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纳米SiC增强铝基复合材料的粉末冶金法制备及其力学性能

王治国  
【摘要】:碳化硅颗粒增强铝基(SiCp/Al)复合材料有着低密度、高比模量、高比强度、低膨胀、高导热、耐磨性好、高阻尼且成本低等优点,在国防、交通运输及电子等军用和民用领域展现出广阔的应用前景。然而,微米尺寸SiCp/Al复合材料的不足之处在于强度提高但塑性下降明显,且高温力学性能不尽如人意,成为制约其发展的瓶颈难题。近年来,有学者提出采用纳米SiC作为增强体可以解决这一难题。目前,纳米SiCp/Al复合材料的完美制备尚需解决诸多问题。其中比较重要的是:(1)纳米尺寸SiC颗粒比表面能较高、易于团聚,因而难以在铝基体中均匀分散;(2)纳米SiC和铝基体间的界面结合较差,减弱了纳米陶瓷增强体的强化效果。针对分散与界面难题,本文提出了一种溶剂辅助分散+机械球磨+粉末冶金+热挤压的制备工艺,并制得了性能优异的纳米SiCp/2014Al复合材料。研究了纳米SiC对复合材料显微结构、常温和高温机械性能、析出相析出行为以及磨损和腐蚀性能的影响规律,探讨了纳米SiC增强2014Al合金性能的强化机制以及对析出相析出行为的影响机制,为制备高性能的纳米陶瓷粒子增强铝基复合材料提供一定的借鉴。本文主要研究结果如下:1)提出了一种溶剂辅助加机械球磨的新方法以改善纳米SiC陶瓷颗粒在2014Al基体中的分布均匀性,为纳米颗粒在金属基体中的均匀分散提供了借鉴;揭示出纳米SiC体积分数对复合材料室温及高温拉伸性能的影响规律,优化出较佳拉伸性能(室温屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为378 MPa、573 MPa和9.0%,屈服强度和抗拉强度分别比2014Al基体合金提高68 MPa和60 MPa,提高幅度为21.9%和11.7%,延伸率较之2014Al合金略有下降;473 K下屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为303 MPa、409 MPa和12.7%,屈服强度和抗拉强度分别比2014Al基体合金提高30 MPa和43 MPa,提高幅度为为11.0%和11.7%,延伸率与2014Al合金基本相近)所对应的纳米SiC体积分数为0.5%;实现了在提升铝基复合材料拉伸强度的同时,不显著牺牲室温塑性的设计思路。2)研究了纳米SiC和2014Al基体的界面结构,成功得到了干净且结合良好的界面;通过较低的制备温度(烧结温度520℃,挤压温度460℃)和较短的加热时间(50 min),明显抑制了脆性相Al4C3的产生,实现了SiC和2014Al基体的紧密结合,为纳米颗粒增强铝基复合材料的界面调控提供了借鉴;纳米SiC颗粒增强2014Al复合材料的强化是由奥罗万强化、位错强化、细晶强化及载荷传递强化的协同作用机制,其中载荷传递强化与奥罗万强化的占主导。3)纳米SiC颗粒增强2014Al复合材料中除存在片状Al5Cu2Mn3和针条状θ'(Al2Cu)两种主要析出相外,还存在六边形W(Al2Cu)、长方体状T(Al20Cu2Mn3)和立方体状s(Al5Cu6Mg2)三种次要析出相;Al5Cu2Mn3析出相析出的时间比θ'(Al2Cu)要早,Al5Cu2Mn3和θ'(Al2Cu)的依次析出导致了两个时效硬度峰的形成;次要析出相的析出有利于提升材料的高温性能。4)发现了纳米SiC陶瓷颗粒的添加明显加快了SiCp/2014Al复合材料的时效析出动力学(2014Al合金到达峰值硬度需要12 h,而SiCp/2014Al复合材料只需要10 h),显著细化了Al5Cu2Mn3和θ'(Al2Cu)析出相的尺寸(峰值时效时,2014Al合金中Al5Cu2Mn3和θ'析出相的尺寸分别为210 nm和37 nm,而SiCp/2014Al复合材料中Al5Cu2Mn3和θ'析出相的尺寸分别为135 nm和33 nm);揭示出添加纳米SiC陶瓷颗粒促进SiCp/2014Al复合材料的时效析出动力学的机制在于:(?)纳米SiC对2014Al的晶粒细化作用导致界面增多,大量的界面既为沉淀过程提供了形核能量,又为溶质原子提供了大量的扩散通道。(??)纳米SiC和2014Al热膨胀系数的差异使复合材料的位错密度增高,大量的位错为θ'的析出提供形核位,形核位的增多会造成溶质原子相对匮乏又限制了析出相的长大。5)优化出了梯度复合材料设计为外层3 vol.%SiC/2014Al复合材料,内层2014Al合金的两层结构时,材料的耐磨损和抗腐蚀的性能较佳,其15 N应力下磨损率和腐蚀电流密度分别为0.61 mm3/m和1.75×10-6 A/cm2。


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