亚微米Al2O3P/Al—Cu—Mg复合材料时效过程的DSC分析

姜瑞姣++高飞++赵树丰++王程

摘 要：运用DSC分析的手段研究了两种基体合金化的亚微米Al2O3P/Al-Cu-Mg复合材料的时效行为。Al-Cu-Mg合金中时效过程明显，改变Cu、Mg元素含量抑制了时效析出过程。复合材料中，添加亚微米Al2O3颗粒使得G.P.区受到完全抑制，亚稳相的时效析出变得困难；提高Cu含量，在一定程度上促进了复合材料的时效析出。

关键词：亚微米 Al2O3颗粒 Cu含量 Al-Cu-Mg 复合材料 时效 DSC

中图分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（a）-0245-02

DSC analysis of aging behavior for sub-micron Al2O3P/Al-Cu-Mg composites

JIANG Ruijiao， GAO Fei， ZHAO Shufeng， WANG Cheng

（College of equipment manufacture， Hebei University of engineering， Handan， 056002， China）

Abstract：The aging behaviors of two kinds of the sub-micron Al2O3p/Al-Cu-Mg composites with alloying matrix and the corresponding matrix alloy was investigated by Differential scanning calorimetry（DSC）. Results show that the aging behavior of the Al-Cu-Mg alloy is visible， and the precipitation was suppressed with the adoption of Cu and Mg element. The precipitation of composites was restrained strongly by the addition of sub-micron alumina particles with the completely inhibition of G.P. zones. The aging behavior of micro Al2O3P/Al-Cu-Mg composites was accelerated in a certain extent by the additive Cu atoms.

Keywords：Al2O3 composites Cu Al-Cu-Mg aging DSC

差示扫描量热仪（DSC）主要通过对热效应较高的测量灵敏度来检测试样的热效应[1，2]，识别各种相的析出和溶解温度，快速提供被研究物质的热稳定性、热变化过程的焓变、相变转化温度等，根据DSC曲线上反应峰的位值、形状和数目可以定性表征和鉴定物质[2]，利用峰的面积与反应热焓的关系还能定量估计参与反应的物质的量或测定热化学参数[3]，动态跟踪时效硬化合金及其复合材料在连续变温过程中，过饱和固溶体、中间相和亚稳相析出与溶解的全过程，非常适于研究复合材料的时效行为[4]。本文通过对两种亚微米Al2O3P/Al-Cu-Mg复合材料进行DSC测试和分析，较为深入的研究了Cu含量和亚微米Al2O3颗粒对Al基复合材料时效过程的影响规律。

1 材料及试样准备

基体采用以2024Al合金为基，自行配置的Al-5.46Cu-0.84Mg和Al-2.25Cu-1.50 Mg合金。增强体为0.15μm-α-Al2O3颗粒，体积分数为30%。

试样采用Φ5×3 mm，495 ℃固溶处理1h室温水淬后立即进行DSC测试，采用纯铝坩埚，N2气保护。测温区间为：室温～400 ℃，升温速率为0.167 K/s。

2 实验结果及讨论

2.1 DSC测试

在整个测试温度区间范围内，两种Al-Cu-Mg合金及复合材料的DSC测试结果示于图1。做为对比，实验还对2024Al进行了测试。

由图可见，改变主合金含量后，两合金的DSC曲线上与形成GPB区对应的放热峰（A峰）高度变低，随Cu含量升高，峰位逐渐向低温移动。Al-5.46Cu-Mg的DSC曲线上A峰起始温度最低，亚稳相的放热峰由双峰合并变成了单峰，峰位没有明显变化，析出温度范围变窄。

复合材料的DSC曲线上观察不到GPB组织析出的迹象，仅在200 ℃～350 ℃之间有一个亚稳相的放热峰，与基体合金相比，峰高明显降低，峰位向低温移动，并且Cu含量降低，钝化加剧。

2.2 时效过程的DSC分析

根据热分析理论[3]，时效析出所需要的放热焓与DSC曲线上对应反应峰闭合面积成正比，即存在关系：

ΔH=K·ΔS （1）

式中ΔH—放热焓；K—系数；ΔS—闭合峰面积。

各DSC曲线上各放热峰的热焓计算结果示于（图2）。可见改变Cu含量，ΔHS降低，亚稳相析出减少。Al-5.46Cu-0.84Mg中ΔHS远大于ΔHGPB，为后者的1.59倍，析出量最少。Al-2.25Cu-1.50Mg中形成GPB区与形成S相需要的热焓相差不大。表明低Cu含量的合金中，析出相主要依靠GPB区脱溶沉淀生成，提高Cu含量后非均匀形核直接形成S相为合金的沉淀析出做出了重要贡献。

Cu含量对复合材料时效行为的影响远小于基体合金。Al2O3P/Al-5.46Cu-Mg的ΔHS略高于Al2O3P/Al-2.25Cu-Mg，但两者的ΔHS均明显小于基体合金，表明析出相的数量大大减少，甚至在Al2O3P/Al-2.25Cu-Mg复合材料中仅获得了相当于基体合金三分之一的析出量。endprint

GPB区和亚稳相的形成速度在各自的峰值温度达到最大值。改变合金元素使复合材料中亚稳相的析出峰提前到来，峰位由280 ℃降为272.5 ℃。

Cu含量提高，促进了复合材料的时效析出。

2.3 讨论

DSC测试连续升温过程中，不同温度下溶质原子的活动能力和结合方式都有很大差异。

固溶淬火后复合材料和基体合金中固溶原子、空位和位错陷阱都是过饱和的[5]。低温阶段，合金原子活动能力较差，活泼的Mg、Cu率先通过能量较高的缺陷位置短程扩散形成GPB（I）区[6]，短时加热并升温，GPB（I）区回溶有序排列成与母相共格的GPB（II）区，或称亚稳相，此时合金硬度达最大值。考虑Cu、Mg原子比，推断Al-5.46Cu-Mg中主要形成S相和θ相，Al-2.25Cu-Mg主要析出AlCu4Mg6相。

加入亚微米Al2O3颗粒，基体被强烈分割，合金原子的长程扩散受阻[7]；大量的颗粒界面为合金原子偏聚和空位湮灭提供了丰富的位置，同时界面反应消耗进一步减少了基体空位和用于析出的原子浓度，以至于强烈依赖空位形核的GP区受到完全抑制，DSC曲线上对应的放热峰消失[4]；另外，大量的热错配应力使基体中形成了一定密度的位错 [8]，促进了亚稳相的非均匀形核，使其在较低温度下即开始析出。由于Mg原子比Cu原子活性大，更易于发生界面反应和偏聚[9]，因此亚微米Al2O3颗粒加入时效强化效果较好的Al-2.25Cu-1.50Mg合金中，由于Mg原子严重消耗时效析出明显减少。在Al2O3/Al-5.46Cu-Mg中，浓度更高的Cu原子在颗粒/基体界面上的作用彰显，Mg的消耗减弱，反而表现出更好的时效强化效果，在DSC曲线上得到了更高的ΔHS值。

3 结语

（1）Al-Cu-Mg合金的时效过程明显，改变2024Al中Cu、Mg含量抑制了合金的时效析出。

（2）复合材料中，GP区受到完全抑制，时效析出变得困难；提高Cu含量在一定程度上促进了亚微米Al2O3/Al-Cu-Mg复合材料的时效析出。

参考文献

[1] 梁学海，丁恩勇.对MDTA中测样品热容量的准恒温法的评述[J].分析测试学报，1998（6）.

[2] 高凤华，李念奎，田妮，等.7050铝合金半连续铸锭在DSC分析过程中组织的变化[J].材料与冶金学报，2008（3）：211.

[3] 喻学斌，吴人洁，张国定.金属基电子封装复合材料的研究现状及发展[J].材料导报，1994（3）.

[4] M.B.D.Ellis，武红林.铝合金及铝基复合材料的固体焊接[J].轻金属，1993（7）.

[5] 张强，姜龙涛，陈国钦，等.无压浸渗法制备Al_2O_3颗粒增强铝基复合材料[J].稀有金属材料与工程，2011（S2）.

[6] 张建新，高爱华，陈昊.合金元素对Al-Mg-Si系铝合金组织及性能的影响[J].铸造技术，2007，28（3）：373.

[7] 高文理，苏海，张辉，等.喷射共沉积SiC_p/2024复合材料的显微组织与力学性能[J].中国有色金属学报，2010（1）.

[8] 姜龙涛，武高辉，孙东立，等.亚微米Al_2O_3颗粒的微观结构及Al_2O_（3p）/1070Al复合材料的界面[J].中国有色金属学报，2002（2）.

[9] 张国定.金属基复合材料界面问题[J].材料研究学报，1997，11（6）：649.endprint

GPB区和亚稳相的形成速度在各自的峰值温度达到最大值。改变合金元素使复合材料中亚稳相的析出峰提前到来，峰位由280 ℃降为272.5 ℃。

Cu含量提高，促进了复合材料的时效析出。

2.3 讨论

DSC测试连续升温过程中，不同温度下溶质原子的活动能力和结合方式都有很大差异。

固溶淬火后复合材料和基体合金中固溶原子、空位和位错陷阱都是过饱和的[5]。低温阶段，合金原子活动能力较差，活泼的Mg、Cu率先通过能量较高的缺陷位置短程扩散形成GPB（I）区[6]，短时加热并升温，GPB（I）区回溶有序排列成与母相共格的GPB（II）区，或称亚稳相，此时合金硬度达最大值。考虑Cu、Mg原子比，推断Al-5.46Cu-Mg中主要形成S相和θ相，Al-2.25Cu-Mg主要析出AlCu4Mg6相。

加入亚微米Al2O3颗粒，基体被强烈分割，合金原子的长程扩散受阻[7]；大量的颗粒界面为合金原子偏聚和空位湮灭提供了丰富的位置，同时界面反应消耗进一步减少了基体空位和用于析出的原子浓度，以至于强烈依赖空位形核的GP区受到完全抑制，DSC曲线上对应的放热峰消失[4]；另外，大量的热错配应力使基体中形成了一定密度的位错 [8]，促进了亚稳相的非均匀形核，使其在较低温度下即开始析出。由于Mg原子比Cu原子活性大，更易于发生界面反应和偏聚[9]，因此亚微米Al2O3颗粒加入时效强化效果较好的Al-2.25Cu-1.50Mg合金中，由于Mg原子严重消耗时效析出明显减少。在Al2O3/Al-5.46Cu-Mg中，浓度更高的Cu原子在颗粒/基体界面上的作用彰显，Mg的消耗减弱，反而表现出更好的时效强化效果，在DSC曲线上得到了更高的ΔHS值。

3 结语

（1）Al-Cu-Mg合金的时效过程明显，改变2024Al中Cu、Mg含量抑制了合金的时效析出。

（2）复合材料中，GP区受到完全抑制，时效析出变得困难；提高Cu含量在一定程度上促进了亚微米Al2O3/Al-Cu-Mg复合材料的时效析出。

参考文献

[1] 梁学海，丁恩勇.对MDTA中测样品热容量的准恒温法的评述[J].分析测试学报，1998（6）.

[2] 高凤华，李念奎，田妮，等.7050铝合金半连续铸锭在DSC分析过程中组织的变化[J].材料与冶金学报，2008（3）：211.

[3] 喻学斌，吴人洁，张国定.金属基电子封装复合材料的研究现状及发展[J].材料导报，1994（3）.

[4] M.B.D.Ellis，武红林.铝合金及铝基复合材料的固体焊接[J].轻金属，1993（7）.

[5] 张强，姜龙涛，陈国钦，等.无压浸渗法制备Al_2O_3颗粒增强铝基复合材料[J].稀有金属材料与工程，2011（S2）.

[6] 张建新，高爱华，陈昊.合金元素对Al-Mg-Si系铝合金组织及性能的影响[J].铸造技术，2007，28（3）：373.

[7] 高文理，苏海，张辉，等.喷射共沉积SiC_p/2024复合材料的显微组织与力学性能[J].中国有色金属学报，2010（1）.

[8] 姜龙涛，武高辉，孙东立，等.亚微米Al_2O_3颗粒的微观结构及Al_2O_（3p）/1070Al复合材料的界面[J].中国有色金属学报，2002（2）.

[9] 张国定.金属基复合材料界面问题[J].材料研究学报，1997，11（6）：649.endprint

GPB区和亚稳相的形成速度在各自的峰值温度达到最大值。改变合金元素使复合材料中亚稳相的析出峰提前到来，峰位由280 ℃降为272.5 ℃。

Cu含量提高，促进了复合材料的时效析出。

2.3 讨论

DSC测试连续升温过程中，不同温度下溶质原子的活动能力和结合方式都有很大差异。

固溶淬火后复合材料和基体合金中固溶原子、空位和位错陷阱都是过饱和的[5]。低温阶段，合金原子活动能力较差，活泼的Mg、Cu率先通过能量较高的缺陷位置短程扩散形成GPB（I）区[6]，短时加热并升温，GPB（I）区回溶有序排列成与母相共格的GPB（II）区，或称亚稳相，此时合金硬度达最大值。考虑Cu、Mg原子比，推断Al-5.46Cu-Mg中主要形成S相和θ相，Al-2.25Cu-Mg主要析出AlCu4Mg6相。

加入亚微米Al2O3颗粒，基体被强烈分割，合金原子的长程扩散受阻[7]；大量的颗粒界面为合金原子偏聚和空位湮灭提供了丰富的位置，同时界面反应消耗进一步减少了基体空位和用于析出的原子浓度，以至于强烈依赖空位形核的GP区受到完全抑制，DSC曲线上对应的放热峰消失[4]；另外，大量的热错配应力使基体中形成了一定密度的位错 [8]，促进了亚稳相的非均匀形核，使其在较低温度下即开始析出。由于Mg原子比Cu原子活性大，更易于发生界面反应和偏聚[9]，因此亚微米Al2O3颗粒加入时效强化效果较好的Al-2.25Cu-1.50Mg合金中，由于Mg原子严重消耗时效析出明显减少。在Al2O3/Al-5.46Cu-Mg中，浓度更高的Cu原子在颗粒/基体界面上的作用彰显，Mg的消耗减弱，反而表现出更好的时效强化效果，在DSC曲线上得到了更高的ΔHS值。

3 结语

（1）Al-Cu-Mg合金的时效过程明显，改变2024Al中Cu、Mg含量抑制了合金的时效析出。

（2）复合材料中，GP区受到完全抑制，时效析出变得困难；提高Cu含量在一定程度上促进了亚微米Al2O3/Al-Cu-Mg复合材料的时效析出。

参考文献

[1] 梁学海，丁恩勇.对MDTA中测样品热容量的准恒温法的评述[J].分析测试学报，1998（6）.

[2] 高凤华，李念奎，田妮，等.7050铝合金半连续铸锭在DSC分析过程中组织的变化[J].材料与冶金学报，2008（3）：211.

[3] 喻学斌，吴人洁，张国定.金属基电子封装复合材料的研究现状及发展[J].材料导报，1994（3）.

[4] M.B.D.Ellis，武红林.铝合金及铝基复合材料的固体焊接[J].轻金属，1993（7）.

[5] 张强，姜龙涛，陈国钦，等.无压浸渗法制备Al_2O_3颗粒增强铝基复合材料[J].稀有金属材料与工程，2011（S2）.

[6] 张建新，高爱华，陈昊.合金元素对Al-Mg-Si系铝合金组织及性能的影响[J].铸造技术，2007，28（3）：373.

[7] 高文理，苏海，张辉，等.喷射共沉积SiC_p/2024复合材料的显微组织与力学性能[J].中国有色金属学报，2010（1）.

[8] 姜龙涛，武高辉，孙东立，等.亚微米Al_2O_3颗粒的微观结构及Al_2O_（3p）/1070Al复合材料的界面[J].中国有色金属学报，2002（2）.

[9] 张国定.金属基复合材料界面问题[J].材料研究学报，1997，11（6）：649.endprint