D0第6卷7第6期s1001053x.1994.绲00景科技大学学报 Vol.16 No.6 194年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1994 SiCp/ZA22复合材料组织及性能 胡海明 胡汉起 张维平 北京科技大学冶金系，北京10083 摘要对采用半固态搅拌法制备的SiC,ZA22复合材料的组织和常温，高温力学性能进行了研 究，并和ZA2基体合金作了对比.研究发现：SiC颗粒大多分布于晶界，部分SC颗粒和基体界面 上有反应物生成，SC可以充当合金初生相形核村底，分布于晶内并细化枝晶，力学性能与颗粒分 布均匀性、界面结合强度密切相关.和Z22合金相比，该复合材料弹性模量上升，冲击韧性下降， 高温条件下表现出较好的力学稳定性， 关键词金属复合材料，锌基合金/SC颗粒 中图分类号TG14 Structure and Property of SiCp/ZA22 Composites Hu Haiming Hu Hanqi Zhang Weiping Department of Metallurgy,USTB,Beijing,100083,PRC ABSTRACT Silicon carbide particulate reinforced composites with ZA22 alloy matrix were fabricated by semisolid metal mixing method.The structure and property of SiC/ZA22 were studied by compar son with ZA22 alloy.The results showed that most particles distributed on the grain boundary,some of them reacted with martrix alloy and the reaction lay acted as nucleating base of primary phase,fined the grain structure.The mechanical properties mainly depended on particles distribution and interface strength.The elastic constant of the composite were found higher than that of ZA22 alloy,but the ductility were lower.The composites also have high stability under high temperature. KEY WORDS metallic composites,zinc-containing alloys/SiC particlate 锌铝合金以成本低、比重小、强度高、熔铸工艺简单等特点，成为一系列铜基、铝基合 金的优良代用品，产生了很大的经济效益，一般来说，锌基合金在室温到100℃范围内机 械性能比较稳定，一旦高于这个温度范围，强度、硬度都会损失很大，限制了其应用·为 此，国外的材料工作者开展了锌铝基复合材料的研究并取得了一些进展，但由于选用的增 强材料多为石墨纤维、碳化硅晶须等，采用的制备方法多为液态压力浸渗法，使得复合材料 1994-06-02收稿 第一作者男32岁博士
第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 望“ 年 月 公泥 哭玛 复合材料组织及性 能 胡海 明 胡汉 起 张维平 北 京科技大学 冶金 系 ， 北京 侧 】 摘要 对采 用 半 固 态 搅拌 法 制备 的 叽风心 复合材料 的组 织 和 常温 、 高温 力学 性 能进 行 了研 究 ， 并 和 基体合金 作了对 比 研究发现 颗粒大多 分布 于 晶界 ， 部 分 颗 粒 和 基 体界 面 上 有反 应物生成 ， 可 以 充 当合金初生相形核衬底 ， 分布于 晶 内并细 化 枝 晶 力 学性 能 与颗粒 分 布 均 匀性 、 界 面 结合强 度 密切 相 关 和 合金相 比 ， 该复合材料 弹性模量上 升 ， 冲击 韧 性 下 降 ， 高温 条件下表现 出较好的力学稳定性 关键词 金 属复 合材料 ， 锌基合金 颗粒 中图分类号 两 众 ， 仆 ， 肠 ， ， 以 既 以喇 叱 认七 绷范 么 ， 皿 盼 嘟 以 ， 篮戈 苗 血 咖 ， 认 万 此 ， 万 一 锌铝合金 以 成 本低 、 比重小 、 强 度高 、 熔铸工 艺 简单等特点 ， 成为 一 系列铜基 、 铝基 合 金 的优 良代用 品 ， 产 生 了很大 的经济效益 一 般 来 说 ， 锌基 合金 在 室 温 到 ℃ 范 围 内机 械性 能 比较稳 定 ， 一旦 高于 这个温 度 范 围 ， 强 度 、 硬 度都 会损 失 很大 ， 限制 了其 应 用 为 此 ， 国外 的材料 工作者开展 了锌铝基复合材料 的研究并取得 了一 些 进 展回 ， 但 由于 选 用 的增 强材料多 为石墨纤 维 、 碳 化硅 晶须等 ， 采 用 的制备方法多为液态压力浸 渗法 ， 使得复合材料 望润 一 一 收稿 第一 作者 男 岁 博 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．06．008
194年No.6 北京科技大学学报 .543· 的制造成本很高， 为了降低成本，扩大实际应用范围，本文采用半固态搅拌和热挤压成型相结合的工艺， 制备了SiCp/ZA22复合材料，并对其组织和性能进行了研究，为锌铝基复合材料的应用和 开发提供了基础. 1复合材料制备及试验内容 所用的SiC颗粒为国产u型砂轮磨料，颗粒尺寸分别为10、14、20μm.基体合金用 纯锌、纯铝、A1-Cu中间合金、金属镁配制，化学成分为22%Al,1%Cu,0.03%Mg,其 余为Zn. 将预处理后的SC颗粒陆续加人搅动着的半固态ZA22合金熔体中，使之分布均匀，并 让合金和颗粒有充分的接触时间，增加二者的湿润性，然后迅速将复合浆料倒入预热的金属 模中，在70~10OMP的压力下凝固成型，再脱模冷却，即可得到颗粒体积含量分别为 10%,15%的SiCp/ZA22复合材料铸锭. 从铸锭上取料加工性能试样，包括常温、高温拉伸试样，标距为30m,标距段直径 为直径6mm.无缺口冲陆试样：l0mm×10mm×55mm.利用MTS测试抗拉性能，Neophot--21光学 显微镜、CAMBRIDGE S-25OMKⅡ型扫描电镜、HITACHI7O0透射电镜观察显微组 织、断口形貌及界面结构， 2实验结果及讨论 2.1复合材料微观组织 ZA22合金显微组织由初生的x枝晶、二元共晶体(x+B)以及三元共晶体 (x+B+)等组成（图Ia).SiC颗粒加入后，大大细化了锌合金组织，而且在半固态搅 拌、压力条件下凝固，改变了原始合金的凝固过程，初生相枝晶细化，富C山相析出减少， 促使整体补缩和晶间补缩，从而有利于消除搅拌带来的气孔·金相组织（图1b)观察表 明：合适的工艺条件下，粒子分布基本均匀，但微观区域有偏聚，粒子大多分布于基体合 金的晶界附近，少量分布在晶内， 2.2复合材料的凝固过程和界面状态 SC颗粒在基体中的分布主要和材料凝固速度、颗粒尺寸以及表面微观结构有关，本试 验中，SC。在x枝晶中分布较少，而多偏聚于品界或共晶组织中.主要原因应归于凝固速度不够 快，SiC颗粒被x枝晶前沿逐渐推移到共晶凝固区的结果.Uhimann等人的研究 结果表明：当凝固速度V大于颗粒在界面前沿运动速度V,时，颗粒就被移动的固液界面吞 食；当凝固速度V小于：时，颗粒就被排斥在固液界面前沿.颗粒尺寸小于一次、二次 枝晶间距时，颗粒有可能被枝晶吞食，反之，颗粒将被排斥到晶界上·所以，增大凝固速 度，可以进一步细化枝晶，提高粒子分布的均匀性
囚 年 北 京 科 技 大 学 学 报 · 义 · 的 制造成本很 高 为 了降低成 本 ， 扩大 实 际应 用 范 围 ， 本 文采 用半 固态搅拌 和 热 挤 压 成 型 相 结 合 的工 艺 ， 制备 了 复合 材料 ， 并 对其组织 和性 能进行了研究 ， 为锌 铝 基 复 合 材 料 的 应 用 和 开 发提供 了基 础 复合材料制备及试验 内容 所 用 的 颗粒 为 国 产 型 砂 轮 磨 料 ， 颗 粒 尺 寸 分 别 为 、 、 拼 基 体 合 金 用 纯锌 、 纯铝 、 一 中 间 合 金 、 金 属 镁 配 制 ， 化 学 成 分 为 ， ， ， 其 余 为 将 预处理 后 的 颗粒 陆续加人搅动着 的半 固态 合金 熔 体 中 ， 使 之 分 布 均 匀 ， 并 让合金 和 颗粒 有充分 的接 触 时 间 ， 增加二 者 的湿 润性 然后 迅 速将复合浆料倒人 预热 的金属 模 中 ， 在 一 的压力 下凝 固成 型 ， 再 脱 模 冷 却 ， 即 可 得 到 颗 粒 体 积 含 量 分 别 为 、 巧 的 复合材 料 铸锭 从铸锭 上 取料 加 工 性 能试样 ， 包 括 常 温 、 高 温 拉 伸 试样 ， 标 距 为 ， 标 距 段 直 径 为直径 无缺 口 冲击试样 利用 巧 测讨沛讨立胜能 ， 面 一 光学 显 微 镜 、 】 一 型 扫 描 电 镜 、 透 射 电 镜 观 察 显 微 组 织 、 断 口 形 貌及 界 面结构 实验结果及讨论 复合材料微观组织 合 金 显 微 组 织 由 初 生 的 枝 晶 、 二 元 共 晶 体 刀 以 及 三 元 共 晶 体 刀 。 等组 成 图 颗 粒加 人后 ， 大 大 细 化 了锌合金 组 织 ， 而 且 在 半 固 态 搅 拌 、 压力 条件 下 凝 固 ， 改变 了 原始合金 的凝 固 过 程 ， 初 生 相 枝 晶 细 化 ， 富 相 析 出减 少 ， 促 使 整 体 补 缩 和 晶 间 补 缩 ， 从 而 有 利 于 消 除 搅 拌 带来 的 气 孔 金 相 组 织 图 观 察 表 明 合适 的工 艺 条件 下 ， 粒子 分布基本均 匀 ， 但微 观 区 域有 偏 聚 ， 粒 子 大 多 分 布 于 基 体 合 金 的晶界 附 近 ， 少量 分 布在 晶 内 复合材料的凝 固过程和 界面 状态 颗 粒在基 体 中 的分布 主要 和 材料 凝 固 速 度 、 颗 粒 尺 寸 以 及 表 面 微 观 结 构 有 关 本 试 验 中 ， 在 枝 晶 中分 布较 少 ， 而 多 偏 聚于晶界或共 晶组织 中 主要原 因应归于凝固速度不够 快 ， 颗 粒 被 仪 枝 晶 前 沿 逐 渐 推 移 到 共 晶 凝 固 区 的 结 果 联 习 等 人 的 研 究 结果 表 明 当凝 固速度 大 于 颗粒在 界 面前沿运 动速 度 从 。 时 ， 颗粒 就被 移 动 的 固液 界 面吞 食 当凝 固速度 小 于 。 时 ， 颗粒就 被 排斥 在 固液界 面 前 沿 颗 粒 尺 寸 小 于 一 次 、 二 次 枝 晶 间距 时 ， 颗粒有 可 能被 枝 晶吞 食 ， 反 之 ， 颗 粒 将 被 排 斥 到 晶 界 上 所 以 ， 增 大 凝 固 速 度 ， 可 以进 一步 细 化枝 晶 ， 提 高粒子分 布 的均 匀性
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囚 年 北 京 科 技 大 学 学 报 · 义 · 的 制造成本很 高 为 了降低成 本 ， 扩大 实 际应 用 范 围 ， 本 文采 用半 固态搅拌 和 热 挤 压 成 型 相 结 合 的工 艺 ， 制备 了 复合 材料 ， 并 对其组织 和性 能进行了研究 ， 为锌 铝 基 复 合 材 料 的 应 用 和 开 发提供 了基 础 复合材料制备及试验 内容 所 用 的 颗粒 为 国 产 型 砂 轮 磨 料 ， 颗 粒 尺 寸 分 别 为 、 、 拼 基 体 合 金 用 纯锌 、 纯铝 、 一 中 间 合 金 、 金 属 镁 配 制 ， 化 学 成 分 为 ， ， ， 其 余 为 将 预处理 后 的 颗粒 陆续加人搅动着 的半 固态 合金 熔 体 中 ， 使 之 分 布 均 匀 ， 并 让合金 和 颗粒 有充分 的接 触 时 间 ， 增加二 者 的湿 润性 然后 迅 速将复合浆料倒人 预热 的金属 模 中 ， 在 一 的压力 下凝 固成 型 ， 再 脱 模 冷 却 ， 即 可 得 到 颗 粒 体 积 含 量 分 别 为 、 巧 的 复合材 料 铸锭 从铸锭 上 取料 加 工 性 能试样 ， 包 括 常 温 、 高 温 拉 伸 试样 ， 标 距 为 ， 标 距 段 直 径 为直径 无缺 口 冲击试样 利用 巧 测讨沛讨立胜能 ， 面 一 光学 显 微 镜 、 】 一 型 扫 描 电 镜 、 透 射 电 镜 观 察 显 微 组 织 、 断 口 形 貌及 界 面结构 实验结果及讨论 复合材料微观组织 合 金 显 微 组 织 由 初 生 的 枝 晶 、 二 元 共 晶 体 刀 以 及 三 元 共 晶 体 刀 。 等组 成 图 颗 粒加 人后 ， 大 大 细 化 了锌合金 组 织 ， 而 且 在 半 固 态 搅 拌 、 压力 条件 下 凝 固 ， 改变 了 原始合金 的凝 固 过 程 ， 初 生 相 枝 晶 细 化 ， 富 相 析 出减 少 ， 促 使 整 体 补 缩 和 晶 间 补 缩 ， 从 而 有 利 于 消 除 搅 拌 带来 的 气 孔 金 相 组 织 图 观 察 表 明 合适 的工 艺 条件 下 ， 粒子 分布基本均 匀 ， 但微 观 区 域有 偏 聚 ， 粒 子 大 多 分 布 于 基 体 合 金 的晶界 附 近 ， 少量 分 布在 晶 内 复合材料的凝 固过程和 界面 状态 颗 粒在基 体 中 的分布 主要 和 材料 凝 固 速 度 、 颗 粒 尺 寸 以 及 表 面 微 观 结 构 有 关 本 试 验 中 ， 在 枝 晶 中分 布较 少 ， 而 多 偏 聚于晶界或共 晶组织 中 主要原 因应归于凝固速度不够 快 ， 颗 粒 被 仪 枝 晶 前 沿 逐 渐 推 移 到 共 晶 凝 固 区 的 结 果 联 习 等 人 的 研 究 结果 表 明 当凝 固速度 大 于 颗粒在 界 面前沿运 动速 度 从 。 时 ， 颗粒 就被 移 动 的 固液 界 面吞 食 当凝 固速度 小 于 。 时 ， 颗粒就 被 排斥 在 固液界 面 前 沿 颗 粒 尺 寸 小 于 一 次 、 二 次 枝 晶 间距 时 ， 颗粒有 可 能被 枝 晶吞 食 ， 反 之 ， 颗 粒 将 被 排 斥 到 晶 界 上 所 以 ， 增 大 凝 固 速 度 ， 可 以进 一步 细 化枝 晶 ， 提 高粒子分 布 的均 匀性
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囚 年 北 京 科 技 大 学 学 报 · 义 · 的 制造成本很 高 为 了降低成 本 ， 扩大 实 际应 用 范 围 ， 本 文采 用半 固态搅拌 和 热 挤 压 成 型 相 结 合 的工 艺 ， 制备 了 复合 材料 ， 并 对其组织 和性 能进行了研究 ， 为锌 铝 基 复 合 材 料 的 应 用 和 开 发提供 了基 础 复合材料制备及试验 内容 所 用 的 颗粒 为 国 产 型 砂 轮 磨 料 ， 颗 粒 尺 寸 分 别 为 、 、 拼 基 体 合 金 用 纯锌 、 纯铝 、 一 中 间 合 金 、 金 属 镁 配 制 ， 化 学 成 分 为 ， ， ， 其 余 为 将 预处理 后 的 颗粒 陆续加人搅动着 的半 固态 合金 熔 体 中 ， 使 之 分 布 均 匀 ， 并 让合金 和 颗粒 有充分 的接 触 时 间 ， 增加二 者 的湿 润性 然后 迅 速将复合浆料倒人 预热 的金属 模 中 ， 在 一 的压力 下凝 固成 型 ， 再 脱 模 冷 却 ， 即 可 得 到 颗 粒 体 积 含 量 分 别 为 、 巧 的 复合材 料 铸锭 从铸锭 上 取料 加 工 性 能试样 ， 包 括 常 温 、 高 温 拉 伸 试样 ， 标 距 为 ， 标 距 段 直 径 为直径 无缺 口 冲击试样 利用 巧 测讨沛讨立胜能 ， 面 一 光学 显 微 镜 、 】 一 型 扫 描 电 镜 、 透 射 电 镜 观 察 显 微 组 织 、 断 口 形 貌及 界 面结构 实验结果及讨论 复合材料微观组织 合 金 显 微 组 织 由 初 生 的 枝 晶 、 二 元 共 晶 体 刀 以 及 三 元 共 晶 体 刀 。 等组 成 图 颗 粒加 人后 ， 大 大 细 化 了锌合金 组 织 ， 而 且 在 半 固 态 搅 拌 、 压力 条件 下 凝 固 ， 改变 了 原始合金 的凝 固 过 程 ， 初 生 相 枝 晶 细 化 ， 富 相 析 出减 少 ， 促 使 整 体 补 缩 和 晶 间 补 缩 ， 从 而 有 利 于 消 除 搅 拌 带来 的 气 孔 金 相 组 织 图 观 察 表 明 合适 的工 艺 条件 下 ， 粒子 分布基本均 匀 ， 但微 观 区 域有 偏 聚 ， 粒 子 大 多 分 布 于 基 体 合 金 的晶界 附 近 ， 少量 分 布在 晶 内 复合材料的凝 固过程和 界面 状态 颗 粒在基 体 中 的分布 主要 和 材料 凝 固 速 度 、 颗 粒 尺 寸 以 及 表 面 微 观 结 构 有 关 本 试 验 中 ， 在 枝 晶 中分 布较 少 ， 而 多 偏 聚于晶界或共 晶组织 中 主要原 因应归于凝固速度不够 快 ， 颗 粒 被 仪 枝 晶 前 沿 逐 渐 推 移 到 共 晶 凝 固 区 的 结 果 联 习 等 人 的 研 究 结果 表 明 当凝 固速度 大 于 颗粒在 界 面前沿运 动速 度 从 。 时 ， 颗粒 就被 移 动 的 固液 界 面吞 食 当凝 固速度 小 于 。 时 ， 颗粒就 被 排斥 在 固液界 面 前 沿 颗 粒 尺 寸 小 于 一 次 、 二 次 枝 晶 间距 时 ， 颗粒有 可 能被 枝 晶吞 食 ， 反 之 ， 颗 粒 将 被 排 斥 到 晶 界 上 所 以 ， 增 大 凝 固 速 度 ， 可 以进 一步 细 化枝 晶 ， 提 高粒子分 布 的均 匀性
.546 胡海明等：SiC,/ZA22复合材料组织及性能 Vol.16 No.6 强化，很快断裂.而基体合金在拉伸初期，没有形成变形抗力，所以刚度低，但随着变形加 大，应变强化效果增加，可以在拉断之前达到较高的拉伸强度. 值得注意的是，当SC。体积分数为10%时，强度、弹性模量都有所上升.本文分析认为， 此时SiCp在基体中分布均匀性增加，界面结强度好，使得SCp的增强作用得到了发挥. 2.4高温力学性能 高温力学性能试验是先将试样加热到所要求的温度下保温20mi,进行测试.用体积分数为 15%,14μmSiCp/ZA22复合材料和ZA22基体进行测试的结果见表2.可见，当温度升高至200℃ 时，ZA22强度和刚性都大幅度下降，而复合材料的高温性能较稳定，并明显高于ZA22合 金.在200℃时该合金的E值仍高于ZA22室温时的E值：温度升高，韧性有所上升，表现出较好的高 温性能。 这是因为温度升高后，基体由于变形产生强化的能力下降，比复合材料中颗粒和基体界面 结合强度下降的程度快，颗粒的增强作用增加，表现为较高的弹性模量和强度， 表2ZA22和SiC,/ZA22复合材料的高温性能 Table2 Properties of ZA22 and SiC /ZA22 MMC at high temperature E/GPa TiC /MPa a./.cm2 ZA22 MMC ZA22 MMC ZA22 MMC 100 187.8 183.1 69.4 )2 27.5 4.71 150 152.6 181.0 39.6 85.0 32.3 4.0 200 101.6 174.0 39.3 79.5 26.7 5.50 3结论 (1)在半固态搅拌铸造的SiCpZA22复合材料中，部分SiC颗粒可以作为初生相形核衬 底，细化了枝晶组织. (2)加人相同体积分数、不同尺寸颗粒时，以14μm、15%SiC。/ZA22复合材料综合性能 最优：加人相同颗粒尺寸，不同体积分数时，以10μm、10%SiC,/ZA22复合材料综合性能最 优.和ZA22基体合金相比，试验的复合材料具有较高的高温稳定性， 参考文献 1 Dellis M A,et al.Zn-Al Matrix Composites:Investigation of The Thermal Expansion.Creep Resistance and Fracture Toughness.Mater Sei&Eng.1991.Al35:253~257 2未元风。锌基合金一一陶瓷复合材料的研究与进展，见：复合材料新进展学术会议论文集，济南：中国复 合材料学会，1991.319~325 3 Uhlmann D R.Chalmers B.J Appl Phys,1964,35:2986
一 胡海 明等 复合材 料组织及性 能 。 石 强 化 ， 很 快 断 裂 而基 体 合 金 在 拉 伸 初 期 ， 没 有 形 成 变形 抗 力 ， 所 以 刚度 低 ， 但 随 着 变 形 加 大 ， 应变强 化效 果增加 ， 可 以 在 拉断之前达到较高 的拉伸强度 值得 注意 的是 ， 当 体积分 数 为 时 ， 强度 、 弹性模量都有所上 升 本文分析 认 为 ， 此 时 在基体 中分 布均 匀性增 加 ， 界 面结强度好 ， 使得 的增 强作用得 到 了发挥 高温 力学性能 高温力 学性 能试验 是 先将 试样加 热到所要 求 的温度下保温 ， 进行 测试 用体积分数为 巧 ， 召 ’ 复合材料和 基体进行测试的结果见表 可见 ， 当温度升高至 ℃ 时 ， 强 度 和 刚 性 都 大 幅度 下 降 ， 而 复 合 材 料 的高 温 性 能 较 稳 定 ， 并 明显 高 于 合 金 似 ℃ 时 该合金的 值仍高于 室温时的 值 温度升高 ， 韧性有所上升 ， 表现出较好的高 温 性 能 这是 因 为温 度 升 高后 ， 基 体由于 变形产生强化 的能力下 降 ， 比复合材料 中颗 粒 和基体界 面 结 合强 度下 降的程 度快 ， 颗粒 的增 强作 用增加 ， 表 现为较 高 的弹性模量 和强 度 表 和 复合材料的高温性能 汕创睦 巧 刚如 戌乙 川 ， 扮” 以〔 棺 印 碑口恤 仄 护 二。 一 加 ︸︸、 巧 乃 珊阴 结论 在半 固态 搅拌铸造 的 ， 复合材料 中 ， 部分 颗粒可 以作 为初生相 形 核衬 底 ， 细 化 了枝 晶组织 加人相 同体积 分 数 、 不 同尺 寸颗粒 时 ， 以 拜 、 。 复合材料综合性能 最 优 加 人 相 同颗 粒 尺 寸 ， 不 同 体 积 分数 时 ， 以 尽 、 。 复合 材 料 综 合性 能 最 优 和 基 体 合金 相 比 ， 试验 的复合材料具 有较 高 的高温稳 定性 参 考 文 献 无 ， ， 一 万 吧 笋 ’ 几 戏 刀 比 眠 翻 ， 卯 ， 一 未元凤 锌基 合金 一 一 陶瓷复合材 料 的研 究 与进 展 见 复合材料 新进展 学 术 会议 沦文 集 ， 济 南 中 国 复 合 材料学 会 ， 一 ， 】 梦 ， 麟
