基于等徑角擠扭的SiC-Al粉末微-納結(jié)構(gòu)和力-熱性能.pdf

1、SiCp/Al復(fù)合材料不僅密度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)用材，而且其剛度、強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性等力學(xué)性能均符合結(jié)構(gòu)件服役需要;同時(shí)具有良好的耐磨性能、耐蝕性能以及熱學(xué)、電學(xué)性能，因此在某些環(huán)境下還可以用作功能材料。該材料傳統(tǒng)制備工藝往往存在需要二次加工或工藝成本高等諸多不足或限制。為此，本課題提出一種制備該材料的新工藝:將SiC（經(jīng)過預(yù)處理）和Al的混合粉末裝進(jìn)黃銅包套進(jìn)行預(yù)壓，然后將包套放入自行設(shè)計(jì)的等徑角擠扭(ECAP-T)模具垂直通道中，對其在

2、一定溫度下進(jìn)行擠壓，從而使混合粉末在變形過程中實(shí)現(xiàn)固結(jié)。該工藝可以提供較大靜水壓力，從而改善SiC顆粒分布、細(xì)化Al晶粒，同時(shí)有效閉合孔隙、減少裂紋源。此外，此工藝可以使材料從松散粉末直接固結(jié)成致密塊體，無需二次加工，提高了制備效率;并且變形溫度低于傳統(tǒng)方法所需溫度，從而節(jié)省了能耗。
　　在眾多大塑性變形(SPD)工藝中，ECAP-T作為一種在等徑角擠壓(ECAP)和擠扭(TE)基礎(chǔ)上改進(jìn)的新工藝，不僅能保證足夠的變形量，而且還能

3、改善材料的變形均勻程度?，F(xiàn)階段已經(jīng)有相關(guān)研究探討了SiC和Al的混合粉末通過ECAP-T變形致密的可行性，初步觀察了材料變形后組織，測試了材料的部分力學(xué)性能，但缺乏對變形后復(fù)合材料的SiC與Al之間的界面、基體材料的晶體結(jié)構(gòu)、材料的力學(xué)與熱學(xué)綜合性能等相關(guān)研究。
　　本課題先通過有限元數(shù)值模擬方法得到了帶有包套的粉坯在ECAP-T變形過程中的流線網(wǎng)絡(luò)圖和速度場分布云圖，研究了粉坯在不同位置處的變形程度和粉坯在不同變形階段的流動特點(diǎn)

4、。在此基礎(chǔ)上，對含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（10wt％，20wt％和40wt％）SiC的混合粉末開展了在不同溫度（150℃、250℃和350℃）下的多道次ECAP-T變形實(shí)驗(yàn)，對變形后材料進(jìn)行相對密度測試和金相組織觀察。結(jié)果表明:增加變形道次以及降低SiC含量能夠使材料整體相對密度提高，內(nèi)部SiC顆粒團(tuán)簇?cái)?shù)量下降，SiC顆粒分布更為均勻;變形溫度（250℃以上）對試樣相對密度和SiC顆粒分布的影響很小，但如果變形溫度過低(150℃)，材料會有明顯

5、的孔隙和SiC團(tuán)聚現(xiàn)象。
　　借助X射線光電子能譜儀(XPS)，透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)等多種手段針對在250℃下1道次ECAP-T變形后所制得的復(fù)合材料界面進(jìn)行觀察表征。結(jié)果表明:基體Al和增強(qiáng)體SiC之間存在元素互擴(kuò)散現(xiàn)象，促使SiC顆粒表面非晶態(tài)SiO2層與Al基體之間發(fā)生了保護(hù)性反應(yīng)，生成了Al2O3，避免了有害相Al4C3的產(chǎn)生。隨著變形道次的增加，元素互擴(kuò)散程度不斷提高，界面反應(yīng)程度也不斷加大

6、，界面結(jié)合更加牢固。
　　對250℃下ECAP-T變形固結(jié)后的含10wt.％SiC復(fù)合材料的X射線衍射峰形進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了Al基體內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)與變形程度之間的聯(lián)系:隨著變形道次的增加，Al基體晶粒內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)平均尺寸不斷減小，顯微應(yīng)變和位錯(cuò)密度不斷提高。與ECAP-T變形固結(jié)后的純Al材料相比，變形后的復(fù)合材料Al基體亞結(jié)構(gòu)隨變形道次的增加平均尺寸的降幅和顯微應(yīng)變的增幅均小于純Al;且復(fù)合材料Al基體內(nèi)位錯(cuò)密度小于純Al內(nèi)位錯(cuò)密度。<

7、br>　　采用單因素變量法對不同實(shí)驗(yàn)條件下所制得的變形試樣進(jìn)行力學(xué)和熱學(xué)性能測試。結(jié)果表明，增加ECAP-T變形道次和增加SiC含量能夠提高試樣的強(qiáng)度、剛度和硬度，降低試樣的熱導(dǎo)率，使試樣更容易獲得較低的熱膨脹系數(shù)CTE;而改變ECAP-T變形溫度對試樣的力學(xué)和熱學(xué)性能影響并不明顯。但是要注意避免變形溫度過低(150℃)的情況，試樣會因?yàn)榇罂紫兜拇嬖冢沟镁C合性能被嚴(yán)重削弱。本文從多個(gè)角度（材料致密程度、SiC顆粒分布、SiC/Al界面