【摘 要】
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颗粒增强铝基复合材料(PRAMCs)以其高比强度、高比模量、高导热、低膨胀、耐热、耐磨等优点,在航空航天、交通运输、武器装备等领域具有广阔的应用前景。其中B4C/Al复合材料以其低密度、高强度、高中子吸收能力、高导热性等特性,是理想的轻质结构材料和中子吸收材料。然而,同其它颗粒增强体金属基复合材料一样,陶瓷增强体和基体之间的热膨胀系数失配和弹性模量失配,不可避免的将基体分割为近界面的位错强化区和远
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颗粒增强铝基复合材料(PRAMCs)以其高比强度、高比模量、高导热、低膨胀、耐热、耐磨等优点,在航空航天、交通运输、武器装备等领域具有广阔的应用前景。其中B4C/Al复合材料以其低密度、高强度、高中子吸收能力、高导热性等特性,是理想的轻质结构材料和中子吸收材料。然而,同其它颗粒增强体金属基复合材料一样,陶瓷增强体和基体之间的热膨胀系数失配和弹性模量失配,不可避免的将基体分割为近界面的位错强化区和远界面的未强化区,造成受力变形过程中基体微区协同变形难而产生应变局域化、大幅降低塑韧性。此外,由于陶瓷增强体润湿性差、Al熔体表面氧化膜阻碍增强体引入、以及陶瓷增强体易与Al反应生成有害相,制约了低成本“熔体搅拌法”制备B4C/Al复合材料的推广应用。针对上述科学技术问题,本研究提出通过原位自生的方法,在复合材料基体中未强化微区引入纳米ZrB2颗粒,实现近界面的位错强化区和远界面的纳米颗粒强化区协同变形的学术思想,采用声磁场调控“熔体搅拌法”,在Al熔体中引入B4C增强体的过程中,添加K2Zr F6来破坏Al熔体表面的氧化膜、实现B4C增强体与Al熔体的有效复合,并使熔体中的Zr元素过量、与B4C增强体反应生成浸润性良好的界面层、促进B4C增强体的均匀分散并抑制其与Al熔体反应生成有害相,来制备高强韧的(ZrB2+B4C)/Al复合材料。B4C-Al复合界面研究表明:得益于引入B4C增强体的过程中添加K2Zr F6破坏熔体表面氧化膜并引入Zr元素,所制备的B4C/Al复合材料增强体表面被一层连续而致密得富含Zr的界面层所包裹,相组成和微结构分析显示界面层是由ZrB2和Zr C构成,厚度约为200-350 nm。该浸润性良好的界面层有效改善了B4C增强体的浸润性,并阻止了B4C与Al熔体的进一步反应,使所制备的复合材料中B4C与Al基体的结合更加紧密,并极大地提高了复合材料的力学性能。(ZrB2+B4C)/Al复合材料的组织性能分析表明:通过声磁场调控“熔体搅拌法”制备的(ZrB2+B4C)/Al复合材料,相较于传统机械搅拌法制备的复合材料组织性能更具优势,电磁/超声场可以促进原位纳米ZrB2颗粒的合成、抑制Al3Zr的生成、改善ZrB2和B4C颗粒均匀分布、提高复合材料的力学性能。其中,随着纳米ZrB2颗粒含量的增加复合材料的抗拉强度增加,但是延伸率出现先增加后降低的现象,当ZrB2颗粒含量达为0.5vol.%时复合材料的综合性能最好,抗拉强度和延伸率分别为161 MPa和13.8%。复合材料延伸率先升高后降低的主要原因是,由于纳米ZrB2颗粒高的比表面能使其趋于团聚,当纳米ZrB2颗粒含量达到0.5vol.%时颗粒团聚明显,导致应力集中加剧降低材料的韧性。(ZrB2+B4C)/AA6016复合材料热挤压态的组织和性能研究表明:(ZrB2+B4C)/AA6016复合材料经过热挤压后增强体颗粒的分布明显改变,挤压变形使纳米ZrB2颗粒团簇破碎,由原来的团絮状向沿挤压方向的纤维状分布。T6热处理后基体呈现明显的动态再结晶组织,其中再结晶晶粒优先在ZrB2颗粒附近形核并长大。随着ZrB2颗粒含量的提高,分布在ZrB2颗粒附近的再结晶晶粒更加细小,{111}织构也不断增多。挤压使复合材料的力学性能显著提升,其中(1vol.%ZrB2+10vol.%B4C)/AA6016复合材料的综合力学性能最好,抗拉强度达到391 MPa,延长率达到11.8%。
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