噴射沉積鋁基連續(xù)梯度復合材料的制備、致密化及性能研究.pdf

1、顆粒增強鋁基梯度復合材料具有密度低、比強度及比剛度高、耐磨性能優(yōu)異和材料內部熱應力過渡平穩(wěn)等一系列優(yōu)點,非常適合于制造高速制動部件和耐磨部件,在生物材料、機械工程材料、耐磨耐蝕的表面涂層以及航空航天材料等領域有廣泛的應用前景。國內外對梯度復合材料的成分設計和制備技術等方面已有大量研究,但精確控制增強顆粒濃度梯度分布以及大尺寸、高性能連續(xù)梯度復合材料的制備技術仍然沒有突破性進展。
　　本論文通過對自動控制陶瓷顆粒輸送裝置的探索,發(fā)明

2、了連續(xù)梯度復合材料的噴射沉積裝置,通過對噴射沉積工藝參數(shù)的優(yōu)化,制備出了SiC顆粒沿沉積坯高度方向呈連續(xù)梯度分布的圓柱錠坯、大尺寸圓盤件和環(huán)件。通過對熱模壓致密化工藝研究,得到了最佳熱模壓工藝參數(shù);同時考察了溫度、應變速率對SiCp/Al-20Si-3Cu梯度復合材料的流變應力影響,通過多階梯形陽模結合平模致密化技術大幅度降低了壓制壓力,在此基礎上自行研制出了超塑性致密化技術;采用此項技術對不同尺寸的圓柱錠坯和大尺寸圓盤件進行了致密化研

3、究,檢測并分析了材料的力學性能、斷裂機制和強韌化機制;探討了超塑性致密化過程中組織演變規(guī)律,分析了超塑性致密化機理,建立了Al2O3顆粒增強鋁基體條帶組織形成模型和超塑性致密化的孔洞演變模型。另外,研究了SiCp/Al-20Si-3Cu連續(xù)梯度復合材料的摩擦磨損性能,并對其在制動部件中的應用進行了考察。
　　論文得到的主要結論如下:
　　(1)自行研制出了自動控制的陶瓷顆粒輸送裝置,解決了噴射沉積過程中對SiC顆粒呈梯度分布

4、的控制問題;通過對液流直徑、霧化氣體壓力和噴射高度等工藝參數(shù)探索,得到了噴射沉積制備連續(xù)梯度復合材料最佳工藝參數(shù)。在最佳工藝下制備了SiC顆粒質量分數(shù)沿沉積坯高度方向呈0?30％的連續(xù)梯度分布的圓柱錠坯和呈0?15%的大尺寸Φ600mm?150mm圓盤件和外徑達1200mm環(huán)件。對沉積坯微觀組織分析表明:基體組織細小,晶粒尺寸在5μm以下;初晶Si細小、尺寸僅1～3μm;析出相為?-Al2Cu和AlCuMg,細小、彌散分布在晶界或晶內。

5、孔隙率隨SiC質量分數(shù)的增加其體積分數(shù)逐漸增加;沉積坯的顯微硬度隨SiC含量增加而增加。
　　(2)研究了SiCp/Al-20Si-3Cu連續(xù)梯度復合材料的熱模壓致密化工藝,通過對熱模壓的溫度、壓制壓力和保壓時間等工藝參數(shù)探索,得到熱模壓最佳工藝參數(shù)。為了降低壓制壓力和擴大材料在致密化過程中橫向剪切流動,自行設計了多階梯形陽模結合平陽模熱壓致密化工藝,此工藝致密化結果表明:在沒有改變梯度復合材料組織特點前提下,該工藝可以大幅度降低

6、壓制壓力,并取得了良好的致密化效果。探討了溫度和應變速率對噴射沉積SiCp/Al-20Si-3Cu連續(xù)梯度復合材料流變應力影響,分析了該材料高溫高應變速率下的超塑性,并自行研制出了超塑性致密化技術。
　　(3)采用超塑性致密化技術對小尺寸錠坯進行了致密化研究,通過對壓制壓力、應變速率等工藝參數(shù)摸索,得到了最佳超塑性致密化技術工藝參數(shù)和較好的致密化效果,在此最佳工藝條件下對大尺寸錠坯進行致密化研究,結果表明:315噸的夜壓機可實現(xiàn)對

7、Φ300×140mm圓柱錠坯的致密化,630噸的液壓機可實現(xiàn)Φ600×150mm厚盤件的致密化,材料的致密度均在99%以上,實現(xiàn)了小噸位設備對大尺寸坯料的全致密化,壓制壓力最大可降到同等條件下普通熱模壓的1/8。
　　(4)對超塑性致密化后的SiCp/Al-20Si-3Cu梯度復合材料的性能研究表明:材料的整體性能在300MPa以上,較沉積坯的強度提高了2?3倍,隨梯度層中SiC含量的增加,材料的抗拉強度和屈服強度呈先增后減變化規(guī)

8、律、伸長率呈下降的變化趨勢。SiC含量為15.2%梯度層的抗拉強度達到最大值388MPa,經熱處理后的抗拉強度可達430MPa。性能大幅提高是細晶強化、SiC顆粒增強相強化、沉淀相強化和良好的致密化效果綜合作用結果。
　　(5)對超塑性致密化后SiCp/Al-20Si-3Cu梯度復合材料的微觀組織分析結果表明:超塑性致密化沒有改變SiC的梯度分布特征,梯度層內SiC分布更加均勻;保持了合金基體原有晶粒細小的組織特點,?-Al基體、

9、Si顆粒及SiC顆粒三者間界面結合達到了冶金結合;?-Al2Cu和AlCuMg析出相細小、彌散分布并和位錯交互作用明顯;噴射沉積制備和致密化加工過程中在沉積顆粒邊界上形成的Al2O3薄膜經超塑性致密化后,形成了以Al2O3薄膜碎片和MgAl2O4顆粒為增強相的寬度為50?100nm的鋁基體條帶組織;通過界面反應,此條帶狀組織把沉積顆粒緊緊地連接在一起,提高了材料的強度和塑性,并建立了Al2O3增強鋁基體條帶組織形成模型;對超塑性致密化機

10、理進行了分析,建立了超塑性致密化的孔洞演變模型。
　　(6)研究了SiCp/Al-20Si-3Cu連續(xù)梯度復合材料的摩擦磨損行為,結果表明:摩擦系數(shù)隨載荷和轉速的增加而減小,隨SiC含量增加,摩擦系數(shù)增加,摩擦系數(shù)在0.35~0.42之間變化,對比HT250,摩擦系數(shù)變化幅度小;磨損率隨載荷或轉速增加呈先增后減再增變化趨勢,同等條件下其磨損率為HT250的1/10。在摩擦磨損過程中,材料的機械混合層厚度隨SiC含量的增加而減小,當