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《吉林大学》 2015年
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微米、纳米SiC_p/Al2014复合材料的制备及组织性能

张龙江  
【摘要】:Si C颗粒增强铝基(Si Cp/Al)复合材料具有高比强度、高比模量、耐磨性好和高阻尼性能等优点,广泛应用在航空、航天、国防、汽车、电子和体育器材等领域。在Si Cp/Al复合材料的众多制备方法中,搅拌铸造法由于具有工艺流程少、设备简单、生产成本低、灵活性强和复杂形状零件一次性成型制备等优势而被广泛关注。然而采用搅拌铸造法制备Si Cp/Al复合材料依然存在小尺寸(10mm)颗粒分散不够均匀、界面结合强度不高以及气孔等缺陷。因此,需要对搅拌铸造技术进行进一步探索和改进;另外,研究表明微米Si Cp可以提高基体的强度,却以牺牲塑性为代价,并且对高温性能提高不显著,而少量的纳米Si Cp即可显著提高基体的强度,同时保持塑性不降低,而且对高温性能提高明显。然而,对纳米Si Cp增强金属基复合材料的研究相对偏少,特别是高温力学性能的报道更少;同时,虽然纳米Si Cp增强铝基复合材料具有优异的性能,然而由于纳米Si Cp比表面能大、易团聚,所以很难制备体积分数较高的纳米Si Cp增强铝基复合材料,从而限制了纳米Si Cp增强铝基复合材料模量的提高。如果通过合理的组分设计,微米+纳米双尺寸混杂Si Cp增强铝基复合材料有望充分发挥各自尺寸增强体的优势,然而关于双尺寸复合材料组分设计和优化方面的研究还很欠缺。所以,Si Cp/Al复合材料的搅拌铸造制备技术与纳米以及微米+纳米双尺寸混杂Si Cp对复合材料组织和力学性能的影响规律和强化机制还需要进一步探索与揭示。因此,本论文通过探索和优化球磨预分散、机械搅拌、颗粒表面预氧化和热挤压工艺与参数,获得了组织均匀和性能优异的微米Si Cp/Al2014复合材料的制备工艺;研究了纳米和微米+纳米双尺寸混杂Si Cp对复合材料组织、室温和高温力学性能的影响规律,揭示出纳米和微米+纳米双尺寸混杂Si Cp/Al2014复合材料的室温和高温强化机制。本文主要研究结果如下:1)提出球磨预分散+半固态搅拌+热挤压技术制备微米SiC_p/Al2014复合材料的较佳工艺参数:i)球磨预分散工艺参数:球磨时间为96h,球磨速度为50rpm,球料比为10:1,SiC_p体积分数为30%以内,Al2014合金粉尺寸为13mm。ii)机械搅拌工艺参数:半固态搅拌温度为600o C,搅拌速度为500rpm,搅拌时间为30min。iii)SiC_p氧化工艺参数:氧化温度为1100o C,氧化时间为3h。iv)热挤压工艺参数:挤压温度为510o C,挤压比为18:1,挤压速度25mm/s,保温时间为30min。v)T6热处理工艺参数:固溶温度500o C,固溶时间2h,时效温度160o C,时效时间18h。2)发现纳米和微米+纳米双尺寸混杂SiC_p/Al2014复合材料铸态组织中α-Al晶粒得到明显细化:i)在Al2014基体合金铸态组织中α-Al晶粒粗大,其平均尺寸为122mm。ii)0.5vol.%、1.0vol.%和1.5vol.%40nm SiC_p/Al2014复合材料中,α-Al晶粒的平均尺寸分别为53mm,67mm和84mm,SiC_p预氧化和超声波处理的1.0vol.%40nm SiC_p/Al2014复合材料中,α-Al晶粒的平均尺寸分别为98mm和58mm。iii)在4.0vol.%-15mm+0.5vol.%-40nm,6.0vol.%-15mm+0.5vol.%-40nm和4.0vol.%-15mm+1.0vol.%-40nm SiC_p/Al2014复合材料铸态组织中,α-Al晶粒的平均尺寸分别为43mm,35mm和50mm。iv)α-Al晶粒细化的主要机制是纳米SiC_p可以作为α-Al晶粒的有效异质形核核心和阻碍α-Al枝晶的生长,微米SiC_p可以阻碍α-Al枝晶的生长。3)发现采用球磨预分散+半固态搅拌(超声)+热挤压技术制备的纳米和微米+纳米双尺寸混杂SiC_p/Al2014复合材料中,SiC_p分散比较均匀,SiC_p与基体界面结合良好:i)在40nm SiC_p/Al2014复合材料中,当纳米SiC_p体积分数为0.5%和1.0%时,纳米SiC_p分散均匀,当体积分数为1.5%,有少量的纳米SiC_p团聚现象。纳米SiC_p预氧化处理不利于纳米SiC_p的均匀分散,超声波处理可以改善纳米SiC_p的均匀分散。ii)微米+纳米双尺寸混杂SiC_p的加入,改善了微米和纳米SiC_p的均匀分散。在1.0vol.%40nm SiC_p/Al2014复合材料中,纳米SiC_p的不均匀分散概率值β=0.38;在4.0vol.%15mm SiC_p/Al2014复合材料中,对应微米SiC_p的不均匀分散概率值β=0.32;而在4.0vol.%-15mm+1.0vol.%-40nm SiC_p/Al2014复合材料中,对应微米和纳米SiC_p的不均匀分散概率值分别为β=0.21和β=0.25。4)揭示出0.5vol.%40nm SiC_p/Al2014复合材料具有优异的强塑性,其室温和493K下的屈服强度(358MPa和283MPa)和最大抗拉强度(242MPa和314MPa)比Al2014基体合金分别提高了72MPa和72MPa、60MPa和74MPa,断裂应变(17.7%(室温)和19.5%(493K))与基体相当;4.0vol.%-15mm+1.0vol.%-40nm SiC_p/Al2014复合材料具有最好的力学性能,其室温和493K下的弹性模量(88GPa)、屈服强度(358MPa和283MPa)和最大抗拉强度(585MPa和354MPa)比Al2014基体合金分别提高了10.2GPa、124MPa和125MPa、173MPa和251MPa,断裂应变为9.9%(室温)和12.4%(493K)。5)揭示出纳米和微米+纳米双尺寸混杂SiC_p/Al2014复合材料的常温强化机制为Orowan强化、热错配强化、细晶强化和载荷传递强化,其中Orowan强化起主导作用。纳米和微米+纳米双尺寸混杂SiC_p/Al2014复合材料的高温强化机制主要为Orowan强化。本论文所取得的成果为开发具有高模量、高强韧性的SiC_p/Al复合材料提供了一定的实验数据、理论与技术参考。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TB333

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1 张龙江;微米、纳米SiC_p/Al2014复合材料的制备及组织性能[D];吉林大学;2015年
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