粉末混合触变成形制备SiCp/Al基复合材料中半固态组织的研究

摘要

本文综合粉末冶金和触变成形技术的优点，提出了一种集制备、成形SiCp/Al基复合材料于一体的新技术——粉末混合触变成形技术。合金粉末AlSi7Mg是由纯Al粉末和过共晶AlSi15Mg混合而成的，而且都是通过物化法制取的。本文首先对基体铝合金AlSi7Mg混合粉末进行半固态成形性评估，结果表明铝合金AlSi7Mg混合粉末满足半固态成形条件:半固态成形工艺可控性;半固态微观组织。因此，AlSi7Mg合金粉末是半固态触变成形制备非枝晶锭料的一种可行方法。
　　 研究了AlSi7Mg合金粉末冷压块在590℃半固态部分重熔的过程中的组织演变，在加热初始阶段（7.5min之前），过共晶AlSi15Mg中的Si元素扩散到相邻的纯Al粉末中，结果导致纯Al粉末合金化。与此同时，过共晶AlSi15Mg中的Si相粗化并迁移到粉末的边界。最终，纯Al粉末和过共晶AlSi15Mg合金粉末转变成了固溶体α-Al初生相颗粒并且Si颗粒分布在其周围使彼此分离;随着加热时间的延长（7.5min后），Si相与其周围的Al相开始熔化，α-Al彼此之间被液相侵渗相互分离，随着液相的增加，初生α-Al颗粒越来越圆整。最终(20～30min)细小、圆整的半固态固相颗粒均匀地悬浮在液相中。在形成固溶体α-Al之后，初生相α-Al的粗化主要包括两种机制:合并和Ostwald熟化。从7.5min到15min，α-Al晶粒合并占主导。15min之后，α-Al晶粒合并趋势减弱Ostwald熟化占据主导。
　　 研究了不同球磨工艺参数（球磨转速、球磨时间、球料比）对AlSi7Mg合金粉末球磨后的粒度、微观形貌的影响。结果表明，不同工艺球磨的AlSi7Mg合金粉末半固态组织存在明显差异。通过正交实验优化并得到了最佳球磨工艺参数:球磨转数100rad/min、球磨时间30min、球料比5∶1。以此球磨工艺参数球磨的合金粉末，经冷压成形之后，在部分重熔的过程中可以得到细小、圆整且在液相中分布均匀的α-Al晶粒的半固态组织，随着加热时间的延长，α-Al晶粒有粗化行为且尺寸不断增加。
　　 以球磨转速100rad/min、球磨时间30min、球料比5∶1对SiCp/Al基复合材料进行球磨，可以使得SiCp均匀的分布在AlSi7Mg合金基体中。结果表明复合材料中随着SiCp体积分数的增加，α-Al晶粒尺寸逐渐减小且球化程度也逐渐在减弱。这些都归因于富集在α-Al晶粒周围的SiCp对晶粒的合并及Ostwald熟化的阻碍作用。
　　 通过分析热压块浆料半固态组织、触变成形铸件组织以及充形过程中发生的一些现象，推演出了AlSi7Mg合金粉末热压块半固态触变成形充形行为。在半固态浆料、触变铸件中均发现成分不均匀现象，比如液相的偏聚、固相颗粒分布的不均匀。结果表明:AlSi7Mg合金粉末热压块半固态触变成形充形过程可以用这种方法来分析推演。触变铸件中组织不均匀的主要原因是热压块半固态浆料的组织不均匀，充形过程在一定程度上也影响着组织分布的均匀性。然而，上述所提到的铸件中的液相偏聚主要是由充形过程来决定。浆料在型腔中的充形顺序是:从下到上;从边部到心部。
　　 研究了混粉、压实和部分重熔三工艺间的关系，特别是获得SiCp分布均匀、无气孔（空隙）的理想的触变成形用半固态锭料所需的三工艺多参数间的耦合关系和耦合依据，为该技术的应用奠定扎实的理论基础。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 颗粒增强铝基复合材料概述

1．3 颗粒增强铝基复合材料机械性能

1．3．1 弹性模量(Elastic modulus)

1．3．2 力学性能(Strength)

1．3．3 延伸率(Elongation)

1．3．4 断裂韧性(Fracture toughness)

1．3．5 疲劳性(Fatigue)

1．4 颗粒增强铝基复合材料制备方法

1．4．1 粉末冶金法(Powder metallurgy)

1．4．2 液态法(Molten metal methods)

1．4．3 混合法(Mixing methods)

1．4．4 压力渗透(Pressure infiltration)

1．4．5 无压侵渗法(Pressureless infiltration)

1．4．6 喷射沉积法(Spray deposition)

1．5 粉末混合触变成形技术

1．5．1 半固态成形技术

1．5．2 粉末冶金技术

1．5．3 粉末触变成形新型技术的提出

1．5．4 粉末混合触变成形技术的特点

1．6 粉末混合触变成形技术国内外研究现状

1．7 本文研究的意义及内容

1．8 技术路线

第2章 AlSi7Mg铝合金粉末半固态成形性的评估

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 试样制备

2．2．2 试样检测

2．3 实验结果与分析

2．3．1 半固态成形工艺的可控性

2．3．2 半固态微观组织

2．4 本章小结

第3章 AlSi7Mg铝合金粉末在部分重熔过程中的组织演变

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 试样制备

3．2．2 试样检测

3．3 单个粉末的组织演变

3．3．1 单个纯Al粉末的组织演变

3．3．2 单个Al-Si粉末的组织演变

3．4 加热时间对AlSi7Mg铝合金粉末压块半固态组织的影响

3．5 混合粉末(AlSi7Mg)在部分重熔过程中的合金化过程

3．6 关于Al-Si合金粉末中Sip迁移的探讨

3．6．1 关于半固态领域液相小熔池形成的第四种机理的探讨

3．6．2 AlSi7Mg合金粉末压块在部分重熔过程中组织演变模型的探讨

3．7 加热温度对AlSi7Mg铝合金粉末压块半固态组织的影响

3．8 AlSi7Mg合金粉束压块在部分重熔过程中气孔的变化

3．8．1 加热温度对气孔的影响

3．8．2 加热时间对气孔率与气孔数量的影响

3．8．3 加热时间对气孔尺寸的影响

3．8．4 加热过程中气孔的球状化

3．9 本章小结

第4章 球磨对AlSi7Mg铝合金粉末压块半固态组织的影响

4．1 引言

4．2 实验方法

4．3 球磨对合金粉末粒度及微观形貌的影响

4．4 AlSi7Mg合金粉末压块的半固态组织及分析

4．5 AlSi7Mg合金粉末球磨后压块在部分重熔过程中组织演变

4．6 AlSi7Mg粉末球磨前后压块在部分重熔过程中组织对比

4．7 球磨工艺对半固态系统状态影响的探讨

4．8 本章小结

第5章 SiCp/Al基复合材料粉末压块在部分重熔中的组织演变

5．1 引言

5．2 实验方法

5．3 SiCp氧化对润湿性及界面反应产物的影响

5．4 5vol.％SiCp/Al基复合材料部分重熔过程中的组织演变

5．5 SiCp含量对复合材料部分重熔过程中的组织演变的影响

5．5．1 不同含量SiCp/Al基复合材料半固态SEM组织

5．5．2 关于复合材料中Sip迁移问题的探讨

5．5．3 不同含量SiCp/Al基复合材料半固态OM组织

5．6 本章小结

第6章 AlSi7Mg合金粉末热压块的触变充形行为

6．1 引言

6．2 实验方法

6．3 触变成形前半固态浆料微观组织

6．4 触变成形铸件的半固态组织及充形现象

6．4．1 触变铸件半固态组织

6．4．2 触变充形过程中现象

6．5 触变成形铸件的气孔变化

6．6 半固态浆料触变成形充形过程

6．7 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录