-situ and in-situ formed metal matrix composites

[J]. Met. Mater. Int., 2020, 27: 3695

DOIURL

[6]

Wu X Y, Zhang L Z, Zhao Z Y, et al.

Research status of particle reinforced 7××× series aluminum matrix composites

[J]. Nonferrous Met. Eng., 2020, 10(11): 11

[本文引用: 2]

武侠宇, 张立正, 赵占勇 等.

颗粒增强7×××系铝基复合材料研究现状

[J]. 有色金属工程, 2020, 10(11): 11

[本文引用: 2]

[7]

Hassanzadeh-Aghdam M K, Haghgoo M, Ansari R.

Micromechanical study of elastic-plastic and thermoelastic behaviors of SiC nanoparticle-reinforced aluminum nanocomposites

[J]. Mech. Mater., 2018, 121: 1

DOIURL

[8]

Syresh S, Moorthi N S V, Vettivel S C, et al.

Mechanical behavior and wear prediction of stir cast Al–TiB2 composites using response surface methodology

[J]. Mater. Des., 2014, 59: 383

DOIURL

[9]

Rui Z, Zhao Y T, Zhang S L, et al.

In situ fabrication and microstucture of ZrB2 particles reinforced aluminum matrix composites

[J]. Adv. Mater. Res., 2012, 476-478: 122

[本文引用: 1]

[10]

Pan H, Fan G L, Tan Z Q, et al.

Preparation methods and developing trends of nano-Al2O3-reinforced aluminum matrix composites

[J]. Mater. Rev., 2015, 29(1): 36

[本文引用: 1]

潘 浩, 范根莲, 谭占秋 等.

纳米Al2O3增强铝基复合材料的制备技术和发展方向

[J]. 材料导报, 2015, 29(1): 36

[本文引用: 1]

[11]

Kumar A, Lal S, Kumar S.

Fabrication and characterization of A359/Al2O3 metal matrix composite using electromagnetic stir casting method

[J]. J. Mater. Res. Technol., 2013, 2: 250

DOIURL [本文引用: 1]

[12]

Sujan D, Oo Z, Rahman M E, et al.

Physio-mechanical properties of aluminium metal matrix composites reinforced with Al2O3 and SiC

[J]. Int. J. Mater. Metall. Eng., 2012, 6: 678

[本文引用: 1]

[13]

Xu T, Li G R, Xie M L, et al.

Microstructure and mechanical properties of in-situ nano γ-Al2O3p/A356 aluminum matrix composite

[J]. J. Alloys Compd., 2019, 787: 72

DOIURL [本文引用: 1]

[14]

Mou S Y, Chen G, Zhang Z Y, et al.

Reaction mechanism of nano-sized Al2O3p/Al composites prepared in Al-SiO2 system

[J]. Spec. Cast. Nonferrous Alloys, 2020, 40: 883

[本文引用: 2]

牟姝妤, 陈 刚, 张振亚 等.

Al-SiO2体系反应生成纳米Al2O3p/Al复合材料的机理

[J]. 特种铸造及有色合金, 2020, 40: 883

[本文引用: 2]

[15]

Zhang Z L, Chen G, Zhao Y T, et al.

Effects of squeezing casting on microstructure and properties of in-situ α-Al2O3p/ZL109 composite

[J]. Spec. Cast. Nonferrous Alloys, 2017, 37: 83

[本文引用: 1]

张再磊, 陈 刚, 赵玉涛 等.

挤压铸造对α-Al2O3p/ZL109复合材料组织与性能的影响

[J]. 特种铸造及有色合金, 2017, 37: 83

[本文引用: 1]

[16]

Ma P, Jia Y D, Gokuldoss P K, et al.

Effect of Al2O3 nanoparticles as reinforcement on the tensile behavior of Al-12Si composites

[J]. Metals, 2017, 7: 359

DOIURL [本文引用: 1]

[17]

Cheng L, Zhu D G, Gao Y, et al.

Microstructure and properties of in situ fabricated Al-5wt. %Si-Al2O3 composites

[J]. Adv. Mater. Res., 2012, 567: 15

[本文引用: 1]

[18]

Zhao G, Shi Z M, Zhang R Y.

Effect of CuO particle size on the microstructure evolution of Al2O3P/Al composites prepared via displacement reactions in the Al/CuO system

[J]. Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.), 2015, 28: 699

[本文引用: 2]

[19]

Li S F, Liu L, Zhang Xet al.

A method of preparing in-situ nano-alumina content-controllable aluminum-based composite material

[P]. China Pat,

201910753514.7, 2019

[本文引用: 1]

李树丰, 刘 磊, 张 鑫 等.

一种原位纳米氧化铝含量可控的铝基复合材料的制备方法

[P]. 中国专利,

201910753514.7, 2019)

[本文引用: 1]

[20]

Yu P, Deng C J, Ma N G, et al.

A new method of producing uniformly distributed alumina particles in Al-based metal matrix composite

[J]. Mater. Lett., 2004, 58: 679

DOIURL

[21]

Schultz B F, Ferguson J B, Rohatgi P K.

Microstructure and hardness of Al2O3 nanoparticle reinforced Al-Mg composites fabricated by reactive wetting and stir mixing

[J]. Mater. Sci. Eng., 2011, 530A: 87

[本文引用: 1]

[22]

Ferguson J B, Lopez H F, Rohatgi P K, et al.

Impact of volume fraction and size of reinforcement particles on the grain size in metal-matrix micro and nanocomposites

[J]. Metall. Mater. Trans., 2014, 45A: 4055

[本文引用: 2]

Characterization of Al-7075 metal matrix composites: a review

3

2019