等径角挤扭对SiCp/Al复合材料微观结构及力学性能的影响

刘红丽，李萍，薛克敏，钱陈豪



等径角挤扭对SiCp/Al复合材料微观结构及力学性能的影响

刘红丽，李萍，薛克敏，钱陈豪

(合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009)

以SiCp/Al复合粉末为研究对象，开展不同变形程度的等径角挤扭(ECAPT)变形实验，研究等径角挤扭对SiCp/Al复合材料微观结构及力学性能的影响。利用OM、XRD、TEM和XPS以及排水测密度法、力学性能测试等手段分析不同试样的微观组织和力学性能的演变规律以及界面反应情况。结果表明：随变形道次增加，SiC团聚现象得到改善，微晶尺寸逐渐减小，位错密度逐渐增大；材料界面处发生保护反应生成Al2O3，且反应程度随变形道次增加而加剧，未发生有害的界面反应，无Al4C3脆性相生成。4道次变形后材料的显微硬度和屈服强度相比1道次分别提高10%和16%。

SiCp/Al复合材料；等径角挤扭；ECAPT；微观结构；界面反应；力学性能；大塑性变形

等径角挤扭(ECAPT)工艺通过将等径角挤压(ECAP)与挤扭(TE)的模具结构有效地结合，使其在较大的静水压力下获得剧烈的剪切塑性变形从而形成超细晶组织，且单道次的应变累积效果远远超过以往的深度塑性变形方法，该工艺原理如图1所示。作为一种新兴的大塑性变形工艺，ECAPT继承了ECAP和TE工艺的优点，提高了单道次变形的应变累积量，并改善其分布的均匀性[1−4]。该工艺对金属粉末材料有良好的致密效果，国内外已经开展了铝、钼、钨等金属粉末的ECAPT固结试验研究[5−10]。SiCp/Al复合材料的性能具有很强的可设计性，既兼具组分材料的优点，又具有一些优异的新性能。它具有密度小，比强度、比弹性模量高，热稳定性、耐磨损性好等优点，且价格低廉，可满足现代材料行业高速发展的需求，在航空航天、电子、汽车等领域有着广阔的应用前景，受到各发达国家的广泛关注。颗粒增强铝基复合材料已成功应用在F-16战斗机的腹鳍、机身尾翼等部位，有效提高了飞机高速飞行的稳定性；中国“嫦娥2号”卫星上的相机零件采用这种复合材料后，质量降低了35%，热传导性提高了10倍[11−12]。材料经ECAPT变形后的组织与性能主要取决于变形程度。本文针对SiCp/Al复合粉末开展不同变形程度下的ECAPT实验，重点讨论变形后试样的微观组织、界面反应及力学性能。以往文献并未对ECAPT法固结的SiCp/Al复合材料界面处的微结构进行分析研究，本文则通过TEM及XRD等手段对ECATP法制得的复合材料界面处结构进行形貌表征，并对微晶尺寸、位错密度进行估算。

1 实验

由于粉末材料在竖直通道内很难被约束，本实验利用铜包套包覆SiCp/Al复合粉末并进行初步压实，确保粉末在变形过程中发生均匀的剪切变形，同时降低被污染的可能性，提高材料的纯净度。此外，为了避免SiC颗粒与Al发生有害的界面反应，混粉前需对SiC进行表面改性，即高温氧化处理(具体步骤为:第一阶段，250 ℃，保温2 h，第二阶段，750 ℃保温2 h，最后空冷至室温)。氧化改性的原理如图2所示，SiC与O2充分接触，在SiC颗粒表面会生成一层SiO2保护膜，改善其与Al基体的结合。利用2000 kN压扭成形机在250 ℃下制备1，2，3和4道次的ECAPT变形试样。利用MR2000型金相显微镜观察试样的微观组织；分别采用X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)和ESCALAB250型X射线光电子能谱仪(XPS)分析复合材料的微晶尺寸、位错密度和界面微结构；采用排水法测试变形试样的相对密度；在MH−3L型显微维氏硬度计上测定显微硬度；利用CMT5105型万能试验机开展压缩实验。

图1 ECAPT变形工艺原理图

图2 SiC的氧化改性原理示意图

2 结果与分析

2.1 ECAPT变形对显微组织的影响

图3所示为250 ℃下，不同挤压道次试样的显微组织。由图可知，1道次变形后，材料基本致密，无明显孔隙存在，但局部区域有明显的SiC颗粒团聚现象(图3(a)中)，不利于材料组织、性能的均匀化；2道次后SiC颗粒发生明显的细化与重排，团聚现象得到改善(图3(b))；三道次后颗粒的尺寸基本达到稳定状态，此后能量会在SiC颗粒与基体的界面处累积，促进界面的有效结合。

2.2 ECAPT变形对微晶尺寸与位错密度的影响

将得到的原始XRD数据导入MDI Jade软件，经过扣除背底、平滑、分离Kα2、校正仪器宽化及物相检索后，得到如图4所示的SiCp/Al复合粉末ECAPT变形前、1道次和4道次ECAPT变形后的XRD衍射图谱。从图中可以看出，经1道次变形后，基体材料的晶粒取向发生明显变化，(200)面的相对峰强明显升高，4道次变形后晶粒取向又逐步趋近于PDF卡片中标准铝粉的峰强分布，即4道次变形后材料内部组织逐步恢复均匀。与此同时，变形后的试样通过XRD并未检测到脆性相Al4C3，这表明未发生有害的界面反应，或者界面反应较轻微以致产物不足以检测出来。

利用Integral Breadth法[13]计算试样内部的微晶尺寸和位错密度，其表达式如公式(1)所示：

图3 250℃不同道次试样的显微组织

式中：为X射线的波长，=0.154184 nm，为微观应变，为微晶尺寸，0为峰值处对应的衍射角度。

位错密度()通过公式(2)可以获得：

式中：2指衍射峰积分宽度；为伯格斯矢量，且面心立方结构有；为晶格常数，通过MDI Jade软件可以获得，≈0.404 nm[14]。

表1 微晶尺寸和位错密度

图4 不同SiCp/Al试样的XRD图谱

2.3 ECAPT变形对界面反应的影响

图6所示为压缩断口的SEM照片。从图6可以看出，对于SiCp/Al复合材料，裂纹往往在界面处萌生并扩展，因为与基体材料相比，界面可以提供能量要求较低的路径，即当裂纹在两组成部分之间的区域扩展时的临界应变能释放率Gc低于裂纹在这两部分之内扩展时的临界应变能释放率，裂纹就会沿着界面扩展[15]。因此，对于复合材料来说，界面是极其重要且关乎性能的组成部分，较高的界面强度能够保证外加载荷可以由基体传递到增强颗粒而不产生裂纹。

图5 不同试样的衍射峰拟合直线

图6 压缩断口的SEM照片(1p，250 ℃)

本研究采用的ECAPT制备法，可以使SiCp/Al复合粉末在远低于Al熔点的温度实现固结，相比常规制备方法可在很大程度上避免高温下基体Al和SiC颗粒易发生的有害界面反应，详见式(3)。此外，经改性处理的SiC颗粒表面的SiO2层可避免SiC与Al的直接接触，并通过发生化学反应对界面起到有效的保护作用，如式(4)所示：

3SiC+4Al→Al4C3+3Si (3)

4Al+3SiO2→2Al2O3+3Si (4)

反应(3)的生成物Al4C3属脆性相，它以大块状或不连续的杆状、棱状存在于界面时，会显著降低界面的强度、增加腐蚀敏感性，对整体性能极为不利[16]。反应(4)能够生成结合力较强的共价键，增强SiC与Al界面的结合强度，阻碍粗大脆性相Al4C3的生成。此外，大塑性变形的应变能为基体及增强体元素的相互扩散提供了能量，促进元素的扩散，从而大大改善SiCp/Al复合材料的界面状态。

图7所示为1道次变形试样界面处的透射电镜照片，其中区域Ⅰ为SiC颗粒，区域Ⅱ为Al基体，二者之间的光亮带即为界面，该亮带的存在起到过渡衔接的作用，避免了SiC颗粒与基体之间出现属于弱界面结合方式的普通机械咬合，该处未发现块状的Al4C3脆性相生成。

图7 SiCp/Al复合材料界面的TEM照片(1p，250 ℃)

图8所示为高温氧化处理后SiC颗粒的XPS分析曲线。通过检测Si 2p的电子结合能，寻得的两谱峰100.6 eV和103.2 eV分别对应SiC和SiO2，再次验证经高温氧化处理的SiC表面形成了SiO2包覆膜。从图8(c)中4道次ECAPT变形后的复合材料界面处的X射线光电子能谱的分析图谱可知，检测到Al 2p的电子结合能为74.2 eV的谱峰，该峰对应于Al2O3中的Al 2p峰，这表明界面处的SiO2与基体Al发生了保护反应。值得注意的是，并未检测出对材料性能不利的Al4C3中的Al 2p峰(73.6 eV)，与XRD和TEM的分析结果相吻合。基于XPS半定量分析理论，利用图8中(b)和(c)的谱峰2和1的面积比考量ECAPT变形对界面保护反应的反应程度的影响。1道次与4道次变形后的的双峰面积比依次为0.55:1和0.82:1，即随变形道次增加，Al2O3含量增多，界面的保护反应程度增大。

图8 XPS图谱

2.4 ECAPT变形对相对密度、显微硬度和压缩性能的影响

复合材料内部的微观结构决定材料的宏观性能，除前文提到的显微组织、微晶尺寸、位错密度及界面反应程度，粉体材料内部含有孔隙的多少(后文用相对密度做表征)也与性能有密切联系。图9所示为变形道次与相对密度和显微硬度的关系。由图9可以发现，随变形道次增加，试样的相对密度和显微硬度均呈现明显的升高趋势。变形温度相同时，变形道次增加，位错密度逐渐升高，材料的加工硬化效果越来越明显，材料的硬度明显升高，4道次后达到53 HV，相比1道次的硬度提高约10%。与此同时SiC颗粒逐步破碎、细化，使得团聚现象得到改善，孔隙得到有效闭合，相对密度提高。在相同的变形温度下，试样的相对密度与显微硬度密切相关，即材料越致密，显微硬度越高。此外，致密效果的提升，位错密度的增大，以及界面结合强度的改善也使得材料的压缩性能得到提高。图10所示为变形道次与材料压缩性能的关系，可见4道次变形后材料的屈服强度相比1道次提高了16%。

图9 变形道次与相对密度和显微硬度的关系

3 结论

1) 随ECAPT变形道次增加，SiC颗粒团聚现象得到改善，微晶尺寸逐渐减小，位错密度降低。

图10 变形道次与SiCp/Al压缩性能的关系

2) 界面处SiO2与基体Al发生保护反应生成Al2O3，且反应程度随变形道次增加而加剧。此外，并未发生有害的界面反应，无Al4C3脆性相生成。

3) 试样的致密效果和显微硬度均随道次增加呈明显的升高趋势；在致密效果提升，位错密度增大，以及界面结合状况改善的综合作用下，材料的压缩性能得到显著提高，4道次变形后材料的屈服强度比1道次提高16%。

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(编辑 高海燕)

Effect of equal channel angular pressing and torsion on microstructure and mechanical properties of SiCp/Al composite

LIU Hongli, LI Ping, XUE Kemin, QIAN Chenhao

(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei230009, China)

The severe plastic deformation can make a great difference to the microstructure and mechanical properties of materials. In this paper, based on the SiCp/Al composite powder, different ECAPT deformation processes in various severities were carried out. The microstructure evolution, mechanical properties and interfacial reaction of different samples were analyzed by OM, XRD, TEM and XPS, as well as draining method and mechanical property test. The results show that the agglomeration of particles and the dislocation density of the samples improve evidently and the crystallite sizes decrease with increasing the passes number. Protective reaction of SiO2and Al occurs at the interface, and the degree raises with the passes number. There is no harmful chemical reaction and no brittle phase of Al4C3appearing at the interface. The microhardness and yield strength of the material improve 10% and 16% respectively after 4 passes deformation, compared with 1 pass deformation material.

SiCp/Al composite material; equal channel angular pressing and torsion (ECAPT); microstructure; interfacial reaction; mechanical properties; severe plastic deformation

TB331; TG376

A

1673−0224(2016)06−817−07

国家自然科学基金资助项目(51175138)；教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-13-0765)

2015−12−07；

2016−03−12

薛克敏，教授，博士。电话：0551-62901368；E-mail: xuekm0721@sina.com