纳米SiC增强Al-Cu复合材料的制备及组织性能研究

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SiC颗粒增强铝基复合材料由于其高强度、良好的耐磨性和较高的弹性模量等特点受到了广泛的关注。作为增强体的SiC颗粒尺寸越小,分布越均匀,则增强效果越好,因此制备纳米SiC增强铝基复合材料成为一个重要的发展方向。但同时由于纳米颗粒较大的比表面积,及与铝合金熔体之间不良的润湿性等因素,降低了复合材料的性能,制约了其应用。为了获得有效地增强纳米SiC铝基复合材料的方法,本文采用自蔓延高温合成Al-Ti-C-SiC中间合金法和搅拌铸造法分别制备了SiC/Al复合材料,采用OM\SEM\EDS\DSC分析测试方法,研究了Al-5Ti-0.83C-xSiC中间合金对Al-4.8Cu合金组织性能影响规律,确定了最佳加入量;研究了搅拌工艺参数对纳米SiC/ZL205A复合材料组织性能影响规律,确定了最佳搅拌工艺;最后研究了石墨烯包覆纳米SiC/ZL205A复合材料的组织和性能影响规律。研究结果表明:(1)在Al-Ti-C-SiC自蔓延产物中随着SiC量的增加,TiC的量增加,Al3Ti的量逐渐减少。Al-Ti-C-SiC体系自蔓延产物中TiC颗粒的大小随着SiC质量分数的增加经历先减小再增加的过程,当SiC质量分数为5%时,TiC颗粒为1μm左右;SiC质量分数为10%时,大部分TiC颗粒为0.1μm;SiC质量分数为15%时,TiC粒径为0.50μm。(2)Al-5Ti-0.83C-xSiC中间合金对Al-4.8Cu有明显的细化效果,未添加中间合金的Al-4.8Cu合金的平均晶粒尺寸为268μm,添加中间合金后Al-4.8Cu的晶粒尺寸随着SiC含量的增加呈现先减小后增加的趋势,添加0.3%Al-5Ti-0.83C-0.66SiC晶粒尺寸为127μm,添加0.3%Al-5Ti-0.83C-1.39SiC时晶粒尺寸最小为103μm,添加0.3%Al-5Ti-0.83C-2.21SiC的晶粒尺寸增加到178μm。(3)在Al-4.8Cu中加入0.3%Al-5Ti-0.83C-xSiC的合金热处理(T5)后的硬度、抗拉强度和延伸率随着Al-5Ti-0.83C-xSiC中间合金中SiC含量的增加呈现先增加后减小的趋势。Al-4.8Cu中添加0.3%Al-5Ti-0.83C-1.39SiC的综合室温力学性能最佳,T5热处理后硬度为111HB,抗拉强度为378MPa,延伸率为19.8%,较未添加中间合金的Al-4.8Cu合金分别提高了9.9%、8.7%、17.66%和15.45%。(4)纳米SiC和Al粉的球磨经历均匀混合后扁平化、纳米SiC的弥散分布以及复合颗粒的破碎三个过程。SiC/Al复合粉末的最佳球磨工艺为球料比8:1,SiC质量分数为20%,球磨时间36h。(5)SiC/ZL205A复合材料铸态组织中θ相的形貌受搅拌速度和搅拌时间的影响,搅拌速度对固溶相的碎化作用明显,搅拌时间对固溶相的细化更有效;640℃下搅拌有利于SiC在基体中分散,减少团聚。ZL205A合金中,α-Al晶粒的平均尺寸为133μm;搅拌法制备的1%wt.SiC/ZL205A复合材料的晶粒度为110μm120μm。SiC/ZL205A复合材料的细化机制主要为SiC在枝晶和晶界富集阻碍晶粒生长。(6)研究结果表明最佳的制备工艺为:搅拌温度670℃、搅拌速度为450r/min、搅拌10min后除气。最佳搅拌工艺下SiC/ZL205A复合材料铸态硬度为65HB、T5热处理后硬度为130 HB、时效后抗拉强度497 MPa,较ZL205A分别提高了10.3%、7.85%和8.28%。(7)石墨烯包覆的纳米SiC颗粒在合金熔体中利用石墨烯的高导热系数,影响熔体与颗粒接触前沿微区内的温度场,改变颗粒与熔体前沿的接触距离,进而改变颗粒周围熔体的移动速度,最终实现熔体对颗粒的吞噬捕捉。与相同制备工艺下的未采用石墨烯包覆的纳米SiC/ZL205A复合材料相比,在铸态硬度、时效抗拉强度相差不大,而时效硬度和延伸率分别提高了14.5%和15.6%。
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