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颗粒增强铝基复合材料由于具有铝基体和增强相的双重优势而受到研究人员的广泛关注,例如低的密度、高的比强度、良好的耐磨性及耐热性等特性,在航空航天、交通运输等领域得到广泛应用。通常,铝基复合材料可以通过粉末冶金、喷射成形或铸造方法制备得到,然后再进行后续的二次变形加工过程,例如热挤压、轧制或锻造。其中热挤压是铝合金加工的重要方法,有利于消除孔洞和提高材料密度。经过几十年的研究,颗粒增强铝基复合材料的室温强度不断提高。然而,强度与塑性不匹配是一个长期存在的难题,复合材料的塑性普遍较低,这就限制了复合材料的后续加工和应用。因此,制备强度塑性匹配的铝基复合材料是非常重要的。另外,随着铝合金的应用领域不断扩展,特别是飞机引擎舱和汽车活塞等方面对材料的密度以及耐热性的要求越来越高,而铝基复合材料中的增强相具有高的熔点和热稳定性,因此也使复合材料在该领域展现出极为突出的应用潜力。本文在课题组制备AlN/Al复合材料的基础上,结合Si3N4与铝基体在液固反应过程中的微界面反应,制备了纳米AlN和亚微米Si3N4颗粒增强的铝基复合材料。首先利用XRD、DSC、SEM和TEM等测试技术对Si3N4在铝熔体中的界面反应做了系统的研究;同时,研究了 T4热处理工艺对挤压态复合材料的组织和性能的影响规律;另外,通过改变制备工艺来调控粒子的空间分布状态,建立了材料的组织和强塑性与耐热性之间的响应关系。本文的主要研究工作如下:(1)AlN和Si3N4增强铝基复合材料的制备及粒子含量的优化首先,通过多种分析手段研究了 Si3N4在铝熔体的转变过程:在较低温度下,Si3N4与Al发生微量的界面反应,生成大量纳米级、取向各异的AlN粒子分布在Si3N4表面,形成一个纳米尺度的包覆层,此时AlN与Si3N4、AlN与Al之间有着干净的界面和良好的界面结合。随着温度的升高,Si3N4与A1的反应程度不断增加;达到较高温度后,Si3N4将完全和Al反应生成Si和AlN。通过Gibbs自由能计算、DSC热分析、XRD以及组织观察等结果,发现Si3N4与Al的反应不仅和热力学有关,同时也受到反应动力学的影响,属于连续渐进式反应。因此,利用Si3N4在Al熔体中的微界面反应以改善外加Si3N4的界面,并结合课题组制备原位AlN/Al复合材料的研究,通过液固反应的方法获得了纳米AlN和亚微米Si3N4粒子增强的铝基复合材料。研究了粒子含量对复合材料性能的影响规律,结果表明:随着增强粒子含量的增加,材料的强度有较为明显的提升而塑性略有降低,然而,当粒子达到较高含量时,材料的强度提升有限而塑性则急剧下降。(2)热处理工艺对复合材料室温强塑性和高温(350℃)耐热性的影响以挤压态Al-7.7%AlN-5%Si3N4复合材料为研究对象,对其进行了 T4热处理,即在540℃保温不同时间后水冷淬火。试验结果表明,挤压态复合材料在热处理过程中发生了再结晶和晶粒粗化现象,导致材料的微观组织,包括基体的织构、晶粒取向、晶粒尺寸、位错密度以及晶界取向差分布等发生了变化,最终影响了材料的力学性能。而在540℃保温3h后水冷的条件下,材料的室温强塑性(420MPa和17%)和350℃高温强度(143MPa)均达到最大值,这与材料的微观组织密切相关,并建立了材料组织与性能之间的响应关系。(3)粒子的空间分布对复合材料综合力学性能的影响以Al-7.7%AlN-5%Si3N4复合材料为研究对象,通过改变挤压工艺参数和原料铝粉粗细粒度配比,改变了粒子的分布状态,并对材料的综合性能产生影响。以不同挤压比材料为例,在低的挤压变形程度下,材料中会保留较多铸态下的无粒子区,并经挤压后沿挤压方向形成条带状组织,即粒子的非均匀分布;而高的挤压变形程度会使材料发生较大的变形,从而导致无粒子区基本消失,粒子的分布更为均匀。拉伸试验结果表明,均匀分布的粒子有利于材料强度的提高,特别是350℃高温强度和高温稳定性,而无粒子区的存在有利于材料的塑性和韧性的提高。同样,调整粗细铝粉的配比同样可以改变粒子的分布状态,从而使粒子的分布更加均匀,减少无粒子区域,有利于提高复合材料的室温及高温强度等。