氧化鋯增強鋁基復合材料的制備及性能研究

摘要：鋁合金由于其強度高、質量輕、價格低等多重優(yōu)勢，在汽車制造、航空航天、水下裝備等各個領域都極具應用前景。利用機械攪拌鑄造方法制備了不同質量分數納米氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（yttrium oxide stabilized zirconia，YSZ）的Al-YSZ復合材料，研究納米YSZ質量分數對鋁基復合材料組織和性能的影響。研究結果表明，添加的納米YSZ均勻分布在Al基體中，不與Al基體發(fā)生反應。同時能夠作為異質形核劑細化晶粒，并通過Orowan強化機制提升復合材料的力學性能。添加質量分數為8%的納米YSZ的復合材料具有較好的強度和塑性。同時，在受到外力作用時，納米YSZ會發(fā)生從四方到單斜的相變，并產生一定的體積膨脹，在吸收能量的同時改善了復合材料內部的晶格畸變，從而提高了鑄態(tài)復合材料的塑性。

關鍵詞：鋁基復合材料；氧化釔穩(wěn)定氧化鋯；鑄造；力學性能

中圖分類號：TB 333文獻標志碼：A

Preparation and properties of zirconia-reinforced aluminum matrix composites

ZHANG Peng1，ZU Xiangbo1，LOU Dongge2，JIANG Yeqian1，ZHANG Bing1，ZHANG Ke1

（1.School of Materials and Chemistry，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China;

2.CHINALCO Luoyang Copper Processing Co.，Ltd.，Luoyang 471039，China）

Abstract：Aluminumalloy，due to its multiple advantages such as high strength，lightweight，and cost-effectiveness，holds significant potential for applications in various fields including automotive manufacturing，aerospace，and underwater equipment.Al-yttrium oxide stabilized zirconia（YSZ）composite materials with varying content of nano-YSZ were prepared using the mechanical stir casting method to investigate the influence of nano-YSZ and its mass fraction on the microstructure and properties of aluminum-based composites.The results reveal that the added nano-YSZ is uniformly distributed within the Al matrix without reacting with it.Additionally，it can serve as a heterogeneous nucleating agent for grain refinement and enhance the mechanical properties of the composite materialsthrough the Orowan strengthening mechanism.Composite materials with 8%mass fraction of nano-YSZ exhibit good tensile strength and ductility.This enhancement can be attributed to the tetragonal-to-monoclinic phase transformation of nano-YSZ under external forces，resulting in volumetric expansion and simultaneous absorption of energy，thereby ameliorating lattice distortion within the composite and enhancing its ductility in the as-cast state.

Keywords：aluminum-basedcomposites;yttrium oxide stabilized zirconia;casting;mechanical properties.

鋁基復合材料因其獨特的低密度、低熱膨脹系數、高比強度、高比剛度以及設計靈活等優(yōu)勢得到了廣泛的應用和大量的研究[1-2]。為了滿足更高的性能、功能及結構等需求，許多不同種類的增強體被用于鋁基復合材料的增強，而顆粒增強鋁基復合材料是其中最成熟的一個品種。

近年來，研究人員對SiC、碳納米管、石墨烯、TiB2、Al2O3等材料的關注日益增加，并嘗試將它們用于增強鋁基復合材料，取得了一定的研究成果[3-8]。陸仕平等[6]研究了TiB2顆粒和鋁基體之間的界面潤濕性和形核效率，證明了添加一定量的陶瓷顆粒能夠提高增強相和Al基體之間的潤濕性，并提高形核效率。Huang等[8]采用原位反應法制備了Al2O3和ZrB2納米顆粒增強7 055 Al基復合材料。研究表明，納米顆粒相具有阻礙位錯運動和釘扎晶界的能力，從而有效強化復合材料。然而，更多研究指出，添加增強相雖提高了復合材料的強度，但卻犧牲了其塑性。

ZrO2基陶瓷作為形狀記憶陶瓷的代表，可以在四方和單斜結構之間發(fā)生可逆的馬氏體相變[9]。由此，近年來關于小尺寸形狀記憶ZrO2的研究逐漸增多，伴隨著許多潛在的應用場景[10-11]。四方相ZrO2由于其相變伴隨著體積膨脹（3%～5%）和剪切應變（6%左右），多被用于陶瓷復合材料中的增強增韌[12-15]。鑒于鋁基體相對其他金屬材料具有更好的韌塑性，在相變過程中良好的流動性，能夠更好地適應相變時體積的變化，使得ZrO2/Al界面能夠更加有效傳遞機械載荷，從而提高鋁基復合材料的綜合性能[16-18]。

本研究選用納米Y2O3穩(wěn)定ZrO2（yttrium oxidestabilized zirconia，YSZ）作為增強相，選用純鋁作為基體，以探究YSZ對鋁基復合材料組織和性能的影響。鑒于YSZ的加入量對Al-YSZ復合材料力學性能的影響很大，本實驗針對Al-YSZ復合材料中YSZ顆粒的含量對材料組織和性能之間的關系進行研究。

1實驗材料及方法

1.1實驗材料

純鋁錠（四川蘭德高科技產業(yè)有限公司）；納米YSZ粉末，如圖1所示，平均粒徑尺寸為30 nm。成分如表1所示；鋁箔，購于生物科技之家。

1.2樣品制備

1.2.1 Al-YSZ復合材料制備

首先將納米YSZ粉末包覆在鋁箔中放入200℃的烘箱中加熱干燥2 h（注意將粉末平鋪開以使其受熱均勻）。將純鋁錠置于坩堝電阻爐中，逐漸升溫至700℃。待坩堝中的鋁錠完全熔化后，用樣品鉗將預熱過的納米YSZ粉末連同鋁箔一起置于熔體中，保溫5 min。隨后使用扇葉電動攪拌器攪拌5 min，攪拌過程中不加熱，攪拌轉速為300 r/min。攪拌后再靜置5 min，隨后將熔體澆鑄到在200℃烘箱中預熱過的鑄鐵模具中，開模后將復合材料在常溫水中淬火，得到含納米YSZ質量分數分別為0、1%、2%、4%、8%、16%的Al-YSZ復合材料。

1.3性能測試與表征

物相測試：采用D8 Advance X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）對拋光樣品表面掃描，掃描模式為連續(xù)掃描，步長為0.02，掃描速度為5（°）/min。

金相組織觀察：利用線切割切出小塊樣品，逐步用80#、400#、800#、1 500#、3 000#、5 000#、7 000#砂紙進行打磨，隨后用粒度為2μm的金剛石拋光劑進行粗拋，最后用MgO拋光膏在海綿墊上進行精拋。拋光好的試樣用凱勒試劑（HF、HCl、HNO3和H2O的體積比為1.0：1.5：2.5：95.0）進行腐蝕，用無水乙醇沖洗干凈后利用電吹風快速吹干即可觀察。Al-YSZ復合材料需要在凱勒試劑中腐蝕2 min及以上。

微觀形貌觀察：利用FEI Quanta 450場發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察樣品的形貌。

維氏硬度測試：拋光后樣品可用于硬度測試。采用維氏顯微硬度儀，使用50 g外部載荷壓力，保壓時間15 s，每個樣品取5個點后計算平均維氏硬度。

力學性能測試：利用線切割切出拉伸試樣并進行打磨。采用萬能材料拉伸機在室溫條件下進行拉伸，拉伸速率設置為2.5 mm/min。

2實驗結果及分析

2.1鑄態(tài)Al-YSZ復合材料

2.1.1 XRD分析

圖2為Al-YSZ復合材料的XRD譜圖。從圖2中可以看出Al相為主峰，表明復合材料的基體為Al。在納米YSZ粉末質量分數較小時，基本檢測不到ZrO2的峰。隨著質量分數增加到2%以上開始檢測到ZrO2的峰，并且隨著納米YSZ的質量分數增加，峰呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢，證明了納米YSZ粉末存在于基體當中。理論上在其他位置也應該能檢測到ZrO2微弱的峰，但可能由于納米YSZ粉末的尺寸較小而導致衍射峰寬化效應，使其衍射峰難以從基線分離[19]。從圖中并未檢測到其他物質的峰，證明Al和納米YSZ粉末并未發(fā)生反應，同時也沒有其他雜質的引入，保證了復合材料的純凈。

2.1.2光學顯微組織分析

圖3為Al-YSZ復合材料的金相組織圖。由圖3可知，復合材料的鑄態(tài)組織整體良好，沒有明顯的大面積鑄造缺陷，但仍存在一些黑色點狀，可能為鑄錠組織的縮孔。隨著納米YSZ粉末質量分數的增加，復合材料的晶粒始終為等軸晶狀，與純鋁的晶粒一致。這表示，納米YSZ粉末的加入并未改變復合材料的晶粒形狀。晶粒統(tǒng)計結果如圖4所示。隨著納米YSZ粉末質量分數的逐步增加，可以明顯觀察到復合材料晶粒的細化，添加納米YSZ粉末質量分數為8%以及16%的復合材料晶粒細化最為明顯。這是由于一方面，納米YSZ不與Al基體發(fā)生反應，而是單獨作為異質形核劑起到形核的作用，這有利于晶粒的細化；另一方面，隨著納米YSZ粉末質量分數的增加，晶界上的納米YSZ粉末逐漸增多，從而阻礙了晶界的長大，導致晶界加寬，從而起到細化晶粒的作用[20-21]。

2.1.3 SEM形貌分析

為了進一步對復合材料中納米YSZ粉末的分布和形態(tài)進行深入分析，分別對納米YSZ粉末質量分數為8%和16%的Al-YSZ復合材料進行了形貌分析。從圖5（a）中可以看到，Al-8%YSZ復合材料中的納米YSZ粉末均勻分布在基體上。這種細小的顆粒物質可作為載荷傳遞的硬質相，起到優(yōu)異的強化作用，從而提升復合材料的強度、維氏硬度和彈性模量。圖5（b）為Al-16%YSZ復合材料的掃描圖。從圖5（b）中可以看出過量的納米YSZ粉末會團聚在復合材料的晶界處，這種團聚現(xiàn)象一定程度上會導致材料的塑性嚴重下降[22]。

2.1.4力學性能分析

圖6為鑄態(tài)Al-YSZ復合材料的維氏硬度。隨著納米YSZ粉末質量分數的不斷增加，復合材料的維氏硬度呈現(xiàn)上升趨勢。當納米YSZ粉末的質量分數為8%時，復合材料的維氏硬度達到30；升高至16%時復合材料的維氏硬度提升至31。這是由于隨著納米YSZ粉末質量分數的增加，硬質顆粒在基體中分散，起到了一定承受載荷的作用，從而提高了復合材料的維氏硬度。

圖7為鑄態(tài)Al-YSZ復合材料的拉伸曲線圖。從圖中可以看出復合材料的抗拉強度和伸長率隨著納米YSZ粉末質量分數的增加都有所提高。納米YSZ粉末質量分數為8%的復合材料的強度和伸長率分別達到68.1 MPa和35.71%。這是由于：一方面，納米YSZ粉末的加入細化了晶粒尺寸，晶粒的細化對復合材料的強度有所提高；另一方面，彌散在基體上的硬質點發(fā)揮了顯著的Orowan強化機制，阻礙了位錯運動，提高了滑移變形阻力，導致材料的強度升高。

但與大多數增強相不同的是，納米YSZ粉末質量分數的提高不僅沒有降低復合材料的伸長率，同時還有一定的提升。這是由于在材料變形時伴隨著納米YSZ粉末由四方相到單斜相的馬氏體相變，而這種相變通常伴隨著較大的體積變化（4%～5%），體積變化不僅會吸收一部分能量，還可能會對周圍的鋁基體產生一定的壓應力[9]，從而抵消在拉伸時的部分拉應力，達到提高伸長率的效果。

盡管如此，當納米YSZ粉末的質量分數為16%時，復合材料的伸長率明顯下降。如圖5（b）所示，過量的納米YSZ粉末在熔煉時極易團聚在復合材料的晶界處，從而導致其伸長率的下降。

2.1.5拉伸斷口形貌分析

圖8為鑄態(tài)復合材料的拉伸斷口形貌圖。從圖8中可以看出，添加質量分數為1%YSZ的復合材料的斷口呈現(xiàn)出小而淺的斷口韌窩，并伴隨著撕裂棱和解理臺階，表明復合材料的伸長率較差。隨著YSZ質量分數的增加，復合材料斷口的韌窩逐漸變大變深，韌窩數量逐漸增多，較為密集，這表明了復合材料強度提升的同時仍然保留有較好的伸長率。而添加質量分數為16%YSZ的復合材料的斷口呈現(xiàn)準解斷裂，宏觀斷口較為平整，韌窩數量減少，出現(xiàn)了明顯的撕裂棱和河流花樣，表明了復合材料伸長率的下降。

3結論

（1）納米YSZ不與Al基體發(fā)生反應，而是單獨存在于復合材料的基體中。

（2）隨著納米YSZ質量分數的提高，納米YSZ均勻分布在基體中并釘扎在晶界處，復合材料的強度和塑性逐漸提高。而進一步提高納米YSZ的添加量后，在復合材料晶界處出現(xiàn)大量團聚的現(xiàn)象，降低了復合材料的力學性能。

（3）納米YSZ粉末的加入通過細化晶粒，Orowan強化和傳遞載荷等共同作用，提高了復合材料的強度和硬度。同時，由于納米YSZ粉末的四方?單斜相變，在吸收變形產生的能量的同時，改善了材料內部的應力應變情況和晶體缺陷，從而提高復合材料的伸長率。

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（編輯：何代華）