通过调控老化过程中的元素重新分布，来增强陶瓷与金属界面的结合强度和韧性

《ACTA MATERIALIA》：Aging-meditated element redistribution to strengthen and toughen ceramic/metal interfaces

纳米析出强化与镁偏析协同调控SiC/Al复合材料界面性能研究。

　　

郑王书|冯旭阳|赵雷|郭小雷|赵忠心|曹贺|柯玉斌|欧阳秋宝|甘智立|张迪|郭强

上海交通大学材料科学与工程学院，中国上海200240

摘要

随着材料整合的趋势，相界（即界面）的机械性能对于工业应用的可靠性至关重要。特别是在可时效硬化的合金基复合材料中，对不同时效条件下界面机械性能的理解仍然不够充分。在这里，我们使用了一种工程化的SiC/Al-Zn-Mg-Cu（7A04）合金复合材料作为模型系统，以揭示时效引起的沉淀物演变和元素重新分布对界面性能的影响。通过小角中子散射（SANS）结合透射电子显微镜（TEM）来量化体材料中沉淀物的性质。进行了原位微压缩测试，以精确确定相应的界面强度和能量密度。从动力学和热力学分析来看，时效硬化复合材料中界面强度（约284 MPa）和能量密度（约18 MJ·m^-3）的最佳协同效应来源于基体中的定制沉淀硬化、Mg偏聚改善的界面润湿性以及延缓失效的理想平衡界面区域。这些发现不仅揭示了界面微观结构与性能之间的定量关联，还为制备高性能结构材料中的可调界面铺平了道路。

引言

将陶瓷填料加入金属中制备复合材料是一种有效的方法，可以在保持轻质的同时实现高比刚度和强度[[1], [2], [3]]。这些综合性能使复合材料适用于航空航天、基础设施、电子和交通等领域[[4], [5], [6], [7]]。在传统的铝合金中，时效处理已被广泛用于促进沉淀物的形成和合金元素的重新分布[8]。由此产生的沉淀物演变（例如类型、尺寸和数量密度）[9,10]，以及界面/边界偏聚[[11], [12], [13], [14], [15]]，激活了多种内在强化机制（例如固溶强化、沉淀硬化）[[16], [17], [18], [19], [20]]。对于以可时效硬化铝合金作为金属相的复合材料，加入陶瓷不可避免地会在界面附近引入陶瓷/金属界面及相关缺陷（例如位错、孪晶）[[21], [22], [23]]。这些现象会显著影响合金元素的扩散、分布和结合，从而改变沉淀行为/动力学[24,25]以及界面偏聚[26,27]，与整体合金相比。

因此，揭示陶瓷/金属界面的作用对于理解复合材料中的沉淀动力学至关重要，随后将这些微观尺度上的现象与宏观尺度上的机械性能联系起来。众所周知，界面强度显著影响整体材料的强度[28]。具有中等强度的界面可以实现更好的强度-韧性协同效应[29]。在我们之前的工作中[30]，我们利用聚焦离子束（FIB）技术在SiC-Al复合材料中制备了含有倾斜陶瓷/金属界面的定点微柱。通过单轴微压缩测试测得的界面剪切强度为133 ± 26 MPa，与数值模拟预测的值一致。随后，我们研究了Mg偏聚对时效硬化SiC-2009Al复合材料的影响[31]，发现Mg层厚度从几纳米到大约120纳米不等时，界面剪切强度显著提高，从175 MPa增加到230 MPa。然而，在不同时效条件下量化界面强度和韧性及其演变的研究仍存在空白。解决这一问题不仅能够揭示界面微观结构与机械性能之间的定量关联，还为制备高性能结构材料中的可调界面铺平了道路。

在这项研究中，我们扩展了研究范围，使用了工程化的SiC/Al-Zn-Mg-Cu（7A04）合金复合材料，并研究了这些复合材料在不同时效条件下的微观结构、相组成和界面性能。通过小角中子散射（SANS）结合透射电子显微镜（TEM）来量化体材料中沉淀物的性质，包括其类型、尺寸和体积分数。进行了原位微压缩测试，以精确确定相应的界面强度和能量密度。此外，我们建立了动力学和热力学模型，以阐明时效处理和元素重新分布对界面的影响。研究发现，在所有条件下，时效硬化复合材料实现了最高的界面强度（约284 MPa）和能量密度（约18 MJ·m^-3）。我们认为这种优异的性能来源于基体中的定制沉淀硬化、Mg偏聚改善的界面润湿性以及延缓失效的理想平衡界面区域。

材料与制备方法

单晶6H-SiC颗粒（d₅₀ = 30 μm，纯度≥99.8 wt.%）购自潍坊新方磨料工具有限公司。选择了一种工程化的7A04合金锭作为金属基体，其名义成分如下：Zn - 5.0～7.0，Mg - 1.8～2.8，Cu - 1.4～2.0，Mn - 0.20～0.6，Cr - 0.10～0.25，Al - 剩余，均为重量百分比（表1）。

SiC-7A04复合材料是通过改进的搅拌铸造工艺生产的。在铸造之前，7A04合金锭被放入电阻加热炉中

形态与元素分布

图2显示了UA、PA、OA样品的典型形态和元素分布。大多数观察到的SiC颗粒具有较深的对比度，均匀分散在Al合金基体中（对比度较浅）。三组样品之间没有明显的微观结构差异（图2a-c）。通过XRT测定，SiC颗粒在复合材料中的体积分数约为15%，平均粒径为21 ± 7 μm（图2d）。这些特性与预期一致

沉淀与偏聚热力学

7A04 Al基体中的沉淀行为受合金成分和时效温度的控制，这两者决定了沉淀的类型和顺序。在我们的复合材料中（表1），高Zn/Mg比例（约2.8）和适中的Cu浓度（约1.5 wt.%）有利于在120°C的时效温度下形成富Zn的沉淀物（GP区和η′）。这与已知的7xxx系列合金的沉淀顺序一致，也在我们的研究中得到了验证：过饱和

结论

总之，时效处理显著影响了SiC-7A04复合材料的微观结构和界面性能。通过使用互补的小角中子散射（SANS）、透射电子显微镜（TEM）和原位微压缩实验，我们阐明了时效引起的沉淀演变和元素重新分布对界面性能的影响。主要发现总结如下：

1)

时效至峰值状态（120°C下处理6小时）产生了优化的界面

数据与材料来源

所有数据均可在正文或补充材料中找到。

作者贡献声明

郑王书：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，软件应用，方法论，实验设计，资金获取，数据管理，概念构思。冯旭阳：撰写 – 初稿，可视化，验证，软件应用，方法论，实验设计。赵雷：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，方法论，实验设计，资金获取。郭小雷：资源协调，方法论，实验设计，资金获取。赵忠心：