【摘要】：顆粒增強鋁基復(fù)合材料因具有高比強度、高比模量、低密度、優(yōu)異的耐磨性和較低的制造成本等優(yōu)點,在汽車、航空航天等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。顆粒的尺寸對鋁基復(fù)合材料的性能有顯著的影響。微米顆粒可以提高基體的強度和耐磨性,但通常會降低基體的塑性。納米顆粒具有優(yōu)于微米顆粒的強化效果,并且可以同時提高基體的強度和塑性,但是顆粒含量較高時易發(fā)生團聚,從而限制了納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料強塑性的提高。如果將微米顆粒和納米顆粒同時加入到基體中,有望同時發(fā)揮不同尺寸顆粒的優(yōu)勢,進一步提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。根據(jù)顆粒增強體來源不同,顆�？梢苑譃橥饧宇w粒和內(nèi)生顆粒。與外加顆粒相比,內(nèi)生顆粒具有表面無污染,與基體界面結(jié)合強度高,在基體中分散相對均勻等特點。然而,目前關(guān)于不同尺度(微米、納米、微米+納米)內(nèi)生顆粒增強鑄造鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能及強化機制的研究較少。特別是關(guān)于微米+納米雙尺寸內(nèi)生顆粒對鑄造鋁合金高溫拉伸性能和蠕變行為的影響規(guī)律和作用機制研究更少。因此,研究不同尺度(微米、納米、微米+納米)內(nèi)生顆粒對鑄造鋁合金的室溫、高溫力學(xué)行為的影響規(guī)律和作用機制,將為進一步提高顆粒增強鑄造鋁基復(fù)合材料的室溫、高溫力學(xué)性能和拓展其應(yīng)用范圍提供理論與技術(shù)支撐。本文以Al-Ti-C/CNTs體系自蔓延高溫合成反應(yīng)制備的內(nèi)生微米TiC_p-Al和內(nèi)生納米TiC_p-Al兩種鋁基復(fù)合材料作為中間合金,成功地鑄造出單一尺寸(微米或納米)以及雙尺寸(微米+納米)TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料。研究了不同尺度(微米、納米、微米+納米)內(nèi)生TiC_p對鑄造Al-Cu合金的室溫、高溫拉伸性能和蠕變行為的影響規(guī)律及作用機制。揭示出不同尺度(微米、納米、微米+納米)TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料室溫、高溫強化機制和抗高溫蠕變性能提高的機制。具體結(jié)論如下:1)揭示出微米、納米單一尺寸和微米+納米雙尺寸TiC_p的加入使Al-Cu合金中的α-Al晶粒和θ′析出相的尺寸均得到明顯細(xì)化。TiC_p可以作為α-Al結(jié)晶過程中的有效異質(zhì)形核核心,細(xì)化α-Al晶粒。在T6熱處理的固溶過程中,α-Al晶粒尺寸越小,在晶界處的Al_2Cu相分解后的Cu原子向α-Al晶內(nèi)的擴散距離越短,Cu原子在晶內(nèi)分布越均勻。在時效時可以析出尺寸更小、數(shù)量更多、分布更均勻的θ′析出相。不同尺度TiC_p對α-Al晶粒和θ′析出相細(xì)化效果由高到低的順序為:微米+納米雙尺寸TiC_p→單一納米TiC_p→單一微米TiC_p。2)揭示出微米+納米雙尺寸和納米、微米單一尺寸TiC_p的加入使Al-Cu合金的室溫、高溫(453 K和493 K)強塑性顯著提高。不同尺度TiC_p對Al-Cu合金室溫、高溫強塑性的提升效果由高到低順序為:微米+納米雙尺寸TiC_p→單一納米TiC_p→單一微米TiC_p。M-1.0+N-0.3 TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料具有較高的強度和最高的斷裂應(yīng)變。在室溫下,其屈服強度、抗拉強度和斷裂應(yīng)變分別為363 MPa、541 MPa和17.5%,分別比Al-Cu基體合金(307 MPa、472 MPa、7.5%)提高56 MPa、69 MPa和10.0%。在493 K溫度下,其屈服強度、抗拉強度、斷裂應(yīng)變分別為261 MPa、314 MPa、17.0%,分別比N-0.3 TiC_p/Al-Cu和M-1.0 TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料提高27 MPa、31 MPa、5.1%和34MPa、35 MPa、6.4%;比Al-Cu基體合金(210 MPa、241 MPa、6.2%)提高51 MPa、73 MPa、10.8%。3)揭示出微米TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料在室溫下的主要強化機制是細(xì)晶強化、析出強化和微米TiC_p的載荷傳遞強化;納米TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料的主要強化機制是細(xì)晶強化、析出強化和納米TiC_p的Orowan強化。微米+納米雙尺寸TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料的強化機制是細(xì)晶強化、析出強化、納米TiC_p的Orowan強化和微米TiC_p的載荷傳遞強化。4)揭示出在高溫拉伸后,復(fù)合材料和Al-Cu基體合金中的θ′析出相平均直徑由小到大的順序為:M-1.0+N-0.3 TiC_p/Al-Cu→N-0.3 TiC_p/Al-Cu→M-1.0 TiC_p/Al-Cu→Al-Cu基體合金。微米、納米、微米+納米雙尺寸TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料在高溫下的主要強化機制分別為:微米TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料為θ′析出相強化和微米TiC_p的載荷傳遞強化及釘扎晶界強化;納米TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料為納米TiC_p強化和θ′析出相強化;微米+納米雙尺寸TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料為納米TiC_p強化、θ′析出相強化、微米TiC_p的載荷傳遞強化和釘扎晶界強化。5)揭示出在453 K和493 K溫度下應(yīng)變速率由1×10~(-4) s~(-1)升高到1×10~(-2) s~(-1),Al-Cu基體合金和TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料的屈服強度、抗拉強度和斷裂應(yīng)變逐漸升高。在相同溫度和應(yīng)變速率下,復(fù)合材料的強度和塑性均顯著高于Al-Cu基體合金。Al-Cu基體合金和復(fù)合材料在高溫拉伸時的應(yīng)變速率越低,高溫停留時間越長,θ′析出相粗化越顯著。但在相同溫度和應(yīng)變速率下,復(fù)合材料中的θ′析出相尺寸小于Al-Cu基體合金。6)揭示出在453-493 K溫度和120-200 MPa外加應(yīng)力作用下,Al-Cu基體合金和復(fù)合材料的蠕變門檻應(yīng)力由大到小的順序為:M-1.0+N-0.3 TiC_p/Al-Cu→N-0.3 TiC_p/Al-Cu→M-1.0 TiC_p/Al-Cu→Al-Cu基體合金。M-1.0+N-0.3 TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料具有最低的穩(wěn)態(tài)蠕變速率,分別是Al-Cu基體合金的1/38至1/10,M-1.0 TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料的1/6至1/4和N-0.3 TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料的1/4至1/3。因此,與單一尺寸TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料相比,微米+納米雙尺寸TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料具有更好的抗蠕變性能。7)揭示出Al-Cu基體合金和不同尺度TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料的蠕變機制均為位錯攀移機制。納米Ti C_p/Al-Cu復(fù)合材料的抗蠕變性能高于Al-Cu基體合金的機制為:納米TiC_p強化和θ′析出相強化。微米+納米雙尺寸TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料的抗蠕變性能優(yōu)于微米、納米單一尺寸TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料的機制為:更加細(xì)小的θ′析出相的析出強化、納米TiC_p強化和微米TiC_p的釘扎晶界強化以及載荷傳遞強化。本論文通過對比不同尺度(微米、納米、微米+納米)TiC_p/Al-Cu復(fù)合材料的室溫、高溫力學(xué)行為,揭示出微米+納米雙尺寸顆粒增強體與微米、納米單一尺寸顆粒增強體相比具有更好的強化效果,可以進一步提高復(fù)合材料的室溫、高溫強塑性和抗蠕變性能。為開發(fā)出具有優(yōu)異室溫、高溫力學(xué)性能的顆粒增強鑄造鋁基復(fù)合材料提供了實驗依據(jù)、技術(shù)和理論參考。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB333
【圖文】：

圖 1.1 氣壓浸滲法裝置示意圖[74]The schematic diagram of gas pressure infiltration a沉積法的基本原理是利用噴射技術(shù)將熔融的基體金屬霧化成動，同時將具有一定動量的顆粒增強體均勻連續(xù)地加使顆粒增強體和熔融的基體金屬共同沉積到基板上，沉積坯[76]。Srivastava 等人[77]通過噴射沉積法成功制備iCp增強 Al2014 復(fù)合材料，并揭示出 SiCp在 Al2014 基基體合金相比有所提升。Si 等人[3]通過自制噴射沉積 16 wt%微米 SiCp增強 Al7055 復(fù)合材料。他們所制備寸為 16 μm，低于用同種方法制備的 Al7055 基體合金p在基體中均勻分布，沒有觀察到顆粒團聚現(xiàn)象；室溫比 Al7055 基體合金提高了 4.74%。噴射沉積法綜合了備出的顆粒增強金屬基復(fù)合材料晶粒細(xì)小，顆粒分布均

沉積法的基本原理是利用噴射技術(shù)將熔融的基體金屬霧化成動，同時將具有一定動量的顆粒增強體均勻連續(xù)地加使顆粒增強體和熔融的基體金屬共同沉積到基板上，沉積坯[76]。Srivastava 等人[77]通過噴射沉積法成功制備iCp增強 Al2014 復(fù)合材料，并揭示出 SiCp在 Al2014 基基體合金相比有所提升。Si 等人[3]通過自制噴射沉積 16 wt%微米 SiCp增強 Al7055 復(fù)合材料。他們所制備寸為 16 μm，低于用同種方法制備的 Al7055 基體合金p在基體中均勻分布，沒有觀察到顆粒團聚現(xiàn)象；室溫比 Al7055 基體合金提高了 4.74%。噴射沉積法綜合了備出的顆粒增強金屬基復(fù)合材料晶粒細(xì)小，顆粒分布均反應(yīng)的出現(xiàn)，但是氣孔率較大，需要進行后續(xù)加工。

吉 林 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文體合金的103μm細(xì)化到14μm，顯微硬度和抗拉強度分別由基體合金的6Pa 提高到 122 HV、287 MPa。接觸反應(yīng)法和熔體直接反應(yīng)法以現(xiàn)有的鑄，在基體熔體中直接生成顆粒增強體，因此可以制備出尺寸較大、形狀復(fù)零件。但是制備過程中熔液溫度較高，可能造成氧化、吸氣以及合金燒損

【參考文獻】

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1 Dongshuai Zhou;Feng Qiu;Huiyuan Wang;Qichuan Jiang;;Manufacture of Nano-Sized Particle-Reinforced Metal Matrix Composites:A Review[J];Acta Metallurgica Sinica(English Letters);2014年05期

本文編號：2753266