SnO2涂覆硼酸铝晶须增强铝基复合材料热轧行为与性能研究

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硼酸铝晶须增强铝基复合材料因其具有高的比强度和模量、低的热膨胀系数、良好的耐腐蚀性以及相对不高的生产成本而成为一种具有巨大应用潜力的复合材料。然而,晶须的加入导致复合材料的塑性严重下降,其二次成形能力远低于金属材料,因此二次成形加工成为阻碍该类复合材料广泛应用的关键问题。本文以提高硼酸铝晶须增强铝基复合材料的热轧变形能力为目的,在增强体预制件制备过程中对晶须进行SnO2涂覆,通过挤压铸造过程中SnO2与Al基体发生界面反应生成低熔点的Sn,利用热轧过程中Sn熔化成液态来松弛应力集中,并对晶须的转动和基体的变形产生润滑作用,以实现复合材料高轧制比的轧制变形。  实验中采用化学沉淀法对硼酸铝晶须表面进行SnO2涂覆,采用挤压铸造工艺制备了具有不同SnO2涂覆量的硼酸铝晶须增强纯Al以及6061Al合金基复合材料,并分别在400℃、450℃和500℃对其采用铝合金包套后的多道次热轧,轧制比分别为30%、50%和70%。利用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜对复合材料的微观组织与形貌进行分析,通过由极图计算的取向分布函数对Al基体中的轧制织构进行分析,并对轧后复合材料的拉伸性能和热膨胀行为进行了测试,主要探讨了SnO2涂覆量、轧制比和轧制温度对轧态复合材料微观形貌、织构演化、拉伸性能和热膨胀行为的影响规律。  微观组织分析结果表明,涂覆SnO2的复合材料在界面处生成了不连续分布的Sn。在热轧过程中,液态的Sn发挥了松弛应力和润滑作用,轧后晶须的折断程度有所降低,并且改善了界面结合。轧制比的提高可以使在低轧制比下形成的微观裂纹有效地愈合,并且在降低晶须长径比的同时,提高晶须的定向排列程度。轧制温度的升高可以使基体软化,从而降低轧制过程中晶须的折断程度,同时也加剧了基体的动态再结晶和界面反应的程度。  轧制织构研究表明,晶须的存在和动态再结晶的发生导致热轧复合材料中形成了明显不同于Al及Al合金的典型轧制织构的特殊织构。随着轧制比的增加,织构类型由板织构向丝织构转变,并且丝织构的强度和完善程度受轧制温度和SnO2涂覆量的影响。另外,织构成分也因基体的改变而有所差异。  拉伸性能研究表明,热轧后复合材料的断裂延伸率普遍降低,但强度和模量明显提高,尤其是屈服强度得到了大幅度提高。对于热轧复合材料的拉伸性能而言,存在一个最佳的SnO2涂覆量。在低于和高于该涂覆量时,复合材料的拉伸性能都明显降低,这主要是由于适量的SnO2涂覆一方面可以通过降低晶须的折断程度来保证轧后晶须的承载能力,另一方面可以形成结合强度适中的界面以提高基体与晶须之间的载荷传递能力。轧制比的增加可以愈合复合材料中的微观裂纹,并大幅度提高晶须沿轧向的定向排列程度,从而使拉伸性能得到提高。轧制温度对热轧复合材料拉伸性能的影响主要与其导致的晶须折断和定向排列、界面反应以及基体加工硬化程度有关。  热膨胀行为研究表明,SnO2涂覆有利于热轧复合材料热膨胀系数的降低,以及提高热循环后热膨胀系数的稳定性,这主要是因为低熔点Sn的存在有利于加速复合材料中热残余应力的松弛。随轧制比的提高,热轧复合材料热膨胀系数降低而热循环后的热膨胀系数稳定性提高。轧制温度对于热轧复合材料热膨胀行为的影响不大。
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