高尺寸稳定性55%SiC_P/2024Al复合材料的颗粒级配及热处理工艺

Particle grading and thermal treatment process on 55%SiC_P/2024Al composites with high dimensional stability

摘要

基于中位粒径分别为76 μm和14 μm的粗细两种SiC颗粒，按不同配比设计6种颗粒级配方案，并通过热等静压烧结成型制备体积分数为55%的SiC_P/2024Al复合材料，设计“冷热循环”和“固溶+冷热循环”两种稳定化热处理工艺，研究了颗粒级配及热处理对55%SiC_P/2024Al复合材料微观组织结构及尺寸稳定性的影响。结果表明：颗粒级配对铝合金基体中的Al₂Cu相含量有显著影响，当细SiC颗粒占比为40%时有利于Al₂Cu相的析出，而固溶+冷热循环稳定化热处理提高了Al₂Cu相的尺寸均匀性和分布均匀性，进一步提高相稳定性；在真实模型及标准模型中，稳定化热处理过程所产生的热错配应力水平，随着细SiC颗粒占比的提高表现出先上升后下降的趋势，占比为40%时Mises应力达到最大值（分别为7.95 MPa和3.52 MPa），有利于复合材料内部残余应力的释放，提高应力状态稳定性；采用14 μm细SiC颗粒占比为40%的颗粒级配方案并进行固溶+冷热循环稳定化热处理时，55%SiC_P/2024Al复合材料具有最佳的尺寸稳定性，在5次180 ℃热载荷测试中的尺寸变化率保持在±0.07%以内。

Abstract

Based on two kinds of SiC particles with the median particle size of 76 μm and 14 μm， six SiC particle grading schemes are designed according to different proportions， and the SiC_P/2024Al composites with 55% volume fraction are prepared by hot isostatic pressing sintering， and then two kinds of stabilization heat treatment strategies， which are “thermal-cold cycle” and “solid solution + thermal-cold cycle”， are designe. The effects of particle grading and heat treatment on the microstructure and dimensional stability of 55%SiC_P/2024Al composites are studied. The results show that the particle grading has a significant effect on the content of Al₂Cu phases in the aluminum alloy matrix. When the proportion of small SiC particles is 40%， it is conducive to the precipitation of Al₂Cu phases. The solid solution + thermal-cold cycle stabilization heat treatment improves the size and distribution uniformity of Al₂Cu phases and the phase stability. In the real and standard models， the thermal mismatch stress level generated by the stabilization heat treatment process shows a trend of first increasing and then decreasing with the increase of the proportion of fine SiC particles. Furthermore， the Mises stress reaches the maximum value （7.95 MPa and 3.52 MPa， respectively） when the proportion is 40%， which is conducive to releasing of the residual stress in the composites and improving the stability of the stress state. After adopting the particle grading scheme of small particle SiC accounting for 40% and carrying out the stabilization heat treatment of “solid solution + thermal-cold cycle”， 55%SiC_P/2024Al composite has the best dimensional stability， with dimensional change rate remaining within ±0.07% for 5 cycles thermal load at 180 ℃.

Graphical abstract

关键词

SiC_P/Al复合材料 / 颗粒级配 / 尺寸稳定性 / 冷热循环处理

Key words

SiC_P/Al composites / particle grading / dimensional stability / thermal-cold cycling treatment

近年来，SiC_P/Al复合材料已经在我国航空航天领域发挥了重要作用^［1-3］，随着惯性导航等设备对结构精度稳定性及其抵抗力、热载荷能力要求的不断提高，亟须研发具有高模量、低热膨胀系数、高尺寸稳定性的SiC_P/Al复合材料^［4-7］。

2024合金为Al-Cu-Mg系硬铝合金，其质量轻、强度与韧性高，可热处理强化^［8-9］，SiC_P/2024Al复合材料的弹性模量可达200 GPa，热膨胀系数仅为9.6×10^-6 K^{-1［10-11］}，其高弹性模量和低热膨胀系数有利于提高结构精度稳定性；此外，SiC_P/2024Al复合材料具有较高的谐振频率及结构基频，对发射或飞行过程中抵抗振动载荷干扰极为有利^［12］。当作为惯性器件材料时，尺寸稳定性问题是提高精度的关键，也是必不可少的考量因素^［13］。

目前关于尺寸稳定性的研究主要聚焦在体积分数为40%~45% SiC_P/Al复合材料，武高辉等^［14］发现SiC颗粒增强相一方面可以提升强度与刚度，另一方面使界面反应加剧反而会降低尺寸稳定性；Lloyd ^［15］提出复合材料的尺寸稳定性与膨胀系数和热导率有关，但未阐明具体的影响规律。王秀芳等^［16］针对40%体积分数的SiC_P/2024Al复合材料，研究了冷热循环处理对尺寸稳定性的影响规律；本团队的前期研究表明，相同SiC体积分数的Al基复合材料，当颗粒级配方案不同时其尺寸稳定性也有较大区别^［17］。

对于50%~60%及更高体积分数的SiC_P/Al复合材料，一般需要通过颗粒级配制备^［18］，由于高体积分数SiC_P/Al复合材料多用于电子封装，颗粒级配是为了提高SiC的体积分数以降低热膨胀系数，而电子器件的尺寸小因而对稳定性要求低，导致尺寸稳定性易被忽略。惯性器件复合材料中的SiC体积分数在55%左右时最佳，既能保证足够的强度，又有利于机械加工^［10］，然而目前缺乏颗粒级配对该体积分数SiC_P/2024Al尺寸稳定性的系统研究，此外，热等静压烧结成型过程中材料内部产生的残余应力同样影响尺寸稳定性^［16］，需要通过针对性的热处理手段，在服役之前将其释放。

为此，本工作基于中位粒径分别为76 μm和14 μm的粗细两种SiC颗粒，按不同的配比设计了6种颗粒级配方案（细SiC颗粒占比20%，25%，30%，40%，50%，100%），通过热等静压烧结成型制备55%SiC_P/2024Al复合材料，设计冷热循环和固溶+冷热循环两种稳定化热处理工艺，系统研究颗粒级配及稳定化热处理对微观组织结构和尺寸稳定性的影响规律，提出了高尺寸稳定性55%SiC_P/2024Al复合材料的最佳制备工艺。

1 实验材料与方法

1.1 材料制备及处理

55%SiC_P/2024Al复合材料的基体选用中位粒径（D50）15 μm的2024Al合金，增强体碳化硅颗粒的中位粒径为76 μm和14 μm粗细两种规格，组成6种SiC颗粒级配方案（14 μm细SiC颗粒占比分别为20%，25%，30%，40%，50%，100%）。按照既定配比将铝合金粉末与SiC颗粒通过Ⅴ型混粉机搅拌混粉12 h，然后将混合均匀的粉末置于铝包套中，使用QIH48热等静压设备在560 ℃，60 MPa下保压3 h完成烧结成型。不同细SiC颗粒占比制备态55%SiC_P/2024Al复合材料的光学金相组织如图1所示，其中浅色为Al合金基体，深色为增强体SiC颗粒。基于制备态复合材料，分别进行“冷热循环”（TCC）和“固溶+冷热循环”（S+TCC）尺寸稳定化热处理，具体参数如表1所示，其中冷热循环的低温处理在液氮中进行，两种热处理制度中冷热循环的次数均为4次。

1.2 分析测试及模拟仿真

通过Sigma-300扫描电子显微镜观察制备态、冷热循环处理及固溶+冷热循环处理试样的组织形貌及析出相的形貌及分布；利用Rigaku X射线衍射仪进行物相分析，参数为：Cu靶Kα射线，扫描速度3 （°）/min，衍射角度20°~80°。基于Abaqus有限元软件建立真实模型及标准模型，计算不同颗粒级配复合材料在冷热循环处理中的热错配应力水平。6种颗粒级配方案的制备态试样及经过两种不同稳定化热处理的试样，均进行5次180 ℃热载荷测试，使用LSD-120Y高精度密度测试仪测量复合材料的密度和体积变化，评价尺寸稳定性。

2 结果与分析

2.1 55%SiC_P/2024Al复合材料的微观组织结构演化

不同细SiC颗粒占比55%SiC_P/2024Al复合材料的XRD图谱如图2所示，其中由下到上3条谱线分别对应制备态、冷热循环处理和固溶+冷热循环处理试样。可以发现不同颗粒级配及不同状态的55%SiC_P/2024Al复合材料均由Al，SiC及Al₂Cu相组成，其中Al₂Cu相是2024合金中最主要的析出相，由固溶在Al基体中的处于不稳定状态的Cu原子析出形成^［19-21］。

以制备态55%SiC_P/2024Al复合材料为基准，通过Jade软件计算得到的冷热循环和固溶+冷热循环处理后的Al₂Cu相含量对比如图3所示。可以发现，在不同颗粒级配方案下，固溶+冷热循环处理后Al₂Cu相含量均低于冷热循环处理和制备态试样，这是由于固溶处理过程中Al₂Cu相的回溶导致。而冷热循环处理过程中既存在Al₂Cu相的回溶又存在Al₂Cu相的析出，其综合作用效果受到颗粒级配方案的影响，随细SiC颗粒占比的不断增加，冷热循环和固溶+冷热循环处理试样中Al₂Cu相的含量总体呈现先增高后降低的趋势，在细颗粒占比为40%时Al₂Cu相含量达到最大值，此时固溶+冷热循环处理试样中的Al₂Cu相含量可以达到制备态的98%，表明固溶处理过程回溶进基体中的Al₂Cu相可以在后续的冷热循环处理过程中再次析出。

不同颗粒级配方案及不同状态55%SiC_P/2024Al复合材料的扫描组织如图4所示，其中浅灰色的为Al基体，黑色颗粒为SiC，白色颗粒为Al₂Cu相。可以发现在固溶+冷热循环处理试样中，Al₂Cu相的尺寸及分布与冷热循环处理和制备态试样存在显著差异：大尺寸Al₂Cu相的比例降低，SiC与Al基体结合处的块状Al₂Cu相数量减少，细小的Al₂Cu相增多，Al₂Cu相的尺寸均匀性和分布均匀性提高。

图5所示为通过ImageJ软件计算的Al₂Cu相在55%SiC_P/2024Al复合材料中的占比，固溶+冷热循环处理后的Al₂Cu相占比低于冷热循环处理及制备态试样，但不同状态试样中的Al₂Cu相占比随颗粒级配方案的变化具有相同的变化趋势，细SiC颗粒占比为40%时，Al₂Cu相在55%SiC_P/2024Al复合材料中的占比达到最高，与XRD分析结果相吻合。

2.2 55%SiC_P/2024Al复合材料的热错配应力

SiC_P/Al复合材料加工的结构件在服役过程中，会随着受力或温度变化等情况释放内应力引起材料的微塑性变形。已有研究表明，在SiC_P/Al复合材料服役之前，通过冷热循环处理可以使复合材料发生预变形，进而将内应力提前释放^［16］，但未阐明颗粒级配对热错配应力的影响。本工作针对不同颗粒级配的55%SiC_P/2024Al复合材料，使用Abaqus有限元软件模拟分析冷热循环处理后的热错配应力水平，通过提取像素点的方法建立如图6所示的真实模型。考虑到制备过程中混粉、热压等环节对SiC颗粒完整性及分布均匀性的影响，建立标准模型进行对比分析（图7）。

在Abaqus CAE中对二维模型进行前处理。利用property模块定义材料模型参数，具体如表2所示，并在该模块中设置截面属性，指派材料区域；利用step模块设置与真实的“冷热循环”处理相同时间的分析步，设置0.01~1 s的步长保证计算充分以及仿真精度，设置应力场及位移结果输出；利用load模块为模型载入载荷参数，对分析步模块中的高温分析步和低温分析步载入thermal热学载荷，根据表1确定高温参数为191 ℃、低温参数为-196 ℃，并且将边界条件设置为ZSYMM（U3=UR1=UR2=0），使模型位移在二维方向进行；利用mesh模块对模型进行网格划分，网格划分足够小，提升模型仿真精度，并设置网格类型为“温度-位移”耦合；之后提交计算机进行计算，输出结果如图8所示。

图9所示为55%SiC_P/2024Al复合材料的热错配应力水平分析结果，真实模型及标准模型均表明不同的颗粒级配方案对热错配应力水平有显著影响。在真实模型中，热错配应力水平随着细SiC颗粒占比的提高表现出先上升后下降的趋势，细SiC颗粒占比为40%时达到最大值7.95 MPa，如图9（a）所示；标准模型具有与真实模型相似的热错配应力水平变化趋势，但其最大值仅为3.52 MPa（图9（b）），这是由于相较于标准模型，真实模型中SiC颗粒分布不均匀、粗细颗粒粒径在一定范围内波动，且包含一些长径比很大的颗粒，因此在相同热载荷条件下，通过真实模型得到的热错配应力值更大。

2.3 55%SiC_P/2024Al复合材料的尺寸稳定性

制备态、冷热循环处理（TCC）及固溶+冷热循环处理（S+TCC）的55%SiC_P/2024Al复合材料，在5次热载荷测试中的体积变化如图10所示。制备态复合材料的体积变化率在±0.68%之间，冷热循环处理后体积变化率与制备态差异不大（±0.69%），而固溶+冷热循环处理后的体积变化率显著降低（±0.28%），表明固溶+冷热循环处理是提高55%SiC_P/2024Al复合材料尺寸稳定性的有效手段。采用14 μm细SiC颗粒占比40%的颗粒级配方案并进行固溶+冷热循环稳定化热处理后，55%SiC_P/2024Al复合材料具有最佳尺寸稳定性，尺寸变化率保持在±0.07%以内。

针对SiC_P/Al复合材料尺寸稳定性的相关研究表明，其主要的影响因素为析出相和内部应力状态两个方面^{［13-14，16］}。对于55%SiC_P/2024Al复合材料来说，Al₂Cu相的析出是影响尺寸稳定性的主要因素之一，细SiC颗粒占比为40%时55%SiC_P/2024Al复合材料中Al₂Cu相含量最高，这是由于颗粒级配会影响复合材料中的位错密度、空位等微观缺陷，而这些缺陷在Al₂Cu相的析出过程中充当形核位点^［22］，当颗粒级配方案使缺陷数量提升时对Al₂Cu相的析出起到促进作用，图11所示为细颗粒占比40%时55%SiC_P/2024Al复合材料中的Al₂Cu相对比，固溶处理过程回溶进基体中的Al₂Cu相可以在后续的冷热循环处理过程中再次析出，通过冷热循环处理可以有效增加位错密度并加快溶质原子的扩散速度，使得大尺寸Al₂Cu相的比例降低，SiC与Al基体结合处的块状Al₂Cu相数量减少，细小的Al₂Cu相增多，Al₂Cu相的尺寸均匀性和分布均匀性提高，此时固溶+冷热循环处理试样中的Al₂Cu相含量可以达到制备态的98%，回溶进基体的Al₂Cu相可以充分再次析出，因此有利于提高55%SiC_P/2024Al复合材料的相稳定性^［23-24］，而未经固溶处理直接进行冷热循环处理时，制备过程中生成的大尺寸块状Al₂Cu相无法完全回溶，导致对Al₂Cu相的调控效果不佳（图11（b））。另一方面，55%SiC_P/2024Al复合材料由两种密度、热膨胀系数、伸长率等参数都不同的材料复合而成，物理性能迥异的两种材料配合使其在强度、模量、韧性、耐磨性等方面都具有优异性能，但由于内部残余应力状态极为复杂且不易释放，因此会影响尺寸稳定性，针对不同颗粒级配方案，通过冷热循环处理可以产生不同水平的热错配应力，在真实模型及标准模型中，细SiC颗粒占比40%时Mises应力达到最大值（分别为7.95 MPa和3.52 MPa），更大的热错配应力与内部的残余应力叠加，有利于在稳定化热处理过程中发生微塑性变形将内应力释放，提高55%SiC_P/2024Al复合材料的应力状态稳定性。当14 μm细SiC颗粒占比为40%并进行固溶+冷热循环处理时，55%SiC_P/2024Al复合材料中Al₂Cu相的含量高、尺寸均匀性和分布均匀性好，并且残余应力的释放最充分，因而具有最佳的尺寸稳定性。

3 结论

（1）颗粒级配对铝合金基体中的Al₂Cu相含量有显著影响，14 μm细SiC颗粒占比为40%时有利于Al₂Cu相的析出，而固溶+冷热循环稳定化热处理提高了Al₂Cu相的尺寸均匀性和分布均匀性，进一步提高55%SiC_P/2024Al复合材料的相稳定性。

（2）在真实模型及标准模型中，稳定化热处理过程所产生的热错配应力水平随着14 μm细SiC颗粒占比提高表现出先上升后下降的趋势，占比为40%时Mises应力达到最大值（分别为7.95 MPa和3.52 MPa），有利于复合材料内部残余应力的释放，提高应力状态稳定性。

（3）当采用14 μm细SiC颗粒占比为40%的颗粒级配方案，并进行固溶+冷热循环稳定化热处理时，55%SiC_P/2024Al复合材料具有最佳尺寸稳定性，在5次180 ℃热载荷测试中的尺寸变化率保持在±0.07%以内。

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基金资助

国家重点研发计划(2022YFB3705702)