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SiC颗粒增强铝基复合材料制备工艺及性能研究

李沛沛  
【摘要】:SiC颗粒增强铝基复合材料具有弹性模量高、耐磨性好、尺寸稳定性高、比强度高等性能优点,在航空航天、汽车、体育器材等领域具有广泛的应用。目前制备SiC颗粒增强铝基复合材料的主要方法有:机械搅拌、粉末冶金、无压浸渗、挤压铸造等等。本文采用的方法为复合铸造法(机械搅拌半固态铝液法)。该法具有工艺简单、操作简便、成本低、易于大规模工业生产等优点。目前该方法主要的问题是复合材料中SiC颗粒分散均匀性较差。本文主要研究了SiC颗粒预处理工艺,SiC颗粒均匀分散工艺影响因素,SiC颗粒增强铝基复合材料微观组织结构及力学性能等方面。SiC颗粒与铝液好的润湿性是SiC颗粒在铝液中均匀分散的必要条件。为了提高SiC颗粒与铝液润湿性,本文对SiC颗粒进行了预处理。预处理有两大步骤:清洗、高温烧结。清洗的作用是去除SiC颗粒表面的杂质,对于清洗过程主要研究了清洗剂的种类、清洗时间对清洗效果的影响。文中对比了蒸馏水、无水乙醇、氢氟酸三种清洗剂清洗效果。结果显示体积比1%的氢氟酸对SiC颗粒清洗效果最好,氢氟酸处理的最佳时长为12min。通过高温烧结,SiC颗粒表面能够形成一层SiO2氧化膜。SiO2膜的存在有利于提高SiC颗粒与铝液润湿性。SiO2氧化层厚度是通过SiC颗粒氧化烧结质量增量测定的。探究了氧化温度、氧化时间对氧化层厚度的影响。结果表明氧化温度越高,氧化速度越快;随着氧化时间延长,氧化速度逐渐减低,最终氧化膜厚度达到稳定值。综合考虑氧化效率、节能及设备寿命等因素,高温烧结最佳工艺为1200℃下烧结5h。本文主要研究了机械搅拌半固态铝液制备SiC颗粒增强铝基复合材料制备工艺中三大影响因素:搅拌温度、搅拌速度、搅拌时间。搅拌温度影响半固态铝液中的固含量,进而影响搅拌过程中SiC颗粒与固相颗粒相互摩擦分散效率。搅拌温度越低,固含量越高,在一定程度上SiC颗粒与固相颗粒摩擦分散效率越高且卷气量越小;但过低的搅拌温度使铝液中没有足够的液相来分散SiC颗粒,导致SiC颗粒分散均匀性降低。随着搅拌速度的增加,SiC颗粒的分散均匀性逐渐提高,但过高的搅拌速度使铝液卷气量急剧增加。恰当的搅拌时间为SiC颗粒充分扩散提供必要条件,时间过长、过短均不利于SiC颗粒的分散。文中SiC颗粒均匀分散最佳的复合材料制备工艺参数为:搅拌温度590℃C、搅拌速度200r/min、搅拌时间2h。同时本文探究了SiC颗粒不同加入方式对颗粒分散均匀性的影响。我们采用复合颗粒原位释放法制备了SiC颗粒分散均匀性更佳的复合材料。SiC颗粒增强铝基复合材料微观组织与SiC颗粒分布均匀性密切相关。SiC颗粒主要分布在晶界上,限制了初生相α-Al的生长,起到细化晶粒的作用。复合材料中SiC颗粒还影响初晶硅和共晶硅组织的生长及分布。SiC颗粒分布较均匀的区域共晶硅球形化程度增加,而SiC颗粒缺失区域共晶硅呈粗大针状形态。在高含量硅铝基体中,由于SiC颗粒的存在,复合材料中形成了一种“枣糕式”特殊形态的初晶硅。同时由于存在界面反应,SiC颗粒的分布也影响复合材料中合金相的形成。复合材料力学性能的优劣与材料的微观组织、SiC颗粒分布均匀性密切相关。实验结果显示,制备的复合材料最佳力学性能为:最大抗拉强度为167MPa,延伸率为3.7%。受到SiC颗粒分布和微观组织的影响,SiC颗粒分布均匀的复合材料断裂类型为韧性断裂,而SiC颗粒分布不均匀的复合材料断裂类型为脆性断裂。


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