噴射沉積SiC-,p--Al-Fe-V-Si復(fù)合材料熱加工工藝、組織及性能的研究.pdf

1、Al-Fe-V-Si系耐熱鋁合金具有良好的室溫和高溫強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性以及耐腐蝕性能。該系列合金在Al基體上彌散分布大體積分?jǐn)?shù)的Al12(Fe,V)3Si耐熱強(qiáng)化相，強(qiáng)化相細(xì)小均勻，具有良好的熱穩(wěn)定性，并且可以充分發(fā)揮彌散強(qiáng)化的作用。在該系合金中加入SiC顆粒進(jìn)行增強(qiáng)，提高材料的楊氏模量、耐磨性，還可以提高材料的室溫和高溫強(qiáng)度。 本論文綜合評(píng)述了快速凝固耐熱鋁合金及其復(fù)合材料、快速凝固-粉末冶金技術(shù)以及噴射沉積技術(shù)的研究進(jìn)展和

2、現(xiàn)狀，針對(duì)SiCP/Al-Fe-V-Si復(fù)合材料研究中的問題，開展了以下幾個(gè)方面的研究工作： 基于多層噴射共沉積制備技術(shù)和裝置，研究了SiCP/Al-Fe-V-Si復(fù)合材料坯料的制備，研究了噴射沉積工藝參數(shù)如液流直徑、霧化氣體壓力、噴射高度等對(duì)沉積坯組織和性能的影響，獲得了最佳的噴射沉積工藝參數(shù)。 通過單向熱壓對(duì)SiCp/Al-Fe-V-Si進(jìn)行致密化，并對(duì)比研究了傳統(tǒng)的熱擠壓致密。對(duì)SiCP/Al-Fe-V-Si復(fù)合材

3、料經(jīng)熱擠壓和熱壓后的顯微組織進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：熱擠壓后的組織中，SiC顆粒呈流線分布，并且在厚度方向上分層，大量的SiC顆粒流動(dòng)到表面；而在熱壓后的組織中，雖然在小范圍內(nèi)有SiC顆粒的聚集，但是并未出現(xiàn)SiC顆粒的表層聚集現(xiàn)象。 對(duì)比研究了多層噴射共沉積SiCP/Al-Fe-V-Si材料的熱擠壓后軋制和熱壓后軋制兩種熱加工工藝，以及這兩種工藝對(duì)于復(fù)合材料板材的顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)通過熱壓后再軋制比通過熱擠壓后再軋制，復(fù)

4、合材料板材具有更加均勻的顯微組織。熱壓致密能克服熱擠壓過程中帶來的SiC顆粒表層聚集現(xiàn)象，SiC顆粒與基體結(jié)合良好，軋制后的板材顯微組織的均勻、細(xì)小，因而加工得到的板材具有優(yōu)異的力學(xué)性能。并研究了軋制過程中復(fù)合材料的密度和硬度的變化規(guī)律。 對(duì)比研究Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金及添加SiC顆粒的復(fù)合材料的組織力學(xué)性能，并研究了不同F(xiàn)e含量的SiCP/Al-Fe-V-Si復(fù)合材料經(jīng)熱壓后熱軋制備的板材的組織和力學(xué)性能。

5、研究發(fā)現(xiàn)，SiC顆粒加入能提高噴射沉積過程中基體合金的冷卻速率，使基體晶粒更加細(xì)小，彌散粒子也更加細(xì)小彌散、穩(wěn)定，產(chǎn)生更好的細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化效果，并在后續(xù)的熱加工過程中，依然保持晶粒、第二相粒子細(xì)小彌散，從而提高了材料的力學(xué)性能。復(fù)合材料中的第二相粒子體積分?jǐn)?shù)隨著Fe含量的升高而升高，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度特別是高溫下的抗拉強(qiáng)度隨著Fc含量的升高而升高，而材料的伸長(zhǎng)率隨其Fc含量的升高而降低。經(jīng)過相同的熱擠壓后再熱軋的工藝加工后，加入Si

6、C顆粒進(jìn)行噴射共沉積得到的SiCP/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si復(fù)合材料比沒有添加SiC顆粒的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金具有更好的力學(xué)性能。 研究了SiCp/Al-Fe-V-Si復(fù)合材料的SiC-Al界面，結(jié)果表明，在多層噴射共沉積SiCp/Al-Fe-V-Si復(fù)合材料主要存在兩種SiC-Al界面，一種是具有晶態(tài)界面層的SiC-Al界面，一種是具有非晶態(tài)界面層的SiC-Al礎(chǔ)界面。晶態(tài)SiC-Al界面為

7、一平直的、寬度為3nm左右Si原子界面層，界面十分干凈且無缺陷，Si納米過渡層提高了界面潤(rùn)濕性。SiCp/Al-Fe-V-Si復(fù)合材料在界面附近有Al4C3相的生成，Al4C3相呈棒狀，長(zhǎng)度約為40nm，而直徑約為10nm，長(zhǎng)徑比約為4:1，細(xì)小的Al4C3相粒子彌散分布在基體中。另一種SiC-Al界面是厚約5nm的SiO2非晶界面層，SiO2過渡層能起到一個(gè)保護(hù)層的作用，從而防止生成粗大的Al4C3脆性相，提高SiC與Al基體之間的潤(rùn)

8、濕性，清除界面處的污染物。良好的界面潤(rùn)濕性保證了界面結(jié)合強(qiáng)度，有利于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。 研究了SiCp/Al-Fe-V-Si復(fù)合材料在不同溫度下的斷裂機(jī)制，結(jié)果表明，在顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料中，主要的裂紋形核機(jī)制是增強(qiáng)顆粒的開裂、增強(qiáng)顆粒-基體界面的脫粘，裂紋形核方式取決于界面結(jié)合的強(qiáng)度。當(dāng)拉伸溫度較低時(shí)，由于SiC-Al基體界面結(jié)合較強(qiáng)，主要通過SiC增強(qiáng)顆粒的開裂形核，在材料開裂以前，基體變形程度高，材料塑性較好。當(dāng)

9、拉伸溫度達(dá)到400℃時(shí)，SiC-Al基體界面結(jié)合較弱，界面的脫粘成為裂紋形核的主要機(jī)制，材料在產(chǎn)生軟化以前已經(jīng)斷裂。隨著溫度的升高，界面結(jié)合逐漸減弱，被拉斷的SiC顆粒來減少，被拔出的SiC顆粒增多，復(fù)合材料的塑性變差。 研究了熱暴露過程中SiCP/Al-Fe-V-Si復(fù)合材料的第二相粒子、SiC-Al界面和力學(xué)性能的熱穩(wěn)定性，以及熱暴露過程中的位錯(cuò)增殖現(xiàn)象。復(fù)合材料中的彌散粒子在長(zhǎng)期高溫過程中保持類球狀，粗化速率低，即使經(jīng)55

10、0℃熱暴露200h后組織無明顯變化，硬度下降不明顯，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。SiC在熱暴露過程中有效抑制第二相粒子的長(zhǎng)大與分解，因此添加SiC顆粒的復(fù)合材料組織和力學(xué)性能具有更好的熱穩(wěn)定性。復(fù)合材料的熱穩(wěn)定隨著Fe/V比值的提高而提高。經(jīng)640℃熱暴露10h，SiC-Al界面析出了粗大Al4C3相。SiCP/Al-Fe-V-Si經(jīng)550℃長(zhǎng)時(shí)間熱暴露后，出現(xiàn)了位錯(cuò)增殖。 研究了SiCp/Al-Fe-V-Si的耐腐蝕性能。Al-Fe-