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原位纳米ZrB_2颗粒与稀土Er协同强化A356.2基复合材料的高温蠕变性能研究

王研  
【摘要】:A356.2合金因其优良的铸造成型性能和力学性能,被广泛应用于航空航天、交通运输、国防军事等领域。但是随着新型空天运载工具、高速列车、节能汽车等的发展,传统A356.2合金已无法满足其对材料更高比强度、比模量、抗蠕变、抗疲劳的要求,特别是在高温、高载荷的恶劣环境中,铝合金高温强度低、抗蠕变性能差、服役寿命短等不足限制了其进一步应用。在合金中引入纳米弥散相,是提高合金的强度和抗蠕变性能的重要途径。本课题采用原位合成的方法制备纳米ZrB_2颗粒增强A356.2基复合材料,并添加稀土Er变质、细化基体,形成弥散析出强化相,系统研究复合材料的微观组织结构、室温力学性能和高温蠕变性能。同时借助OM、XRD、SEM、TEM、电子万能材料试验机、电子高温蠕变试验机等分析测试手段,研究了原位纳米ZrB_2颗粒、稀土Er以及原位纳米ZrB_2颗粒与稀土Er协同作用对A356.2合金的组织结构、室温力学性能和高温蠕变性能的影响规律。组织结构分析表明:A356.2-KBF4-K2Zr F6体系合成的ZrB_2/A356.2复合材料中,ZrB_2增强相尺寸为30-90nm,多数呈现不规则的四边形、六边形或球形,可作为异质形核核心,使粗大的初生α-Al细化,但是随着ZrB_2增强体含量的提高,增强体在晶界的团聚程度增加,不利于复合材料综合性能的提高;添加稀土元素Er可使A356.2合金初生α-Al晶粒显著细化、粗大的树枝晶转化为细小的等轴晶,并可对硅相变质,使板条状共晶硅转化为细小的球状或短棒状。此外,Er还可使复合材料中ZrB_2增强颗粒尺寸更加细小、分布更加弥散均匀,当Er含量为0.10wt.%时效果最好。室温力学性能测试表明:原位ZrB_2颗粒可使合金的力学性能提高,当ZrB_2质量分数为3wt.%时,复合材料(铸态)抗拉强度达到最高值192MPa,相比A356.2基体提高了24.68%;由于Er对合金强烈的细化和变质作用,添加Er后铸态A356.2合金的常温力学性能提高明显,Er含量为0.10wt.%时力学性能最好,抗拉强度达207MPa,延伸率达7.5%,较A356.2合金抗分别提高了34.42%和59.57%;在ZrB_2/A356.2复合材料中添加稀土Er,其铸态室温力学性能较未添加Er的复合材料有明显提高,Er含量为0.10wt.%时,复合材料的抗拉强度为225MPa,延伸率为8.0%,维氏硬度为103.07HV,较未添加Er的复合材料分别提高17.19%、45.45%和21.05%;对不同Er含量的ZrB_2/A356.2复合材料进行T6热处理,其力学性能变化趋势与铸态相同,同样是Er含量为0.10wt.%时复合材料力学性能最优,抗拉强度达到345MPa、延伸率达到9.2%、维氏硬度达到121.83HV,较未添加Er的复合材料分别提高了30.19%、37.31%和21.94%。高温蠕变性能测试表明:复合材料中稀土Er的质量分数、蠕变温度、外加应力都会对原位纳米ZrB_2/A356.2复合材料的蠕变性能产生影响。当Er含量为0.10wt.%时复合材料稳态蠕变速率最小,蠕变寿命最长,且此时表观应力指数最大,表观激活能最大,表明原位纳米增强体的引入、均匀分散,以及基体晶粒和共晶团的细化均有利于复合材料高温抗蠕变性能的提高;复合材料的稳态蠕变速率随蠕变温度的升高和外加应力的增加而增大,蠕变寿命随温度升高和外加应力的增加而减小;ZrB_2/A356.2复合材料的真应力指数为5,表明复合材料的蠕变是由晶格扩散机制控制,抗蠕变性能的提高主要来源于第二相粒子的增强;未添加Er时复合材料蠕变断裂形式为准解理加部分韧窝型断裂,添加Er后复合材料蠕变断裂形式为韧窝型断裂,这与基体的细化密切相关。


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