球磨工艺对ZrMgMo3O12负热膨胀陶瓷增强2024Al复合材料微观组织和性能的影响

摘要

2024Al 密度小、比强度高、导电导热性能好以及良好的加工性能使其在航空航天等领域得到广泛应用，但2024Al具有较大的热膨胀系数，在精密仪器仪表方面的应用受到限制。针对该问题，本研究首先采用固体粉末烧结+机械球磨方法制备出了颗粒平均直径约为1μm，密度为3.75 g/cm3的纯净的ZrMgMo3O12负热膨胀陶瓷粉体，然后以2024Al粉末为基体，添加10 vol. %的负热膨胀陶瓷ZrMgMo3O12粉末，采用真空热压法烧结制备了10 vol. %ZrMgMo3O12/2024Al复合材料，并研究了球磨工艺对混合粉末的均匀性和复合材料微观组织、力学性能以及热膨胀性能的影响。取得如下研究成果： (1)真空热压法制备的10 vol. %ZrMgMo3O12/2024Al复合材料的微观组织主要是?-Al基体、Al2Cu相、Al2CuMg和ZrMgMo3O12增强体组成。球磨工艺影响ZrMgMo3O12粉末在2024Al粉末中的混合均匀性，进而影响热压烧结制备的复合材料的微观组织。低速长时或高速短时有利于粉末的均匀混合，ZrMgMo3O12在复合材料基体中分布均匀，团聚减少，过高的球磨速度和过长的球磨时间并不能进一步改善或粉末混合的均匀性，反而会引起 2024Al 颗粒的冷焊，造成ZrMgMo3O12在复合材料中的2024Al基体分布均匀性并未进一步改善。 (2) 10 vol.%ZrMgMo3O12添加到2024Al基体中并不能改善2024Al力学性能，烧结态的10 vol. %ZrMgMo3O12/2024Al复合材料的硬度多数低于2024Al的硬度，主要归因于增强体ZrMgMo3O12与2024Al之间较大的热胀系数差异以及ZrMgMo3O12 颗粒的团聚。但低速长时间球磨或高速短时间球磨可以改善ZrMgMo3O12颗粒在2024A基体中分布进而有利于复合材料硬度的改善，高速长时间球磨对复合材料的力学性能不利，最佳的球磨参数是200rpm球磨6 h。 (3)适当的固溶时效处理可以进一步改善10 vol.%ZrMgMo3O12/2024Al复合材料的硬度。其最佳的热处理工艺是在490℃固溶2 h，水冷后在195℃时效10h(T6工艺)。但是，即使经过最佳热处理工艺处理，10 vol.%ZrMgMo3O12/2024Al复合材料的硬度仍然低于相应热处理工艺处理后的2024Al。 (4) 类似于其硬度的影响，低速长时间球磨或高速短时间球磨有利于改善10 vol. %ZrMgMo3O12/2024Al复合材料T6工艺处理后的压缩强度、压缩断裂应变和综合力学性能的改善，高速长时间球磨并不能改善复合材料的压缩性能。在200 rpm球磨速度，6 h球磨时间的最佳球磨参数下，复合材料的压缩强度超过930 MPa，断裂应变超过50%仍未断裂，具有最佳的综合力学性能。 (5)尽管10 vol.%ZrMgMo3O12添加到2024Al基体中不能改善2024Al的力学性能，但所制备的复合材料的热膨胀性能得到明显改善。经过200 rpm，6 h球磨后烧结制备的复合材料具有较低的相对尺寸变化及热膨胀系数。10 vol. %ZrMgMo3O12/2024Al复合材料的热膨胀系数仅为19.5×10-6 K-1，较2024Al的热膨胀系数下降了18.03%。因此，200 rpm球磨速度和6 h球磨时间的球磨工艺可以实现10vol.% ZrMgMo3O12/2024Al复合材料的力学性能和尺寸热稳定性的协同改善。

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