高壓條件下Al2O3/Al-10Si組織演變及力學性能

張艷衡 朱冬冬 王 剛 董 多 王曉紅

（1 安徽工程大學材料科學與工程學院，蕪湖 241000）

（2 衢州學院機械學院，衢州 324000）

文 摘 采用熱壓燒結與高壓凝固分別制備了不同壓力下Al2O3/Al-10Si 復合材料，研究了高壓對Al2O3/Al-10Si 復合材料的組織演變規律及力學性能的影響。結果表明，高壓凝固Al2O3/Al-10Si 復合材料由α 相，β相和Al2O3強化相組成，其中α 相呈胞狀，在α 相晶界處存在少量粒徑約為0.1 μm 的顆粒狀β 相；對于不同壓力下制備的復合材料性能研究發現，凝固壓力增加，α 相中Si 的固溶度增加，顯微硬度及拉伸強度也隨之提高，顯微硬度由熱壓燒結時的55.3 HV，增加到了5 GPa 時的128.1 HV，提高了133%，拉伸強度由熱壓燒結時的126 MPa，增加到了5 GPa時的702 MPa，這是由于高壓導致α相中Si固溶度增加，形成了固溶強化。

0 引言

Al2O3/Al-Si 復合材料，具有比強度高、熱穩定性［1-3］良好等特點，被廣泛應用于航空航天、汽車和軌道交通等領域［4-6］。隨著使用范圍的擴大，Al2O3/Al-Si 復合材料的強度和硬度不能滿足日益增長的使用需求。目前的研究主要集中在改善Al-Si 合金的組織形貌或進行固溶處理［7-9］，從而獲得細小均勻的顯微組織和過飽和固溶體［10-11］，以此提高力學性能來滿足工業需求。

凝固反應在極端高壓環境下進行，材料的熔點、密度、元素擴散系數和分配系數均發生極大改變［12-15］，導致凝固組織相的構成和微觀形貌發生變化，形成亞穩態結構［16-17］。因此，高壓可通過影響凝固過程改變凝固組織的分布和狀態，最終達到改善材料性能的目的。近年來，高壓凝固已經成為一項研究熱門。LI 等［18］在4、5 GPa 的壓力制備了不同成分的Al-Si 合金，發現高壓雖然沒有導致Al-Si 生成新的相，但是Al-Si 相圖的共晶點隨著壓力升高向Si方向移動。MA等［19］研究了分別在1、2、3 GPa壓力下凝固的Al-20Si 的力學性能和強化機制，認為高壓形成過飽和固溶體，從而產生固溶強化是主要強化機理。LIU 等［20］采用高壓凝固的方法制備了Al-7Si，并通過時效處理將硅相細化到納米級，發現硅相細化可以同時提高鋁硅二元合金的強度和延展性。MA等［21］研究了高壓凝固SiCp/Al-20Si，發現SiC 和高壓的共同作用下，初生Si由片狀轉變為細纖維狀。

研究表明，常壓條件下，液態Al 對于Al2O3的潤濕性差［22］，隨著熔體流動，復合材料中的Al2O3顆粒容易偏聚，導致常壓條件制備Al2O3/Al復合材料工藝復雜。增加凝固壓力可以提高材料界面潤濕性［23］，且抑制熔體流動［24］，有利于獲得成分均勻的復合材料。本文主要研究高壓凝固Al2O3/Al-10Si 復合材料的凝固過程及組織形貌，不僅對探索高壓凝固復合材料材料組織演變規律具有重要意義，還可以開發顆粒強化鋁基復合材料的應用潛力，擬為制備高性能的Al2O3/Al-10Si復合材料提供理論基礎。

1 實驗

采用鋁粉（99.9%、80 μm）、硅粉（99.9%、80 μm）和α-Al2O3顆粒（20 μm），配成名義為Al2O3/Al-10Si復合材料粉末（α-Al2O3顆粒為占總體積的10%），加入酒精放入球磨機內混粉6 h，轉速為200 r/min，蒸干后得到的均勻粉末通過液壓機在冷壓模具內制得Φ9.6 mm×10 mm 的素坯，包裹上絕緣圈放入葉臘石模具中密封。高壓實驗在HTDS-032F型六面頂壓機上進行，壓力到達設定值（3、4、5 GPa）后升溫至1 000℃，保溫30 min 后冷卻至室溫，卸壓得到高壓凝固試樣；熱壓燒結試樣采用JVLF211 實驗室真空熱壓燒結爐制備，真空度為1 mPa，燒結溫度為555 ℃。熱壓與高壓試樣經打磨拋光后使用0.5%的HF 腐蝕20 s制得金相試樣。

采用布魯克D8 ADVANCE 型X 射線衍射儀（XRD）和Hitachi SU8010 掃描電子顯微鏡（SEM）分別分析不同壓力下凝固試樣的物相及顯微組織形貌；通過阿基米德排水法測試材料的密度；使用DUH-211S 島津動態顯微硬度儀測量材料的顯微硬度，為了提高結果的準確性，顯微硬度值取5 次結果的平均值，并將試樣切割成2 mm×2 mm×4 mm 的壓縮試樣進行壓縮實驗，壓縮速率為0.5 mm/min，通過測試材料的顯微硬度和抗壓強度研究材料的力學性能。

2 結果與討論

2.1 Al2O3/Al-10Si復合材料組織形貌

圖1（a）給出了不同壓力下凝固的Al2O3/Al-10Si復合材料的XRD 圖譜。結果顯示，Al2O3/Al-10Si 復合材料由α-Al 相、β-Si 相和Al2O3強化相組成，高壓凝固Al2O3/Al-10Si復合材料α相衍射峰的強度增高，且隨著凝固壓力的升高，α 相衍射峰的強度繼續提高，衍射峰面積隨之增大，即α 相含量增加。高壓凝固并沒有使Al2O3/Al-10Si 復合材料物相組成發生改變，但改變了α相的體積分數。

圖1 Al2O3/Al-10Si復合材料XRD圖Fig.1 XRD spectra of Al2O3/Al-10Si composite

為了進一步研究高壓凝固對于α 相中Si 固溶度的影響，采用步進掃描對Al2O3/Al-10Si復合材料α相的衍射峰進一步分析，結果如圖1（b）所示，隨著壓力的增加，α相的衍射峰向高角度偏移。由布拉格方程可知，波長不變的情況下，衍射角增加是由于晶體的晶面間距減小所造成的，從而說明晶格常數減小［25-26］。而Si 原子的半徑小于Al 原子半徑，晶格常數減小，說明了更多的Si 原子替換了α 相中的Al 原子，即α相中Si的固溶度增加。

圖2 為不同方法制備的Al2O3/Al-10Si 復合材料的組織形貌。由圖2（a）看出，熱壓燒結Al2O3/Al-10Si 復合材料由α 相和Al2O3強化相組成，且Al2O3顆粒大多彌散分布于α 相晶界處。由圖2（b）～圖2（d）可看出，高壓凝固Al2O3/Al-10Si 復合材料基體組織為胞晶狀的α 相，無明顯的（α+β）共晶組織，Al2O3顆粒分布于α 相晶界。Al2O3顆粒具有強度高、穩定性好的特點，在基體受力變形時，可承受部分載荷并抑制變形，從而提高材料力學性能。

對于亞共晶Al-10Si 合金，在常規凝固條件下，隨著凝固反應進行，液相中首先析出少量初生α-Al相，隨著初生相的增加，合金到達共晶成分，液相中形成大量的（α+β）共晶相。同時在α 相生長，熔體多余的Si元素在固-液界面前沿形成溶質堆積，導致凝固界面失穩，α相最終凝固形態呈枝晶狀。而凝固壓力變為高壓，Si 元素的擴散激活能增加，擴散速率減小，使α 相生長時Si 的析出受到抑制，凝固界面趨于穩定，晶體的生長方式逐漸等軸化，最終導致Al2O3/Al-10Si復合材料α相呈胞狀生長的趨勢。

圖2 Al2O3/Al-10Si復合材料組織形貌Fig.2 Al2O3/Al-10Si composite microstructure

在分析高壓下凝固的Al2O3/Al-10Si 復合材料α相粒徑時，發現隨凝固壓力增加，α 相晶粒尺寸無明顯變化。比較不同方法制備的Al2O3/Al-10Si 復合材料α相粒徑，相對于熱壓燒結，明顯發現在3、4、5 GPa壓力下凝固的Al2O3/Al-10Si 復合材料α 相晶體粒徑較小［圖2（b）～圖2（d）］。高壓可以降低晶體形核能，從而促進晶體形核，增加晶體數量；同時，壓力升高抑制原子的長程擴散，從而降低晶體的生長速度。在高壓的綜合作用下，Al2O3/Al-10Si復合材料α 相晶粒細化。

圖3 為不同壓力下凝固的Al2O3/Al-10Si 復合材料β 相形貌，由圖3（a）看出，凝固壓力為3 GPa 時，Al2O3/Al-10Si 復合材料α 相邊界處彌散分布著細小顆粒狀的相，粒徑約為0.1 μm，長徑比基本為1∶1，經XRD 與EDS 分析確定為β-Si。由圖3（b）、圖3（c）看出，隨著凝固壓力增加，β相顆粒尺寸不變，但整體所占體積比減少，說明高壓對于β 相晶粒的析出起到了抑制作用。

不同方法制備的Al2O3/Al-10Si 復合材料的能譜分析結果如表1 所示。熱壓燒結Al2O3/Al-10Si 復合材料α 相中Si 的固溶度為1.22%，凝固壓力為3 GPa時，Al2O3/Al-10Si復合材料α相中Si的固溶度為5.22%，當凝固壓力增加到4 GPa 時α 相中Si的固溶度達到了5.76%，5 GPa 時為6.51%。結果表明，高壓凝固會導致Al2O3/Al-10Si 復合材料α相中Si的固溶度大幅增加，與常壓相比形成過飽和固溶體。

圖3 高壓凝固Al2O3/Al-10Si復合材料β相形貌Fig.3 β phase morphology of high pressure solidified Al2O3/Al-10Si composites

由于Al 與Si 的晶體結構不共格，導致熱壓燒結的Al2O3/Al-10Si 復合材料α 相中Si 的固溶度極低。常規凝固條件下，隨著凝固反應的進行，α 相生長導致Si元素偏析，固-液界面前沿的Si固溶度升高逐漸達到共晶點，最終凝固組織出現（α+β）共晶相。凝固壓力上升達到GPa 級后，元素擴散受到抑制，Si 元素擴散速率減小，而凝固反應進行時固-液界面的推進速度變化不大，逐漸導致更多的Si 元素滯留在α 相內，Al2O3/Al-10Si復合材料α相中Si的固溶度隨壓力的增加而增加，逐漸接近熔體中的Si 含量，α 相生長時析出的Si 元素總量減小，最終導致β 相體積分數隨凝固壓力升高而減小。

表1 Al2O3/Al-10Si復合材料的EDS能譜分析結果Tab.1 EDS analysis results of Al2O3/Al-10Si composites

2.2 Al2O3/Al-10Si復合材料力學性能

圖4 為不同方法制備的Al2O3/Al-10Si 復合材料α 相顯微硬度。可以看出，熱壓燒結Al2O3/Al-10Si復合材料α 相顯微硬度為55.3 HV，隨著凝固壓力升高，達到5 GPa時，Al2O3/Al-10Si復合材料α相顯微硬度達到128.1 HV，與熱壓燒結相比，α 相顯微硬度顯著增加，提高了133%。隨著壓力的升高，α相中Si含量增加，更多的Si 原子代替了晶胞中的Al 原子，α 相晶格畸變增大，阻礙位錯運動，導致Al2O3/Al-10Si 復合材料α相顯微硬度增加。

圖4 Al2O3/Al-10Si復合材料α相顯微硬度Fig.4 Micro-hardness of α phase of Al2O3/Al-10Si composite

圖5為不同方法制備的Al2O3/Al-10Si復合材料壓縮應力-應變曲線。可以看出，Al2O3/Al-10Si復合材料的拉伸強度和壓縮率均隨著壓力的增加而增加。熱壓燒結制備的Al2O3/Al-10Si復合材料拉伸強度僅為126 MPa。凝固壓力為3 GPa時，材料的拉伸強度為458 MPa，且隨著凝固壓力增加，Al2O3/Al-10Si復合材料拉伸強度繼續增加，4 GPa為514 MPa，凝固壓力增加為5 GPa，拉伸強度達到了702 MPa。

圖5 Al2O3/Al-10Si復合材料應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of Al2O3/Al-10Si composite

不同方法制備的Al2O3/Al-10Si 復合材料的密度如表2 所示。根據計算，Al2O3/Al-10Si 復合材料的理論密度為2.78 g/cm3，熱壓燒結制備的材料致密度為92.4%，壓力增加到GPa 級后，材料密度已經基本接近理論密度，致密度增加，有利于Al2O3/Al-10Si 復合材料力學性能提升。

表2 Al2O3/Al-10Si復合材料密度Tab.2 Density of Al2O3/Al-10Si composite

隨著壓力增加，Al2O3/Al-10Si復合材料拉伸強度和壓縮率均大幅度增加。一方面，高壓導致Al2O3/Al-10Si 復合材料α 相中Si 的固溶度增加，形成固溶強化，增加了材料的拉伸強度；另一方面，就熱壓燒結而言，高壓凝固Al2O3/Al-10Si 復合材料施加的凝固壓力大量增加，導致材料致密度增加，逐漸接近1，從而提高材料的力學性能。

3 結論

通過在凝固過程中施加不同壓力制備出Al2O3/Al-10Si 復合材料，研究了壓力對于復合材料形貌的演變及力學性能的影響，得出下列結論。

（1）高壓抑制Si 元素的擴散析出，提高晶體生長的界面穩定性，導致Al2O3/Al-10Si復合材料α相等軸化，逐漸呈現出胞狀生長的趨勢。

（2）隨著凝固壓力的增加，高壓凝固Al2O3/Al-10Si復合材料β相體積分數減小。

（3）與燒結相比，高壓凝固Al2O3/Al-10Si 復合材料α 相粒徑明顯減小，且Si 的固溶度隨著凝固壓力增加而增加，顯微硬度隨之增加，凝固壓力達到5 GPa 時，α 相中Si 的固溶度為6.33%，顯微硬度達到128.1 HV，比熱壓燒結Al2O3/Al-10Si 復合材料α 相顯微硬度提高了133%。

（4）隨著壓力的增加，Al2O3/Al-10Si 復合材料拉伸強度大幅度增加，壓力為5 GPa時制備的Al2O3/Al-10Si復合材料拉伸強度達到了702 MPa。