高含量B4C-6061Al復(fù)合材料及焊接接頭組織和力學(xué)性能研究.pdf

1、碳化硼(B4C)中硼的同位素10B具有較高的熱中子吸收截面并且其價格低廉，被廣泛的應(yīng)用為核電站屏蔽材料當(dāng)中的中子吸收體。但B4C屬于陶瓷材料，其塑性和韌性差，難于變形加工。因此，通常將B4C顆粒添加到金屬基體當(dāng)中制備成復(fù)合材料，例如高 B4C顆粒含量鋁基復(fù)合材料作為核電站乏燃料貯存格架上的中子吸收材料使用。在鋁基B4C復(fù)合材料內(nèi)部B4C顆粒含量越高，材料的熱中子吸收性能越好，對材料的制備工藝要求越高，材料的力學(xué)性能和可加工性能越差。

2、r>　　當(dāng)高含量的B4C顆粒添加到基體鋁當(dāng)中時，B4C顆粒割裂鋁基體、B4C顆粒與鋁基體之間的界面潤濕性能差、B4C顆粒與基體鋁之間的塑性協(xié)調(diào)變形能力差、B4C顆粒與基體鋁之間的界面缺陷多等因素都增加了高B4C顆粒含量鋁基復(fù)合材料的制備難度。在復(fù)合材料內(nèi)部，B4C顆粒與鋁基體之間的界面微觀形貌和結(jié)合強(qiáng)度的高低對復(fù)合材料整體力學(xué)性能和可加工性能具有較大影響。
　　本文采用蒙特卡羅數(shù)值模擬方法對不同 B4C顆粒含量的6061Al基(簡

3、稱：B4C/6061Al)復(fù)合材料的中子吸收性能進(jìn)行模擬計算，研究B4C顆粒含量、材料厚度與中子透過率之間的關(guān)系，為復(fù)合材料內(nèi)部B4C顆粒含量和材料厚度等參數(shù)的確定奠定理論基礎(chǔ)。根據(jù)中子吸收材料對B4C顆粒含量高和顆粒分布均勻性高的要求，本文明確采用粉末冶金法制備高B4C顆粒(20％-40%)含量的B4C/6061Al復(fù)合材料，提出了采用高能球磨+真空熱壓+軋制的方法進(jìn)行制備；對所制備的 B4C/6061Al復(fù)合材料內(nèi)部B4C顆粒分布均

4、勻性、B4C顆粒與基體鋁合金之間的界面形貌進(jìn)行觀察分析，討論了B4C顆粒對基體鋁合金的強(qiáng)化機(jī)理；采用霍普金森壓桿對B4C/6061Al復(fù)合材料的動態(tài)沖擊性能進(jìn)行測試，對動態(tài)沖擊后復(fù)合材料內(nèi)部的微觀組織進(jìn)行觀察并對內(nèi)部的損傷機(jī)理進(jìn)行討論；采用攪拌摩擦焊方法(FSW)對B4C/6061Al復(fù)合材料進(jìn)行焊接，對FSW接頭的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究。主要的研究結(jié)果如下：
　　(1) B4C/6061Al復(fù)合材料的中子吸收性能隨著B4C顆

5、粒含量的升高、材料厚度的增加而提高，當(dāng)B4C顆粒含量為30%、板材厚度為3 mm時，復(fù)合材料的中子吸收率接近100%。對于不同 B4C顆粒含量的 B4C/6061Al復(fù)合材料的中子透過率(y)與材料厚度(x)的關(guān)系可以表述為：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+真空熱壓+軋制的方法制備了20%-40

6、% B4C顆粒含量的B4C/6061Al復(fù)合材料。當(dāng)真空熱壓工藝為溫度：640 oC；熱壓壓力：120 MPa和熱壓保溫時間：60 min時，獲得的B4C/6061Al復(fù)合材料致密度較高。復(fù)合材料經(jīng)過多道次的軋制后，B4C顆粒分布均勻性提高，在軋制壓力的作用下，復(fù)合材料內(nèi)部的微氣孔、微裂紋減少，B4C顆粒對基體鋁合金的強(qiáng)化作用增強(qiáng)。
　　(3)隨著B4C顆粒含量的升高，B4C/6061Al復(fù)合材料的致密度下降，這是由于B4C顆粒與

7、基體鋁合金之間界面增多，導(dǎo)致復(fù)合材料內(nèi)部缺陷增多。B4C/6061Al復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，B4C顆粒的存在對基體鋁合金具有變形強(qiáng)化作用，使得基體鋁合金晶粒細(xì)化，主要的強(qiáng)化機(jī)理有位錯強(qiáng)化、載荷傳遞和Orowan強(qiáng)化。隨著B4C顆粒含量(＞30%)的繼續(xù)增加，B4C顆粒與基體鋁合金的界面明顯增多，B4C顆粒團(tuán)聚、氣孔和微裂紋等缺陷增多，導(dǎo)致復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度降低。
　　(4)在B4C顆粒與基體鋁合金的界面處存在著

8、厚度為0.6μm-1.55μm的元素擴(kuò)散層，物相主要由Al、B4C、Al3BC和AlB2等組成。在不同B4C顆粒含量的B4C/6061Al復(fù)合材料內(nèi)部，由于 B4C顆粒在基體鋁合金發(fā)生塑性變形時產(chǎn)生“自旋”現(xiàn)象，產(chǎn)生的摩擦熱不同導(dǎo)致B4C顆粒與基體鋁合金之間界面處擴(kuò)散層厚度不同。
　　(5) B4C/6061Al復(fù)合材料在承受靜態(tài)載荷的過程中，在大尺寸B4C顆粒的尖角和界面處是復(fù)合材料內(nèi)部的薄弱部位，裂紋源容易在大尺寸 B4C顆粒

9、周邊產(chǎn)生并擴(kuò)展。復(fù)合材料在經(jīng)過動態(tài)沖擊后，材料的失效形式主要為大尺寸 B4C顆粒的斷裂、B4C顆粒與基體鋁合金之間的界面脫粘及基體鋁合金的撕裂，基體鋁合金對 B4C顆粒上裂紋在界面處的擴(kuò)展具有阻礙作用。對于20%-40% B4C顆粒含量的B4C/6061Al復(fù)合材料，材料的塑性流變應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系可以根據(jù)Johnson-Cook模型進(jìn)行擬合。
　　(6) FSW是一種較為適合焊接高B4C顆粒含量B4C/6061Al復(fù)合材料的焊