原位合成ZrB2(bp)-2024Al復(fù)合材料及其超塑性研究.pdf

1、顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（PRAMCs）具有高的比強(qiáng)度、比模量，優(yōu)異的耐磨性以及熱穩(wěn)定性，在航空航天、軍事、交通運(yùn)輸和電子封裝等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。然而，由于增強(qiáng)體顆粒的引入，使復(fù)合材料的塑韌性降低、造成構(gòu)件成形難度增加。因此，研究顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料超塑性，尤其是在較高應(yīng)變速率下（(ε)≥10-2s-1）的高速超塑性，具有重要理論意義和工程價(jià)值。
　　本文基于2024Al-K2ZrF6-KBF4反應(yīng)體系，通過(guò)原位合成技術(shù)，在優(yōu)化原位反

2、應(yīng)工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上制備ZrB2(np)/2024Al復(fù)合材料;通過(guò)多向鍛造、再結(jié)晶退火和攪拌摩擦加工(FSP)變形預(yù)處理來(lái)進(jìn)一步細(xì)化基體晶粒、提高增強(qiáng)體的分布均勻性。通過(guò)金相顯微鏡(OM)、X射線衍射儀(XRD)、能譜分析(EDS)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)等分析檢測(cè)手段，研究原位納米ZrB2p/2024Al復(fù)合材料相組成、顆粒形貌、尺寸、顆粒分布特征及不同變形預(yù)處理工藝對(duì)復(fù)合材料組織的影響。采用高溫超塑性拉伸表征經(jīng)過(guò)不同

3、變形預(yù)處理、增強(qiáng)體顆粒含量不同、變形溫度和應(yīng)變速率不同對(duì)復(fù)合材料超塑性的影響，并研究復(fù)合材料的超速性變形機(jī)理，建立復(fù)合材料的超塑性本構(gòu)方程。
　　制備工藝研究表明:當(dāng)K2ZrF6和KBF4的質(zhì)量比為52∶48，反應(yīng)溫度為1143K，反應(yīng)時(shí)間為20min，并施加機(jī)械攪拌和熔體凈化手段時(shí)，所制備的ZrB2(np)/2024Al復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒多呈六邊形或四邊形（輪廓圓鈍），尺寸為30～100nm。由于納米增強(qiáng)顆粒的生成，可在一定程度

4、上阻止晶粒的長(zhǎng)大，使基體晶粒細(xì)化，隨著增強(qiáng)體顆粒含量的增加，基體晶粒更加細(xì)小。
　　變形預(yù)處理研究表明:不同變形預(yù)處理，均可使復(fù)合材料的基體晶粒得到細(xì)化，增強(qiáng)顆粒的形貌圓鈍化且均勻性得到改善，消除鑄造孔洞類(lèi)缺陷。多向鍛造預(yù)處理后基體晶粒呈纖維狀，粗大增強(qiáng)體破裂成短棒或多邊形小塊，分布彌散，形貌圓鈍;經(jīng)過(guò)再結(jié)晶退火處理（溫度為743K，保溫時(shí)間為25min），基體晶粒的扁長(zhǎng)形貌和各向異性徹底消失，成為細(xì)小的等軸晶。攪拌摩擦加工預(yù)處理

5、，使復(fù)合材料粗大枝晶破碎成細(xì)小的均勻絮狀晶，晶粒尺寸為1μm左右（部分為亞微米）;增強(qiáng)顆粒分散均勻，界面結(jié)合良好。
　　高溫超塑性拉伸實(shí)驗(yàn)表明:增強(qiáng)體顆粒的加入和預(yù)處理對(duì)復(fù)合材料超塑性產(chǎn)生很的大影響。當(dāng)應(yīng)變速率為10-2s-1時(shí)，經(jīng)多向鍛造和再結(jié)晶退火處理的復(fù)合材料超塑性拉伸伸長(zhǎng)率未超過(guò)100％，不具備超塑性;而經(jīng)過(guò)攪拌摩擦加工的復(fù)合材料，其超塑性拉伸的伸長(zhǎng)率可達(dá)201.42％。隨著超塑性拉伸溫度上升和拉伸應(yīng)變速率提高，復(fù)合材料伸

6、長(zhǎng)率下降;當(dāng)溫度為750K，應(yīng)變速率為5×10-3s-1，攪拌摩擦預(yù)處理的增強(qiáng)體含量3wt％的復(fù)合材料伸長(zhǎng)率可達(dá)238.72％
　　超塑性本構(gòu)方程分析表明:攪拌摩擦預(yù)處理后復(fù)合材料超塑性應(yīng)變速率敏感因子(m值)均大于0.3，其中增強(qiáng)體含量為3wt％的復(fù)合材料的m值為0.5321，從而攪拌摩擦預(yù)處理的復(fù)合材料具有良好的高速超塑性。復(fù)合材料的變形激活能（Q值）皆大于純鋁晶格擴(kuò)散激活能，表明較高應(yīng)變速率條件下復(fù)合材料變形機(jī)制已發(fā)生了改變