高体积分数颗粒增强6092Al基复合材料的制备及组织性能研究

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颗粒增强铝基复合材料具有密度低、比强度高、耐磨性能好、热膨胀系数可控等优点,被广泛应用于航空航天、轨道交通、武器装备等领域。然而,传统工艺制备的颗粒增强铝基复合材料存在颗粒分散不均匀、界面反应严重、力学性能低等问题。针对上述问题,本文基于喷射成形和模锻工艺,开展了高体积分数碳化硅颗粒(Si Cp)和/或锂霞石颗粒(Euc)增强6092Al基复合材料的制备工艺、微观组织及力学性能的研究。利用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对复合材料中颗粒分布、物相组成、界面结构及位错分布进行了观察和分析;采用电子万能试验机、热膨胀仪和导热仪对复合材料的力学性能和热物理性能进行了测试。主要开展了以下研究工作:(1)研究了模锻工艺和热处理工艺参数。探索了喷射成形高体积分数颗粒增强铝基复合材料的模锻致密化工艺,得到了最优的模锻工艺参数为模锻温度510℃、模锻压力8 MPa和保压时间20 min,该工艺条件下制得的复合材料中颗粒分布均匀,没有团聚现象,致密度高达99.81%,界面处也没有发现明显的孔洞;探究了锻压态复合材料的热处理工艺,得到了最优的热处理工艺参数为520℃固溶1.5 h,水冷;170℃人工时效3 h,空冷。(2)研究了复合材料的微观组织结构。结果表明,(45 vol.%Si Cp+5vol.%Euc)/6092Al基复合材料中Si Cp/Al和Euc/Al界面干净平滑,整体结合良好且未观察到界面反应。Si Cp/Al界面结合方式为紧密原子匹配形成的半共格界面,Euc/Al界面为非共格界面。Si Cp/Al和Euc/Al界面附近区域存在高密度的位错和Mg2Si强化相。(3)对比研究了三种复合材料的室温力学性能。结果表明,45 vol.%Si Cp/6092Al、5 vol.%Euc/6092Al和(45 vol.%Si Cp+5 vol.%Euc)/6092Al基复合材料的抗弯强度分别为:494 MPa、302 MPa和485 MPa;三种复合材料的抗弯模量分别为:113 GPa、46 GPa和96 GPa;三种复合材料的抗拉强度分别为:357 MPa、273 MPa和315 MPa。同时研究了热处理工艺对三种复合材料室温力学性能的影响,经520℃固溶1.5 h+170℃人工时效3 h后,三种复合材料的力学性能相较于锻压态均有一定程度提高。对时效态6092铝合金及三种复合材料的拉伸断口进行观察,发现6092铝合金的断裂方式为韧性断裂,三种复合材料的断裂方式均为脆性和韧性混合断裂。(4)对比研究了三种复合材料的热物理性能。研究了热处理工艺对三种复合材料热膨胀系数的影响,经520℃固溶1.5 h+170℃人工时效3 h后,三种复合材料的热膨胀系数相较于锻压态,均变化不大。时效态(45 vol.%Si Cp+5 vol.%Euc)/6092Al基复合材料的热膨胀系数最小(14.68×10-6·K-1),热导率最大(190 W·m-1·K-1),Euc颗粒的加入,可以显著降低复合材料的热膨胀系数。
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