搅拌铸造SiCp/2024复合材料显微组织和力学性能研究

摘要

颗粒增强铝合金基复合材料具有较高的比强度、比模量、高耐磨性以及成本低廉等优点,在航空、汽车、电子等工业领域内得到广泛运用。本文通过采用机械搅拌法制备SiCp/2024复合材料,研究搅拌工艺参数对复合材料颗粒分布的影响,热挤压对其显微组织和力学性能的影响,以及搅拌法制备SiCp/2024复合材料的热处理工艺,主要研究结果如下:
　　 (1)采用搅拌法制备SiCp/2024复合材料时,搅拌速度及搅拌时间对SiC颗粒分布影响显著,采用较高的搅拌速度或者延长搅拌时间,有利于提高颗粒的分散性,但是如果搅拌速度过高或者搅拌时间过长,会导致熔体吸气严重,颗粒容易团聚。比较合理的搅拌复合工艺为:搅拌温度680℃～700℃,搅拌速度300rpm,搅拌时间15min。所制备的复合材料中,SiC颗粒在基体合金中较均匀地分布,大部分颗粒沿晶界分布,少数颗粒分布于晶内,晶界粗大第二相呈非连续状分布。
　　 (2)所制备的SiCp/2024复合材料经热挤压后,SiC颗粒发生破碎,分布均匀性得到改善,复合材料内部的疏松、孔洞等缺陷基本消除,致密度明显提高；挤压时SiC颗粒在剪应力作用下发生偏转,颗粒的长轴方向与挤压方向趋于平行,复合材料沿流动方向呈明显带状组织特征。
　　 (3)SiCp/2024复合材料具有显著的时效硬化效应,时效温度的提高加速了基体合金的时效过程,使其峰时效提前,但材料的硬度降低。经过495℃×45min+177℃×17h固溶及时效后,基体合金中弥散分布呈长棒状大小约为300.400nm的S’(Al2CuMg)析出相,材料力学性能为:σb=4.30MPa,σ0.2=345MPa,6=6.7％。SiCp/2024复合材料断裂方式有SiC颗粒断裂、SiC/Al的界面脱粘、基体的韧性断裂三种,热挤压变形后SiC/Al的界面脱粘断裂比较少,热挤压变形有利于提高SiC颗粒与基体合金的界面结合强度。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 颗粒增强铝基复合材料的研究现状

1.2.1 颗粒增强铝基复合材料的研究现状

1.2.2 颗粒增强铝基复合材料的应用

1.3 颗粒增强铝基复合材料的制备

1.3.1 颗粒增强铝基复合材料的主要制备工艺

1.3.2 搅拌法制备颗粒增强铝基复合材料分类

1.4 搅拌铸造法制备复合材料原理

1.4.1 搅拌法制备复合材料的热力学机制

1.4.2 搅拌法制备复合材料的动力学机制

1.5 搅拌铸造法制备颗粒增强铝基复合材料的技术问题

1.5.1 增强颗粒与熔融基体的润湿性

1.5.2 增强颗粒与铝合金基体的界面反应

1.5.3 增强颗粒分布均匀性

1.6 基体及颗粒增强物的选择

1.6.1 2024铝合金的性能特点

1.6.2 颗粒增强物的选择

1.7 颗粒增强铝基复合材料特点

1.7.1 颗粒增强铝基复合材料的强化机制

1.7.2 颗粒增强铝基复合材料的塑性特点

1.8 本论文的选题背景与研究内容

第二章 实验方案

2.1 实验材料的选择

2.1.1 基体材料

2.1.2 增强体材料

2.2 搅拌设备装置

2.3 SiCp/2024复合材料制各工艺流程

2.4 SiCp/2024复合材料的成型及热处理

2.4.1 SiCp/2024复合材料浇注

2.4.2 SiCp/2024复合材料铸锭均匀化

2.4.3 SiCp/2024复合材料的挤压

2.4.4 SiCp/2024复合材料的热处理

2.5 SiCp/2024复合材料性能测试

2.5.1 硬度测试

2.5.2 拉伸性能测试

2.5.3 拉伸试样断口分析

2.5.4 致密度检测

2.6 复合材料的微观分析方法

2.6.1 XRD物相分析

2.6.2 光学金相分析

2.6.3 SEM显微分析

2.6.4 TEM显微分析

第三章 SiCp/2024复合材料制备工艺

3.1 搅拌复合准备过程

3.1.1 2024合金的熔炼

3.1.2 粉末预处理

3.1.3 气体保护准备

3.2 搅拌工艺

3.2.1 搅拌器及搅拌位置的确定

3.2.2 桨叶直径与槽直径比

3.2.3 SiC颗粒加入方式

3.2.4 搅拌工艺参数的选定

3.3 搅拌工艺参数对复合材料显微组织的影响

3.3.1 搅拌温度对SiCp/2024复合材料组织的影响

3.3.2 搅拌速度对SiCp/2024复合材料组织的影响

3.3.3 搅拌时间对SiCp/2024复合材料组织的影响

3.3.4 颗粒进入熔体的状态

3.4 减少搅拌法制备SiCp/2024复合材料气孔率的措施

3.5 热挤压工艺参数对复合材料质量的影响

3.6 本章小结

第四章 SiCp/2024复合材料显微组织

4.1 SiCp/2024复合材料铸态显微组织

4.1.1 基体合金铸态显微组织

4.1.2 SiCp/2024复合材料的铸态显微组织

4.1.3 铸态SiCp/2024复合材料XRD物相分析

4.1.4 铸态SiCp/2024复合材料能谱分析

4.2 SiCp/2024复合材料的挤压态显微组织

4.2.1 塑性加工过程SiC形貌的变化

4.2.2 塑性加工过程中SiCp/2024复合材料致密度的变化

4.3 本章小结

第五章 SiCp/2024复合材料热处理组织及力学性能

5.1 SiCp/2024复合材料的固溶热处理

5.1.1 固溶温度的确定

5.1.2 固溶时间的确定

5.2 SiCp/2024复合材料的时效处理

5.3 SiCp/2024复合材料热处理硬度变化分析

5.4 SiCp/2024复合材料热处理组织

5.5 SiCp/2024复合材料室温拉伸性能及断口分析

5.5.1 SiCp/2024复合材料室温拉伸性能

5.5.2 SiCp/2024复合材料断裂机制

5.6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文