不同尺度TiC_p增强Al-Cu基复合材料的室温、高温力学行为

发布时间：2020-07-13 09:22

【摘要】：颗粒增强铝基复合材料因具有高比强度、高比模量、低密度、优异的耐磨性和较低的制造成本等优点,在汽车、航空航天等领域有着广阔的应用前景。颗粒的尺寸对铝基复合材料的性能有显著的影响。微米颗粒可以提高基体的强度和耐磨性,但通常会降低基体的塑性。纳米颗粒具有优于微米颗粒的强化效果,并且可以同时提高基体的强度和塑性,但是颗粒含量较高时易发生团聚,从而限制了纳米颗粒增强铝基复合材料强塑性的提高。如果将微米颗粒和纳米颗粒同时加入到基体中,有望同时发挥不同尺寸颗粒的优势,进一步提高复合材料的力学性能。根据颗粒增强体来源不同,颗粒可以分为外加颗粒和内生颗粒。与外加颗粒相比,内生颗粒具有表面无污染,与基体界面结合强度高,在基体中分散相对均匀等特点。然而,目前关于不同尺度(微米、纳米、微米+纳米)内生颗粒增强铸造铝基复合材料的力学性能及强化机制的研究较少。特别是关于微米+纳米双尺寸内生颗粒对铸造铝合金高温拉伸性能和蠕变行为的影响规律和作用机制研究更少。因此,研究不同尺度(微米、纳米、微米+纳米)内生颗粒对铸造铝合金的室温、高温力学行为的影响规律和作用机制,将为进一步提高颗粒增强铸造铝基复合材料的室温、高温力学性能和拓展其应用范围提供理论与技术支撑。本文以Al-Ti-C/CNTs体系自蔓延高温合成反应制备的内生微米TiC_p-Al和内生纳米TiC_p-Al两种铝基复合材料作为中间合金,成功地铸造出单一尺寸(微米或纳米)以及双尺寸(微米+纳米)TiC_p/Al-Cu复合材料。研究了不同尺度(微米、纳米、微米+纳米)内生TiC_p对铸造Al-Cu合金的室温、高温拉伸性能和蠕变行为的影响规律及作用机制。揭示出不同尺度(微米、纳米、微米+纳米)TiC_p/Al-Cu复合材料室温、高温强化机制和抗高温蠕变性能提高的机制。具体结论如下:1)揭示出微米、纳米单一尺寸和微米+纳米双尺寸TiC_p的加入使Al-Cu合金中的α-Al晶粒和θ′析出相的尺寸均得到明显细化。TiC_p可以作为α-Al结晶过程中的有效异质形核核心,细化α-Al晶粒。在T6热处理的固溶过程中,α-Al晶粒尺寸越小,在晶界处的Al_2Cu相分解后的Cu原子向α-Al晶内的扩散距离越短,Cu原子在晶内分布越均匀。在时效时可以析出尺寸更小、数量更多、分布更均匀的θ′析出相。不同尺度TiC_p对α-Al晶粒和θ′析出相细化效果由高到低的顺序为:微米+纳米双尺寸TiC_p→单一纳米TiC_p→单一微米TiC_p。2)揭示出微米+纳米双尺寸和纳米、微米单一尺寸TiC_p的加入使Al-Cu合金的室温、高温(453 K和493 K)强塑性显著提高。不同尺度TiC_p对Al-Cu合金室温、高温强塑性的提升效果由高到低顺序为:微米+纳米双尺寸TiC_p→单一纳米TiC_p→单一微米TiC_p。M-1.0+N-0.3 TiC_p/Al-Cu复合材料具有较高的强度和最高的断裂应变。在室温下,其屈服强度、抗拉强度和断裂应变分别为363 MPa、541 MPa和17.5%,分别比Al-Cu基体合金(307 MPa、472 MPa、7.5%)提高56 MPa、69 MPa和10.0%。在493 K温度下,其屈服强度、抗拉强度、断裂应变分别为261 MPa、314 MPa、17.0%,分别比N-0.3 TiC_p/Al-Cu和M-1.0 TiC_p/Al-Cu复合材料提高27 MPa、31 MPa、5.1%和34MPa、35 MPa、6.4%;比Al-Cu基体合金(210 MPa、241 MPa、6.2%)提高51 MPa、73 MPa、10.8%。3)揭示出微米TiC_p/Al-Cu复合材料在室温下的主要强化机制是细晶强化、析出强化和微米TiC_p的载荷传递强化;纳米TiC_p/Al-Cu复合材料的主要强化机制是细晶强化、析出强化和纳米TiC_p的Orowan强化。微米+纳米双尺寸TiC_p/Al-Cu复合材料的强化机制是细晶强化、析出强化、纳米TiC_p的Orowan强化和微米TiC_p的载荷传递强化。4)揭示出在高温拉伸后,复合材料和Al-Cu基体合金中的θ′析出相平均直径由小到大的顺序为:M-1.0+N-0.3 TiC_p/Al-Cu→N-0.3 TiC_p/Al-Cu→M-1.0 TiC_p/Al-Cu→Al-Cu基体合金。微米、纳米、微米+纳米双尺寸TiC_p/Al-Cu复合材料在高温下的主要强化机制分别为:微米TiC_p/Al-Cu复合材料为θ′析出相强化和微米TiC_p的载荷传递强化及钉扎晶界强化;纳米TiC_p/Al-Cu复合材料为纳米TiC_p强化和θ′析出相强化;微米+纳米双尺寸TiC_p/Al-Cu复合材料为纳米TiC_p强化、θ′析出相强化、微米TiC_p的载荷传递强化和钉扎晶界强化。5)揭示出在453 K和493 K温度下应变速率由1×10~(-4) s~(-1)升高到1×10~(-2) s~(-1),Al-Cu基体合金和TiC_p/Al-Cu复合材料的屈服强度、抗拉强度和断裂应变逐渐升高。在相同温度和应变速率下,复合材料的强度和塑性均显著高于Al-Cu基体合金。Al-Cu基体合金和复合材料在高温拉伸时的应变速率越低,高温停留时间越长,θ′析出相粗化越显著。但在相同温度和应变速率下,复合材料中的θ′析出相尺寸小于Al-Cu基体合金。6)揭示出在453-493 K温度和120-200 MPa外加应力作用下,Al-Cu基体合金和复合材料的蠕变门槛应力由大到小的顺序为:M-1.0+N-0.3 TiC_p/Al-Cu→N-0.3 TiC_p/Al-Cu→M-1.0 TiC_p/Al-Cu→Al-Cu基体合金。M-1.0+N-0.3 TiC_p/Al-Cu复合材料具有最低的稳态蠕变速率,分别是Al-Cu基体合金的1/38至1/10,M-1.0 TiC_p/Al-Cu复合材料的1/6至1/4和N-0.3 TiC_p/Al-Cu复合材料的1/4至1/3。因此,与单一尺寸TiC_p/Al-Cu复合材料相比,微米+纳米双尺寸TiC_p/Al-Cu复合材料具有更好的抗蠕变性能。7)揭示出Al-Cu基体合金和不同尺度TiC_p/Al-Cu复合材料的蠕变机制均为位错攀移机制。纳米Ti C_p/Al-Cu复合材料的抗蠕变性能高于Al-Cu基体合金的机制为:纳米TiC_p强化和θ′析出相强化。微米+纳米双尺寸TiC_p/Al-Cu复合材料的抗蠕变性能优于微米、纳米单一尺寸TiC_p/Al-Cu复合材料的机制为:更加细小的θ′析出相的析出强化、纳米TiC_p强化和微米TiC_p的钉扎晶界强化以及载荷传递强化。本论文通过对比不同尺度(微米、纳米、微米+纳米)TiC_p/Al-Cu复合材料的室温、高温力学行为,揭示出微米+纳米双尺寸颗粒增强体与微米、纳米单一尺寸颗粒增强体相比具有更好的强化效果,可以进一步提高复合材料的室温、高温强塑性和抗蠕变性能。为开发出具有优异室温、高温力学性能的颗粒增强铸造铝基复合材料提供了实验依据、技术和理论参考。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB333
【图文】：

均匀分布,浸渗法,气压,喷射沉积

图 1.1 气压浸渗法装置示意图[74]The schematic diagram of gas pressure infiltration a沉积法的基本原理是利用喷射技术将熔融的基体金属雾化成动，同时将具有一定动量的颗粒增强体均匀连续地加使颗粒增强体和熔融的基体金属共同沉积到基板上，沉积坯[76]。Srivastava 等人[77]通过喷射沉积法成功制备iCp增强 Al2014 复合材料，并揭示出 SiCp在 Al2014 基基体合金相比有所提升。Si 等人[3]通过自制喷射沉积 16 wt%微米 SiCp增强 Al7055 复合材料。他们所制备寸为 16 μm，低于用同种方法制备的 Al7055 基体合金p在基体中均匀分布，没有观察到颗粒团聚现象；室温比 Al7055 基体合金提高了 4.74%。喷射沉积法综合了备出的颗粒增强金属基复合材料晶粒细小，颗粒分布均

均匀分布,喷射沉积,颗粒增强体,基体合金

沉积法的基本原理是利用喷射技术将熔融的基体金属雾化成动，同时将具有一定动量的颗粒增强体均匀连续地加使颗粒增强体和熔融的基体金属共同沉积到基板上，沉积坯[76]。Srivastava 等人[77]通过喷射沉积法成功制备iCp增强 Al2014 复合材料，并揭示出 SiCp在 Al2014 基基体合金相比有所提升。Si 等人[3]通过自制喷射沉积 16 wt%微米 SiCp增强 Al7055 复合材料。他们所制备寸为 16 μm，低于用同种方法制备的 Al7055 基体合金p在基体中均匀分布，没有观察到颗粒团聚现象；室温比 Al7055 基体合金提高了 4.74%。喷射沉积法综合了备出的颗粒增强金属基复合材料晶粒细小，颗粒分布均反应的出现，但是气孔率较大，需要进行后续加工。

示意图,接触反应法,复合材料,工艺

吉林大学博士学位论文体合金的103μm细化到14μm，显微硬度和抗拉强度分别由基体合金的6Pa 提高到 122 HV、287 MPa。接触反应法和熔体直接反应法以现有的铸，在基体熔体中直接生成颗粒增强体，因此可以制备出尺寸较大、形状复零件。但是制备过程中熔液温度较高，可能造成氧化、吸气以及合金烧损

【参考文献】