微纳颗粒增强铝基复合材料热裂倾向性研究

摘要

微纳颗粒增强铝基复合材料因具有强度高、模量高、耐磨性好等综合性能优良的突出特点在国防、汽车工业、舰船制造等领域显示出良好的应用前景。其中，以铝铜合金为基体的铸造铝基复合材料以优异的强韧性能应用于航空航天、汽车等领域的关键构件。然而，该复合材料的基体合金本征特性决定了其在凝固过程存在严重的热裂倾向，严重影响了该类复合材料的成型性能。因此，改善复合材料的热裂倾向性，对于热裂的机理研究和复合材料的工程应用具有重要意义。
　　本论文选择铸造铝铜合金中具有优良强韧性能的ZL205A为基体合金，采用原位自生熔体控制技术制备了微纳TiB2颗粒增强ZL205A复合材料。热裂倾向性研究表明，随着TiB2质量分数的增加，复合材料的热裂倾向性呈现先减小后增大的趋势，TiB2含量为2％时，复合材料的热裂倾向性值最小为15，TiB2含量为6%时，复合材料的热裂倾向性值达到最大33.4。由于稀土钇在材料铸造过程中可以起到促进微观组织细化，减少缺陷等作用。因此，为降低复合材料的热裂倾向性，向6TiB2/ZL205A复合材料中添加稀土钇来改善其热裂倾向性。论文中主要通过分析晶粒度、凝固温度区间和微观组织与热裂倾向性的关系，研究了复合材料的热裂倾向性。
　　晶粒度对热裂倾向性的影响研究表明，细小的晶粒有助于减小晶粒间液膜的应变量，从而降低复合材料的热裂倾向性。随着增强相的增加，复合材料的晶粒度逐渐减小，然而，当增强相TiB2颗粒的含量大于2%时，复合材料的晶粒度保持在约39μm不再减小。复合材料晶粒形成过程中，增强相TiB2颗粒提供了α-Al晶粒形核的核心，促进了复合材料的晶粒细化，基体合金中的溶质元素提供晶粒长大限制因素Q值，基体合金中的Q值一定，对晶粒细化的促进作用有限，因此，复合材料的晶粒度不再减小。然而，随着 TiB2质量分数的继续增加，复合材料的热裂倾向性呈现增大的趋势，这是由于含高质量分数增强相的复合材料中，出现了较大的微纳TiB2颗粒团聚体，导致组织分布不均匀，凝固收缩应变量增加，并加剧了热裂。向6TiB2/ZL205A复合材料中添加稀土钇，促进了晶粒逐步细化，当钇的添加量为1%时，晶粒度由39μm，减小至26.77μm，热裂倾向性值降低了66.8%。因此，添加钇促进了复合材料的晶粒组织细化，显著改善了热裂倾向性。
　　凝固温度区间研究表明，较小的凝固温度区间有助于减小凝固收缩应变，从而降低热裂倾向性。复合材料凝固温度区间与热裂倾向性有一致的变化规律，2TiB2/ZL205A复合材料的凝固温度区间最小为110.4℃，6TiB2/ZL205A复合材料的凝固温度区间最大为115.22℃。当增强相 TiB2含量超过2%时，随着增强相含量的增加，凝固温度区间增大，应变量增大，复合材料的热裂倾向性增加。对于添加钇的6TiB2/ZL205A复合材料，由于η1-Al8Cu4Y相的形成使得复合材料的凝固温度区间明显减小，钇的含量为0.2%、0.5%和1%时，对应的凝固温度区间分别为110.43℃、85.86℃和37.25℃，热裂倾向性也逐渐下降。
　　微观组织分析表明，晶界相与增强相的形态和分布对复合材料的热裂倾向性有重要影响。复合材料中增强相 TiB2含量少于3%时，微观组织中增强相分布均匀，热裂萌生应力较大，TiB2含量为1%时，萌生应力为75N，热裂倾向性较小。随着增强相含量的增加，微观组织中形成较大的颗粒团聚体，导致组织分布不均匀，热裂萌生应力减小，TiB2含量为6%时，萌生应力为44N，热裂倾向性增加。添加钇的6TiB2/ZL205A复合材料中，分布均匀的θ-Al2Cu、η1-Al8Cu4Y和TiB2对裂纹扩展起阻碍作用。随着钇含量的增加，晶界搭桥明显增加，增强相TiB2颗粒团聚体逐渐减少，颗粒分布更加均匀。热裂萌生应力随着钇含量的增加，逐渐增大，钇的含量为1%时，对应的热裂萌生应力达到288N，由此可知，添加钇显著改善了复合材料的热裂倾向性。
　　通过研究可知，晶粒度和凝固温度区间的减小，以及分布均匀的微观组织都有助于复合材料热裂倾向性的改善。

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目录

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 ZL205A合金研究与应用

1.3 颗粒增强铝基复合材料研究现状

1.4 热裂形成理论与研究

1.5 稀土元素的应用研究

1.6 本文研究的目的及内容

参考文献

第二章 实验方法及复合材料热裂倾向性测试系统设计

2.1 引言

2.2 实验方法

2.3 热裂倾向性评估与测定方法

2.4 复合材料热裂倾向性测试系统设计

参考文献

第三章 晶粒度对热裂倾向性的影响研究

3.1 引言

3.2 Al5Ti1B对 ZL205A晶粒度和热裂倾向性的影响

3.3 微纳 TiB2颗粒增强 ZL205A复合材料晶粒度与热裂倾向性

3.4 钇对复合材料晶粒度与热裂倾向性的影响

3.5 晶粒度与热裂倾向性关系的机理研究

3.6 本章小结

参考文献

第四章 凝固温度区间对热裂倾向性的影响研究

4.1 引言

4.2 晶粒度对 ZL205A凝固温度区间的影响

4.3 复合材料凝固温度区间与热裂倾向性

4.4 钇对 6TiB2/ZL205A凝固温度区间和热裂倾向性的影响

4.5 凝固温度区间对热裂倾向性影响的机理研究

4.6 本章小结

参考文献

第五章 微观组织对热裂形成过程的影响研究

5.1 引言

5.2 ZL205A合金组织结构对热裂形成的影响

5.3 微纳 TiB2颗粒增强 ZL205A复合材料微观组织

5.4 复合材料微观组织对热裂形成过程的影响

5.5 钇对 6TiB2/ZL205A复合材料微观组织的影响

5.6 钇对 6TiB2/ZL205A复合材料热裂形成过程的影响

5.7 本章小结

参考文献

第六章 结论与创新

6.1 论文主要结论

6.2 论文主要创新

6.3 未来工作展望

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及申请的专利