中體積分?jǐn)?shù)SiCp-Al復(fù)合材料的制備和微結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、本文以光學(xué)/儀表級(jí)復(fù)合材料為應(yīng)用背景，以高比模量、高比強(qiáng)度、低膨脹、高導(dǎo)熱及高尺寸穩(wěn)定性等性能為目標(biāo)進(jìn)行了材料設(shè)計(jì)，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(fù)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(xué)顯微鏡、熱膨脹儀、電子拉伸機(jī)、硬度計(jì)、X射線衍射儀(XRD)、激光熱導(dǎo)儀和gleeble熱力模擬機(jī)等手段研究了SiC顆粒的加入對(duì) SiCp/Al復(fù)合

2、材料顯微組織、力學(xué)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(jī)理。研究工作及主要結(jié)果如下：
　?。?）綜合研究了熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)如熱壓溫度，熱壓壓力和保溫時(shí)間等對(duì)SiCp/Al復(fù)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(fù)合材料界面結(jié)合和力學(xué)性能的工藝方案，并獲得了制備工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律，確立了SiCp/Al復(fù)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(shí)間3h；

3、研究了熱處理工藝參數(shù)影響SiCp/Al復(fù)合材料力學(xué)性能的規(guī)律，并得到合理的熱處理工藝參數(shù)為505℃固溶2小時(shí)，水淬，190℃人工時(shí)效處理7~10小時(shí)。
　　（2）通過改變SiC顆粒尺寸，從材料設(shè)計(jì)角度改善SiCp/Al復(fù)合材料力學(xué)性能，制備出力學(xué)綜合性能較高的 SiCp/Al復(fù)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(fù)合材料的比強(qiáng)度均超過120Nm/kg，比模量大于60m，可為工業(yè)應(yīng)用提供技術(shù)支持。研究了SiC顆粒尺寸效應(yīng)引起的顯微組織變化對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料拉伸變形行為的影響及作用機(jī)理，探明了SiCp/Al復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制與斷裂模式，其中，SiC顆粒尺寸減小，SiCp/Al復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)

5、度和硬度均增大；復(fù)合材料的相對(duì)密度與 SiC顆粒尺寸和基體顆粒尺寸的比率（d/D）相關(guān)。復(fù)合材料的斷裂機(jī)制也受SiC顆粒尺寸的影響，當(dāng)SiC顆粒尺寸逐漸變大，復(fù)合材料的斷裂機(jī)制由基體的韌性斷裂為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐?SiC顆粒本身的解理斷裂為主。
　?。?）研究了SiCp/Al復(fù)合材料中SiC顆粒與鋁基體界面的結(jié)構(gòu)和結(jié)合形式， SiC/Al界面干凈平滑，整體結(jié)合良好，多數(shù)為干凈界面，也含有極少量輕微反應(yīng)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(guān)系，SiC和Al的結(jié)合機(jī)制為緊密原子匹配形成的半共格界面；在輕微反應(yīng)型界面中，反應(yīng)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。
　　（4）通過微結(jié)構(gòu)分析研究了 SiCp/Al復(fù)合材料熱處理后基體中析出相的結(jié)構(gòu)和形態(tài)以及與基體的界面結(jié)合情況，時(shí)效處理后析出相以盤片狀 Al2Cu和棒針狀A(yù)l2CuMg的形式彌散分布于基體中，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)起到釘扎作用，起到沉淀

7、強(qiáng)化的效果。隨著時(shí)效時(shí)間的增長，析出相Al2Cu和Al2CuMg的直徑和長度逐漸增加。隨著時(shí)效時(shí)間的延長，時(shí)效析出相與基體的界面轉(zhuǎn)變規(guī)律為：共格界面→錯(cuò)配度較小的半共格界面（時(shí)效8h）。
　?。?）改變SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)和尺寸能有效調(diào)節(jié)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。隨著 SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)逐漸減??；當(dāng) SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)隨 SiC顆粒尺寸的減小而減小；復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)均隨著溫度的

8、升高而增大，SiC顆粒尺寸對(duì)復(fù)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(yīng)力大小來實(shí)現(xiàn)的。Schapery模型能較好的預(yù)測在300℃下 SiCp/Al復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)變化。另外，SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)和尺寸影響復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性，復(fù)合材料中 SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)越高，顆粒尺寸越小，熱循環(huán)殘余應(yīng)變越大，抗溫度波動(dòng)尺寸穩(wěn)定性變的越差。本文制備的SiCp/Al復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)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(shù)(11.8~13×10-6/K)達(dá)到較好的匹配，比模量達(dá)到鋁合金的2~4倍左右，滿足光學(xué)/儀表級(jí)復(fù)合材料對(duì)熱膨脹系數(shù)匹配及高比模量的需求。
　　（6）改變SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)和尺寸能有效調(diào)節(jié)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)一定時(shí)，隨SiC顆粒尺寸的增加，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)變大，利用Hasselman-Johnson模型能夠較好地預(yù)測導(dǎo)熱系數(shù)的變化；SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)SiCp/Al復(fù)合材料導(dǎo)

10、熱系數(shù)的影響與SiC顆粒的尺寸和最小臨界尺寸有關(guān)，在界面結(jié)合基本良好的情況下，SiCp/Al復(fù)合材料中SiC顆粒的最小臨界粒徑為9.6μm，當(dāng)SiC顆粒的粒徑大于9.6μm時(shí)，SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)增大復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能提高，且復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)大于基體導(dǎo)熱系數(shù)；當(dāng)SiC顆粒粒徑比最小臨界粒徑小時(shí)，增加SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)則復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低，且復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)小于基體導(dǎo)熱系數(shù)。本文所研究的SiCp/Al復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)為120~150 W

11、/(m?K)，能夠滿足光學(xué)/儀表級(jí)材料的導(dǎo)熱性能要求。
　?。?）對(duì)復(fù)合材料的熱加工性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。以熱壓縮數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了材料的高溫流變行為，建立了復(fù)合材料的本構(gòu)方程，回歸出材料的流變應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率和溫度之間的函數(shù)關(guān)系；根據(jù) DMM模型構(gòu)建了復(fù)合材料的功率耗散系數(shù)圖、失穩(wěn)圖和熱加工圖，確定了五種SiCp/Al復(fù)合材料的最佳熱加工工藝參數(shù)。結(jié)果表明：SiCp/Al復(fù)合材料對(duì)變形溫度和應(yīng)變速率敏感，其熱變形流變應(yīng)力行為可

12、用含 Zener-Hollomon參數(shù)的雙曲正弦形式來描述，變形熱激活能隨著 SiC顆粒體積分?jǐn)?shù)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(shù)峰值減??；功率耗散系數(shù)圖的結(jié)果顯示熱變形過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)（DRV）和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶（DRX），并且通過組織觀察得到驗(yàn)證，材料失穩(wěn)的形式以SiC顆粒的破裂以及SiC顆粒團(tuán)聚處產(chǎn)生孔洞為主。
　?。?）對(duì) SiCp/Al復(fù)合材料熱壓縮試驗(yàn)所得真應(yīng)力—應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行加工硬

13、化率處理，并利用lnθ-ε曲線上的拐點(diǎn)及(??(ln?)/??)??)曲線上的最小值作為臨界應(yīng)變的判據(jù)，確定材料開始發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。SiCp/Al復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變隨熱變形時(shí)應(yīng)變速率的增大及變形溫度的降低而增加。本實(shí)驗(yàn)所制備SiCp/Al復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變與峰值應(yīng)變間均具有較好的線性變化關(guān)系，除此之外，臨界應(yīng)變隨Z參數(shù)的增加而增大，利用臨界應(yīng)變與Z參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，構(gòu)建了五種 SiCp/Al復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)