中體積分數SiCp-Al復合材料的制備和微結構及性能研究.pdf

1、本文以光學/儀表級復合材料為應用背景，以高比模量、高比強度、低膨脹、高導熱及高尺寸穩(wěn)定性等性能為目標進行了材料設計，通過添加30％~40%，3μm~40μm的SiC顆粒到2024鋁合金基體中，利用粉末冶金法制備復合材料獲得上述性能。采用透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、光學顯微鏡、熱膨脹儀、電子拉伸機、硬度計、X射線衍射儀(XRD)、激光熱導儀和gleeble熱力模擬機等手段研究了SiC顆粒的加入對 SiCp/Al復合

2、材料顯微組織、力學性能、熱物理性能和熱加工性能等的影響，并深入研究了其作用機理。研究工作及主要結果如下：
　?。?）綜合研究了熱壓燒結工藝參數如熱壓溫度，熱壓壓力和保溫時間等對SiCp/Al復合材料性能和組織的影響，優(yōu)化成型工藝，探求有利于提高復合材料界面結合和力學性能的工藝方案，并獲得了制備工藝參數對復合材料力學性能的影響規(guī)律，確立了SiCp/Al復合材料的最優(yōu)制備工藝為熱壓溫度580℃，熱壓壓力70~80MPa，保溫時間3h；

3、研究了熱處理工藝參數影響SiCp/Al復合材料力學性能的規(guī)律，并得到合理的熱處理工藝參數為505℃固溶2小時，水淬，190℃人工時效處理7~10小時。
　?。?）通過改變SiC顆粒尺寸，從材料設計角度改善SiCp/Al復合材料力學性能，制備出力學綜合性能較高的 SiCp/Al復合材料，30%SiCp(3μm)/Al（σb=409MPa，E=219GPa）、30%SiCp(8μm)/Al（σb=367MPa，E=195GPa）、35

4、%SiCp(3μm)/Al（σb=385MPa，E=209GPa）和35%SiCp(8μm)/Al（σb=403MPa， E=215GPa）四種復合材料的比強度均超過120Nm/kg，比模量大于60m，可為工業(yè)應用提供技術支持。研究了SiC顆粒尺寸效應引起的顯微組織變化對SiCp/Al復合材料拉伸變形行為的影響及作用機理，探明了SiCp/Al復合材料的強化機制與斷裂模式，其中，SiC顆粒尺寸減小，SiCp/Al復合材料的屈服強度、抗拉強

5、度和硬度均增大；復合材料的相對密度與 SiC顆粒尺寸和基體顆粒尺寸的比率（d/D）相關。復合材料的斷裂機制也受SiC顆粒尺寸的影響，當SiC顆粒尺寸逐漸變大，復合材料的斷裂機制由基體的韌性斷裂為主轉變?yōu)橐?SiC顆粒本身的解理斷裂為主。
　?。?）研究了SiCp/Al復合材料中SiC顆粒與鋁基體界面的結構和結合形式， SiC/Al界面干凈平滑，整體結合良好，多數為干凈界面，也含有極少量輕微反應型界面和非晶層界面。在干凈界面中，Si

6、C和Al間沒有固定或擇優(yōu)的取向關系，SiC和Al的結合機制為緊密原子匹配形成的半共格界面；在輕微反應型界面中，反應生成物MgAl2O4與SiC和Al均能形成半共格界面，作為中間媒介很好地連接了SiC和Al。
　?。?）通過微結構分析研究了 SiCp/Al復合材料熱處理后基體中析出相的結構和形態(tài)以及與基體的界面結合情況，時效處理后析出相以盤片狀 Al2Cu和棒針狀Al2CuMg的形式彌散分布于基體中，對位錯運動起到釘扎作用，起到沉淀

7、強化的效果。隨著時效時間的增長，析出相Al2Cu和Al2CuMg的直徑和長度逐漸增加。隨著時效時間的延長，時效析出相與基體的界面轉變規(guī)律為：共格界面→錯配度較小的半共格界面（時效8h）。
　?。?）改變SiC顆粒的體積分數和尺寸能有效調節(jié)復合材料的熱膨脹系數。隨著 SiC顆粒體積分數的增加，復合材料的熱膨脹系數逐漸減??；當 SiC顆粒體積分數相同時復合材料的熱膨脹系數隨 SiC顆粒尺寸的減小而減?。粡秃喜牧系臒崤蛎浵禂稻S著溫度的

8、升高而增大，SiC顆粒尺寸對復合材料熱膨脹行為的制約是通過影響基體熱塑性變形行為和熱殘余應力大小來實現的。Schapery模型能較好的預測在300℃下 SiCp/Al復合材料的熱膨脹系數變化。另外，SiC顆粒的體積分數和尺寸影響復合材料的尺寸穩(wěn)定性，復合材料中 SiC顆粒體積分數越高，顆粒尺寸越小，熱循環(huán)殘余應變越大，抗溫度波動尺寸穩(wěn)定性變的越差。本文制備的SiCp/Al復合材料熱膨脹系數介于11.6~13.3×10-6/K之間，可以與

9、鈹材、軸承鋼等航空材料的熱膨脹系數(11.8~13×10-6/K)達到較好的匹配，比模量達到鋁合金的2~4倍左右，滿足光學/儀表級復合材料對熱膨脹系數匹配及高比模量的需求。
　?。?）改變SiC顆粒的體積分數和尺寸能有效調節(jié)復合材料的導熱系數。當SiC顆粒體積分數一定時，隨SiC顆粒尺寸的增加，復合材料導熱系數變大，利用Hasselman-Johnson模型能夠較好地預測導熱系數的變化；SiC顆粒體積分數對SiCp/Al復合材料導

10、熱系數的影響與SiC顆粒的尺寸和最小臨界尺寸有關，在界面結合基本良好的情況下，SiCp/Al復合材料中SiC顆粒的最小臨界粒徑為9.6μm，當SiC顆粒的粒徑大于9.6μm時，SiC顆粒體積分數增大復合材料的導熱性能提高，且復合材料導熱系數大于基體導熱系數；當SiC顆粒粒徑比最小臨界粒徑小時，增加SiC顆粒體積分數則復合材料的導熱系數降低，且復合材料導熱系數小于基體導熱系數。本文所研究的SiCp/Al復合材料導熱系數為120~150 W

11、/(m?K)，能夠滿足光學/儀表級材料的導熱性能要求。
　?。?）對復合材料的熱加工性能進行了系統(tǒng)研究。以熱壓縮數據為基礎，研究了材料的高溫流變行為，建立了復合材料的本構方程，回歸出材料的流變應力與應變、應變速率和溫度之間的函數關系；根據 DMM模型構建了復合材料的功率耗散系數圖、失穩(wěn)圖和熱加工圖，確定了五種SiCp/Al復合材料的最佳熱加工工藝參數。結果表明：SiCp/Al復合材料對變形溫度和應變速率敏感，其熱變形流變應力行為可

12、用含 Zener-Hollomon參數的雙曲正弦形式來描述，變形熱激活能隨著 SiC顆粒體積分數的增加及粒徑的降低而增加；隨 SiC顆粒尺寸減小和含量增加，功率耗散系數峰值減小；功率耗散系數圖的結果顯示熱變形過程中發(fā)生動態(tài)回復（DRV）和動態(tài)再結晶（DRX），并且通過組織觀察得到驗證，材料失穩(wěn)的形式以SiC顆粒的破裂以及SiC顆粒團聚處產生孔洞為主。
　　（8）對 SiCp/Al復合材料熱壓縮試驗所得真應力—應變曲線數據進行加工硬

13、化率處理，并利用lnθ-ε曲線上的拐點及(??(ln?)/??)??)曲線上的最小值作為臨界應變的判據，確定材料開始發(fā)生動態(tài)再結晶。SiCp/Al復合材料的動態(tài)再結晶臨界應變隨熱變形時應變速率的增大及變形溫度的降低而增加。本實驗所制備SiCp/Al復合材料的動態(tài)再結晶臨界應變與峰值應變間均具有較好的線性變化關系，除此之外，臨界應變隨Z參數的增加而增大，利用臨界應變與Z參數間的函數關系，構建了五種 SiCp/Al復合材料的動態(tài)再結晶臨界應