az91sicp復(fù)合材料快速凝固相組成及界面結(jié)構(gòu)的研究

az91sicp復(fù)合材料快速凝固相組成及界面結(jié)構(gòu)的研究

金屬結(jié)構(gòu)材料的最小密度和良好的耐蔭性在航空航天、航空航天、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域都占有很高的應(yīng)用前景。通過(guò)在鎂合金基體中添加陶瓷顆粒增強(qiáng)相，可以顯著提高材料的強(qiáng)度、模量和耐熱性能。用于制備這種陶瓷顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的方法有鑄造法、粉末冶金法和噴射共沉積法等3大類(lèi)型，但采用鑄造法制備鎂基復(fù)合材料時(shí)存在陶瓷顆粒分散均勻性問(wèn)題，且由于合金基體的晶粒組織粗大，其力學(xué)性能不夠理想；噴射共沉積方法適合于制備大尺寸的鎂合金復(fù)合材料坯件，但鎂合金的噴射沉積過(guò)程存在很大的安全隱患，目前很少采用。采用粉末冶金法制備的復(fù)合材料晶粒組織細(xì)小、均勻，陶瓷顆粒分散均勻性很好，且可以避免一些有害的界面化學(xué)反應(yīng)，因此，該方法是制備高性能鎂基復(fù)合材料的有效方法。若能采用快速凝固的方法制備出晶粒組織微細(xì)的合金粉末，則通過(guò)粉末冶金工藝有望制備出力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)合材料。采用快速凝固法制備鎂合金的研究工作已有報(bào)道，但尚未見(jiàn)采用快速凝固/粉末冶金法制備鎂基復(fù)合材料的報(bào)道。本文作者采用自制的霧化雙輥甩帶制粉裝置，制備快速凝固AZ91鎂合金粉末，用粉末冶金法制備AZ91/SiCp鎂基復(fù)合材料，探討復(fù)合材料的相組成及界面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。1實(shí)驗(yàn)1.1sic粉末的制備AZ91鎂合金的名義成分為Mg-9%Al-1%Zn-0.2%Mn(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。按照合金成分配料，在電阻爐中熔煉、精煉后，在如圖1所示的自制雙輥霧化裝置上制備合金粉末。霧化過(guò)程在高純Ar保護(hù)下進(jìn)行。由圖1所示，坩堝內(nèi)的鎂合金熔體在Ar壓力下沿坩堝下部的小孔噴出合金細(xì)流，合金細(xì)流經(jīng)過(guò)霧化器霧化成細(xì)小的液滴,霧化氣體為高純氬氣，霧化后的合金液滴噴在高速旋轉(zhuǎn)的雙輥上快速冷卻，并甩成碎箔帶粉末。在雙輥的下方裝備一個(gè)噴氣裝置，將剛生成的粉末吹送到粉末收集箱中，噴射氣體為高純氬氣。整個(gè)過(guò)程也在高純氬氣的保護(hù)下進(jìn)行。將制得的碎箔片粉末在惰性氣體保護(hù)下破碎過(guò)篩，得到120μm左右的粉末。將過(guò)篩后的合金粉末與經(jīng)煅燒后的SiC粉末(粒度在3～5μm)粉末在“Y”形混料器中機(jī)械混合6～8h，使SiC粉末與鎂合金粉末混合均勻。SiC粉末的煅燒溫度為900K、時(shí)間為2h，通過(guò)煅燒可以排除顆粒表面吸附的氣體、水分，甚至油污等雜質(zhì)。SiC粉末的加入量分別為15%、20%和25%。在自制的模具中將混合粉末壓制成d50mm×60mm的圓柱坯，壓制溫度為473K，然后將其擠壓成直徑為8mm的棒材，擠壓溫度為653K，模具溫度為623K，擠壓比為37?1。1.2樣品的制備與研磨采用德國(guó)MM-6光學(xué)顯微鏡觀察粉末和棒材的金相組織，采用西門(mén)子D5000X射線(xiàn)衍射儀對(duì)粉末及擠壓棒材進(jìn)行X射線(xiàn)衍射分析(XRD)，試樣的透射電鏡照片和高分辨晶格像采用JEM3010高分辨透射電鏡獲得，采用JEOM5600掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行斷口分析。其中TEM、HRTEM樣品的制備是先機(jī)械磨成0.05～0.08μm的薄片，再用電解雙噴法進(jìn)行減薄制得。在觀察前再用離子減薄，除去表面的氧化層。雙噴液選擇苦味酸5g+冰醋酸10mL+乙醇100mL+蒸餾水10mL。雙噴時(shí)溫度低于243K。2結(jié)果與討論2.1材料的xrd譜和透射電鏡圖2所示為快速凝固AZ91合金粉末和AZ91/SiCp復(fù)合材料棒材的金相組織照片。由圖2(a)可以看出，合金粉末具有細(xì)小的等軸晶組織，晶粒大小為1～3μm，這種組織與單輥甩帶材料的組織明顯不同。采用單輥甩帶法得到的組織一般為分層組織，自由面和貼近銅輥面以及兩面之間的組織有明顯不同。由圖2(b)可知，SiC顆粒在合金基體中的分散較均勻。圖3所示為基體合金粉末與AZ91/SiCp擠壓棒材的XRD譜。由圖可見(jiàn)，合金粉末為α-Mg單相固溶體，未見(jiàn)β-Mg17Al12析出相，這是由于采用霧化雙輥法制備粉末時(shí)的冷速非常高，β-Mg17Al12相來(lái)不及從固溶體中析出。根據(jù)OHTOSHI的研究結(jié)果，采用雙輥法制備合金帶材時(shí)的冷速一般可達(dá)3×102K/s以上，本實(shí)驗(yàn)采用雙輥霧化法制備合金粉末，是一種雙級(jí)快冷方法，根據(jù)二次枝晶間距與冷卻速度關(guān)系，二次枝晶間距為1～2μm時(shí)，可確定冷卻速度為104K/s左右。但這種單相過(guò)飽和固溶體在隨后的熱擠壓過(guò)程中發(fā)生沉淀相析出反應(yīng)，生成β-Mg17Al12和T-AlMg2Zn相。圖4和5所示分別為快速凝固AZ91合金粉末和AZ91/20%SiCp復(fù)合材料擠壓棒材的透射電鏡照片。由圖4可知，合金粉末中有少量的析出相，根據(jù)EDS結(jié)果可知，這種析出物是T-AlMg2Zn相。析出相的顆粒尺寸在0.2μm左右?？赡苁怯捎赥相的體積分?jǐn)?shù)較小，XRD譜圖中未見(jiàn)該相的衍射峰。在圖5所示的組織中，T-AlMg2Zn相粒子的尺寸仍在0.2μm左右，未見(jiàn)長(zhǎng)大現(xiàn)象。這說(shuō)明這種析出相粒子在材料熱加工過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定而不長(zhǎng)大。由圖5可以看出，復(fù)合材料的合金基體中析出了很多的β-Mg17Al12粒子，尺寸在0.5μm左右。2.2sic顆粒與納米顆粒的界面反應(yīng)圖6所示為AZ91/SiCp的TEM和HRTEM照片以及部分區(qū)域的EDS譜，其中圖6(b)為圖6(a)中a部分的放大像，圖6(c)所示為圖6(b)圖圓圈部分的放大像，圖6(d)所示為圖6(c)圖中方框部分的EDS譜。研究表明，SiC在溫度低于900K的鎂熔體中不易發(fā)生界面反應(yīng)，ZHENG等認(rèn)為SiCw在鎂基體中很穩(wěn)定。因此，采用SiC顆粒作為鎂合金的增強(qiáng)相可以避免有害的界面反應(yīng)。GU等研究了Cu包覆SiC和未包覆SiC顆粒增強(qiáng)的鎂合金，發(fā)現(xiàn)Cu包覆SiC增強(qiáng)體與基體的結(jié)合很好，而由未包覆的SiC增強(qiáng)的復(fù)合材料在拉伸過(guò)程中有明顯的SiC顆粒拔出現(xiàn)象。由圖6可以看出，鎂基體與SiC顆粒之間形成反應(yīng)界面層，呈不規(guī)則狀(見(jiàn)圖6(b))。由圖6(c)所示的高分辨電鏡照片可以看出，反應(yīng)界面中存在一些納米尺寸的顆粒，由EDS結(jié)果可知，這種顆粒為Mg2Si相。這些顆粒有些分布在非晶態(tài)的反應(yīng)產(chǎn)物層中，還有一些顆粒分布在Mg基體與非晶反應(yīng)產(chǎn)物層的界面上。Mg2Si顆粒的形成原因?yàn)镾iC顆粒在煅燒過(guò)程中表面形成了一層SiO2非晶層,厚度約為10nm左右(見(jiàn)圖6(c))，在后續(xù)熱加工過(guò)程中基體合金中的Mg與SiO2非晶層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成Mg2Si相以及非晶反應(yīng)產(chǎn)物。2.3sio2/mg界面反應(yīng)物的分布及作用機(jī)制有關(guān)鎂基復(fù)合材料的界面反應(yīng)問(wèn)題的研究已有一些報(bào)道[9,10,11,12,13,14]。研究發(fā)現(xiàn)，三元系的互擴(kuò)散引起的固態(tài)反應(yīng)在反應(yīng)區(qū)會(huì)形成多種不同結(jié)構(gòu)的反應(yīng)產(chǎn)物，而這些反應(yīng)物在界面反應(yīng)區(qū)一般為層狀或混合狀形態(tài)出現(xiàn)，并指出，Si在Si/Mg界面形成Mg2Si時(shí)是穩(wěn)定的。本實(shí)驗(yàn)中擠壓態(tài)SiCp/AZ91鎂基復(fù)合材料，其擠壓溫度為623K，保溫時(shí)間一般不超過(guò)1h。由圖6(c)可以看出，在SiO2/Mg界面處，有兩層反應(yīng)物存在，分別為非晶態(tài)的MgO和混合分布的Mg2Si，最外層則是SiO2和Mg。反應(yīng)產(chǎn)物的分布狀態(tài)是：Mg2Si靠近鎂基體，還有一些較小顆粒分布在非晶MgO中；MgO分布在Mg2Si和SiO2之間。這說(shuō)明在623K的中溫區(qū)發(fā)生了界面反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為Mg2Si和MgO。由此，本文作者認(rèn)為，在623K的中溫區(qū)，界面反應(yīng)沒(méi)有孕育期或孕育期很短，這與文獻(xiàn)中的結(jié)果有所不同。而SiO2/Mg界面的反應(yīng)方程為：這就說(shuō)明界面反應(yīng)是先生成MgO和Si，然后Si再與Mg反應(yīng)生成Mg2Si，生成的Mg2Si主要集中在Mg基體附近，這由圖6(c)也可以很清楚地看到。固/固界面反應(yīng)機(jī)制主要是由擴(kuò)散機(jī)制控制，本實(shí)驗(yàn)所涉及的反應(yīng)溫度為623K，屬于中溫?cái)U(kuò)散。由前面的分析可知，首先是SiO2與Mg反應(yīng)生成MgO和Si，然后Si擴(kuò)散至Mg基體附近再與Mg反應(yīng)生成Mg2Si，同時(shí)Mg也通過(guò)生成的Mg2Si層不斷的擴(kuò)散至SiO2附近再與SiO2反應(yīng)生成MgO和Si，最后在反應(yīng)界面形成反應(yīng)界面層。該界面反應(yīng)示意圖如圖7所示。3復(fù)合材料棒材的擠壓試驗(yàn)1)用霧化雙輥快速凝固方法制備出快速凝固SiCp/AZ91鎂基復(fù)合材料，雙輥霧化快速凝固AZ9