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粉末触变成形制备SiC_p/2024Al基复合材料组织与性能的研究

作者:李普博年份:2017来源库:博士

摘要:本文结合粉末冶金(PM)和半固态触变成形的优点,提出了一种集制备及成形陶瓷颗粒增强金属基复合材料于一体的新方法,粉末触变成形(PT)。对粉末压块在部分重熔过程中的组织演变过程和相变进行了研究,从而澄清了压实的粉末是如何演变成适合触变成形的半固态锭料,即细小球状的初生相颗粒均匀悬浮于液相中的锭料。研究了PT成形工艺参数(重熔温度和时间、模具温度、成形压力)对10vol.%SiCp增强的2024Al基复合材料组织和室温力学性能的影响。而且,对PT复合材料的高温力学性能和摩擦磨损性能进行了研究。同时,为了体现复合材料和PT技术的优势,也与粉末触变成形2024(PT-2024)合金和金属型铸造2024(PMC-2024)合金进行了对比研究。主要得到如下研究结论:10vol.%SiCp-2024混合粉末压块在635°C加热30min后,可获得气孔较少,细小圆整的初生相颗粒和增强相SiCp均匀悬浮于液相中的半固态组织。组织演变分为三个阶段:初期2024Al粉末内晶粒的快速粗化,初生相颗粒边缘连续液膜的形成,后期轻微的粗化。一个粉末演变成半固态组织中一个被液相包围的初生相颗粒。成形参数主要影响二次凝固行为(通过改变凝固速率)、初生相颗粒尺寸及成分、触变过程中的塑性变形、共晶θ相含量、组织致密性、SiCp/Al界面、强化效果,进而影响复合材料的断裂行为和力学性能。SiCp体积分数影响初生相颗粒尺寸和形状、组织致密性和有效液相率,进而也显著影响复合材料的力学性能。PT技术具有制备高性能复合材料的巨大潜力。最佳成形工艺参数为重熔温度625°C、重熔时间80min、模具温度350°C、成形压力224MPa、压头速率60mm/s。最优参数成形10vol.%SiCp/2024Al基复合材料的抗拉强度(UTS)为388MPa,屈服强度(YS)为297MPa,延伸率为3.8%。复合材料的UTS、YS和延伸率相比于PT-2024合金(UTS=300MPa、YS=220MPa、延伸率=10.4%),分别增加了29.3%和35%和减少了63.5%。复合材料YS可被一个新的强化模型准确预测,此模型除了考虑载荷传递强化、热错配强化、几何位错强化和细晶强化,还考虑了失效的SiCp。温度升高,PT复合材料和PT-2024合金的强度都降低了(PT-SiCp/2024Al基复合材料的YS由室温时的297MPa降到300°C的84MPa,PT-2024合金由220MPa降到56MPa),但复合材料强度降低速率小于合金的,而且由于SiCp强化效果的影响,复合材料高温强度始终高于合金的。升高温度有益于增加材料的韧性。高SiCp体积分数复合材料具有良好的高温强度。复合材料室温断裂来自于SiCp断裂和SiCp/Al界面脱粘,而高温断裂主要是基体中孔洞形核和长大及界面脱粘诱发。复合材料摩擦磨损性能优于PT-2024和PMC-2024合金。随着载荷、滑动速度的增加和SiCp体积分数的减少,磨损机理由轻微的磨粒磨损等微磨损机制转变为严重的粘着磨损和剥层磨损等剧烈磨损机制。温度升高,磨损破坏层厚度增加和失效的SiCp和裂纹数量增多,磨损机制转变为剥层磨损和粘着磨损。

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