鋁基復(fù)合材料半固態(tài)壓縮變形組織演化同步輻射原位CT研究

王 瑋，郭恩宇，王同敏

(大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

由于陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料較高的力學(xué)性能和良好的物理性能，在航空航天、汽車(chē)及軌道交通等輕量化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。作為顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的新近發(fā)展，納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料由于較高的比強(qiáng)度、較好的高溫性能等優(yōu)點(diǎn)而受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注并加以研究[4-5]。由于經(jīng)濟(jì)性好、價(jià)格低廉，液態(tài)鑄造法是納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)材的重要制造方法[6-7]。然而，在納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)材的鑄造制備過(guò)程中，熱收縮應(yīng)力或在凝固過(guò)程中施加的外力均會(huì)影響其微觀組織結(jié)構(gòu)，甚至導(dǎo)致組織產(chǎn)生缺陷，例如孔隙[8]、熱裂[9]等，從而造成產(chǎn)品報(bào)廢或性能的嚴(yán)重降低。在半固態(tài)加工和雙輥連鑄、連軋等許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，這些效應(yīng)的影響會(huì)更加顯著[10]。因此，深入了解納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在半固態(tài)溫度下的微觀組織變形規(guī)律及其對(duì)外界載荷的響應(yīng)行為是合理選材和優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品加工工藝的重要舉措。

在凝固或半固態(tài)變形過(guò)程中，易發(fā)生熱裂、氣孔、縮松、縮孔及偏析等缺陷，導(dǎo)致零件成品率降低。Gao等[11]對(duì)碳鋼熱裂機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。目前普遍認(rèn)為，熱裂發(fā)生于金屬固相線以上的半固態(tài)溫度區(qū)間，應(yīng)力載荷無(wú)法在枝晶間液相有效傳遞而導(dǎo)致孔洞生長(zhǎng)。通過(guò)研究材料本身的半固態(tài)變形過(guò)程組織演化規(guī)律，探索其半固態(tài)變形機(jī)制，對(duì)于理解材料的熱裂現(xiàn)象和預(yù)防有重要意義。對(duì)于鋁合金及復(fù)合材料而言，鋁基體在半固態(tài)溫度區(qū)間下的微觀組織是由α-Al枝晶、枝晶間液相和微孔組成的三相結(jié)構(gòu)，在外載作用下由于應(yīng)變局部化而導(dǎo)致變形局部出現(xiàn)差異，進(jìn)而對(duì)孔洞或裂紋的生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響。因此，原始材料的組織狀態(tài)，如枝晶尺寸和形貌、初始鑄造微孔等均會(huì)對(duì)半固態(tài)溫度下材料受載下的變形行為產(chǎn)生重要影響。此外，剪切應(yīng)變局部化還會(huì)導(dǎo)致膨脹現(xiàn)象的發(fā)生。

隨著第三代同步輻射X射線成像技術(shù)的發(fā)展，快速計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)已能夠提供較高的時(shí)間和空間分辨率，并已可實(shí)現(xiàn)組織隨外界條件改變(如原位凝固、原位變形等)的四維(4D，時(shí)間+三維)組織演化原位觀察，因而受到越來(lái)越多的關(guān)注。例如，應(yīng)用該技術(shù)先后對(duì)Al-Cu合金凝固過(guò)程或半固態(tài)下的拉伸、壓縮和壓痕等變形行為進(jìn)行同步輻射原位觀察與定量化分析，研究Al-Cu合金在凝固過(guò)程或半固態(tài)變形下的微觀組織演變過(guò)程，獲得了既具有工業(yè)價(jià)值又具有科學(xué)意義的研究結(jié)果。

本工作利用快速同步輻射原位四維CT技術(shù)對(duì)納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料在半固態(tài)溫度區(qū)間的壓縮變形過(guò)程進(jìn)行原位觀察，對(duì)不同壓縮應(yīng)變下的三維組織進(jìn)行定量化分析，研究材料在不同階段的微觀組織結(jié)構(gòu)變形行為，特別是半固態(tài)受載下微孔的演變過(guò)程，以此闡明該材料在半固態(tài)壓縮變形過(guò)程的組織演變規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

納米陶瓷顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料以99.97%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)純鋁和Al-50%Cu中間合金為初始材料，添加1%的Al2O3納米顆粒為增強(qiáng)體，平均粒徑約為50 nm。基體合金熔化后，加入用鋁箔包裹的Al2O3納米陶瓷顆粒。用鈦葉輪以400 r/min的速率進(jìn)行機(jī)械攪拌之后，在液相線溫度以上100～150 ℃的溫度區(qū)間，對(duì)熔體施加時(shí)長(zhǎng)為15 min、功率為3 kW、頻率為17.5 kHz的超聲處理，以達(dá)到分散顆粒、減少顆粒團(tuán)聚的目的。之后，將熔體澆注到金屬型鋼模中，模具預(yù)熱溫度約為250 ℃。鑄造后在鑄錠上切取尺寸為φ1.8 mm×3.0 mm的圓柱棒體，用于半固態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

半固態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的力學(xué)加載裝置[12]。鋁銅合金的固相線溫度為548 ℃，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將樣品加熱至一定溫度，升溫過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集用以控制溫度，在試樣部分微區(qū)開(kāi)始熔化后繼續(xù)升溫約20 ℃，升溫過(guò)程的加熱速率為40 ℃/min。通過(guò)后續(xù)的固相分?jǐn)?shù)分析可知該溫度為約570 ℃，在該溫度下保溫10 min后開(kāi)始后續(xù)的壓縮實(shí)驗(yàn)。

同步輻射原位壓縮實(shí)驗(yàn)在TOMCAT線站進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所用的X射線能量為38.6 keV，數(shù)據(jù)采集使用PCO Edge 5.5相機(jī)，并采用LuAg：Ce單晶閃爍體，分辨率為1.7 μm/像素。壓縮進(jìn)行前，先對(duì)樣品進(jìn)行CT掃描，以獲取變形前的初始組織，壓縮位移速率為5 μm/s。掃描時(shí)，每一組CT數(shù)據(jù)共采集1001張投影圖像，曝光時(shí)間為30 ms，因此，采集一組數(shù)據(jù)共需大約37 s，數(shù)據(jù)采集時(shí)，停止壓縮變形過(guò)程。掃描結(jié)束后，繼續(xù)進(jìn)行壓縮變形，當(dāng)達(dá)到一定變形量時(shí)停止壓縮，開(kāi)始下一次的CT掃描，以此循環(huán)直至樣品總壓縮量達(dá)到設(shè)置的值。

1.3 CT數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織觀察

圖1為半固態(tài)壓縮變形過(guò)程中不同應(yīng)變下的切片組織演變，其中橫向切片位置為樣品的中間高度部位，縱向切片的頂部深色位置為壓縮壓頭。樣品中深灰色為α-Al基體，淺灰色為富銅枝晶間液相，黑色為空氣(樣品內(nèi)部代表微孔或變形過(guò)程產(chǎn)生的裂紋)。由縱向切片觀察可以看出，在變形前原始鑄造微孔呈無(wú)規(guī)則狀，主要分布在枝晶間區(qū)域(被枝晶間液相所包圍)。當(dāng)應(yīng)變量較小時(shí)(<1.22%)，微孔出現(xiàn)數(shù)量減少或尺寸變小(閉合)的現(xiàn)象。隨著應(yīng)變量的繼續(xù)增加(約1.22%)，微孔并未出現(xiàn)隨著應(yīng)變?cè)黾佣掷m(xù)大量聚集生長(zhǎng)的現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)變量為12.90%時(shí)，部分微孔略有長(zhǎng)大，但并不明顯。

圖1 半固態(tài)壓縮過(guò)程中不同應(yīng)變下的切片組織演變

由橫向切片可知，隨著應(yīng)變量的增加，樣品橫截面面積也逐漸增加，出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象。在局部剪切應(yīng)力較大的部位微孔生長(zhǎng)速率較大，液相補(bǔ)償速率增加，導(dǎo)致液相向孔洞生長(zhǎng)的位置聚集，從而引起膨脹的局部化現(xiàn)象[18]。Mead[19]報(bào)道，半固態(tài)合金壓縮過(guò)程中或合金凝固過(guò)程中會(huì)因?yàn)榧羟袘?yīng)變局部化導(dǎo)致膨脹現(xiàn)象。為更直觀地說(shuō)明此現(xiàn)象，圖2顯示了樣品不同高度橫截面積在不同應(yīng)變量下的變化趨勢(shì)，其中歸一化高度(normalized height)以原始的樣品高度為基礎(chǔ)進(jìn)行歸一化計(jì)算得到。由圖2可知，橫截面積隨著應(yīng)變量增加而增加，與橫截面切片觀察得到的結(jié)果一致，在靠近壓頭頂部與樣品底部的位置膨脹效果最為明顯，可能是由于頂部和底部的應(yīng)力集中導(dǎo)致。同時(shí)，在變形前期，橫截面積的增加趨勢(shì)與應(yīng)變量增加幾乎成正比，在應(yīng)變量較大時(shí)(11.37%～12.9%)，橫截面積的增加開(kāi)始變慢，這可能是由于樣品內(nèi)孔洞大量聚集生長(zhǎng)，而液相補(bǔ)縮無(wú)法滿足孔洞生長(zhǎng)速率，使得樣品膨脹速率減慢。

圖2 沿均一化壓縮軸方向樣品橫截面積隨應(yīng)變?cè)黾拥姆植?/p>

2.2 三維微孔演變與定量化分析

圖3為微孔隨應(yīng)變?cè)黾釉谌S空間的分布圖。樣品表面做了透明灰色渲染處理，以直觀判斷微孔的位置。變形初始，樣品圓柱面較為平整，表面為機(jī)械加工痕跡，內(nèi)部鑄造微孔相對(duì)較多，并呈無(wú)規(guī)則狀分布。當(dāng)應(yīng)變量增加至1.22%時(shí)，孔洞尺寸和數(shù)量減少，說(shuō)明部分孔洞開(kāi)始閉合，甚至消失，即微孔處于閉合階段。這是由于壓縮變形使枝晶間液相通道變寬，液相的補(bǔ)償導(dǎo)致孔洞的縮小和減少。而當(dāng)應(yīng)變量繼續(xù)增加至11.37%時(shí)，微孔的數(shù)量和體積并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，樣品的頂部與底部出現(xiàn)較明顯的膨脹現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到12.90%時(shí)，微孔的數(shù)量呈爆發(fā)式增加，出現(xiàn)了許多尺寸較小的微孔，大量的孔洞開(kāi)始形核生長(zhǎng)。部分微孔尺寸明顯變大，說(shuō)明微孔開(kāi)始進(jìn)入快速生長(zhǎng)階段。

圖3 半固態(tài)壓縮變形過(guò)程隨軸向應(yīng)變?cè)黾拥目锥慈S分布和演變(孔洞按照體積大小進(jìn)行著色)

為更深入地理解半固態(tài)壓縮加載下微孔結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)變形過(guò)程中的微孔尺寸演變做三維定量化分析。圖4為樣品中微孔體積分?jǐn)?shù)隨壓縮應(yīng)變量增加的變化趨勢(shì)圖。可以發(fā)現(xiàn)，初始鑄造微孔體積分?jǐn)?shù)約為0.14%。當(dāng)應(yīng)變量從0%增加到1.22%時(shí)，微孔體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，約為0.026%。之后在一定應(yīng)變范圍內(nèi)(1.22%～11.37%)，微孔體積分?jǐn)?shù)基本保持不變。在應(yīng)變量超過(guò)11.37%時(shí)，微孔體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始逐漸增加，最終在應(yīng)變量為12.90%時(shí)達(dá)到約0.16%。Cai等[20]的研究顯示，二元Al-15%Cu合金在同樣的壓縮位移速率下，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到12.60%時(shí)，孔洞已出現(xiàn)大量快速生長(zhǎng)現(xiàn)象，孔洞體積分?jǐn)?shù)幾乎達(dá)到3%，遠(yuǎn)大于本工作選用的添加納米顆粒增強(qiáng)Al-10%Cu復(fù)合材料。而且Al-15%Cu合金中孔洞體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始快速增長(zhǎng)的應(yīng)變量為6.4%，而本樣品則始于應(yīng)變量為11.37%。添加納米顆粒會(huì)對(duì)Al-Cu合金的半固態(tài)壓縮變形產(chǎn)生一定的影響，有助于改善半固態(tài)溫度條件下合金的抗裂紋擴(kuò)展能力。

圖4 隨應(yīng)變量增加孔洞百分比變化(a),單個(gè)孔洞演變的三維渲染圖(b)以及單個(gè)孔洞及其周?chē)M織演變的局部切片(c)

為進(jìn)一步說(shuō)明壓縮過(guò)程中的微孔變化過(guò)程，從壓縮組織中選擇部分區(qū)域進(jìn)行闡述。圖4(b),(c)展示了樣品壓縮過(guò)程單個(gè)孔洞的演變過(guò)程(圖1(a-1)插圖中方框標(biāo)示了該孔洞的位置)。觀察發(fā)現(xiàn)，單個(gè)孔洞在變形初期會(huì)因?yàn)樯戏骄ЯＯ乱贫粔嚎s，圖4(b)的孔洞形態(tài)也說(shuō)明了這一點(diǎn)。表明孔洞在變形初期的體積縮小，可能是由于晶粒運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的孔洞被壓縮和液相補(bǔ)償共同作用的結(jié)果。同時(shí)，圖4(c)的切片顯示整個(gè)變形過(guò)程中孔洞周?chē)冀K被液相所包圍，這是由于固-液界面能遠(yuǎn)低于氣-液界面能，使得液相充分包裹著固相晶粒，而孔洞多存在于較寬的液相通道里，由于液相無(wú)法有效傳遞應(yīng)力載荷，致使應(yīng)力增加時(shí)孔洞會(huì)在液相聚集處生長(zhǎng)。而隨著應(yīng)變量達(dá)到11.37%，孔洞上尺寸較小的部位消失，而孔洞中心尺寸較大的部位愈發(fā)飽滿(見(jiàn)圖4(b))。定量化顯示，孔洞的總體積并未發(fā)生明顯改變，因此，在該變形階段，變形的持續(xù)進(jìn)行會(huì)對(duì)孔洞的形態(tài)產(chǎn)生影響，但對(duì)孔洞尺寸的影響有限。在變形過(guò)程中，孔洞周?chē)囊合嘌a(bǔ)償了孔洞尺寸較小的部位，而孔洞中心部位會(huì)隨著變形體積不斷增大，最終使得孔洞體積維持基本不變，這也是該階段孔洞總體體積分?jǐn)?shù)只產(chǎn)生小幅波動(dòng)的主要原因。當(dāng)壓縮應(yīng)變量繼續(xù)增加至12.90%，孔洞形態(tài)愈發(fā)飽滿且開(kāi)始長(zhǎng)大，這也說(shuō)明在變形后期孔洞形態(tài)從不規(guī)則向規(guī)則的類球形轉(zhuǎn)變。這是由于，孔洞周?chē)灰合喟谳^大的壓力作用下液相的表面張力使得孔洞形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭惽蛐巍＿@一點(diǎn)同樣可以在圖3中得到佐證，較大尺寸的部分孔洞已經(jīng)呈現(xiàn)出類球形形狀。

表1為變形過(guò)程中不同應(yīng)變量下的微孔體積分布情況。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變量為0%時(shí)，初始微孔的尺寸分布主要集中于0～50000 μm3，而且個(gè)別的孔洞尺寸較大，其微孔總數(shù)量(572)明顯多于其他應(yīng)變量(1.22%，11.37%)。隨著應(yīng)變量的增加，部分尺寸較大的孔洞甚至消失。而對(duì)于應(yīng)變量為 1.22%和11.37%時(shí)的孔洞數(shù)量(分別為326，316)則明顯較少，體積分布相似，且并未發(fā)現(xiàn)有體積較大的孔洞，說(shuō)明該區(qū)間孔洞處于潛伏時(shí)期。應(yīng)變量為12.90%時(shí)的總孔洞數(shù)量最多(675)，說(shuō)明在快速生長(zhǎng)階段同時(shí)出現(xiàn)了數(shù)量較多、尺寸較小的孔洞，也表明該階段發(fā)生了較多新生微孔的形核。

表1 不同應(yīng)變量下孔洞體積數(shù)量分布

2.3 變形機(jī)制分析

半固態(tài)壓縮變形過(guò)程中，孔洞、α-Al枝晶和枝晶間液相組成的三相復(fù)雜結(jié)構(gòu)使得變形過(guò)程更加復(fù)雜。研究表明，同步輻射原位CT成像是揭示變形過(guò)程中三相結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程以及孔洞/裂紋生長(zhǎng)的有效手段[21]。在半固態(tài)壓縮變形過(guò)程中，樣品內(nèi)的孔洞生長(zhǎng)主要分為3個(gè)階段：(1)孔洞閉合期。在變形初期，初始微孔的尺寸和數(shù)量隨著應(yīng)變量的增加而逐漸減小，這一現(xiàn)象在半固態(tài)拉伸變形中也同樣存在；(2)孔洞潛伏期。在這一時(shí)期，孔洞數(shù)量基本維持不變，孔洞體積分?jǐn)?shù)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，進(jìn)入相對(duì)平衡狀態(tài)；(3)孔洞快速增長(zhǎng)期。應(yīng)變量達(dá)到一定程度后，孔洞體積分?jǐn)?shù)快速生長(zhǎng)，孔洞數(shù)量大量增加，原有孔洞開(kāi)始長(zhǎng)大，且有大量的微孔開(kāi)始形成。微孔的長(zhǎng)大和合并最終導(dǎo)致樣品的斷裂。

圖5為半固態(tài)壓縮過(guò)程中的局部組織變化圖。5(a),(b)為同一區(qū)域、不同變形量下的二維局部組織切片。對(duì)比可以看出，Ⅰ區(qū)域的孔洞明顯長(zhǎng)大，而且其周?chē)植贾欢ê穸鹊囊合鄬印D5(c)為樣品變形后期孔洞與枝晶間液相位置關(guān)系的三維組織。其中，紅色實(shí)體為枝晶間液相，透明灰色為長(zhǎng)大的孔洞，由于邊緣的孔洞與α-Al基體會(huì)影響顯示，已將其去除。從圖5中看出，孔洞幾乎被枝晶間液相所包圍，而周?chē)合酂o(wú)法有效地傳遞載荷，使得孔洞會(huì)沿著液相通道繼續(xù)長(zhǎng)大。這也證明初始孔洞閉合期孔洞的縮小和減少不僅跟晶粒的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，還依賴于液相的補(bǔ)縮。而且液相與晶粒的應(yīng)力不匹配導(dǎo)致的無(wú)法有效傳遞載荷會(huì)使孔洞增大，與液相補(bǔ)縮和晶粒運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng)和平移)共同作用，使得孔洞生長(zhǎng)速率和閉合速率達(dá)到平衡狀態(tài)，從而進(jìn)入孔洞潛伏期。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在Ⅳ區(qū)域，變形后聚集著部分液相，局部液相補(bǔ)償受到阻礙，也使得下方孔洞無(wú)法得到有效的液相補(bǔ)償，而晶粒會(huì)因?yàn)榧羟袘?yīng)力的存在橫向膨脹，從而導(dǎo)致孔洞尺寸開(kāi)始增加，這也是孔洞快速生長(zhǎng)期的主要變形機(jī)制。

圖5 半固態(tài)壓縮過(guò)程中的局部組織變化

同時(shí)可以看出，Ⅲ區(qū)域的液相在變形后減少，液相在受力后可能向附近轉(zhuǎn)移，說(shuō)明此處液相補(bǔ)償并未受阻。Phillion等在鋁銅合金的半固態(tài)壓縮變形中發(fā)現(xiàn)，供給的液相會(huì)適應(yīng)應(yīng)變引起的結(jié)構(gòu)變化，晶粒相互接觸會(huì)阻礙液相補(bǔ)充，從而使局部固相分?jǐn)?shù)幾乎接近于100%,這將進(jìn)一步增加局部應(yīng)變，并導(dǎo)致孔洞/裂紋的形核和生長(zhǎng)[22]。而Ⅱ區(qū)域中變形后液相發(fā)生聚集，導(dǎo)致局部液相通道膨脹，這也是樣品膨脹的原因之一。而且液相的聚集使得局部液相分?jǐn)?shù)增加，局部溫度升高，使得局部晶粒重熔。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，從孔洞演變角度而言，添加納米顆粒使得材料本身的熱裂敏感性降低，但材料的主要變形機(jī)制并未發(fā)生根本改變。

3 結(jié)論

(1)Al2O3納米顆粒增強(qiáng)Al-10%Cu復(fù)合材料在半固態(tài)壓縮變形中的孔洞變化主要有3個(gè)階段，分別為閉合期、潛伏期和快速生長(zhǎng)期。通過(guò)對(duì)不同階段孔洞的定量化分析得出，變形初始階段和孔洞快速生長(zhǎng)階段的孔洞數(shù)量明顯多于孔洞潛伏期，且快速生長(zhǎng)期出現(xiàn)大量的微孔形核。

(2)變形過(guò)程中，在晶粒變形和液相補(bǔ)償共同作用下，三維空間內(nèi)單個(gè)孔洞的體積在孔洞閉合期縮小。在孔洞潛伏期，雖然總體積并未發(fā)生明顯改變，但孔洞形態(tài)會(huì)從不規(guī)則態(tài)逐步向類球形形貌轉(zhuǎn)變。

(3)在Al2O3納米顆粒增強(qiáng)Al-10%Cu復(fù)合材料的半固態(tài)壓縮中，剪切應(yīng)力引起的晶粒變形和液相膨脹導(dǎo)致樣品的局部膨脹，并且在不同變形階段，膨脹速率也會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)，液相補(bǔ)償受阻使得局部固相分?jǐn)?shù)升高，局部的液相分?jǐn)?shù)增加導(dǎo)致晶粒的局部重熔，這與Al-Cu合金的半固態(tài)壓縮變形組織演化機(jī)制基本相似。