喷射沉积SiC/Al-Fe-V-Si复合材料热加工工艺、组织及性能的研究

摘要

Al-Fe-V-Si系耐热铝合金具有良好的室温和高温强度、塑性、断裂韧性以及耐腐蚀性能。该系列合金在Al基体上弥散分布大体积分数的Al12(Fe,V)3Si耐热强化相，强化相细小均匀，具有良好的热稳定性，并且可以充分发挥弥散强化的作用。在该系合金中加入SiC颗粒进行增强，提高材料的杨氏模量、耐磨性，还可以提高材料的室温和高温强度。 本论文综合评述了快速凝固耐热铝合金及其复合材料、快速凝固-粉末冶金技术以及喷射沉积技术的研究进展和现状，针对SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料研究中的问题，开展了以下几个方面的研究工作： 基于多层喷射共沉积制备技术和装置，研究了SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料坯料的制备，研究了喷射沉积工艺参数如液流直径、雾化气体压力、喷射高度等对沉积坯组织和性能的影响，获得了最佳的喷射沉积工艺参数。 通过单向热压对SiCp/Al-Fe-V-Si进行致密化，并对比研究了传统的热挤压致密。对SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料经热挤压和热压后的显微组织进行研究发现：热挤压后的组织中，SiC颗粒呈流线分布，并且在厚度方向上分层，大量的SiC颗粒流动到表面；而在热压后的组织中，虽然在小范围内有SiC颗粒的聚集，但是并未出现SiC颗粒的表层聚集现象。 对比研究了多层喷射共沉积SiCP/Al-Fe-V-Si材料的热挤压后轧制和热压后轧制两种热加工工艺，以及这两种工艺对于复合材料板材的显微组织和力学性能的影响。研究发现通过热压后再轧制比通过热挤压后再轧制，复合材料板材具有更加均匀的显微组织。热压致密能克服热挤压过程中带来的SiC颗粒表层聚集现象，SiC颗粒与基体结合良好，轧制后的板材显微组织的均匀、细小，因而加工得到的板材具有优异的力学性能。并研究了轧制过程中复合材料的密度和硬度的变化规律。 对比研究Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金及添加SiC颗粒的复合材料的组织力学性能，并研究了不同Fe含量的SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料经热压后热轧制备的板材的组织和力学性能。研究发现，SiC颗粒加入能提高喷射沉积过程中基体合金的冷却速率，使基体晶粒更加细小，弥散粒子也更加细小弥散、稳定，产生更好的细晶强化和弥散强化效果，并在后续的热加工过程中，依然保持晶粒、第二相粒子细小弥散，从而提高了材料的力学性能。复合材料中的第二相粒子体积分数随着Fe含量的升高而升高，复合材料的抗拉强度特别是高温下的抗拉强度随着Fc含量的升高而升高，而材料的伸长率随其Fc含量的升高而降低。经过相同的热挤压后再热轧的工艺加工后，加入SiC颗粒进行喷射共沉积得到的SiCP/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料比没有添加SiC颗粒的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金具有更好的力学性能。 研究了SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料的SiC-Al界面，结果表明，在多层喷射共沉积SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料主要存在两种SiC-Al界面，一种是具有晶态界面层的SiC-Al界面，一种是具有非晶态界面层的SiC-Al础界面。晶态SiC-Al界面为一平直的、宽度为3nm左右Si原子界面层，界面十分干净且无缺陷，Si纳米过渡层提高了界面润湿性。SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料在界面附近有Al4C3相的生成，Al4C3相呈棒状，长度约为40nm，而直径约为10nm，长径比约为4:1，细小的Al4C3相粒子弥散分布在基体中。另一种SiC-Al界面是厚约5nm的SiO2非晶界面层，SiO2过渡层能起到一个保护层的作用，从而防止生成粗大的Al4C3脆性相，提高SiC与Al基体之间的润湿性，清除界面处的污染物。良好的界面润湿性保证了界面结合强度，有利于提高复合材料的力学性能。 研究了SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料在不同温度下的断裂机制，结果表明，在颗粒增强的金属基复合材料中，主要的裂纹形核机制是增强颗粒的开裂、增强颗粒-基体界面的脱粘，裂纹形核方式取决于界面结合的强度。当拉伸温度较低时，由于SiC-Al基体界面结合较强，主要通过SiC增强颗粒的开裂形核，在材料开裂以前，基体变形程度高，材料塑性较好。当拉伸温度达到400℃时，SiC-Al基体界面结合较弱，界面的脱粘成为裂纹形核的主要机制，材料在产生软化以前已经断裂。随着温度的升高，界面结合逐渐减弱，被拉断的SiC颗粒来减少，被拔出的SiC颗粒增多，复合材料的塑性变差。 研究了热暴露过程中SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料的第二相粒子、SiC-Al界面和力学性能的热稳定性，以及热暴露过程中的位错增殖现象。复合材料中的弥散粒子在长期高温过程中保持类球状，粗化速率低，即使经550℃热暴露200h后组织无明显变化，硬度下降不明显，具有优异的热稳定性。SiC在热暴露过程中有效抑制第二相粒子的长大与分解，因此添加SiC颗粒的复合材料组织和力学性能具有更好的热稳定性。复合材料的热稳定随着Fe/V比值的提高而提高。经640℃热暴露10h，SiC-Al界面析出了粗大Al4C3相。SiCP/Al-Fe-V-Si经550℃长时间热暴露后，出现了位错增殖。 研究了SiCp/Al-Fe-V-Si的耐腐蚀性能。Al-Fe-V-Si合金及其复合材料都具有良好的抗腐蚀性能，但添加SiC后的复合材料较未添加SiC颗粒的同成份Al-Fe-V-Si合金材料腐蚀速率小，抗腐蚀性能好。而对于不同Fe含量的SiCp/A1-Fe-V-Si复合材料，随着Fe含量的升高，腐蚀速率升高，抗腐蚀能力下降。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2耐热铝合金及其复合材料简介

1.2.1耐热铝合金

1.2.2耐热铝合金复合材料

1.2.3耐热铝合金及其复合材料的应用

1.3耐热铝合金的快速凝固制备技术

1.3.1快速凝固—粉末冶金法

1.3.2平流铸造法

1.4喷射沉积技术

1.4.1喷射沉积工艺技术及发展状况

1.4.2多层喷射共沉积原理

1.4.3喷射沉积技术特点

1.5本论文的研究目的和主要内容

第2章多层喷射共沉积制备SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料锭坯的原理及规律研究

2.1引言

2.2锭坯制备方案与过程

2.2.1合金的成份配制

2.2.2喷射沉积装置

2.2.3喷射沉积工艺参数

2.2.4检测方法

2.3喷射沉积工艺参数对沉积状态的影响

2.3.1雾化工艺参数的影响

2.3.2沉积工艺参数的影响

2.3.3工艺参数对SiC增强颗粒捕获的影响

2.4喷射共沉积SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料的显微组织及致密度

2.4.1显微组织

2.4.2喷射共沉积的致密度

2.5本章小结

第3章喷射沉积SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料板材的制备

3.1引言

3.2实验方案与过程

3.2.1热挤压及热压的设备及工艺过程

3.2.2轧制的设备及工艺过程

3.3.3检测方法

3.3热挤压工艺

3.3.1热挤压工艺参数的选择

3.3.2热挤压致密后的显微组织及材料的致密度

3.4热压工艺

3.4.1热压工艺参数的选择

3.4.2热压后的金相组织和热压致密度

3.5轧制工艺

3.5.1轧制工艺参数的选择

3.5.2轧制过程中的组织、致密度、硬度演变

3.5.3轧制过程中的致密化及硬度演变

3.6本章小结

第4章SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料的微观组织及性能

4.1引言

4.2实验方案与过程

4.2.1显微组织观察

4.2.2力学性能

4.3 SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料的显微组织

4.3.1加工过程中的X射线物相分析

4.3.2弥散粒子

4.3.3 SiC与基体金属界面

4.3.4断裂机制

4.4 SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料的力学性能

4.4.1 SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料的力学性能

4.4.2 SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料在不同温度下的变形行为

4.4.3强化机制

4.5本章小结

第5章SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料的热稳定性及耐腐蚀性能

5.1引言

5.2实验方案与过程

5.2.1热稳定性能测定

5.2.2耐腐蚀性能测定

5.3热暴露过程显微组织和力学性能的稳定性

5.3.1热暴露过程中的相转变

5.3.2热暴露过程中显微组织的演变

5.3.3 SiCp/Al-Fe-V-Si的力学性能变化

5.3.4热稳定性能分析

5.4耐腐蚀性能

5.4.1腐蚀后的显微组织

5.4.2腐蚀过程中的失重状况

5.4.3腐蚀性能分析

5.5小结

第6章结论

参考文献

致谢

附录A 攻读博士期间发表及拟发表的论文