[非晶层对Al-B4C层状复合材料组织和性能的影响]

摘要

铝金属基复合材料（Al-MMC也称为AMC）是由至少一种金属和增强材料组成，如纤维、颗粒、化合物、氧化物和碳化物等，从而达到要求和预期性能的材料，这是单一复合材料所不能满足的。通过设计优化结构，AMC可以拥有更好的性能。例如，将铝合金和碳化硼（B4C）颗粒混合在一起可以制备出质量轻和硬度高兼备的复合材料。碳化硼（B4C）具有高熔点，优异的硬度，良好的机械性能等优点，低比重和对化学品的高耐受性。同时，铝合金具有低密度，低成本和良好的性能等优点。 复合材料，也称为组合材料或缩短为复合材料，是由两种或更多种具有显着不同的物理和化学性质的组成材料制成的材料。不同材料复合会产生具有与每种单独材料不同的特性的新材料。在宏观结构中，各个组成部分保持独立和不同。在一种复合材料中占比最多的材料称为基质，而另一种或其他成分称为增强材料。新的复合材料是优选材料，因为它更坚固，更轻，更便宜，这些优势在金属机械工业中非常明显。三层（软-硬-软）复合材料提出充分利用外层中的纯Al的高延展性以及作为内层B4C的高硬度。这种复合材料结合了B4C增强颗粒的高硬度和良好化学稳定性以及外层的纯Al合金优异的焊接性能和韧性。 同时该复合材料由于具有大且硬的增强物颗粒，因此可以应用于屏蔽和保护性材料，同时还可以作为耐磨材料和中子吸收材料。然而，添加大颗粒的B4C也会引入一些缺陷，如复合材料的脆性提升，和增强基体-界面上的高的性能梯度。此外，AMC中陶瓷增强材料的占比小于20％（重量），当超过该值时，AMC脆性显着增加，但降低增强材料含量会降低硬度，不再满足高硬度要求。 一般来说，生产AMC有很多种方法；其中之一是通过将元素或预合金粉末混合在一起的粉末冶金（PM）。然而，粉末冶金在工业生产上是不经济的，并且冶金产品形状和特性受到制约，这限制了其广泛的应用。铸造方法可以实现高效且低成本生产，然而仍需要解决一些问题，如颗粒偏聚和B4C与Al之间的界面润湿。对于大尺寸的增强材料，表面有许多缺陷，当制造复合材料时，界面相互作用减少了很多，并且由于先前的裂缝或锐利颗粒而增加了许多增强缺陷，由于高粗糙度和由应力下的裂缝增强分离造成的空隙。 在目前的工作中，以下方式是一种适用于那些大尺寸和大质量的复合材料解决方案。添加金属以促进从颗粒通过基质扩散。氧化去除表面主要缺陷，表面酸侵蚀（SAA）以去除氧化物层，显示出规则和无规则界面。最后，在大尺寸B4C（F60）的表面上形成微非晶转变（MAT）层，以抵消大尺寸和高质量百分比的缺点，例如：硬质增强材料和延性基质之间的高梯度性能导致界面线和不良的表面粘附。在正常条件下增强表面缺陷和低Al-B4C界面反应性。优化内层上的这些参数，最终的复合宏观特性如硬度和韧性也被优化，允许使用高质量分数。复合材料内层加固尺寸。 结果表明，外层纯Al硬度为16.5HBS1.5/125/30，复合内层（Al-B4C）的宏观硬度为43HBS1.5/125/30。然而，由于内层中Al和B4C之间的显着差异，在它们的界面附近总是存在缺陷并且存在很大的硬度梯度。通过对增强材料表面的表面合金化，氧化和酸侵蚀，建立了微观无定形过渡（MAT）层，界定了增强材料的颗粒。该层可能由非晶Al-Ni-B-C-O相中的Ni-Al，B-N金属间化合物颗粒构成。传统的抛光工艺制作不出复合要求的平面，导致在EPMA的分析条件下无法对良好的结果进行高可靠性测量，导致过渡层的正确化学计量和它们的微观结构是非常难以准确得出的。显微硬度结果表明，MAT层在增强颗粒边界上硬度值为～900HV（1Kgf/30s）并呈指数衰减，直到过渡层对Al基体（～32HV）没有影响，注意到可能产生金属间化合物Ni3Al，可以通过应变硬化机制显着增加，硬度甚至高达700HV。这个界定增强颗粒的MAT层降低了性能梯度并提高了可组合性，从而产生更好的抗冲击性。