納米Al2O3/7075鋁基復合材料壓縮性能與失效機制研究

楊 陽，趙 科

（1.西南交通大學力學與工程學院，成都 611756；2.應用力學與結構安全四川省重點實驗室，成都 611756）

引 言

鋁基材料因具有輕質、高強度和高模量等優點，已被廣泛應用于航空航天、軌道交通、建筑和礦物加工等領域［1-3］。但是，隨著現代工業的發展，要求鋁基材料具有更高的強度（>1 GPa）和良好的塑性。在鋁中添加顆粒形成顆粒增強鋁基復合材料是發展高強鋁基材料的有效方法。顆粒增強鋁基復合材料的力學性能與顆粒的尺寸、體積分數和分布形態息息相關，通常納米顆粒具有比微米顆粒更高的強化效率，同時能夠保持良好的塑性［4-6］。比如，Ma等［4］采用粉末冶金工藝制備了體積分數為1%的納米Si3N4顆粒增強純鋁基復合材料，其抗拉強度達180 MPa，比純鋁提高一倍，與添加體積分數為15%的微米SiC顆粒的強化效率相當。復合材料強度往往隨著納米顆粒體積分數的增大而提高，但是，由于納米顆粒易團聚、與基體潤濕性差等原因，當納米顆粒體積分數高于某一臨界值時，復合材料強度將降低［7-9］，如Kang等［7］采用粉末冶金工藝制備了不同體積分數的納米Al2O3顆粒增強鋁基復合材料，復合材料抗拉強度隨著納米Al2O3顆粒體積分數的增大而提高，但當納米Al2O3顆粒體積分數超過4%后，不再進一步提高而是趨于穩定。所以，如何提高均勻分散納米顆粒的體積分數成為發展高強納米顆粒增強鋁基復合材料的瓶頸難題。

目前，已有多種工藝方法（如高能球磨［10-12］、大功率超聲分散［13］、攪拌摩擦［14］和累積擠壓［15］等）用于改善納米顆粒團聚，其中高能球磨工藝是最為有效的方法之一。Yao等［10］采用高能球磨結合放電等離子燒結工藝制備了體積分數為10%的均勻分散納米SiC顆粒增強AA6063基復合材料，抗拉強度達到603 MPa。Guo等［14］采用攪拌摩擦工藝制備了體積分數為14%的均勻分散納米Al2O3顆粒增強AA6061基復合材料，與6061鋁合金基體相比抗拉強度提高近一倍。以上結果表明，高體積分數納米顆粒能夠顯著提高鋁基復合材料的強度，但是能夠實現納米顆粒均勻分散的體積分數基本在10%左右，所得復合材料強度在600 MPa左右，有待通過工藝改進和優化，進一步提高納米顆粒的體積分數，制備強度更高的鋁基復合材料。

前期結果表明［16-19］：采用高能球磨結合真空熱壓燒結工藝可以實現高體積分數（15vol.%）納米顆粒（~50 nm）在純鋁基體中均勻分布，且所制備鋁基復合材料的抗壓強度可達784 MPa，并具有優異的抗沖擊性能和優于不銹鋼的抗摩擦性能。在此基礎上為了進一步提高顆粒增強鋁基復合材料的壓縮強度，以7075鋁合金為基體，添加粒徑更小（13 nm）的Al2O3顆粒，以及進一步優化制備工藝參數（如球料比、燒結溫度、燒結壓力和保壓時間等），制備具有更高強度的15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料，并通過微觀結構表征分析其變形/斷裂失效機制。

1 實驗材料及方法

以7075鋁合金粉（純度為99.9%，粒徑在1~9μm之間，平均粒徑為4μm，上海乃歐納米科技有限公司）和Al2O3粉末（平均粒徑為13 nm，德國默克公司）為原料制備鋁基復合材料，表1列出了7075鋁合金的化學組分。

表1 7075鋁合金的化學成分（質量分數%）

使用全方位球磨機（PMQW04，南京南大儀器廠）進行高能球磨，球磨罐為硬質合金罐，球磨介質為硬質合金球（磨球尺寸為Φ=10 nm和Φ=5 nm，質量比為2∶1），球、粉質量比為25∶1，球磨時間為20 h，球磨轉速保持在180 rpm，添加約4wt.%的無水乙醇（天津津東精密化學試劑廠）作為球磨分散劑，以防止粉末過度焊接以及粘附在球磨介質上。在高純氬氣氛下的手套箱（Lab-2000，伊特克斯公司）中將球磨后的復合粉體填充到Φ=20 nm石墨模具中，進行真空密封，隨后將裝有復合粉體的石墨模具在壓力機（YJ-20TA，合肥科晶材料技術有限公司）2 MPa的壓力下進行冷壓，最后放入真空熱壓燒結爐（ZT-50-22Y，上海晨華電爐有限公司）中進行燒結（燒結溫度和壓力分別為620 °C和50 MPa，保溫時間為40 min），得到15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料，并在相同的工藝條件下制備7075鋁合金塊體以作比對。

利用萬能力學試驗機（Instron 2367，Illinois Tool Works Inc.，MA，USA）測試燒結樣品的常溫準靜態壓縮性能，應變率為1×10-3s-1。試樣尺寸為? =5.0 mm×2.5 mm，在測試之前，對樣品表面進行拋光以確保均勻接觸，每個試樣重復測試至少5次以保證結果可重復和準確性。

利用阿基米德排水法測試燒結樣品的密度，15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料和7075鋁合金塊體的相對密度分別為99.8%和99.5%；利用掃描電子顯微 鏡（SEM，JSM-7800F，Japan）和 能 譜 儀（EDS，XMax80，UK）表征燒結樣品的微觀組織和斷口形貌；利用X射線衍射儀（XRD，Rigaku-D/max-2400，Japan）檢測燒結樣品的相組成，X射線源為Cu Kα射線（λ =0.154 055 nm）。

2 結果與討論

2.1 復合材料的微觀組織表征

圖1（a）與圖1（b）分別為15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料的低倍和高倍SEM圖片。從圖1（a）中可以看出，該復合材料無明顯孔洞和裂紋，即完全致密，這與阿基米德排水法測試的相對密度結果一致；從高倍SEM圖（圖1（b））測量和統計可知，該復合材料中納米Al2O3顆粒粒徑在10~30 nm之間，平均粒徑為18 nm，這與初始添加的納米Al2O3粉體粒徑相近，并且均勻分散在鋁基體中，顆粒間距在10~50 nm之間。這說明通過高能球磨結合真空熱壓燒結工藝能夠制備出完全致密、高體積分數納米顆粒均勻分散的7075鋁基復合材料。對該復合材料的XRD圖譜進行標定后可以發現，僅含有Al相（PDF-2004，85-1327）和α-Al2O3相（PDF-2004，78-2427），沒有其它雜質相（如Al4C3），如圖1（c）所示。值得注意的是，也未檢測到7075鋁合金中的沉淀相（如T相：Al2Mg3Zn3；η相：MgZn2；S相：Al2CuMg），這說明在燒結過后該復合材料7075鋁基體中的Zn、Mg和Cu元素仍然固溶于Al中，并未析出形成沉淀相。該結果也可以進一步通過EDS表征得以證實，如圖1（e）-圖1（g）所示，Al、Zn、Mg元素均勻分布于材料中，并未出現明顯的聚集或貧化。

圖1 15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料的微觀組織表征

2.2 復合材料的強化機制分析

15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料和7075鋁合金的壓縮應力-應變曲線如圖2（a）所示。從圖中可以看出，該復合材料的屈服強度、抗壓強度和失效應變分別為780 MPa、920 MPa和6.46%，與7075鋁合金相比，屈服強度和抗壓強度分別提高150%和77%，而且高于傳統的顆粒增強7075鋁基復合材料［20-22］；該復合材料的失效應變較7075鋁合金降低，與其它納米顆粒增強鋁基復合材料（納米顆粒體積分數為7%~14%）的結果［10,14-15］相似：添加高體積分數納米顆粒能夠顯著提高鋁合金的強度，但是會降低其塑性。

目前關于高體積分數（>10%）納米顆粒增強鋁基復合材料的強化機制研究較少，主要通過理論模型來分析其高強度背后的原因，缺少試驗研究［11，17］。相關理論模型分析研究表明［11］，當納米顆粒體積分數增大時，載荷傳遞強化和熱失配引起的位錯強化貢獻較小，起主導作用的是Orowan強化和細晶強化，尤其是Orowan強化。也就是說，在塑性變形過程中，納米顆粒將顯著阻礙位錯的運動，并通過Orowan機制促進位錯增殖，從而產生明顯的應變硬化。另外，由于在燒結過程中納米顆粒能夠強烈阻礙合金基體晶粒長大［23］，使得合金基體具有較小的晶粒尺寸，從而產生較好的細晶強化效果。對于合金而言，沉淀強化也是起主導作用的強化方式，但該復合材料中并未發現沉淀相，所以沉淀強化可以忽略，Zn、Mg等合金元素以固溶形式來強化合金基體。該復合材料的應力-應變曲線特征和相應的應變硬化率-應變曲線均表明其具有極強的應變硬化能力。具體而言，在塑性變形階段，隨著應變增大，復合材料的強度急劇增大，在應變為6.46%時便急劇降低使得材料斷裂，即在極小應變范圍內發生顯著的加工硬化（圖2（a））。而7075鋁合金的強度相對緩慢的增大，隨后趨于恒定直到材料斷裂，加工硬化能力較弱，如圖2（b）所示。在復合材料的整個塑性變形過程中，其應變硬化率均高于7075鋁合金，這直觀地證明了高體積分數納米顆粒能夠顯著提高合金基體的應變硬化能力，從而使得復合材料獲得超高的強度。極強的應變硬化能力意味著納米顆粒/晶界阻礙位錯運動并促進位錯增殖，即該復合材料的高強度可能來源于Orowan強化和細晶強化，至于Orowan強化、細晶強化和熱失配引起的位錯強化等強化機制具體對材料強度有多大的貢獻，或者高體積分數（15%）納米顆粒是否會激發新的變形機制，還需要進一步的研究。

圖2 15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料的壓縮性能

2.3 復合材料的變形與失效機制分析

為探究15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料的變形過程和失效機制，表征了其在不同變形階段（壓縮應變量分別為4%、5%和6%）的微觀形貌，如圖3所示。從圖中可以看出，在塑性變形初期（圖3（a）），該復合材料表面出現大量狹長的局部剪切帶，長度在1~5μm之間，如圖3（a）箭頭指出，這些局部剪切帶宏觀上呈均勻分布特征。當壓縮應變量增大到5%時（圖3（b）），相近的局部剪切帶擴展相連，如圖3（b）中箭頭指出；當壓縮應變量增大到6%時（圖3（c）），局部剪切帶進一步擴展形成鋸齒狀的裂紋。據此，該復合材料的變形失效過程為：由于納米顆粒與基體的熱膨脹和模量失配，在納米顆粒附近的基體內存在極大的內應力［24］，另外，由于基體晶粒間的晶體取向不同，發生變形的難易程度不同，在易變形晶粒內高應力的區域將優先變形，即形成局部剪切帶，隨著變形量增大，局部剪切帶將逐漸擴展形成微裂紋。

圖3 不同壓縮應變量下15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料的微觀形貌

為探究15 vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料的斷裂失效機制，表征了其斷口形貌，如圖4所示。從圖中可以看出，該復合材料宏觀上沿著與加載方向呈45°的方向剪切破壞（圖4（a）中白箭頭所示為加載方向），斷口平整，即宏觀脆性斷裂；微觀上呈現韌脆混合斷裂特征，即圖4（a）中A、B區域分別為脆性和韌性斷裂區域。進一步通過高倍SEM圖可以看出，在脆性斷裂區域有大量顆粒滑移痕跡，并伴有微裂紋的存在，如圖4（b）所示。在韌性區域有大量韌窩，且韌窩大小不一，在尺寸較小的韌窩底部存在納米顆粒，如圖4（c）所示。通常顆粒增強鋁基復合材料的失效機制包括3種形式［25］：（1）當增強相尺寸較大（>1μm）時，自身將發生斷裂；（2）當增強相/基體界面結合弱于基體強度時，將發生脫粘；（3）基體內孔洞的形核、長大和合并。在本研究中，由于增強相顆粒為納米尺寸，不易破碎，尺寸較大的韌窩通過孔洞的形式在基體內以形核-長大機制形成，底部含有納米顆粒的韌窩通過孔洞在納米顆粒/基體界面脫粘處以形核-長大機制形成，大量孔洞合并從而使得材料斷裂。

圖4 15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料的斷口形貌

3 結 論

（1）采用高能球磨結合真空熱壓燒結工藝克服了納米顆粒（體積分數>10%）在金屬基體中難以分散的難題，成功制備了均勻分散的15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料。

（2）15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料具有超高強度，屈服強度和抗壓強度分別達到780 MPa與920 MPa，比7075鋁合金分別提高150%和77%，失效應變可達6.46%，有望拓展7075鋁基復合材料在高強領域的應用。

（3）15vol.%納米Al2O3/7075鋁基復合材料的變形失效機制為局部剪切帶的形核-擴展直至形成微裂紋，斷裂失效機制為宏觀剪切脆性斷裂，微觀韌脆混合斷裂。