喷射沉积铝基连续梯度复合材料的制备、致密化及性能研究

摘要

颗粒增强铝基梯度复合材料具有密度低、比强度及比刚度高、耐磨性能优异和材料内部热应力过渡平稳等一系列优点,非常适合于制造高速制动部件和耐磨部件,在生物材料、机械工程材料、耐磨耐蚀的表面涂层以及航空航天材料等领域有广泛的应用前景。国内外对梯度复合材料的成分设计和制备技术等方面已有大量研究,但精确控制增强颗粒浓度梯度分布以及大尺寸、高性能连续梯度复合材料的制备技术仍然没有突破性进展。
　　本论文通过对自动控制陶瓷颗粒输送装置的探索,发明了连续梯度复合材料的喷射沉积装置,通过对喷射沉积工艺参数的优化,制备出了SiC颗粒沿沉积坯高度方向呈连续梯度分布的圆柱锭坯、大尺寸圆盘件和环件。通过对热模压致密化工艺研究,得到了最佳热模压工艺参数;同时考察了温度、应变速率对SiCp/Al-20Si-3Cu梯度复合材料的流变应力影响,通过多阶梯形阳模结合平模致密化技术大幅度降低了压制压力,在此基础上自行研制出了超塑性致密化技术;采用此项技术对不同尺寸的圆柱锭坯和大尺寸圆盘件进行了致密化研究,检测并分析了材料的力学性能、断裂机制和强韧化机制;探讨了超塑性致密化过程中组织演变规律,分析了超塑性致密化机理,建立了Al2O3颗粒增强铝基体条带组织形成模型和超塑性致密化的孔洞演变模型。另外,研究了SiCp/Al-20Si-3Cu连续梯度复合材料的摩擦磨损性能,并对其在制动部件中的应用进行了考察。
　　论文得到的主要结论如下:
　　(1)自行研制出了自动控制的陶瓷颗粒输送装置,解决了喷射沉积过程中对SiC颗粒呈梯度分布的控制问题;通过对液流直径、雾化气体压力和喷射高度等工艺参数探索,得到了喷射沉积制备连续梯度复合材料最佳工艺参数。在最佳工艺下制备了SiC颗粒质量分数沿沉积坯高度方向呈0?30％的连续梯度分布的圆柱锭坯和呈0?15%的大尺寸Φ600mm?150mm圆盘件和外径达1200mm环件。对沉积坯微观组织分析表明:基体组织细小,晶粒尺寸在5μm以下;初晶Si细小、尺寸仅1～3μm;析出相为?-Al2Cu和AlCuMg,细小、弥散分布在晶界或晶内。孔隙率随SiC质量分数的增加其体积分数逐渐增加;沉积坯的显微硬度随SiC含量增加而增加。
　　(2)研究了SiCp/Al-20Si-3Cu连续梯度复合材料的热模压致密化工艺,通过对热模压的温度、压制压力和保压时间等工艺参数探索,得到热模压最佳工艺参数。为了降低压制压力和扩大材料在致密化过程中横向剪切流动,自行设计了多阶梯形阳模结合平阳模热压致密化工艺,此工艺致密化结果表明:在没有改变梯度复合材料组织特点前提下,该工艺可以大幅度降低压制压力,并取得了良好的致密化效果。探讨了温度和应变速率对喷射沉积SiCp/Al-20Si-3Cu连续梯度复合材料流变应力影响,分析了该材料高温高应变速率下的超塑性,并自行研制出了超塑性致密化技术。
　　(3)采用超塑性致密化技术对小尺寸锭坯进行了致密化研究,通过对压制压力、应变速率等工艺参数摸索,得到了最佳超塑性致密化技术工艺参数和较好的致密化效果,在此最佳工艺条件下对大尺寸锭坯进行致密化研究,结果表明:315吨的夜压机可实现对Φ300×140mm圆柱锭坯的致密化,630吨的液压机可实现Φ600×150mm厚盘件的致密化,材料的致密度均在99%以上,实现了小吨位设备对大尺寸坯料的全致密化,压制压力最大可降到同等条件下普通热模压的1/8。
　　(4)对超塑性致密化后的SiCp/Al-20Si-3Cu梯度复合材料的性能研究表明:材料的整体性能在300MPa以上,较沉积坯的强度提高了2?3倍,随梯度层中SiC含量的增加,材料的抗拉强度和屈服强度呈先增后减变化规律、伸长率呈下降的变化趋势。SiC含量为15.2%梯度层的抗拉强度达到最大值388MPa,经热处理后的抗拉强度可达430MPa。性能大幅提高是细晶强化、SiC颗粒增强相强化、沉淀相强化和良好的致密化效果综合作用结果。
　　(5)对超塑性致密化后SiCp/Al-20Si-3Cu梯度复合材料的微观组织分析结果表明:超塑性致密化没有改变SiC的梯度分布特征,梯度层内SiC分布更加均匀;保持了合金基体原有晶粒细小的组织特点,?-Al基体、Si颗粒及SiC颗粒三者间界面结合达到了冶金结合;?-Al2Cu和AlCuMg析出相细小、弥散分布并和位错交互作用明显;喷射沉积制备和致密化加工过程中在沉积颗粒边界上形成的Al2O3薄膜经超塑性致密化后,形成了以Al2O3薄膜碎片和MgAl2O4颗粒为增强相的宽度为50?100nm的铝基体条带组织;通过界面反应,此条带状组织把沉积颗粒紧紧地连接在一起,提高了材料的强度和塑性,并建立了Al2O3增强铝基体条带组织形成模型;对超塑性致密化机理进行了分析,建立了超塑性致密化的孔洞演变模型。
　　(6)研究了SiCp/Al-20Si-3Cu连续梯度复合材料的摩擦磨损行为,结果表明:摩擦系数随载荷和转速的增加而减小,随SiC含量增加,摩擦系数增加,摩擦系数在0.35~0.42之间变化,对比HT250,摩擦系数变化幅度小;磨损率随载荷或转速增加呈先增后减再增变化趋势,同等条件下其磨损率为HT250的1/10。在摩擦磨损过程中,材料的机械混合层厚度随SiC含量的增加而减小,当SiC颗粒含量由2.86%～15.21%变化时,机械混合层的厚度由25μm~5μm变化。随载荷或滑动速度增加,材料的磨损机制转变顺序为:磨粒磨损→氧化磨损→剥层磨损。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2金属基复合材料的喷射沉积技术

1.3 铝基梯度复合材料

1.4 铝基复合材料的超塑性

1.5 铝基复合材料的致密化技术

1.6 梯度复合材料的摩擦磨损性能及研究现状

1.7 本论文的研究背景、目的和主要内容

第2章 实验方案

2.1 梯度复合材料基体合金的选择

2.2 工艺流程

2.3 实验方案

2.4 组织性能表征方法

2.5 热处理实验方法

2.6 梯度复合材料摩擦性能的测试方法

第3章 铝基连续梯度复合材料的喷射沉积制备技术及装置研究

3.1 铝基连续梯度复合材料设计

3.2 梯度复合材料喷射沉积装置的设计

3.3 喷射沉积工艺参数对沉积状态的影响

3.4 铝基连续梯度复合材料的喷射沉积制备工艺研究

3.5 本章小结

第4章 铝基连续梯度复合材料的热压及超塑性致密化技术研究

4.1 引言

4.2 普通热模压致密化SiCp/Al-20Si-3Cu梯度复合材料的工艺研究

4.3 多阶梯阳模结合平模热压致密化的工艺研究

4.4 SiCp/Al-20Si-3Cu 连续梯度复合材料的超塑性致密化技术研究

4.5 大尺寸梯度复合材料坯件的超塑性致密化工艺研究

4.6 SiCP/Al-20Si-3Cu连续梯度复合材料的热处理工艺

4.7 梯度复合材料整体超塑性致密化机理分析

4.8 本章小结

第5章 铝基连续梯度复合材料摩擦磨损性能及其应用研究

5.1 硅含量对SiCp/Al-Si梯度复合材料摩擦磨损性能的影响

5.2 喷射沉积SiCp/Al-20Si-3Cu连续梯度复合材料摩擦磨损性能研究

5.3 温度对SiCp/Al-20Si-3Cu梯度复合材料磨损性能的影响

5.4 SiCp/Al-20Si-3Cu 连续梯度复合材料的MM1000模拟制动实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

本论文的创新点

致谢

附录A 攻读博士学位期间已发表或待发表的论文

附录B攻读博士学位期间已获得或正在实审的发明专利

附录C 攻读博士学位期间主持或参与的项目