2024AlGrSiCp复合材料耐热性能研究

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2024Al/Gr/SiCp 复合材料耐热性能研究

中图分类号：TG146.21 文献标识码：A

　　颗粒强化铝基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、弹性模量高和热膨胀系数低等优

点，已在航空航天、交通领域得到非常广泛的应用[1].随着近年来航空航天工业的迅猛发展对

材料提出了更高的要求，为了进一步提高飞行器的性能，开发混合颗粒强化铝基复合材料越来

越受到人们的关注[2-4].混合颗粒强化铝基复合材料结合了不同增强相颗粒所带来的优势，使其

具有多种独特的性能，例如 SiC 颗粒与石墨混合强化铝基复合材料不仅具有高弹性模量，还具

有良好的耐磨性能和阻尼性能[5-8].2024Al 合金属于可热处理强化铝合金，耐热性也比较优异

[9].通过在合金中复合添加 SiC 颗粒和片状石墨，可以进一步提高其模量和阻尼性能，这种混

　杂增强的 2024Al/Gr/SiCp 复合材料在航天飞行器支撑结构件上有重要的应用价值.然而，目前

　关于 2024Al/Gr/SiCp 复合材料耐热性能的报道很少. 　本文研究 2024Al/Gr/SiCp 复合材料的高温

拉伸性能及长时间热暴露后的室温力学性能，同时对拉伸断口进行分析，探讨 SiC 颗粒和石墨

对材料的耐热性能的影响.

　　 1 实验方法

　　实验所用的惰性气体雾化 2024Al 合金粉末、鳞片状石墨和 SiC 颗粒的形貌如图 1所

示.2024Al 合金粉末的化学成分（质量分数）为 3.53%Cu，1.28%Mg，0.2%Fe，余量为 Al.石墨

和SiC 颗粒的加入量分别为 3%和10%（质量分数）

　　采用真空热压粉末锭坯挤压成形法制备了 2024Al，2024Al/3Gr，2024Al/3Gr/10SiCp3 种复

合材料板.采用的挤压温度为 470　℃，挤压比为 22 1∶，板材的截面尺寸为 40　mm×10　mm.

　　将挤压板材进行峰值时效处理后，分别在 150　℃，200　℃，250　℃和300　℃热暴露不同时

间，测量其硬度变化规律及室温拉伸性能.采用 HBRVU187.5 型布洛维光学硬度计进行布氏硬

度测试，加载载荷为 612.9　N，保荷时间为 30　s，每个试样测试 5个点，舍去最大值和最小值后

取平均值作为测量值.在Instron3369 电子万能试验机上进行室温拉伸性能测试，拉伸速度为 0.5　

mm/min，每种试样测量 3个并取平均值作为测量值，拉伸试样断口形貌在 Hitachi　S4800 型场

发射扫描电子显微镜（SEM）上进行观察.金相组织观察在Carl　ZeissAxio　Lab　A1 型光学显微镜

上进行.

　　 2 实验结果

　　 2.1 微观组织

　　图2 　为2024Al/Gr/SiCp 复合材料分别在 150　℃，200　℃和300　℃热暴露 48　h 后的金相组织.

从图中可以看出，2024Al 合金及复合材料在不同温度热暴露 48　h 后，在材料的金相组织中没

有观察到明显的变化.2024Al 合金粉末颗粒沿挤压方向被拉长，SiC 颗粒及石墨均匀分布在基体

中，且与基体具有良好的界面结合.比较图 2（a 　），（d 　），（g）和图 2（b 　），（e 　），

（h）可以发现，随着热暴露温度的升高，基体合金的晶粒尺寸逐渐增大，这是因为高温下，

基体合金中溶质原子的扩散速度加快，导致晶粒和第二相尺寸的增加.图2（c 　），（f 　），

（i）为 2024Al/3Gr/10SiC 复合材料的金相组织，因SiC 颗粒的加入且为挤压变形组织，在进行

金相组织时无法腐蚀显现出明显的晶粒，但根据上述结果可以推断其晶粒尺寸变化趋势与基体

合金大致相同.此外，复合材料增强相，尤其是硬质 SiC 颗粒的加入，会阻碍热暴露时晶粒的长

大.

　　 2.2 硬度曲线

　　图3为2024Al 合金及其复合材料分别在 150　℃，200　℃，250　℃和300　℃热暴露 96　h 过程

中的硬度值随时间延长的变化曲线.从图中可以看出，材料热暴露后的硬度均有所下降，且随着

热暴露温度升高，材料硬度下降的幅度增大；在200　℃时硬度下降的幅度最小，在 300　℃时硬

度下降的幅度最大.这是因为热暴露温度越高，溶质原子扩散速度越快，第二相长大或粗化速度

也越快，同时晶粒长大的趋势也越明显.在相同温度下，开始阶段材料的硬度下降比较明显，随

着保温时间的延长，最后的硬度变化曲线处于平稳状态，几乎不发生改变.比较 2024Al/3Gr/

10SiC 复合材料与 2024Al/3Gr 复合材料的硬度曲线可见，加了 SiC 颗粒的复合材料硬度值下降

幅度比未加SiC 的材料的小.比较 2024Al/3Gr 复合材料与基体合金的硬度变化曲线发现，随着

热暴露温度升高，2024Al/3Gr 复合材料硬度下降幅度比 2024Al 合金基体在相同温度下硬度的

下降幅度小.这是因为片状石墨和 SiC 颗粒与基体合金之间的热膨胀系数存在差异，淬火时会在

基体合金中引入大量位错，对材料具有强化作用.

　　从整体来看，在 200　℃及以下热暴露时，2024Al/Gr/SiCp 复合材料的硬度性能曲线比较平

稳.含SiC 颗粒的复合材料耐热性能最好，含石墨的复合材料耐热性能次之，基体合金的耐热性

能最差.在300　℃ 　热暴露时， 2024Al/Gr/SiCp 复合材料的硬度性能曲线下降趋势明显加快.高温

下，基体合金中位错攀移、晶粒长大及第二相粗化导致材料的硬度下降的作用比复合增强相的

强化作用更明显，所以温度越高，硬度越低.通常 AlCuMg 系合金的正常服役温度一般在150　℃

以下，超过该温度后，材料的力学性能会下降[9]. 　而本文研究制备的 2024Al/Gr/SiCp 复合材料

具有较好的耐热性能，主要是因为加入的 SiC 颗粒和石墨颗粒能够阻碍热暴露过程中的晶粒长

大及阻碍位错的运动.　　　 2.3 拉伸性能

　　图4为在不同温度下热暴露 12　h 后材料的室温抗拉强度变化规律及拉伸曲线.由图可见，

材料的强度随着热暴露温度的升高逐渐降低，但整体仍具有较高的强度.在200　℃及以下，材料

的整体抗拉强度下降幅度不大，具有良好的耐热性能.对比 2024Al 合金基体与复合材料的抗拉

强度变化，可以发现基体合金的抗拉强度下降幅度更大.2024Al 合金在 150　℃时抗拉强度为 480

MPa，200　℃时抗拉强度为 394　MPa，下降了约90　MPa；而2024Al/3Gr/10SiCp 复合材料在 150

℃时抗拉强度为 424　MPa，200　℃时抗拉强度为 404　MPa，下降幅度仅为 20　MPa.在300　℃保温

12　h 后，材料的抗拉强度下降幅度较大.这与硬度曲线变化规律分析得到的结论相吻合，在 200　

℃及以下温度，2024Al 合金及其复合材料的力学性能下降幅度较小，在 300　℃时力学性能快速

下降.在200　℃及以下温度，由于SiC 颗粒及石墨的加入，能钉扎位错和晶界，阻碍位错运动和

晶粒长大，有效地提高材料的耐热性能.当在300　℃时，位错和晶界运动驱动力增大，晶粒及第

二相长大趋势明显，材料的强度下降.

　　　比较 2024Al/Gr/SiCp 复合材料室温及在 150　℃保温 12　h 后的抗拉强度，可以发现，经150　

℃热暴露 12　h 后，2024Al 合金及复合材料的抗拉强度均有小幅的升高.部分学者[10-12＼]在研

究AlCuMg 系铝合金的耐热性能时也发现过类似现象.魏修宇等[12]在研究 2197Al 合金的高温拉

伸性能及长时间热暴露后的室温力学性能时发现，在低于 150　℃的温度下热暴露 100　h

后，2197Al 合金的强度提高了 15　MPa 左右，将其原因归结为：合金经过160　℃　/16　h 时效处理

后，仍残留有部分的过剩溶质原子，当合金在 150　℃及以下长时间暴露时，会二次析出细小弥

散的θ'（Al2Cu）强化相.本实验的基体合金中 Cu 含量较高，基体中除了存在S（Al2CuMg）

相，多余的 Cu 原子会形成 θ'（Al2Cu）相.θ'相作为（Al2Cu）相的过渡相，其在 150　℃热暴露

时在基体中析出的可能性很大.因此，θ'相的二次析出可能是2024Al 合金基体及其复合材料在

150　℃热暴露后，强度有所提高的主要原因.

　　图5为2024Al 合金及其复合材料在 200　℃下分别热暴露 12　h，24　h 和48　h 后的室温抗拉

强度变化趋势及相应的拉伸曲线.由图可见，随着保温时间的延长，2024Al 合金及其复合材料

的抗拉强度均有小幅度的下降；相比于基体合金，复合材料的下降幅度更小.2024Al 合金在 200

℃下保温 48　h 后抗拉强度为 340　MPa，比未经保温处理的强度下降了140　

MPa；2024Al/3Gr/10SiCp 复合材料在 200　℃下保温 48　h 后抗拉强度仍有366　MPa，比未经过保

温处理的强度仅下降了21　MPa.可见SiC 颗粒和石墨的加入，减小了材料强度下降的幅度，提

高了基体合金的耐热性能.热暴露保温时间对材料伸长率的影响不大，随着时间的延长，材料的

伸长率一般都有小幅度的提高，基体合金伸长率的变化幅度在 5%左右，复合材料的伸长率变

化幅度在 1%左右.

　　随着热暴露时间的延长，溶质原子扩散得更加充分，晶粒尺寸和第二相尺寸长大、位错攀

移运动程度加剧，导致材料的抗拉强度下降、伸长率上升.

　　图6为2024Al 合金及其复合材料在不同温度下热拉伸变形时的强度及相应的拉伸曲线.由

图可见，随着拉伸温度的升高，2024Al 合金及其复合材料的抗拉强度均逐渐下降.在200　℃及

以下温度，抗拉强度下降的幅度较小，在 250　℃及以上的温度下拉伸时，抗拉强度下降幅度较

大.在200　℃时，2024Al 合金、2024Al/3Gr 和2024Al/3Gr/10SiCp 复合材料仍具有较高的力学性

能，抗拉强度分别为 383　MPa，377　MPa 及372MPa.比较 2024Al 及其复合材料的抗拉强度可

知，复合材料的抗拉强度下降幅度比基体合金的小.

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摘要：

2024Al/Gr/SiCp复合材料耐热性能研究中图分类号：TG146.21文献标识码：A　　颗粒强化铝基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、弹性模量高和热膨胀系数低等优点，已在航空航天、交通领域得到非常广泛的应用[1].随着近年来航空航天工业的迅猛发展对材料提出了更高的要求，为了进一步提高飞行器的性能，开发混合颗粒强化铝基复合材料越来越受到人们的关注[2-4].混合颗粒强化铝基复合材料结合了不同增强相颗粒所带来的优势，使其具有多种独特的性能，例如SiC颗粒与石墨混合强化铝基复合材料不仅具有高弹性模量，还具有良好的耐磨性能和阻尼性能[5-8].2024Al合金属于可热处理强化铝合金，耐热性也...

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