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(duì)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。現(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(duì)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(dòng)特點(diǎn)

4、。在此基礎(chǔ)上，對(duì)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(duì)變形后材料進(jìn)行相對(duì)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(duì)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(duì)試樣相對(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)因?yàn)榇罂紫兜拇嬖?，使得綜合性能被嚴(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