SiCp/Al-Cu-Mg复合材料的制备和组织性能研究

【摘要】SiCp/Al复合材料由于具备比强度高、比刚度高、低膨胀系数和一定的加工性能而引起了国内外的广泛关注。国外SiCp/Al复合材料的研究已经走向了工程应用阶段,而且通过采用元素粉代替合金粉的方式降低了粉末冶金制备复合材料的成本。但是,国内的研究起步则相对较晚,而且存在很多问题。本文从优化SiCp/Al复合材料制备工艺、热处理工艺和锻造工艺的目的出发,采用元素粉粉末冶金法和等温锻造技术相结合,并以sic颗粒作为增强相、可热处理强化的Al-Cu-Mg合金作为基体,制备出15%SiCp/Al-4.0Cu-1.2Mg复合材料,在此基础上对复合材料的微观组织、界面特征和拉伸力学性能开展了比较系统的研究,优化了热处理工艺和等温锻造工艺参数,主要研究内容及研究结果如下：通过粉末冶金和热等静压相结合,制备出了15%SiCp/Al-Cu-Mg复合材料和作为对比材料的15%SiCp/2009Al复合材料,两种材料的组织完全致密,无夹杂和孔洞,sic颗粒在Al基体中均匀分布且组织细小。TEM图像显示,SiC颗粒与A1基体之间的界面平整、光滑,界面结合良好。XRD衍射结果显示,两种材料在热等静压下的析出相都是Al2Cu相和Mg2Si相,热处理之后析出相的回溶机制也是相同的,即Al2Cu相回溶进基体中,而Mg2Si相比较稳定。15%SiCp/Al-Cu-Mg和15%SiCp/2009Al复合材料分别经过各自的最佳热处理制度处理后,其抗拉强度分别达到了579MPa和570MPa,说明两种方法制备的复合材料性能相当。15%SiCp/Al-Cu-Mg复合材料的最佳热处理参数为：固溶温度为510℃,保温2h后淬20℃水,转移时间在4s范围内,自然时效>96小时。此时获得复合材料的力学性能为：Rm=579MPa、Rp0.2=390MPa、A=7%;在达到最佳固溶温度前,由于固溶时效强化和位错强化,复合材料的强度随着固溶温度的升高逐渐提高。当固溶温度超过最佳固溶温度后,基体合金可能发生过烧导致了复合材料性能的迅速下降。当固溶时间超过某一范围,可溶性第二相充分回溶进基体中,复合材料的强度达到峰值,之后继续延长固溶时间并不能持续提高材料的强度,对于15%SiCp/Al-Cu-Mg复合材料,此固溶时间范围为2h-4h。15%SiCp/Al-Cu-Mg复合材料的组织和性能对淬火水温不敏感,相对来说,淬火水温为20℃时复合材料的性能最佳。15%SiCp/Al-Cu-Mg复合材料的转移时间同样有一个可允许的范围,16s之内,过饱和固溶体来不及发生分解或分解较少,从而对复合材料的组织和性能影响较小。15%SiCp/Al-Cu-Mg复合材料热等静压过程中产生一定量的游离Si，其与基体中的Mg元素发生反应生成Mg2Si,提高了基体中的Cu/Mg比,从而使得复合材料的析出相中不含有Al2CuMg相,即导致了析出相成分的变化；固溶处理后,复合材料中的Al2Cu相几乎全部回溶进基体中,当转移时间超过16s时发生再析出,而Mg2Si相则比较稳定。15%SiCp/Al-Cu-Mg复合材料经过等温锻造后,复合材料的强度和塑性均得到大幅度地提高,并且总变形量越大,SiC颗粒分布越均匀,复合材料力学性能越高。变形量为70%时,屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为375MPa、580MPa和7%。当变形量继续增大时,复合材料锻件的强度和塑性均达到一个稳定状态,基本不受变形量的影响。观察了不同变形量复合材料的拉伸断口,发现其形貌均可分为三个区域：裂纹源区、扩展区和终断区,而且断面处存在明显的韧窝,分布也较均匀。复合材料的断裂方式主要有两种,即基体韧性断裂和颗粒的断裂。
【作者】王德升；
【导师】樊建中；
【作者基本信息】北京有色金属研究总院，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】SiCp/Al-Cu-Mg复合材料；热处理；等温锻造；微观组织；力学性能；

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