碳化硅（SiC）含量对采用新型连续挤压铸造-挤出工艺制备的SiC?/AZ61复合材料微观结构演变及力学性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of SiC content on microstructural evolution and mechanical properties of SiC?/AZ61 composites prepared by a novel continuous squeeze casting-extrusion process

SiC?/AZ61复合材料通过新型连续挤压铸造-挤压工艺制备，发现6% SiC时强度与延展性最优，达358.8MPa和14.5%，机理为双模态晶粒结构促进动态再结晶协同作用。

　　本文研究了一种创新的节能连续压铸-挤压（CSCE）工艺在制备不同SiC粒子含量的SiC?/AZ61复合材料中的应用。研究发现，随着SiC粒子含量的增加，材料的平均晶粒尺寸逐渐减小，织构强度减弱，再结晶率则显著提高。其中，含有6 wt.% SiC粒子的复合材料在强度和延展性方面表现出最佳的平衡。相较于基体合金，其抗拉强度和屈服强度分别提升了15.1%和28.2%，分别达到358.8 MPa和251.7 MPa，而延展性则保持在14.5%。这种优异的强度-延展性协同效应主要归因于在双峰晶粒结构中的协调变形，该结构由粗大和细小的动态再结晶（DRX）晶粒组成。此外，良好的初始铸造微观结构，包括均匀分布的SiC粒子、细小的基体晶粒以及一定体积分数的Mg??Al??第二相粒子，共同促进了复合材料机械性能的提升。

镁及其合金因其轻质、高比强度、良好的导电性和易于加工等特性，在汽车、航空航天、电子封装以及机械制造等领域得到了广泛应用。随着科学技术的不断进步，对镁及其合金的微观结构和性能提出了更高的要求。与传统镁合金相比，颗粒增强型镁基复合材料展现出更高的强度、更好的耐磨性和更优的疲劳与蠕变性能，因此近年来吸引了大量研究关注。陶瓷颗粒，如TiC、AlN、SiC、Al?O?和TiB?等，因其高硬度、高刚度和良好的耐磨性被广泛用作增强材料。其中，SiC颗粒由于其成本效益而受到越来越多的关注。

热挤压是一种常用的工艺，能够有效提升复合材料的强度。例如，Qi等人通过热挤压制备了TiB?/AZ31镁基复合材料，获得了322 MPa的抗拉强度。Li等人则报告称，经过热挤压后，SiC?/Mg-Zn-Ca复合材料的屈服强度、抗拉强度和延展性分别提高至322.7 MPa、409.1 MPa和10.1%。此外，在热挤压过程中，增强颗粒如TiB?和SiC对镁基体的微观结构有显著影响。值得注意的是，增强颗粒与基体之间热膨胀系数的显著不匹配，会在颗粒周围形成高位错密度和大取向梯度的区域，这些区域被称为颗粒变形区（PDZs）。PDZs内的应变不均匀性可以作为动态再结晶（DRX）的成核位点，通过颗粒诱导成核（PSN）机制促进DRX，从而实现晶粒细化。

然而，传统热挤压工艺通常需要较长的工序，如均质化处理、剥皮和预热等。例如，Li等人对SiC?/Mg-Zn-Ca复合材料铸锭进行了23小时的均质化处理，随后在280°C下预热30分钟再进行挤压。同样，Wang等人将TiC/Mg–2Zn–0.8Sr–0.2Ca复合材料铸锭切割成圆柱形样品，进行了20小时的均质化处理，并在模具中预热20分钟后再进行挤压。这种传统工艺不仅流程复杂、耗时长、能耗高，影响了加工效率，而且长时间的均质化处理可能导致铸锭晶粒粗化和表面氧化。此外，第二相的溶解会削弱其在挤压过程中对动态再结晶的促进作用。

在我们之前的研究中，提出了一种新的连续压铸-挤压（CSCE）工艺。该工艺显著简化了镁合金的制备流程，具有高效节能的特点。它不仅克服了传统热挤压工艺的不足，还成功制备了平均晶粒尺寸为2.43 μm的AZ31镁合金，实现了强度（抗拉强度：321 MPa）和延展性（延展性：14.7%）之间的良好平衡。CSCE工艺在镁基复合材料的制备中展现出良好的应用前景。然而，通过该工艺制备的颗粒增强型镁基复合材料的微观结构演变和机械性能仍然缺乏系统研究。

本研究采用了一种新型且经济的CSCE工艺，制备了不同SiC含量的SiC?/AZ61复合材料。研究系统地探讨了SiC粒子含量对CSCE SiC?/AZ61复合材料微观结构和机械性能的影响，并进一步探索了其强化机制。研究目标是通过创新的CSCE制备工艺，开发出兼具高强度和良好延展性的SiC粒子增强型AZ61复合材料。同时，预期该研究将为高效、低能耗制备高强度和良好韧性的颗粒增强型镁基复合材料提供理论指导。

在实验方法部分，研究采用了AZ61镁合金作为基体材料，其化学成分包括5.98 wt.% Al、0.85 wt.% Zn、0.35 wt.% Mn，其余为Mg。SiC粒子作为增强相，其平均粒径为5 μm。本研究中，制备了三种不同SiC含量的复合材料：3 wt.%、6 wt.% 和9 wt.%，分别标记为3SiC?/AZ61、6SiC?/AZ61 和9SiC?/AZ61。通过CSCE工艺，研究者对这些复合材料进行了系统的分析，以评估其微观结构和性能的变化。

在微观结构分析方面，研究通过X射线衍射（XRD）技术对采用CSCE工艺制备的SiC?/AZ61复合材料进行了分析。XRD图谱显示，AZ61基体合金主要表现出α-Mg和Mg??Al??的衍射峰。其中，Mg??Al??的特征峰主要出现在36°和40°附近。在加入SiC粒子后，SiC?/AZ61复合材料在35°、38°、60°和72°附近出现了明显的SiC衍射峰。此外，未检测到其他化合物，表明SiC与基体之间没有发生显著的界面反应，这有助于保持材料的均匀性和稳定性。

研究还探讨了SiC含量对CSCE SiC?/AZ61复合材料织构演变的影响。引入SiC粒子会改变材料的组成和织构强度。通过逆极图（IPF）分析，可以观察到随着SiC粒子含量的增加，最大极密度逐渐降低，这一现象与之前的研究结果一致。增加的SiC粒子含量促进了动态再结晶的比例，从而减弱了织构强度，这对材料的综合性能是有益的。同时，研究还发现，织构的减弱有助于改善材料的各向同性，从而提升其在不同方向上的力学表现。

在结论部分，研究总结了通过CSCE工艺制备的SiC?/AZ61复合材料在高强度和良好延展性方面的表现。主要结论包括：随着SiC粒子含量的增加，复合材料的平均晶粒尺寸从5.38 μm减小至3.90 μm，织构强度从6.05降低至3.64，再结晶率则从86.97%提升至90.63%。此外，相较于AZ61基体合金，含有6 wt.% SiC的复合材料在强度和延展性方面表现最优，这表明SiC粒子的添加对材料性能的提升具有积极作用。

研究还提到，SiC含量对复合材料的微观结构演变和机械性能有显著影响。随着SiC粒子含量的增加，材料的晶粒尺寸逐渐减小，这有助于提高材料的强度。然而，晶粒尺寸的减小也可能影响材料的延展性，因此需要在强度和延展性之间找到最佳平衡点。此外，SiC粒子的添加会改变材料的织构强度，这可能影响材料的加工性能和使用性能。研究者通过实验数据验证了这些现象，并提出了可能的机制解释。

在实验过程中，研究者对不同SiC含量的复合材料进行了系统的测试和分析。测试结果表明，随着SiC粒子含量的增加，复合材料的强度和延展性呈现出不同的变化趋势。例如，3 wt.% SiC的复合材料在强度方面有所提升，但延展性下降；6 wt.% SiC的复合材料则在强度和延展性之间达到了最佳平衡；而9 wt.% SiC的复合材料虽然强度进一步提升，但延展性有所降低。这种变化趋势可能与SiC粒子在基体中的分布、晶粒结构的演变以及再结晶行为有关。

此外，研究还发现，SiC粒子的添加对复合材料的微观结构有显著影响。例如，SiC粒子在基体中形成均匀分布，有助于提高材料的强度。同时，细小的基体晶粒和一定体积分数的Mg??Al??第二相粒子共同作用，增强了复合材料的机械性能。这些发现为理解SiC粒子增强型镁基复合材料的性能提供了重要的理论依据。

在结论中，研究者强调了SiC含量对复合材料性能的决定性作用。通过合理的SiC粒子含量设计，可以在保证材料强度的同时，兼顾其延展性。此外，研究还指出，CSCE工艺在制备颗粒增强型镁基复合材料方面具有显著优势，能够有效简化加工流程，提高生产效率，并降低能耗。因此，该工艺有望在未来的镁基复合材料制造中得到广泛应用。

综上所述，本文通过系统的研究，揭示了SiC含量对CSCE工艺制备的SiC?/AZ61复合材料微观结构和机械性能的影响。研究结果表明，6 wt.% SiC的复合材料在强度和延展性方面表现最佳，而合理的SiC含量设计和CSCE工艺的应用能够有效提升复合材料的综合性能。这些发现不仅为镁基复合材料的制备提供了理论指导，也为相关领域的工程应用提供了重要的参考价值。