噴射沉積鋁基連續(xù)梯度復(fù)合材料的制備、致密化及性能研究.pdf

1、顆粒增強(qiáng)鋁基梯度復(fù)合材料具有密度低、比強(qiáng)度及比剛度高、耐磨性能優(yōu)異和材料內(nèi)部熱應(yīng)力過渡平穩(wěn)等一系列優(yōu)點(diǎn),非常適合于制造高速制動部件和耐磨部件,在生物材料、機(jī)械工程材料、耐磨耐蝕的表面涂層以及航空航天材料等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。國內(nèi)外對梯度復(fù)合材料的成分設(shè)計(jì)和制備技術(shù)等方面已有大量研究,但精確控制增強(qiáng)顆粒濃度梯度分布以及大尺寸、高性能連續(xù)梯度復(fù)合材料的制備技術(shù)仍然沒有突破性進(jìn)展。
　　本論文通過對自動控制陶瓷顆粒輸送裝置的探索,發(fā)明

2、了連續(xù)梯度復(fù)合材料的噴射沉積裝置,通過對噴射沉積工藝參數(shù)的優(yōu)化,制備出了SiC顆粒沿沉積坯高度方向呈連續(xù)梯度分布的圓柱錠坯、大尺寸圓盤件和環(huán)件。通過對熱模壓致密化工藝研究,得到了最佳熱模壓工藝參數(shù);同時(shí)考察了溫度、應(yīng)變速率對SiCp/Al-20Si-3Cu梯度復(fù)合材料的流變應(yīng)力影響,通過多階梯形陽模結(jié)合平模致密化技術(shù)大幅度降低了壓制壓力,在此基礎(chǔ)上自行研制出了超塑性致密化技術(shù);采用此項(xiàng)技術(shù)對不同尺寸的圓柱錠坯和大尺寸圓盤件進(jìn)行了致密化研

3、究,檢測并分析了材料的力學(xué)性能、斷裂機(jī)制和強(qiáng)韌化機(jī)制;探討了超塑性致密化過程中組織演變規(guī)律,分析了超塑性致密化機(jī)理,建立了Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基體條帶組織形成模型和超塑性致密化的孔洞演變模型。另外,研究了SiCp/Al-20Si-3Cu連續(xù)梯度復(fù)合材料的摩擦磨損性能,并對其在制動部件中的應(yīng)用進(jìn)行了考察。
　　論文得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)自行研制出了自動控制的陶瓷顆粒輸送裝置,解決了噴射沉積過程中對SiC顆粒呈梯度分布

4、的控制問題;通過對液流直徑、霧化氣體壓力和噴射高度等工藝參數(shù)探索,得到了噴射沉積制備連續(xù)梯度復(fù)合材料最佳工藝參數(shù)。在最佳工藝下制備了SiC顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿沉積坯高度方向呈0?30％的連續(xù)梯度分布的圓柱錠坯和呈0?15%的大尺寸Φ600mm?150mm圓盤件和外徑達(dá)1200mm環(huán)件。對沉積坯微觀組織分析表明:基體組織細(xì)小,晶粒尺寸在5μm以下;初晶Si細(xì)小、尺寸僅1～3μm;析出相為?-Al2Cu和AlCuMg,細(xì)小、彌散分布在晶界或晶內(nèi)。

5、孔隙率隨SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加其體積分?jǐn)?shù)逐漸增加;沉積坯的顯微硬度隨SiC含量增加而增加。
　　(2)研究了SiCp/Al-20Si-3Cu連續(xù)梯度復(fù)合材料的熱模壓致密化工藝,通過對熱模壓的溫度、壓制壓力和保壓時(shí)間等工藝參數(shù)探索,得到熱模壓最佳工藝參數(shù)。為了降低壓制壓力和擴(kuò)大材料在致密化過程中橫向剪切流動,自行設(shè)計(jì)了多階梯形陽模結(jié)合平陽模熱壓致密化工藝,此工藝致密化結(jié)果表明:在沒有改變梯度復(fù)合材料組織特點(diǎn)前提下,該工藝可以大幅度降低

6、壓制壓力,并取得了良好的致密化效果。探討了溫度和應(yīng)變速率對噴射沉積SiCp/Al-20Si-3Cu連續(xù)梯度復(fù)合材料流變應(yīng)力影響,分析了該材料高溫高應(yīng)變速率下的超塑性,并自行研制出了超塑性致密化技術(shù)。
　　(3)采用超塑性致密化技術(shù)對小尺寸錠坯進(jìn)行了致密化研究,通過對壓制壓力、應(yīng)變速率等工藝參數(shù)摸索,得到了最佳超塑性致密化技術(shù)工藝參數(shù)和較好的致密化效果,在此最佳工藝條件下對大尺寸錠坯進(jìn)行致密化研究,結(jié)果表明:315噸的夜壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)對

7、Φ300×140mm圓柱錠坯的致密化,630噸的液壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)Φ600×150mm厚盤件的致密化,材料的致密度均在99%以上,實(shí)現(xiàn)了小噸位設(shè)備對大尺寸坯料的全致密化,壓制壓力最大可降到同等條件下普通熱模壓的1/8。
　　(4)對超塑性致密化后的SiCp/Al-20Si-3Cu梯度復(fù)合材料的性能研究表明:材料的整體性能在300MPa以上,較沉積坯的強(qiáng)度提高了2?3倍,隨梯度層中SiC含量的增加,材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度呈先增后減變化規(guī)

8、律、伸長率呈下降的變化趨勢。SiC含量為15.2%梯度層的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值388MPa,經(jīng)熱處理后的抗拉強(qiáng)度可達(dá)430MPa。性能大幅提高是細(xì)晶強(qiáng)化、SiC顆粒增強(qiáng)相強(qiáng)化、沉淀相強(qiáng)化和良好的致密化效果綜合作用結(jié)果。
　　(5)對超塑性致密化后SiCp/Al-20Si-3Cu梯度復(fù)合材料的微觀組織分析結(jié)果表明:超塑性致密化沒有改變SiC的梯度分布特征,梯度層內(nèi)SiC分布更加均勻;保持了合金基體原有晶粒細(xì)小的組織特點(diǎn),?-Al基體、

9、Si顆粒及SiC顆粒三者間界面結(jié)合達(dá)到了冶金結(jié)合;?-Al2Cu和AlCuMg析出相細(xì)小、彌散分布并和位錯(cuò)交互作用明顯;噴射沉積制備和致密化加工過程中在沉積顆粒邊界上形成的Al2O3薄膜經(jīng)超塑性致密化后,形成了以Al2O3薄膜碎片和MgAl2O4顆粒為增強(qiáng)相的寬度為50?100nm的鋁基體條帶組織;通過界面反應(yīng),此條帶狀組織把沉積顆粒緊緊地連接在一起,提高了材料的強(qiáng)度和塑性,并建立了Al2O3增強(qiáng)鋁基體條帶組織形成模型;對超塑性致密化機(jī)

10、理進(jìn)行了分析,建立了超塑性致密化的孔洞演變模型。
　　(6)研究了SiCp/Al-20Si-3Cu連續(xù)梯度復(fù)合材料的摩擦磨損行為,結(jié)果表明:摩擦系數(shù)隨載荷和轉(zhuǎn)速的增加而減小,隨SiC含量增加,摩擦系數(shù)增加,摩擦系數(shù)在0.35~0.42之間變化,對比HT250,摩擦系數(shù)變化幅度小;磨損率隨載荷或轉(zhuǎn)速增加呈先增后減再增變化趨勢,同等條件下其磨損率為HT250的1/10。在摩擦磨損過程中,材料的機(jī)械混合層厚度隨SiC含量的增加而減小,當(dāng)