自然时效对SiC/Al-Mg-Si-Cu复合材料人工时效强化的影响

Relative good ductility can be achieved in Al-Mg-Si matrix composites, which is helpful to enhance service reliability and performance. However, Al-Mg-Si alloys exhibited lower strength as well as negative natural ageing (NA) effect leading to lower hardening by artificial ageing (AA). Addition of Cu refines phases consist of Mg and Si and produces Cu contained phases, resulting in increase of strength and compensation for the negative NA effect . For Al-Mg-Si-Cu matrix composites, there exist special chemical and physical activities near the interfaces. The negative NA effect is complicated and has not been investigated, resulted in limited understanding of effect of Cu. In the proposal, SiC/Al-Mg-Si-Cu composites and unreinforced alloy fabricated by powder metallurgy will be compared in term of solute clustering behaviors using thermoelectric power and three dimensional atom probe techniques. Effects of lattice distortion, deviation of alloy elements contents and geometric necessary dislocation on the clustering behaviors will be investigated. Based on that, variation of AA precipitates size and amount with NA duration will be plotted. Also, addition of Cu will be re-considered combined with its compensation for strength and effect on elongation. It is expected that principal of heat treatment and Cu content optimization was found in order to develop composites with high strength and good ductility.

以Al-Mg-Si合金为基体可以制备良好塑性的颗粒增强复合材料，有利于提高服役可靠性与成型性。但Al-Mg-Si强度偏低，且具有自然时效负效应，抑制了人工时效硬化。对未增强合金，添加Cu可细化Mg-Si相并增加含Cu强化相，不仅提高强度，还能补偿自然时效负效应。然而，在复合材料独特的界面物理化学作用下，其自然时效负效应规律与Cu的补偿作用尚不明确。本申请拟用粉末冶金法制备SiC/Al-Mg-Si-Cu复合材料，并与未增强基体合金对比，采用热电势测量与三维原子探针方法结合，研究晶格畸变、界面反应导致的元素波动以及界面几何位错等典型特性对原子团簇形成过程的影响；揭示自然放置过程对复合材料析出相尺寸、数量等特性的影响；综合评价添加Cu对强度、硬度的补偿作用以及延伸率影响。最终阐明Al-Mg-Si-Cu复合材料的自然时效负效应规律和Cu含量优化原理，为高强度与良好塑性复合材料的研发应用奠定基础。

高合金元素含量的Al-Mg-Si-Cu合金具有低自然时效硬化、良好塑性等特点，若用于制备SiC/Al复合材料的基体，可望在不牺牲强度前提下提高SiC/Al复合材料在自然时效态下的可加工性。然而，高合金含量的Al-Mg-Si-Cu合金具有自然时效负效应，而SiC/Al-Mg-Si-Cu复合材料的自然时效负效应从未有过研究报道，这给其应用带来困扰。围绕自然时效对SiC/Al-Mg-Si-Cu复合材料人工时效强化（硬化）的影响，本项目从认识自然时效的负面效应、解决自然时效的负面效应两方面开展工作。首先研究了人工时效时间对SiC/Al-Mg-Si-Cu复合材料中自然时效负面效应的影响，发现在整个人工时效阶段，复合材料中自然时效负面效应弱于不含SiC的铝合金。针对SiC引入对原子团簇的影响，研究了复合材料中独特的淬火应变对自然时效负面效应的影响，发现自然时效导致的屈服强度降低并未受淬火应变的显著影响，但淬火导致的弹/塑性应变会显著影响不同时效态复合材料的拉伸变形行为。通过预时效处理可抑制SiC/Al-Mg-Si-Cu复合材料中自然时效的负面效应。复合材料中预时效硬化效果强于不含SiC的铝合金，这主要源于复合材料在预时效后的自然时效阶段具有与铝合金不同的原子团聚行为。添加Cu元素也可以抑制SiC/Al-Mg-Si-Cu复合材料中自然时效的负面效应，但Cu对于抑制自然时效负面效应既有有利影响，也有不利影响。此外，Cu对复合材料中自然时效团簇行为及人工时效沉淀行为的影响也与不含SiC的铝合金中不同。在SiC/6xxxAl基础上进一步提高Cu含量可获得多元析出相共存的状态，基于此发展了SiC/Al-Cu-Mg-Si复合材料体系。在自然时效态，该复合材料体系具有比传统高强的SiC/2009Al复合材料更优异的冷加工性能，人工时效后具有更高的服役强度和更优异的晶间腐蚀抗性。上述工作填补了SiC/Al-Mg-Si-Cu复合材料热处理研究的空白，为复合材料的成分设计及热处理工艺优化提供了数据的借鉴及理论的指导。