原位自生TiB2/Al-12Si复合材料的高温蠕变行为研究

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颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高弹性模量和良好的高温性能,制备工艺简单,成本较低,在航空航天、国防科技及汽车工业等领域有广阔的应用前景。在实际工程应用中,复合材料常长时间服役于高温工作环境,材料的蠕变性能直接影响到复合材料零部件的尺寸稳定性和寿命,因而研究复合材料高温恒载荷蠕变行为具有重要意义。采用原位自生法制备铝基复合材料,其中增强体颗粒的尺寸减小至纳米级别,能对铝基体起到明显的室温和高温强化作用。结合通常在较高温度(523623 K)下使用的Al-12Si合金基体所制备的TiB2/Al-12Si复合材料表现出优良的室温和高温力学性能。本文采用Al-12Si为基体,TiB2颗粒作为增强颗粒,通过混合熔盐法原位制备了TiB2/Al-12Si复合材料。通过电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、X射线衍射(XRD)分析其化学成分和物相组成。通过光镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)进行微观组织结构及断口形貌观察。使用高温蠕变试验机进行523623 K下的恒温恒载荷拉伸蠕变试验,系统地研究了复合材料的高温蠕变行为,分析增强体颗粒含量及热处理状态对复合材料蠕变行为的影响机制,探究材料的蠕变特性规律。增强体颗粒含量对复合材料蠕变行为影响机制的试验研究表明,增强颗粒的加入降低了高温下Al-12Si基体合金的蠕变速率,表明高温下Al-12Si基体合金的蠕变性能得到增强。但颗粒含量的提高对复合材料蠕变性能的提高作用不明显。通过对复合材料的蠕变应力指数和蠕变激活能的分析,发现原位自生TiB2/Al-12Si复合材料的蠕变变形机制随着温度的升高从以位错滑移控制为主转变为位错攀移机制。结合断口形貌观察,TiB2颗粒在蠕变过程中通过承担外加载荷减小了基体受到的平均应力,对位错起到阻碍和钉扎作用。然而,严重的TiB2颗粒团聚反而会加快蠕变断裂过程,对复合材料的蠕变行为产生不利影响。热处理状态对复合材料蠕变行为影响机制的试验研究表明,T5和T7态下的复合材料具有相似的蠕变行为,包括相似的蠕变曲线特征及应力指数。相比T7态,T5态TiB2/Al-12Si复合材料具有更好的蠕变性能,表现为更长的蠕变寿命和更小的蠕变速率。结合材料中微观组织结构的演变,通过负载转移模型对不同热处理状态下复合材料的蠕变行为提供了合理的解释。总体而言,此两种热处理状态下的复合材料高温蠕变变形机制均为受点阵扩散控制的位错攀移机制。
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