CeO2對SiCp/Al-Si復(fù)合材料組織及性能的影響

王榮旗，謝敬佩，吳文杰，王愛琴

(河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)

CeO2對SiCp/Al-Si復(fù)合材料組織及性能的影響

王榮旗，謝敬佩，吳文杰，王愛琴

(河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽 471023)

摘要：采用粉末冶金法制備SiCp/Al-Si復(fù)合材料，以CeO2為變質(zhì)劑，制備含CeO2的SiCp/Al-Si復(fù)合材料。研究CeO2的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))對復(fù)合材料組織和力學(xué)性能的影響，探討復(fù)合材料中CeO2在燒結(jié)過程中的作用機理。研究結(jié)果表明：添加CeO2可以有效提高復(fù)合材料的致密度和室溫拉伸性能，復(fù)合材料的致密度和室溫拉伸性能隨CeO2添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0%~1.80%)的增加先升高后降低，在CeO2的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.60%時出現(xiàn)峰值。隨著CeO2添加量的增加，CeO2顆粒發(fā)生集聚長大。當(dāng)稀土添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.60%時，變質(zhì)效果最好。此時，硅相的平均尺寸最小且形態(tài)明顯球化，硅顆粒的平均直徑從7 μm下降到5 μm以下。

關(guān)鍵詞：粉末冶金；冷壓；燒結(jié)；稀土；力學(xué)性能

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51371077)

通信作者

作者簡介：王榮旗(1989-),男,河南新鄉(xiāng)人,碩士生;謝敬佩(1957-),男,,河南安陽人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為金屬復(fù)合材料.

收稿日期：2014-11-04

文章編號：1672-6871(2015)02-0001-04

中圖分類號：TF124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：志碼：A

0引言

碳化硅顆粒增強鋁硅基復(fù)合材料是一種具有高比強度的新型材料，相比于傳統(tǒng)的鋼鐵材料具有密度低、線膨脹系數(shù)可控制、良好的導(dǎo)熱性以及高比強度等優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用到航空航天、電子封裝等行業(yè)，目前已經(jīng)成為鋁基復(fù)合材料的研究熱點[1-2]。由于SiCp/Al-Si復(fù)合材料在制備過程中產(chǎn)生了大量的粗大多角形的析出硅，且其較脆，嚴(yán)重割裂基體，降低了合金的力學(xué)性能與切削加工性能。因此，如何通過添加變質(zhì)劑細(xì)化析出硅，提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，對于SiCp/Al-Si復(fù)合材料的應(yīng)用及其變質(zhì)理論的完善發(fā)展具有重要意義。文獻(xiàn)[3-4]的研究結(jié)果表明：在鑄造鋁硅合金中，稀土可有效細(xì)化初晶硅和共晶硅，提高合金的室溫力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。關(guān)于粉末冶金鋁硅合金中稀土的添加方式以及其對于基體材料的組織與性能的影響等方面尚缺乏系統(tǒng)深入的研究。純單質(zhì)稀土Ce在室溫下具有很高的化學(xué)活性，直接添加時燒損嚴(yán)重，而CeO2在常溫空氣中較穩(wěn)定[5]。本文以CeO2作為變質(zhì)劑加入SiCp/Al-Si復(fù)合材料中，研究CeO2對稀土變質(zhì)SiCp/Al-Si復(fù)合材料組織與性能的影響，探討CeO2在燒結(jié)過程的作用機理。

1試驗

試驗用原料粉末為Al-20Si-1.5Cu-0.8Mg(質(zhì)量分?jǐn)?shù))粉末、SiC粉末、CeO2粉末，其中，SiC粉末在混合粉末中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計為20%，CeO2的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.15%、0.30%、0.60%、1.20%和1.80%。首先，在QM-BP行星球磨機上混料2 h，球料質(zhì)量比為2∶1；然后，以500 MPa壓力將混合粉末冷壓成直徑為78 mm、長為48 mm的坯料；接著對冷壓坯料進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為550 ℃，燒結(jié)3 h(保護(hù)氣體為N2)；最后，將燒結(jié)后的培料熱擠壓成直徑為20 mm、長為500 mm的棒料，擠壓比(橫截面積)為15∶1，擠壓溫度為500 ℃。

將制得的坯樣機械加工成各種規(guī)則的檢測試樣。利用X射線能譜分析儀(EDAX)JSM-5610LV掃描電鏡，觀察微觀組織特征并對組織中存在的各種相進(jìn)行能譜分析；采用排水法測定試樣密度；在島津AG-1 250 kN精密萬能材料試驗機上進(jìn)行拉伸試驗，測定合金的抗拉強度和伸長率。

2試驗結(jié)果與分析

2.1　CeO2添加量對復(fù)合材料微觀組織的影響

圖1是不同CeO2添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的SiCp/Al-Si復(fù)合材料背散射電子圖像(SEM組織)，不同成分顆粒的亮度不同。結(jié)合能譜結(jié)果分析，在未添加CeO2復(fù)合材料中，亮度較暗的顆粒為SiC顆粒，較亮顆粒為析出的硅顆粒；在含有CeO2復(fù)合材料中，SiC顆粒、析出硅顆粒和CeO2顆粒的亮度依次增強。從圖1中可以看出：變質(zhì)后的硅相尺寸明顯減小，在未變質(zhì)的復(fù)合材料中存在著較大的、不規(guī)則的、帶有尖銳棱角的硅顆粒；變質(zhì)后硅顆粒尺寸變小，形貌趨于球狀。通過比較可以看出：當(dāng)CeO2添加量不超過0.60%時，隨著CeO2添加量的增加，析出硅顆粒數(shù)量增多，尺寸逐漸減小，析出硅呈現(xiàn)細(xì)小圓潤顆粒狀的區(qū)域逐漸增多，其細(xì)化效果越來越明顯；當(dāng)CeO2添加量超過0.6%時，硅相的尺寸隨著CeO2添加量w的增加而增大，硅相呈現(xiàn)粗大帶尖角狀的區(qū)域逐漸增加，CeO2的細(xì)化效果下降。

為進(jìn)一步確定析出硅相大小以及形貌上的變化，利用圖像分析軟件Image Pro-plus測定析出硅顆粒平均等積圓直徑和形狀因子。不同稀土添加量的復(fù)合材料中析出硅相的尺寸和形狀因子如圖2所示。

圖2　 不同CeO2添加量的SiCp/Al-Si復(fù)合材料 Si相形貌和尺寸

從圖2的結(jié)果可見：隨著CeO2添加量的增加，析出硅相的平均等積圓直徑先減小后增大；而析出硅的平均形狀因子先增大后減小，在稀土添加量為0.60%時，析出硅相尺寸最小，形態(tài)球化效果最明顯。這個結(jié)果與微觀組織的分析是一致的。

Si和CeO2的基本物理參數(shù)見表1。由表1可知：CeO2和Si的a值相差較小，錯配度δ=0.004。可見，CeO2與Si存在共格關(guān)系[6-8]，可作為析出硅相的非均勻形核核心，大量的形核核心起到細(xì)化析出硅相的作用。當(dāng)CeO2添加量為0.60%時，細(xì)化效果最明顯；而當(dāng)CeO2添加量過高或過低時，變質(zhì)效果降低。這是由于：當(dāng)CeO2添加量低于0.60%時，襯底較少，導(dǎo)致變質(zhì)不充分；當(dāng)CeO2添加量高于0.60%時，CeO2顆粒發(fā)生集聚長大，生成大量的CeO2夾雜[9-10]，降低細(xì)化效果。

2.2　CeO2添加量對復(fù)合材料致密度的影響

圖3為SiCp/Al-Si復(fù)合材料的相對密度(致密度)隨CeO2添加量的變化。從圖3中可以看出：復(fù)合材料的相對密度隨著CeO2添加量的增加從96.38%升高到98.50%，然后降低到97.10%；在CeO2添加量為0.60%時，復(fù)合材料的相對密度達(dá)到峰值98.50%。研究表明：粗大多角形的硅相作為硬脆相，嚴(yán)重割裂基體，并且較大的、帶有尖銳棱角的硅顆粒不能夠與基體緊密的結(jié)合，造成析出硅相與基體間的孔隙增多，從而影響材料的致密度[11]。當(dāng)CeO2添加量為0.60%時，變質(zhì)效果最佳，硅相多呈現(xiàn)細(xì)小圓潤顆粒狀，硅相與基體之間結(jié)合緊密，孔隙較少，提高了材料的致密度。CeO2添加量過高或過低都不能夠?qū)ξ龀龉柘喈a(chǎn)生較好的變質(zhì)效果，致使硅相多呈粗大的多面體不規(guī)則狀，從而降低材料的致密度。

表1　Si和CeO2的基本物理參數(shù)

2.3　CeO2添加量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖4為不同CeO2添加量的SiCp/Al-Si復(fù)合材料的抗拉強度與伸長率。由圖4可以看出：隨CeO2添加量增加，復(fù)合材料的抗拉強度從190 MPa開始增大到265 MPa,然后減小到205 MPa，抗拉強度的峰值出現(xiàn)在CeO2添加量為0.60%時。隨CeO2添加量增加，合金的伸長率從2.70%增加到6.13%,然后減小到3.12%，峰值點同樣出現(xiàn)在添加量為0.60%時。

圖3SiCp/Al-Si復(fù)合材料的致密度隨CeO2添加量增加的變化

圖4CeO2添加量對SiCp/Al-Si復(fù)合材料室溫拉伸性能的影響

本研究中復(fù)合材料的力學(xué)性能主要與燒結(jié)致密度及強化相粒子數(shù)量、大小與分布等密切相關(guān)。孔隙的存在導(dǎo)致材料在外力作用下，沿孔隙尖端所引起的應(yīng)力集中，形成微裂紋，使得材料的強度和塑性降低[12]。結(jié)合圖3可以得出：當(dāng)CeO2添加量過高或過低時，復(fù)合材料致密度較低，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能降低。析出硅相在復(fù)合材料中作為強化相起到了彌散強化的作用。結(jié)合圖1可知：當(dāng)CeO2添加量為0.60%時，析出硅相尺寸較小，數(shù)量較多且分布均勻，同時硅顆粒表面鈍化，與基體結(jié)合緊密，大大提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能；當(dāng)CeO2添加量過高或過低時，析出硅相的彌散強化作用降低。圖5為不同CeO2添加量的SiCp/Al-Si復(fù)合材料的室溫拉伸斷口形貌。從圖5中觀察到：當(dāng)CeO2添加量為0.60%時，復(fù)合材料拉伸斷口的韌窩最為發(fā)達(dá)，具有明顯的韌性斷裂特征。當(dāng)CeO2添加量過高或過低時，復(fù)合材料拉伸斷口的韌窩數(shù)量減少，且出現(xiàn)了沿晶斷裂，對復(fù)合材料的力學(xué)性能不利。

圖5　不同CeO2添加量的SiCp/Al-Si復(fù)合材料的拉伸斷口形貌

3結(jié)論

(1)添加微量的CeO2能夠提高SiCp/Al-Si復(fù)合材料的燒結(jié)致密度，但過量添加CeO2反而使燒結(jié)致密度降低。(2)隨CeO2添加量增加，CeO2顆粒發(fā)生集聚長大。微量的CeO2對SiCp/Al-Si復(fù)合材料中的析出硅相具有明顯的變質(zhì)效果，CeO2可以促進(jìn)析出硅相的異質(zhì)形核，從而細(xì)化析出硅，增加析出硅的數(shù)量，且使硅相鈍化。CeO2的最佳添加量為0.60%，過高或過低的CeO2添加量會降低變質(zhì)效果。(3)隨著CeO2含量的增加，SiC顆粒增強Al-Si復(fù)合材料的抗拉強度，從190 MPa開始增大到265 MPa，然后減小到205 MPa；伸長率從2.70%增加到6.13%，然后減小到3.12%。當(dāng)CeO2添加量為0.60%時，材料的抗拉強度與伸長率達(dá)到極值，分別為265 MPa和6.13%。

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