放电等离子烧结制备SiCp/6061铝基复合材料及其热变形行为的研究

摘要

铝基复合材料因其低密度、高强度、高弹性模量、高耐磨性能、高热导率和低热膨胀系数等特点得到了人们的关注，特别是颗粒增强铝基复合材料不仅拥有其他铝基复合材料的特性而且更加的经济廉价，从而在航空、航天、汽车、电子等领域得到广泛的应用。但是由于塑性较差，使得颗粒增强铝基复合材料的塑形加工仍存在一定难度，因此本文采用高能球磨结合放电等离子烧结的方法制备了含不同种类、不同体积分数增强相颗粒的复合材料，并对其制备工艺、流变行为和力学性能进行了深入研究，主要内容如下：
　　研究了球磨时间对SiCp/6061复合粉末微观形貌及结构的影响，发现在球磨10h之内，复合粉末内没有新的物相生成，随着球磨时间的延长，SiC颗粒分布的均匀化程度提高，6061铝合金的晶粒尺寸减小，但复合粉末的含氧量逐渐上升，综合这些因素，确定了复合粉末的最佳球磨时间为3h。
　　根据放电等离子烧结过程中6061粉末的收缩曲线分析了6061粉末的致密化过程，通过对不同烧结温度6061烧结体的密度、微观形貌以及拉伸性能的研究，确定了6061粉末的最佳放电等离子烧结工艺条件，以此为基础制备了SiCp/6061复合材料，并对其微观形貌和拉伸性能进行了分析。结果表明，SiCp体积分数和分布状态对SiCp/6061复合材料的拉伸强度及塑性有显著影响，当SiCp体积分数为15％时复合材料的拉伸强度最高，为236MPa，SiCp体积分数进一步增加至20%时复合材料的拉伸强度下降至219MPa。
　　采用Gleeble热模拟试验机对SiCp/6061复合材料进行了恒应变速率等温压缩试验，探讨了复合材料热变形过程中流变应力与变形温度、应变速率的关系；采用Zener-Hollomon参数模型，确定了复合材料的变形激活能，推导了本构方程；并根据材料动态模型及Prasad失稳判据建立了10vol%SiCp/6061复合材料的热加工图，分析了热变形过程中复合材料的微观组织的演变和动态软化机制。实验结果表明，SiCp/6061复合材料在热变形过程中的应力-应变曲线具有明显的动态软化特征，并且流变应力随变形温度的升高而降低，随应变速率及SiCp体积分数的升高而提高；10vol.%SiCp/6061复合材料在本文变形条件下有两个安全加工区域，分别为：300-425℃、0.1-0.001s-1和450-500℃、1-0.1s-1。在这两个安全加工区域内的软化机制分别为动态回复和动态再结晶，其最佳的热加工条件为：变形温度500℃、应变速率1s-1。
　　研究了轧制温度、轧制速率、压下量、球磨时间以及SiCp体积分数对SiCp/6061复合材料轧制成形性能的影响，确定最佳轧制工艺为轧制温度500℃，轧制速度0.2m/s、单道次压下量0.6-0.15mm。在此工艺下制备了厚度为1mm左右的SiCp/6061复合材料薄板，并分析了其微观形貌和拉伸性能。实验结果表明，轧制成形可以起到细化晶粒和提高增强相颗粒均匀化程度的作用，轧制后复合材料的拉伸塑性得到不同程度的改善，拉伸强度大幅度提高，其中，20vol.%SiCp/6061复合材料的拉伸强度和延伸率分别由轧制前的219MPa和0.91%提高到轧制后的414MPa和1.97%。10vol.%SiCp/6061复合材料轧制薄板的拉伸强度及塑性明显优于相同条件下制备的10vol.%TiCp/6061及10vol.%ZrCp/6061复合材料薄板。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 铝基复合材料的分类

1.3 铝基复合材料的性能

1.4 铝基复合材料在航空航天领域中的应用

1.5 铝基复合材料的制备技术

1.6 放电等离子烧结技术

1.7 铝基复合材料的高温塑性变形

1.8 本课题的主要研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验材料及实验过程

2.2 实验方法

2.3 表征及测试方法

第3章 SiCp/6061复合材料的制备及力学性能

3.1 球磨时间对复合粉末形貌及结构的影响

3.2 放电等离子烧结温度对6061烧结体微观形貌及性能的影响

3.3 放电等离子烧结铝基复合材料的微观形貌及力学性能

3.4本章小结

第4章 SiCp/6061复合材料的热变形行为

4.1 SiCp/6061复合材料的高温流变行为

4.2 SiCp/6061复合材料流变应力本构方程的建立和分析

4.3 SiCp/6061复合材料的热加工图及组织演变

4.4 本章小结

第5章 SiCp/6061复合材料热轧的组织及力学性能

5.1 SiCp/6061复合材料热轧成形

5.2 SiCp/6061复合材料热轧微观组织及力学性能

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢