王荣旗，谢敬佩，吴文杰，王爱琴

(河南科技大学 材料科学与工程学院,河南 洛阳 471023)

CeO2对SiCp/Al-Si复合材料组织及性能的影响

王荣旗，谢敬佩，吴文杰，王爱琴

(河南科技大学 材料科学与工程学院,河南 洛阳 471023)

摘要：采用粉末冶金法制备SiCp/Al-Si复合材料，以CeO2为变质剂，制备含CeO2的SiCp/Al-Si复合材料。研究CeO2的添加量(质量分数)对复合材料组织和力学性能的影响，探讨复合材料中CeO2在烧结过程中的作用机理。研究结果表明：添加CeO2可以有效提高复合材料的致密度和室温拉伸性能，复合材料的致密度和室温拉伸性能随CeO2添加量(质量分数：0%~1.80%)的增加先升高后降低，在CeO2的添加量(质量分数)为0.60%时出现峰值。随着CeO2添加量的增加，CeO2颗粒发生集聚长大。当稀土添加量(质量分数)为0.60%时，变质效果最好。此时，硅相的平均尺寸最小且形态明显球化，硅颗粒的平均直径从7 μm下降到5 μm以下。

关键词：粉末冶金；冷压；烧结；稀土；力学性能

基金项目：国家自然科学基金项目(51371077)

通信作者

作者简介：王荣旗(1989-),男,河南新乡人,硕士生;谢敬佩(1957-),男,,河南安阳人,教授,博士,博士生导师,主要研究方向为金属复合材料.

收稿日期：2014-11-04

文章编号：1672-6871(2015)02-0001-04

中图分类号：TF124

文献标志码：志码：A

0引言

碳化硅颗粒增强铝硅基复合材料是一种具有高比强度的新型材料，相比于传统的钢铁材料具有密度低、线膨胀系数可控制、良好的导热性以及高比强度等优良性能，广泛应用到航空航天、电子封装等行业，目前已经成为铝基复合材料的研究热点[1-2]。由于SiCp/Al-Si复合材料在制备过程中产生了大量的粗大多角形的析出硅，且其较脆，严重割裂基体，降低了合金的力学性能与切削加工性能。因此，如何通过添加变质剂细化析出硅，提高复合材料的力学性能，对于SiCp/Al-Si复合材料的应用及其变质理论的完善发展具有重要意义。文献[3-4]的研究结果表明：在铸造铝硅合金中，稀土可有效细化初晶硅和共晶硅，提高合金的室温力学性能和热稳定性。关于粉末冶金铝硅合金中稀土的添加方式以及其对于基体材料的组织与性能的影响等方面尚缺乏系统深入的研究。纯单质稀土Ce在室温下具有很高的化学活性，直接添加时烧损严重，而CeO2在常温空气中较稳定[5]。本文以CeO2作为变质剂加入SiCp/Al-Si复合材料中，研究CeO2对稀土变质SiCp/Al-Si复合材料组织与性能的影响，探讨CeO2在烧结过程的作用机理。

1试验

试验用原料粉末为Al-20Si-1.5Cu-0.8Mg(质量分数)粉末、SiC粉末、CeO2粉末，其中，SiC粉末在混合粉末中的质量分数设计为20%，CeO2的添加量(质量分数)分别为0.15%、0.30%、0.60%、1.20%和1.80%。首先，在QM-BP行星球磨机上混料2 h，球料质量比为2∶1；然后，以500 MPa压力将混合粉末冷压成直径为78 mm、长为48 mm的坯料；接着对冷压坯料进行烧结，烧结温度为550 ℃，烧结3 h(保护气体为N2)；最后，将烧结后的培料热挤压成直径为20 mm、长为500 mm的棒料，挤压比(横截面积)为15∶1，挤压温度为500 ℃。

将制得的坯样机械加工成各种规则的检测试样。利用X射线能谱分析仪(EDAX)JSM-5610LV扫描电镜，观察微观组织特征并对组织中存在的各种相进行能谱分析；采用排水法测定试样密度；在岛津AG-1 250 kN精密万能材料试验机上进行拉伸试验，测定合金的抗拉强度和伸长率。

2试验结果与分析

2.1　CeO2添加量对复合材料微观组织的影响

图1是不同CeO2添加量(质量分数，下同)的SiCp/Al-Si复合材料背散射电子图像(SEM组织)，不同成分颗粒的亮度不同。结合能谱结果分析，在未添加CeO2复合材料中，亮度较暗的颗粒为SiC颗粒，较亮颗粒为析出的硅颗粒；在含有CeO2复合材料中，SiC颗粒、析出硅颗粒和CeO2颗粒的亮度依次增强。从图1中可以看出：变质后的硅相尺寸明显减小，在未变质的复合材料中存在着较大的、不规则的、带有尖锐棱角的硅颗粒；变质后硅颗粒尺寸变小，形貌趋于球状。通过比较可以看出：当CeO2添加量不超过0.60%时，随着CeO2添加量的增加，析出硅颗粒数量增多，尺寸逐渐减小，析出硅呈现细小圆润颗粒状的区域逐渐增多，其细化效果越来越明显；当CeO2添加量超过0.6%时，硅相的尺寸随着CeO2添加量w的增加而增大，硅相呈现粗大带尖角状的区域逐渐增加，CeO2的细化效果下降。

为进一步确定析出硅相大小以及形貌上的变化，利用图像分析软件Image Pro-plus测定析出硅颗粒平均等积圆直径和形状因子。不同稀土添加量的复合材料中析出硅相的尺寸和形状因子如图2所示。

图2　 不同CeO2添加量的SiCp/Al-Si复合材料 Si相形貌和尺寸

从图2的结果可见：随着CeO2添加量的增加，析出硅相的平均等积圆直径先减小后增大；而析出硅的平均形状因子先增大后减小，在稀土添加量为0.60%时，析出硅相尺寸最小，形态球化效果最明显。这个结果与微观组织的分析是一致的。

Si和CeO2的基本物理参数见表1。由表1可知：CeO2和Si的a值相差较小，错配度δ=0.004。可见，CeO2与Si存在共格关系[6-8]，可作为析出硅相的非均匀形核核心，大量的形核核心起到细化析出硅相的作用。当CeO2添加量为0.60%时，细化效果最明显；而当CeO2添加量过高或过低时，变质效果降低。这是由于：当CeO2添加量低于0.60%时，衬底较少，导致变质不充分；当CeO2添加量高于0.60%时，CeO2颗粒发生集聚长大，生成大量的CeO2夹杂[9-10]，降低细化效果。

2.2　CeO2添加量对复合材料致密度的影响

图3为SiCp/Al-Si复合材料的相对密度(致密度)随CeO2添加量的变化。从图3中可以看出：复合材料的相对密度随着CeO2添加量的增加从96.38%升高到98.50%，然后降低到97.10%；在CeO2添加量为0.60%时，复合材料的相对密度达到峰值98.50%。研究表明：粗大多角形的硅相作为硬脆相，严重割裂基体，并且较大的、带有尖锐棱角的硅颗粒不能够与基体紧密的结合，造成析出硅相与基体间的孔隙增多，从而影响材料的致密度[11]。当CeO2添加量为0.60%时，变质效果最佳，硅相多呈现细小圆润颗粒状，硅相与基体之间结合紧密，孔隙较少，提高了材料的致密度。CeO2添加量过高或过低都不能够对析出硅相产生较好的变质效果，致使硅相多呈粗大的多面体不规则状，从而降低材料的致密度。

表1　Si和CeO2的基本物理参数

2.3　CeO2添加量对复合材料力学性能的影响

图4为不同CeO2添加量的SiCp/Al-Si复合材料的抗拉强度与伸长率。由图4可以看出：随CeO2添加量增加，复合材料的抗拉强度从190 MPa开始增大到265 MPa,然后减小到205 MPa，抗拉强度的峰值出现在CeO2添加量为0.60%时。随CeO2添加量增加，合金的伸长率从2.70%增加到6.13%,然后减小到3.12%，峰值点同样出现在添加量为0.60%时。

图3SiCp/Al-Si复合材料的致密度随CeO2添加量增加的变化

图4CeO2添加量对SiCp/Al-Si复合材料室温拉伸性能的影响

本研究中复合材料的力学性能主要与烧结致密度及强化相粒子数量、大小与分布等密切相关。孔隙的存在导致材料在外力作用下，沿孔隙尖端所引起的应力集中，形成微裂纹，使得材料的强度和塑性降低[12]。结合图3可以得出：当CeO2添加量过高或过低时，复合材料致密度较低，导致材料的力学性能降低。析出硅相在复合材料中作为强化相起到了弥散强化的作用。结合图1可知：当CeO2添加量为0.60%时，析出硅相尺寸较小，数量较多且分布均匀，同时硅颗粒表面钝化，与基体结合紧密，大大提高了复合材料的力学性能；当CeO2添加量过高或过低时，析出硅相的弥散强化作用降低。图5为不同CeO2添加量的SiCp/Al-Si复合材料的室温拉伸断口形貌。从图5中观察到：当CeO2添加量为0.60%时，复合材料拉伸断口的韧窝最为发达，具有明显的韧性断裂特征。当CeO2添加量过高或过低时，复合材料拉伸断口的韧窝数量减少，且出现了沿晶断裂，对复合材料的力学性能不利。

图5　不同CeO2添加量的SiCp/Al-Si复合材料的拉伸断口形貌

3结论

(1)添加微量的CeO2能够提高SiCp/Al-Si复合材料的烧结致密度，但过量添加CeO2反而使烧结致密度降低。(2)随CeO2添加量增加，CeO2颗粒发生集聚长大。微量的CeO2对SiCp/Al-Si复合材料中的析出硅相具有明显的变质效果，CeO2可以促进析出硅相的异质形核，从而细化析出硅，增加析出硅的数量，且使硅相钝化。CeO2的最佳添加量为0.60%，过高或过低的CeO2添加量会降低变质效果。(3)随着CeO2含量的增加，SiC颗粒增强Al-Si复合材料的抗拉强度，从190 MPa开始增大到265 MPa，然后减小到205 MPa；伸长率从2.70%增加到6.13%，然后减小到3.12%。当CeO2添加量为0.60%时，材料的抗拉强度与伸长率达到极值，分别为265 MPa和6.13%。

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