T6熱處理對于SiCp/2009Al材料微觀組織及性能的影響

黃申，徐穎，王學民

(1. 南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016；2. 中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500)

0 引言

碳化硅顆粒增強鋁基復合材料力學性能非常優異，具有比強度高、比剛度高、熱膨脹系數好、二次加工性等優點，主要應用于航空航天領域、軍事領域、汽車工業以及運動器械，應用范圍廣泛，具有很好的發展前景[1]。其制備方法包括粉末冶金法、噴射沉積法、攪拌鑄造法以及擠壓鑄造法等。粉末冶金法制備顆粒增強鋁基復合材料通常的步驟為混料、成形、燒結。本文所用材料主要用于航空發動機上的風扇葉片導流葉片。

有研究顯示，不同熱處理工藝后的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料力學性能有顯著差異。由于碳化硅顆粒和鋁合金基體之間的熱膨脹系數差異較大，當復合材料進行熱處理工藝之后，顆粒與基體的界面附近會產生較大的熱殘余應力場，會影響到復合材料的組織結構以及力學性能[2-3]。通常認為，熱處理會引起復合材料顯微組織變化，包括SiC顆粒在基體中的分布以及顆粒/基體界面的結合等，進而會影響材料的力學性能。專門的熱處理技術會使得復合材料獲得最佳的力學性能，所以為了使材料性能更加優異，關于熱處理工藝對于材料結構和性能影響的研究有非常重要的工程意義。

本文以未經熱處理和經過T6熱處理的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料為研究對象，開展顆粒大小、元素成分及分布的檢測以及靜態力學性能的測試，以此為基礎深入地分析T6熱處理對于碳化硅顆粒增強鋁基復合材料力學性能的影響機理。

1 試驗材料及方法

本次實驗所用的復合材料為碳化硅顆粒增強鋁基復合材料，增強相為17%體積分數的SiC顆粒，基體為2009鋁合金。其中2009鋁合金的主要質量分數如表1所示。

表1 2009鋁合金的質量分數 單位：%

試驗對比的兩種材料前幾步制備工藝完全相同，僅在最后一步是否經過T6熱處理有區別。兩種材料均采用粉末冶金的方法制備，經過擠壓成型，經過T6熱處理工藝(500°固溶處理、淬火、170°人工時效)制備而成。

首先利用TESCAN MAIA3掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀結構組織觀察碳化硅顆粒的形狀、大小及分布等特征；之后利用EDS能譜分析儀對SEM同一視場材料微區的元素成分進行檢測分析；然后在Instron萬能電子拉伸試驗機上進行復合材料的單軸拉伸實驗，測試復合材料的力學性能，包括抗拉強度、屈服強度以及彈性模量等，并記錄試件拉伸過程中的應力-應變數據。

2 結果與討論

2.1 熱處理對于材料微觀組織結構的影響

圖1為未熱處理試樣和T6熱處理試樣在5K(5000)倍的放大倍數下的SEM照片，圖2為兩種試樣在10K(10000)倍的放大倍數下的SEM照片。由圖可知：兩種試樣中的SiC顆粒形狀都很不規則并存在一定的顆粒團聚現象，且兩種試樣中SiC顆粒的粒徑大小都不是非常均勻。

圖1 5K倍下的SEM照片

圖2 10K倍下的SEM照片

圖3為未熱處理試樣和T6熱處理試樣的EDS面分析對比圖；圖4和圖5分別為未熱處理試樣和T6熱處理試樣的元素分布圖。 結合SEM照片以及EDS分析結果可以看出，未熱處理試樣中明亮的白色部分主要成分為Cu元素、Ni元素及Fe元素等形成的塊狀化合物，而經過T6熱處理的試樣中Cu元素則較為均勻地分散在鋁合金基體中。根據相關文獻[4]分析，很有可能是在熱處理過程中，固溶處理后Al2Cu和Mg2Si溶解，Cu元素在基體中均勻分布。還有可能是SiC顆粒與鋁合金基體之間發生界面反應，形成析出物，析出物的出現是T6熱處理之后微觀組織結構改變的主要原因[5]。

圖3 未熱處理試樣的EDS面掃描分析結果

圖4 未熱處理試樣的EDS元素分析結果

圖5 T6熱處理試樣的EDS元素分析結果

2.2 熱處理對于材料靜力學性能的影響

將兩種試樣分別用Instron電子拉力試驗機進行單軸拉伸試驗，兩種材料的拉伸試驗件采用相同的尺寸，標距為50mm，尺寸圖及實物圖如圖6和圖7所示。

圖6 拉伸試樣的尺寸圖

圖7 拉伸試樣的實物圖

將未經熱處理材料和T6熱處理材料的試驗件都分別在1×10-3/s、2×10-3/s和4×10-3/s 3種不同的應變加載速率下進行單軸拉伸試驗。

選取未熱處理試樣和T6熱處理試樣各9件，每個應變速率下試驗件各3件，將每個應變速率下試驗件的應力、應變取平均值得到名義應力-應變曲線。圖8為未熱處理試樣在3種應變速率下的名義應力-應變曲線；圖9為T6熱處理試樣在3種應變速率下的應力-應變曲線；圖10為兩種材料各9件試驗件拉伸過程中名義應力-應變的取平均值后得到的對比圖。

圖8 未熱處理試樣的應力-應變曲線

圖9 T6熱處理試樣的應力-應變曲線

兩種材料經過單軸拉伸試驗后得到的力學性能參數的對比如表2所示。

圖10 未熱處理試樣和T6熱處理試樣應力-應變曲線對比

表2 SiCp/Al復合材料力學性能對比

通過對比分析兩種材料的應力-應變曲線圖和力學性能參數可以看出：T6熱處理前后材料的彈性模量基本沒有變化，因為彈性模量是一個對熱處理和組織變化很不敏感的量。但經過T6熱處理后，材料屈服強度提高了51.66%，抗拉強度提高了75.93%，延伸率下降了54.17%，表明材料強度和剛度的增加是以犧牲材料的延展性為代價的。總體來說，T6熱處理工藝對于碳化硅顆粒增強鋁基復合材料靜力學性能的提高是非常顯著的，但復合材料的延展性有所下降[6-7]。

結合之前的微觀組織結構以及力學性能的對比分析，可以看出：經過T6熱處理，材料力學性能提高的主要原因在于微觀組織結構的改變。T6熱處理之后，復合材料中的碳化硅顆粒得到一定程度的細化并且在鋁合金基體中分布更加均勻，使得材料的靜態力學性能得到較大提高，主要體現在屈服強度和抗拉強度的提高。另外，熱處理可能會導致基體中產生位錯，位錯的存在改變了復合材料的微觀組織結構，從而影響了復合材料的力學性能[3]。另外一個可能的原因是復合材料的組織中會產生析出相，彌散分布于基體中。析出相在界面區域積累，起到沉淀強化的作用，導致復合材料的硬化，從而提高了材料力學性能。

3 結語

本文對T6熱處理對于17%SiCp/2009Al材料的靜力學性能和微觀組織結構的影響進行了研究，得到以下結論。

1)經過T6熱處理，17%SiCp/2009Al復合材料中的Cu元素在基體中分布更加均勻，并且T6熱處理試樣中Cu元素、Fe元素與Ni元素等形成聚集成塊狀化合物的現象相較于未熱處理試樣更少。

2)T6熱處理對于17%SiCp/2009Al復合材料靜力學性能的提升比較明顯，經過熱處理之后材料的屈服強度提高了51.66%，抗拉強度提高了75.93%，但材料的彈性模量基本不變且延伸率下降了54.17%。材料經過T6熱處理后，微觀組織結構發生變化，影響了材料的力學性能。