熱處理工藝對鋁基復合材料組織與性能的影響

王思佳，成小樂，鄧文舉，彭 耀，侯夢楠

(西安工程大學 機電工程學院，陜西 西安 710048)

傳統6×××系鋁合金材料存在剛度低、耐磨性差和高溫強度低等缺陷使其應用局限于輕工業(yè)領域[1-3]。在深入研究鋁合金材料性能的過程中，研究者發(fā)現通過摻雜B4C陶瓷顆粒可以制備出具有剛性高、強度高、熱穩(wěn)定性好和耐磨性強等諸多優(yōu)點的鋁合金復合材料[4-6]。由于復合材料結合了B4C的耐高溫、高硬度、低密度和較強的中子屏蔽能力等特性，因此在航空航天、電子電器、汽車制造和先進武器裝備等領域應用廣泛[7-9]。B4C/6061Al復合材料還被用來制備導航系統、微波電路插件、電子包裝設備等精密零件[10-12]。然而，B4C/6061Al復合材料在關鍵構件應用上仍存在塑性低、斷裂韌性弱等缺陷，會導致復合材料疲勞性能降低而過早失效，因此熱處理工藝是改善其穩(wěn)定性的重要手段之一[13]。

熱處理工藝對于改善材料的強度、耐磨損以及可加工性能等方面具有重要的意義。趙芳等[14]將6061鋁合金擠壓型材結合T6熱處理，再480 ℃固溶45 min，合金強度明顯提高；但是隨著固溶溫度升高，T6狀態(tài)下的延伸率不會發(fā)生明顯變化。李落星等[15]在固溶溫度為535 ℃，固溶時間為1 h，人工時效溫度為180 ℃，時效為8 h的條件下，6061鋁合金擠壓棒具有最佳的固溶強化效果，硬度達到70HV。李宇力等[16]研究了熱處理對B4Cp/6061Al復合材料強度和塑性的影響，結果表明與退火狀態(tài)相比，在T6狀態(tài)下復合材料的拉伸強度和硬度分別提高了15%和12%。因此研究B4C/6061Al復合材料T6熱處理后的組織與性能，有助于進一步改善B4C/6061Al復合材料的強度、耐磨損性以及可加工性能。

課題組研究的原材料分別為6061Al合金和B4C質量分數為10%的B4C/6061Al坯料[17-19]，研究了材料經T6熱處理前后的組織與性能的變化，探究了熱處理對組織及性能影響的微觀機理。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

課題組采用粉末冶金法(鋁粉混合、真空熱壓燒結)制備試驗用6061Al合金，其成分如表1所示。在此基礎上，通過攪拌鑄造法(碳化硼顆粒放入鋁基體熔液中攪拌，充分混合，澆注成件)制備B4C/6061Al復合材料，其主要化學成分為：Mg，Si，Cu，Ti，Mn質量分數均與6061Al合金中各元素質量分數相等，而B4C質量分數為10%，且B4C顆粒直徑為10～20 μm。

表1 6061Al合金的化學組分(質量分數)Table 1 Chemical components of B4C/6061Al(mass fraction) %

1.2 試驗方法

分別將6061Al和B4C/6061Al復合材料的錠坯擠壓變形，然后進行T6熱處理(535 ℃保溫5 h后在90 ℃的水中淬火5 min，165 ℃時效4.5 h)。用線切割方式將2種合金板材切割成20 mm×50 mm×5 mm的試樣，將試樣采用砂紙逐層打磨和機械拋光后進行腐蝕，先放入20%的HF溶液浸蝕1 min，再放入10%HF溶液中浸蝕1 min。為確保斷口清潔，將試樣放入乙醇溶液中超聲波清洗1～2 min，并采用FlexSEM1000型掃描電鏡觀察其微觀結構組織。

采用線切割的方式沿平行于擠壓擠出的方向切取，制備加工長度為55.0 mm、標距為23.0 mm、厚度為3.5 mm的標準拉伸試驗塊。根據GB/T 228—2002《金屬拉伸試驗方法》，借助UTM5504電子萬能試驗機以2 mm/min拉伸速度測試樣品的拉伸性能。拉伸試驗結束后，用掃描電子顯微鏡觀察樣品的斷裂面及其特征。

2 試驗結果與分析

2.1 T6熱處理對材料顯微組織的影響

6061Al和B4C/6061Al經T6熱處理后的SEM形貌如圖1所示。

圖1 6061Al和B4C/6061Al復合材料經T6熱處理SEM照片Figure 1 SEM micrographs of 6061Al and B4C/6061Al composite material after T6 heat treatment

圖1(a)中，晶內和晶界殘留許多黑色粗大脆性相(如A1，A2所示)，大小較原始試樣幾乎沒有變化，原本存在合金第二相相對溶解，溶質和部分相進入基體，鋁基晶粒也在一定程度上獲得生長并形成了少量等軸晶粒(如A3所示)。在相同熱處理工藝條件下，經過T6熱處理的B4C/6061Al鋁基復合材料的微觀組織結構如圖1(b)所示，B4C/6061Al鋁基復合材料中的6061Al鋁合金晶粒更細長，同時伴有大量的棒狀細小析出物(如B1所示)，推測析出相為Mg2Si。

有研究表明，在B4C/6061Al復合材料中，B4C顆粒為硬質相，鋁基為塑性相。在塑性變形過程中，B4C顆粒在鋁基體中的分布可能有3種情況：①B4C顆粒沿鋁基體的晶界連續(xù)分布并圍繞鋁基體；②B4C顆粒不連續(xù)地分布在鋁基體的晶界上；③B4C顆粒不連續(xù)地分布在鋁基體晶體中。結合圖1(b)組織結構，可知文中B4C顆粒不連續(xù)地分布在鋁基晶體中(如B2，B3，B4所示)。復合材料與6061Al基體相比(如A3所示)，復合材料位錯相對增加，導致合金的可塑性提高。

為了便于分析，6061Al合金及B4C/6061Al鋁基復合材料未經熱處理工藝的微觀組織形態(tài)如圖2所示。圖2(a)中6061Al合金材料微觀表面分布有大量的黑色第二相(如A1，A2所示)，根據GP區(qū)形成理論推測是α+β(Mg2Si)共晶組織。同時，在晶界或晶界附近存在較多的白色骨骼狀析出物(如B3所示)，黑色相和白色針狀物主要由Al，Mg，Si和Fe元素組成，推測黑色條狀主要為Mg2Si相。圖2(b)中呈現出大量尖角狀、形狀不規(guī)則的B4C顆粒(如B1所示)，有光澤、并呈現較亮的顏色。而白色骨骼析出物則不連續(xù)地分布在B4C顆粒周圍(如B2所示)。鋁基體晶粒尺寸(如A3所示)相對于T6熱處理后(見圖1(a)A3所示)較小，這樣更有利于變形，導致延伸率提高。

圖2 6061Al和B4C/6061Al復合材料SEM照片Figure 2 SEM micrographs of 6061Al and B4C/6061Al composite material

由圖2中2種類型材料在熱處理前后的微觀組織結構，可以發(fā)現B4C/6061Al復合材料進行T6熱處理可以部分消除合金中晶界之間的Mg-Si相和Mg-Al系化合物的偏析，使其可以溶解到合金基體中，從而提高復合材料的可塑性。在隨后的加工和變形中，可以提高鋁合金變形加工速率，進而有效提高復合材料產品的力學性能[20-24]。

2.2 熱處理對B4C/6061Al復合材料力學性能的影響

在采用拉伸試驗機測試材料力學性能的過程中，在同等條件下對5組相同的測試樣品進行試驗，將其測試平均值作為該組樣品的力學性能數值。為了便于區(qū)分，將不同類型材料編號為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，具體如表2所示。

表2 6061Al和B4C/6061Al復合材料樣品熱處理方案Table 2 Heat treatment scheme of 6061Al and B4C/6061Al composite material samples

圖3所示為各樣品的測試結果。由圖3可知，B4C/6061Al復合材料的屈服強度和抗拉強度分別為131和160 MPa，而6061Al材料的屈服強度和抗拉強度分別為133和152 MPa。這說明，B4C顆粒并未對材料的屈服強度和抗拉強度產生明顯影響。經過T6熱處理后，B4C/6061Al復合材料的屈服強度和抗拉強度分別達到221和246 MPa。顯然，熱處理后復合材料的屈服強度和抗拉強度得到了極大地提高，然而延伸率卻從22%降低到20%。同時，熱處理工藝也對6061Al材料的屈服強度和抗拉強度產生了明顯的影響，其值分別達到204和210 MPa。以上結果表明，熱處理工藝能夠顯著提高材料的屈服強度和抗拉強度，卻降低了材料的延伸率。

圖3 T6熱處理對樣品的性能的影響Figure 3 Effect of T6 heat treatment on performance of samples

2.3 B4C/6061Al復合材料拉伸斷口的微觀形貌

圖4所示為室溫下6061Al材料拉伸斷口的SEM照片。拉伸試樣在斷裂之前會收縮，說明在拉伸斷裂之前已經經歷了一定程度的塑性變形，從圖4(a)和(b)可以初步確定斷裂類型為韌性斷裂。圖4(a)斷面出現一些微孔的聚集和斷裂，這是在正常拉伸正應力作用下形成的等軸韌窩斷口(如白色橢圓標記所示)。圖4(b)中斷裂凹痕小、深度淺(如白色橢圓標記所示),可塑性差，變形過程明顯地硬化。

對6061Al鋁合金進行T6熱處理后，圖4(c)中白色橢圓C2標記表面拉伸斷裂上等軸韌窩的數量增加，大韌窩周圍出現小韌窩，也是韌性斷裂的特征。合金的拉伸斷裂表面較暗，斷裂表面相對較平(如白色橢圓C1標記所示)，并且有剪切唇。裂縫上有大量類似河流的撕裂邊緣(如白色橢圓D1，D2標記所示)，并且整個表面上存在大量大小、形狀和深度不同的韌窩，這種狀態(tài)下的可塑性很強。

圖4 6061Al試樣室溫拉伸斷口形貌(SEM)Figure 4 SEM micrographs showing fracture morphologies of 6061Al tensile samples

圖5(a)和(b)是B4C/6061Al復合材料的斷口形貌圖，復合材料的斷裂形貌中存在大量韌窩，這是典型的韌性斷裂。從圖5(a)中斷口觀察到斷裂的碳化硼顆粒(如白色橢圓a1標記所示)，以及少量的界面脫粘現象(如白色橢圓a2標記所示)。將復合材料結合T6熱處理后，從圖5(c)和(d)可以看出，韌窩數量多，深度更深，斷口形貌表現出明顯的塑性斷裂特征。除基體的韌窩以外，裂縫上出現一些類似河流的撕裂邊緣(如白色橢圓c1標記所示)，以及增強顆粒與基體之間的界面處還存在脫粘和顆粒斷裂的現象(如白色橢圓c2標記所示)。

圖5 室溫下B4C/6061鋁合金試樣拉伸斷口形貌(SEM)Figure 5 SEM micrographs showing fracture morphologies of B4C/6061alloy tensile samples

由圖5可知在有拉伸力作用下，B4C顆粒不會發(fā)生變形，并且碳化硼顆粒與鋁基體間的結合強度比較高，對復合材料的抗拉強度起到了增強作用。碳化硼顆粒周圍存在著深且陡的臺階(如圖5(b)白色橢圓標記所示)，表明裂紋在由增強體向鋁基體擴散的過程中，鋁基體周圍產生了較大的形變，對裂紋的擴展起到了較好的鈍化作用，所以復合材料宏觀上表現出了比較高的塑性。熱處理后復合材料的斷裂行為主要表現為基體合金的韌性斷裂，基體與顆粒之間的界面剝離以及顆粒斷裂(如圖5(d)白色橢圓標記所示)。復合材料裂紋主要有2種：B4C顆粒的斷裂和拔出。當裂紋尖端無缺陷地穿過B4C顆粒時，二者間的鍵合界面將產生較大的應力集中，當應力增大到大于B4C包覆的脆化層的強度時，脆化層就會破裂，B4C顆粒會從鋁基體中拔出。所以此時裂紋的擴展方式是以B4C顆粒的拔出為主。

3 結論

1)根據對B4C/6061Al復合材料結合T6熱處理的微觀組織分析，發(fā)現其晶粒更為細小，在界面處及基體晶粒中出現Mg2Si相析出物，位錯密度提高，導致復合材料屈服強度和拉伸強度增加；相對于經T6熱處理后的6061Al，鋁基體晶粒細小，有利于合金的變形，達到提高延伸率的效果；

2)與6061Al合金的強度相比，B4C/6061Al復合材料屈服強度和抗拉強度分別提高到131和160 MPa；在此基礎上經T6熱處理后，復合材料的屈服強度提高了66%，抗拉強度提高了62%，但延伸率從22%降低至20%；

3)B4C/6061Al復合材料經T6熱處理后，其斷裂形態(tài)主要表現在以下3個方面：6061Al基體合金的韌性斷裂、基體和碳化硼顆粒之間的顆粒斷裂以及存在界面之間發(fā)生脫粘現象。