高含量B4C/6061Al复合材料及焊接接头组织和力学性能研究

摘要

碳化硼(B4C)中硼的同位素10B具有较高的热中子吸收截面并且其价格低廉，被广泛的应用为核电站屏蔽材料当中的中子吸收体。但B4C属于陶瓷材料，其塑性和韧性差，难于变形加工。因此，通常将B4C颗粒添加到金属基体当中制备成复合材料，例如高 B4C颗粒含量铝基复合材料作为核电站乏燃料贮存格架上的中子吸收材料使用。在铝基B4C复合材料内部B4C颗粒含量越高，材料的热中子吸收性能越好，对材料的制备工艺要求越高，材料的力学性能和可加工性能越差。
　　当高含量的B4C颗粒添加到基体铝当中时，B4C颗粒割裂铝基体、B4C颗粒与铝基体之间的界面润湿性能差、B4C颗粒与基体铝之间的塑性协调变形能力差、B4C颗粒与基体铝之间的界面缺陷多等因素都增加了高B4C颗粒含量铝基复合材料的制备难度。在复合材料内部，B4C颗粒与铝基体之间的界面微观形貌和结合强度的高低对复合材料整体力学性能和可加工性能具有较大影响。
　　本文采用蒙特卡罗数值模拟方法对不同 B4C颗粒含量的6061Al基(简称：B4C/6061Al)复合材料的中子吸收性能进行模拟计算，研究B4C颗粒含量、材料厚度与中子透过率之间的关系，为复合材料内部B4C颗粒含量和材料厚度等参数的确定奠定理论基础。根据中子吸收材料对B4C颗粒含量高和颗粒分布均匀性高的要求，本文明确采用粉末冶金法制备高B4C颗粒(20％-40%)含量的B4C/6061Al复合材料，提出了采用高能球磨+真空热压+轧制的方法进行制备；对所制备的 B4C/6061Al复合材料内部B4C颗粒分布均匀性、B4C颗粒与基体铝合金之间的界面形貌进行观察分析，讨论了B4C颗粒对基体铝合金的强化机理；采用霍普金森压杆对B4C/6061Al复合材料的动态冲击性能进行测试，对动态冲击后复合材料内部的微观组织进行观察并对内部的损伤机理进行讨论；采用搅拌摩擦焊方法(FSW)对B4C/6061Al复合材料进行焊接，对FSW接头的微观组织和力学性能进行研究。主要的研究结果如下：
　　(1) B4C/6061Al复合材料的中子吸收性能随着B4C颗粒含量的升高、材料厚度的增加而提高，当B4C颗粒含量为30%、板材厚度为3 mm时，复合材料的中子吸收率接近100%。对于不同 B4C颗粒含量的 B4C/6061Al复合材料的中子透过率(y)与材料厚度(x)的关系可以表述为：y(10%)=e-0.98763x，y(20%)=e-1.96735x，y(30%)=e-2.91003x，y(40%)=e-3.81738x。
　　(2)采用高能球磨+真空热压+轧制的方法制备了20%-40% B4C颗粒含量的B4C/6061Al复合材料。当真空热压工艺为温度：640 oC；热压压力：120 MPa和热压保温时间：60 min时，获得的B4C/6061Al复合材料致密度较高。复合材料经过多道次的轧制后，B4C颗粒分布均匀性提高，在轧制压力的作用下，复合材料内部的微气孔、微裂纹减少，B4C颗粒对基体铝合金的强化作用增强。
　　(3)随着B4C颗粒含量的升高，B4C/6061Al复合材料的致密度下降，这是由于B4C颗粒与基体铝合金之间界面增多，导致复合材料内部缺陷增多。B4C/6061Al复合材料的抗拉强度呈现先升高后降低的趋势，B4C颗粒的存在对基体铝合金具有变形强化作用，使得基体铝合金晶粒细化，主要的强化机理有位错强化、载荷传递和Orowan强化。随着B4C颗粒含量(＞30%)的继续增加，B4C颗粒与基体铝合金的界面明显增多，B4C颗粒团聚、气孔和微裂纹等缺陷增多，导致复合材料的抗拉强度降低。
　　(4)在B4C颗粒与基体铝合金的界面处存在着厚度为0.6μm-1.55μm的元素扩散层，物相主要由Al、B4C、Al3BC和AlB2等组成。在不同B4C颗粒含量的B4C/6061Al复合材料内部，由于 B4C颗粒在基体铝合金发生塑性变形时产生“自旋”现象，产生的摩擦热不同导致B4C颗粒与基体铝合金之间界面处扩散层厚度不同。
　　(5) B4C/6061Al复合材料在承受静态载荷的过程中，在大尺寸B4C颗粒的尖角和界面处是复合材料内部的薄弱部位，裂纹源容易在大尺寸 B4C颗粒周边产生并扩展。复合材料在经过动态冲击后，材料的失效形式主要为大尺寸 B4C颗粒的断裂、B4C颗粒与基体铝合金之间的界面脱粘及基体铝合金的撕裂，基体铝合金对 B4C颗粒上裂纹在界面处的扩展具有阻碍作用。对于20%-40% B4C颗粒含量的B4C/6061Al复合材料，材料的塑性流变应力和应变之间的关系可以根据Johnson-Cook模型进行拟合。
　　(6) FSW是一种较为适合焊接高B4C颗粒含量B4C/6061Al复合材料的焊接方法。在FSW接头处B4C颗粒分布均匀，抗拉强度可达240 MPa，断裂在热影响区，焊缝的失效主要是由于B4C颗粒与基体铝合金之间界面的脱粘和基体铝合金的撕裂。在FSW接头不同的微区，随着距 B4C颗粒距离的增加，基体铝合金的硬度和模量呈现下降的趋势。在FSW接头四个区域中硬度和弹性模量由高到低依次为：焊核区、热机影响区、母材和热影响区。

目录

第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2中子吸收材料

1.3 金属基复合材料的制备方法

1.4 界面对复合材料加工性能的影响

1.5 金属基复合材料的动态冲击行为

1.6 金属基复合材料的焊接性能研究

1.7 本文研究内容及技术路线

参考文献

第二章 B4C/6061Al复合材料的设计与制备

2.1前言

2.2 B4C/6061Al复合材料的设计

2.3 B4C/6061Al复合材料的制备

2.4本章小结

参考文献

第三章 B4C/6061Al复合材料的显微组织及力学性能研究

3.1 前言

3.2 B4C/6061Al复合材料的致密度分析

3.3 B4C/6061Al复合材料的显微组织分析

3.4 B4C/6061Al复合材料的物相分析

3.5 B4C/6061Al复合材料的力学性能分析

3.6本章小结

参考文献

第四章 B4C/6061Al复合材料中界面结构与界面反应研究

4.1 前言

4.2 B4C与6061Al之间的界面结构与界面反应

4.3复合材料界面的合金元素热力学行为

4.4拉伸断口的界面

4.5 本章小结

参考文献

第五章 B4C/6061Al复合材料的动态冲击行为研究

5.1 前言

5.2 B4C/6061Al复合材料的静态压缩行为研究

5.3 B4C/6061Al复合材料的动态冲击行为研究

5.4 Johnson-Cook (J-C)本构关系

5.5 本章小结

参考文献

第六章 B4C/6061Al复合材料的焊接行为研究

6.1 前言

6.2 B4C/6061Al复合材料TIG行为

6.3 B4C/6061Al复合材料的FSW焊接行为

6.4 本章小结

参考文献

第七章 结 论

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及科研成果

论文的独创性说明及展望