SiC_p/Al复合材料制备工艺和微结构及性能研究

【摘要】： 本文采用粉末冶金法,通过SiC颗粒表面处理和成形参数和热处理工艺控制基体组织和界面结合,制备SiC_p/6066Al复合材料。使用金相显微镜(OM)、X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及高分辨电镜(HREM)等仪器和选区电子衍射(SAED)、能量散射谱(EDS)、拉伸试验、和动态机械分析(DMA)等方法系统研究SiC_p/6066Al复合材料微观结构、性能特点和机理;实验结合理论模型研究SiC_p/6066Al复合材料热处理规律、变形行为、阻尼机制和界面特征对性能的影响规律。研究工作及主要结果有以下: (1)首次综合采用氧化酸洗+碱洗工艺对SiC颗粒进行表面处理与优化成型温度相结合,探求有利于提高复合材料界面结合的工艺方案和机理,并获得成型参数搭配影响复合材料力学性能的新规律,确立了SiC_p/6066Al复合材料的表面处理、成型参数和界面控制的工艺技术,并制备出综合性能高的SiC_p/6066Al复合材料(①10%SiCp/6066Al:σ_(0.2)～387MPa,σ_b～484MPa,δ_5～7.2%,E～88.6 GPa:②12%SiCp/6066Al:σ_(0.2)～425MPa,σ_b～524MPa,δ_5～6.5%,E～92.7 GPa;③15%SiCp/6066Al:σ_(0.2)～461MPa,σ_b～537MPa,δ_5～5.5%,E～96.8 GPa。) (2)设计四因素多水平试验并建立了数理统计模型,分析热处理的微观机制,探明了热处理工艺参数影响SiC_p/6066Al复合材料强度性能的规律,并得到合理的热处理工艺参数(10%SiC_p/6066Al:535℃/90 min固溶,室温水淬,170℃/7h时效;12%SiC_p/6066Al:530℃/90 min固溶,室温水淬,170℃/6h时效;15%SiC_p/6066Al:525℃/90 min固溶,室温水淬,170℃/5h时效。 (3)微结构分析发现实验制备的SiC_p/6066Al复合材料基体中分布有颗粒状的弥散相(Fe,Mn,Cu)_3Si_2Al_(15)(bcc结构,晶格常数a=1.28 nm,尺寸100-500 nm)并对位错运动有钉扎作用。探明了SiC颗粒原态及表面处理后SiC_p/6066Al复合材料中界面的结构和结合形式,确立了控制良好SiC/Al界面结合的工艺方案。通过修正等效介质模型,研究显微组织变化对SiC_p/6066Al复合材料变形行为的影响及机理,探明了SiC_p/6066Al复合材料的强化机制与断裂模式。 (4)通过动态试验检测和数学模型,证实SiC_p/6066Al复合材料低温内耗以位错阻尼为主,高温以界面阻尼和晶界阻尼为主,三者间的相互叠加构成复合材料整个内耗行为;对应于内耗平台出现的温度范围,动态模量出现快速的下降,驰豫是一个多步的过程;证实了SiC_p/6066Al复合材料内耗对温度和频率的依赖关系和内耗峰的物理形成机制。12%SiC_p/6066Al复合材料中位错内耗激活能约为1.2 eV,晶界内耗激活能约为1.57 eV;其阻尼能力达到10~(-2)量级并且能在高温(＜400℃)时保持较高的模量。 (5)修正并建立含界面特征(不同界面厚度和“界面结合强度”)的等效体模型,理论结合实验研究不同SiC/Al界面特征对SiC_p/Al复合材料性能的影响程度,确立了SiC_p/Al复合材料性能(弹性模量、界面阻尼和屈服强度)对SiC/Al界面特征的依赖规律,形成生产实验中控制界面的科学理论根据。 SiC颗粒表面状态和成型参数对SiC_p/Al复合材料性能和界面结构的影响规律、SiC_p/Al复合材料热处理规律、微结构尤其是界面特征影响复合材料性能的规律研究,为SiC_p/Al复合材料工业化生产提供了理论指导和技术支持,并推动SiC_p/Al复合材料基础性问题的理论研究。