汽车轮毂用亚微米级碳化硅增强A356.2铝基复合材料制备及性能研究

发布时间：2020-06-10 05:43

【摘要】：随着航空航天,导弹系统,汽车等行业的迅速发展,对材料的要求越来越高,铝基复合材料具备比强度高、比模量高、膨胀系数低和尺寸稳定性好等优点,成为最具发展潜力的一类复合材料。本文以A356.2铸造铝合金为研究对象,通过非均相沉淀的方法对亚微米级碳化硅进行表面改性,并系统地研究了氢氟酸浓度、铜离子浓度、锌粉加入速率及碳化硅粒径对碳化硅表面镀铜形貌的影响并优化了镀铜工艺。采取半固态搅拌工艺制备SiC/A356.2铝基复合材料,研究了碳化硅镀铜形貌对复合材料的静态拉伸性能、冲击性能、硬度、时效硬化规律及耐蚀性的影响,探讨铝基复合材料微观结构和性能的相关性、非均质形核机理以及时效硬化规律,旨在获得综合性能优异的SiC/A356.2铝基复合材料,为A356.2铝基复合材料的应用提供相应的理论支持,结论如下:随着氢氟酸浓度的增加,碳化硅表面粗糙度相应增加,溶液中的铜离子在表面粗糙度较大的区域内形核长大。当加入速率为3.2g/s时,会出现铜离子的自发形核,在溶液中形成树枝状的铜颗粒;当加入速率为0.32g/s时,则能够成功制备铜包附碳化硅的结构。碳化硅粒径的大小对碳化硅镀铜形貌也有影响,粒径为50nm的碳化硅经过20%HF溶液清洗后,其棱边处的粗糙度要高于碳化硅表面,使得铜离子优先包裹在碳化硅的棱边处;粒径为1μm的碳化硅由于粒径太大,铜离子不能够完全包裹;粒径为500nm的碳化硅经过20%HF酸洗后,铜离子可以均匀的包裹碳化硅。随着碳化硅添加量的增加,SiC/A356.2铝基复合材料的抗拉强度和屈服强度呈现先升高后下降的趋势。当碳化硅添加量为0.5wt.%时,抗拉强度和屈服强度分别达到了365.6MPa和283.9MPa,与未添加碳化硅的A356.2铝合金相比,提高了40.6%和19.5%。冲击吸收功和冲击韧性分别达到2.8J和3.89J/cm~2与未添加的A356.2铝合金相比,提高了40.00%和47.91%。SiC/A356.2铝基复合材料的拉伸断裂方式是准解理断裂,随着碳化硅的加入,其韧窝逐渐变浅,韧窝的密度下降。冲击断裂的方式为塑性断裂和脆性断裂相结合的断裂方式,碳化硅的加入使得冲击韧窝的排列由不规则韧窝转变为较为规则的条状韧窝。未添加碳化硅的A356.2铝基复合材料的硅相分布较集中,随着添加量的增加,硅相越来越均匀弥散的分布在α-Al基体中。这是由于硅相倾向于二维成核机制,在碳化硅表面上更容易形成连贯或者半连贯的平面并且碳化硅与硅相比,导热系数又大于硅,为硅相的成核提供了一定的过冷度。所以,硅会在碳化硅上优先形核长大,碳化硅分布越均匀,A356.2铝基复合材料的硅相分布越均匀。但是当添加0.7wt.%和1.0wt.%碳化硅时,硅相又分布集中,经过热处理的A356.2铝基复合材料的硅相与铸态相比形貌明显球化、棱角钝化,长针状、板条状的硅相基本消失且硅相的尺寸明显减小。碳化硅的加入使得SiC/A356.2铝基复合材料到达峰时效的时间缩短,加快了时效硬化的速率。时效硬化曲线表明,当添加量为0.5wt.%时的A356.2铝基复合材料的最佳时效工艺为180℃/4h,硬度达到118.2HB,与未添加的相比,提高了14.8%。SiC/A356.2铝基复合材料的的时效析出相顺序为Co-clusters→GP zone→pre-β''→β''→β'→βphase(Mg_2Si),峰时效的强化相主要是pre-β''、β''和β'的相互作用,碳化硅的加入使得基体中出现热错配应力,导致了碳化硅周围产生位错,强化了A356.2铝基复合材料。碳化硅的加入使得SiC/A356.2铝基复合材料在3.5%NaCl溶液中的耐点蚀性下降,主要表现为钝化区间的缩短以及腐蚀电流密度的增加。随着碳化硅添加量的增加,其点蚀电位逐渐负移动。但是当添加0.7wt.%和1.0wt.%碳化硅时,其点蚀电位又会发生正向移动,这是因为碳化硅添加量较多,在基体中发生团聚造成基体中碳化硅和铝相结合的界面少,而点蚀主要是发生在界面处,界面少材料越耐点蚀。SiC/A356.2铝基复合材料在时效的过程中,随着时效时间的延长,复合材料的耐点蚀性也逐渐下降,主要表现为钝化区间的缩短和腐蚀表面点蚀坑的出现,点蚀坑的深度和面积也随着时效时间的增加而逐渐加深和扩大。
【图文】：

二元相图,二元相图,共晶点

l-Ti-C 变质[3]、Al-P 变质[4]和稀土变质[5]等。目前，工业生产金的性能，主要方法就是改善粗大的硅相，使其分布更加弥散合金还可以加入硬质的增强颗粒来进一步细化晶粒，例如 A9,10]和 B4C[11]等。因此，如何获得细小晶粒，如何对铝硅合金未来发展的关键也是国内外研究开发的共同方向。1 铝硅相图中可以看出，室温条件下的 Al-Si 二元合金存在着α 相代表硅溶于铝中的固溶体，β 相代表铝溶于硅的固溶体为 0.05%，铝和硅在 577℃发生共晶反应。已有研究表明[12]，量为 3%时，晶粒尺寸最小，当硅含量超过 3%时，，Al-Si 合金含量的增加而增加，硅含量为 12.6%的 Al-Si 合金具有较好的于共晶点的凝固区间变宽，处于共晶点的 Al-Si 合金的界面平动的阻碍减小，提高了 Al-Si 合金的流动性进而提高了铸造

示意图,位错,第二相粒子,示意图

图 1.2 位错绕过第二相粒子的示意图[27]运动中的位错与第二相粒子相遇时，位错会缠绕粒子并产生曲折现象应力的增加，位错线受阻碍的地方的曲率半径越大，从而导致粒子周围交，于是正的位错和负的位错就会相互抵消，形成位错环，未形成位错会继续按照应力加载方向进行移动，位错按照此方式运动所受到的阻碍据 Orowan 位错绕过强化理论，位错弯曲到半径为 R 的曲率时所需要的：=2Gb R（1-为基体合金的剪切模量，b为基体合金的布氏矢量，R为位错的曲率半径率半径为2λ时所需要的切应力为：
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】