纳米SiCp增强2014铝基复合材料的组织与拉伸性能

【摘要】近些年来随着我国航空航天、汽车、国防等领域的快速发展,对材料综合性能的要求越来越高。陶瓷颗粒增强铝基复合材料由于其低密度、高强度、高的弹性模量等特点而得到人们的广泛关注。通常来讲,作为增强相的陶瓷颗粒的尺寸越小则增强效果越好,因此,制备纳米尺寸的陶瓷颗粒增强铝基复合材料已经成为重要的发展方向。但由于纳米颗粒较大的表面体积比、与基体的润湿性不好等原因导致了分散不均匀等问题,降低了复合材料的性能,限制了其广泛的应用。当前,改善纳米陶瓷颗粒在基体中分散以及界面结合问题仍是国内外急需解决的难题,同时纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料具有成为耐高温材料的潜质,但关于其高温力学性能的研究较少,因此,对于纳米陶瓷颗粒增强铝基复合材料组织,室温与高温力学性能的研究具有重要意义。本文通过以Al2014合金为基体,制备了纳米SiCp增强铝基复合材料,揭示了纳米SiCp预分散处理对复合材料组织与拉伸性能的影响；研究了中间合金法制备不同纳米SiCp含量对纳米SiCp/A12014复合材料的组织与室温、高温拉伸性能的影响,初步揭示了纳米陶瓷颗粒的增强机制；研究了纳米SiCp表面包覆Ni对复合材料组织与室温、高温拉伸性能的影响以及作用机制,本文主要研究结果如下：(1)发现采用熔体外纳米SiCp预分散处理工艺使纳米SiCp在基体中的分散效果显著。揭示出球磨预分散处理比湿混预分散处理效果更加明显,使复合材料的α-Al枝晶细化和拉伸性能提高的效果更加显著。a)经球磨预分散处理的3wt.%纳米SiCp/A12014复合材料具有最好的铸态拉伸性能,其屈服强度,最大拉伸强度和断裂应变最高,分别由基体合金的175MPa、310MPa和4.1%提高至220MPa、410MPa和6.3%,高于湿混预分散处理3wt.%纳米SiCp/A12014复合材料的铸态拉伸性能(210MPa、365MPa和5.5%)。原因是由于纳米SiC颗粒经过长时间球磨之后得到充分的预分散从而改善了其在金属液中的分散。b)经球磨预分散处理5wt.%纳米SiCp/A12014复合材料的铸态拉伸屈服强度,最大拉伸强度和断裂应变分别为190MPa.362MPa和5.4%,低于3wt.%纳米SiCp/A12014复合材料铸态拉伸性能(220MPa.410MPa和6.3%),原因是由于纳米SiCp数量增加,团聚现象加剧。(2)采用纳米SiCp-Al中间合金制备的纳米SiCp/A12014复合材料中α-Al枝晶尺寸比基体合金的更细小。Ni包覆纳米SiCp比未包覆Ni纳米SiCp细化基体合金α-Al枝晶的效果更加显著。a)设计含量为1wt.％,2wt.％和3wt.%纳米SiCp/A12014复合材料铸态组织中α-Al枝晶尺寸分别从基体Al2014合金的-200μtm细化到100μm,～80μm和～75μtm,热挤压变形之后α-Al枝晶尺寸分别为～60μtm、-45μm和～28μtm。b)设计含量为1wt.％,2wt.％和3wt.%Ni包覆纳米SiCp/A12014复合材料铸态组织中α-Al枝晶尺寸分别从基体Al2014合金的～200μtm细化到～83μm,-54μtm和-45μtm,热挤压变形之后α-Al枝晶尺寸分别为～57μm、-32μm和-21μm。c)β-SiCp的(111)晶面与α-Al的(111)晶面对应的错配度为6.89%,存在着半共格关系,β-SiCp可以作为α-Al的异质形核核心,是α-Al枝晶细化机制之一,另一方面枝晶间与晶界处的纳米SiCp阻碍了α-Al枝晶的生长,也起到了细化α-Al枝晶的作用。在Ni包覆纳米SiCp/A12014复合材料中α-Al枝晶细化效果更加明显的原因是纳米SiCp表面包覆Ni促进了α-Al与SiCp的润湿,改善颗粒的分散,更多的纳米SiCp起到了α-Al异质形核核心的作用。(3)揭示出随着纳米SiCp含量从1wt.%增加到3wt.%,挤压态热处理后的纳米SiCp/A12014复合材料室温与高温最大拉伸强度逐渐增大,断裂应变随之降低；采用Ni包覆纳米SiCp作为增强体后,复合材料室温与高温拉伸性能得到进一步提高。a)在设计含量为1wt.％,2wt.％和3wt.%纳米SiCp/A12014复合材料的拉伸性能中,2wt.%纳米SiCp/A12014复合材料具有最好的综合拉伸性能,其室温、180℃、220℃的拉伸屈服强度和最大拉伸强度分别为373MPa和527MPa、325MPa和360MPa.235MPa和269MPa,分别比基体合金(304MPa和463MPa、260MPa和310MPa.205MPa和240MPa)提高了22.7%和13.8%、25%和16.1%、14.6%和12%,断裂应变由基体合金的17.1%、18.1%和19.2%降低至11.5%、14.9%和17.1%。b)在设计含量为1wt.％,2wt.％和3wt.%Ni包覆纳米SiCp/A12014复合材料的拉伸性能中,3wt.%Ni包覆纳米SiCp/A12014复合材料具有最好的综合拉伸性能,其室温、180℃、220℃的拉伸屈服强度和最大拉伸强度分别为425MPa和563MPa、350MPa和386MPa、268MPa和303MPa,比基体合金分别提高了39%和21.6%、34.6%和24.5%、30.7%和26.3%,断裂应变分别由基体合金的17.1%、18.1%和19.2%降低至11.2%、12.8%和15.4%。(4)揭示出纳米SiCp/Ni包覆纳米SiCp增强Al2014基复合材料的强化机制主要为α-Al细晶强化和“有效”SiC颗粒的Orowan强化,其中Orowan强化机制占主导地位,在高温下该机制更为明显。纳米SiCp表面包覆Ni促进了铝合金熔体与SiCp的润湿,有利于纳米尺寸SiCp在铝合金基体中的分散,同时改善了SiCp与α-Al的界面结合,减小界面脱粘的可能性,从而使复合材料拉伸性能得到进一步提高。(5)优化出3wt.%Ni包覆纳米SiCp/A12014复合材料具有最好的综合拉伸性能,其室温,180℃,220℃拉伸屈服强度、最大拉伸强度和断裂应变分别为425MPa、563MPa和11.2%,350MPa、386MPa和12.8%,268MPa、303MPa和15.4%。
【作者】汤健；
【导师】姜启川；
【作者基本信息】吉林大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】纳米SiCp；铝基复合材料；Al2014合金；组织；拉伸性能；

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