粒径及热处理对B4C-Al复层材料性能的影响

摘要

作为一种新型的复合材料，层状复合材料将两种具有不同性能的材料以层状的方式复合在一起，从而获得比单一材料更加优越的物理、化学和力学性能。对于碳化硼增强铝基层状复合材料，其可兼具碳化硼和铝的优良特性，在航空航天领域和军事工业领域有着极其广泛的应用。本文提出一种半连续铸造法的静态模拟实验制备中间层为纯铝-碳化硼/7075铝合金-碳化硼的混合粉体，外层为工业纯铝的层状复合材料，此方法大大缩短了复层板坯的制备流程，简化了实验工艺，提高了生产效率。 由于中间层B4C颗粒粒径对复层材料的性能起着至关重要的影响，为此，本实验通过上述制备工艺制备外层为纯铝，中间层为纯铝和40wt.%B4C颗粒组合的混合粉体。本实验选用粒径为70μm的铝粉最为中间层基体，70μm，36.5μm，23μm和6.5μm的碳化硼颗粒作为增强相。实验发现，当B4C粒径在23μm-70μm时，随增强相粒径的增加，复层材料的冲击韧性和抗拉强度上升，而硬度下降，并且增强相颗粒更加均匀的分布在基体内。当B4C粒径为6.5μm时，颗粒易在基体内大量团聚，严重降低复层材料的力学性能。为避免B4C颗粒的团聚，本实验参照Horsfield粉体填充原理设计中间层增强相和基体颗粒的粒径及其相对应的质量分数，实现最密堆积。结果表明，通过Horsfield粉体填充原理设计中间层粉体最密堆积模型可以极大程度减少小尺寸B4C颗粒团聚的趋势。当增强相颗粒填充至“二次球”时，复层材料可以获得最优的综合性能（冲击韧性，硬度，强度）。 对于增强相为两种粒径的B4C颗粒时，对复层材料的力学性能随其中一种B4C颗粒粒径的变化而发生的变化进行了分析。实验结果发现，随较小粒径B4C颗粒尺寸的减小以及质量分数的增加可以提高复层材料的硬度，然而冲击韧性和抗拉强度下降。 通过前述制备工艺制备出中间层为7075铝合金-10wt.%B4C，外层为纯铝的复层材料（简称BR7AALC），以及中间层为7075铝合金，外层为纯铝的复层材料（简称A7AALC），探究热处理工艺对复层材料性能的影响。实验结果表明，延长固溶时间（0-1.5h），复层材料的强度，硬度和冲击韧性均得到提升，在随后的时效过程中，升高时效温度可以提升复层材料的强度，硬度以及冲击韧性。延长时效时间可以在一定范围内提高复层材料的冲击韧性（0-3h），然而随时效时间的进一步增加（3-12h）复层材料的冲击韧性降低。此外延长时效时间可以显著提升复层材料的硬度值和抗拉强度。研究发现，随热处理条件的变化（固溶时间，时效温度、时间），BR7AALC和A7AALC样品之间的屈服强度差会发生明显的变化。分析发现，提高时效温度以及延长热处理时间可以提升B4C增强相颗粒传递载荷的能力，并且由于实验中B4C颗粒具有较大的宽高比，增强相颗粒载荷传递能力增幅较大。

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课题来源及意义

1.2 层状复合材料的研究现状

1.2.1 金属/金属层状复合材料的制备方法

1.2.2 金属/陶瓷层状复合材料的制备方法

1.3碳化硼铝基复合材料的研究现状

1.3.1 碳化硼的性质

1.3.2 铝的性质

1.3.3 碳化硼增强铝基复合材料的性质

1.3.4 碳化硼增强铝基复合材料的制备方法

1.4 7075铝合金热处理工艺及研究现状

1.4.1 7075铝合金热处理工艺

1.4.2 7075铝合金热处理研究现状

1.5 本课题研究目的及内容

2实验设备、材料及方法

2.1 实验材料

2.2 实验装置

2.2.1 球磨装置

2.2.2 熔炼装置

2.2.4 力学性能测试

2.3 半连续铸造法的静态模拟实验制备复合板材的研究

2.3.1 静态模拟实验制备碳化硼铝基层状复合铸锭

2.3.2 碳化硼铝基层状复合板坯的轧制

3 增强相颗粒尺寸对碳化硼铝基层状复合材料组织、性能的影响

3.1 颗粒尺寸的选择

3.2 样品的微观形貌

Fig.3.4 The dispersion of B4C particles in the inn

Fig.3.6 Line scanning of B4C-Al interface in sampl

3.3 硬度测试

3.4 冲击性能测试

3.5 拉伸性能测试

3.6 本章小结

4 热处理工艺对Al-B4C/7075 Al-Al复层材料的影响

4.1 引言

4.2 微观形貌

4.3 硬度测试

4.5 拉伸性能测试

表4.2 不同时效处理条件下样品的拉伸性能

4.6 本章小结