納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備及其半固態(tài)模鍛成形研究.pdf

1、分別借助分段多頻超聲振動及分段多頻超聲振動復(fù)合界面潤濕反應(yīng)制備了納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料。研究了納米顆粒含量對復(fù)合材料的組織及力學(xué)性能的影響。分析了納米顆粒分散機制、晶粒細(xì)化機制及復(fù)合材料強化機制。對潤濕反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，并研究了超聲時間及超聲溫度對復(fù)合材料組織的影響。相對于傳統(tǒng)技術(shù)，通過這些新穎的方法，納米顆粒能夠有效地分散在基體內(nèi)。微觀研究結(jié)果顯示，納米顆粒的加入導(dǎo)致了基體晶粒細(xì)化，復(fù)合材料最終的微觀組織依賴于納米顆粒聚集的程度及

2、聚集體的主要尺寸。熱力學(xué)計算結(jié)果揭示了潤濕反應(yīng)在本實驗條件下可以自發(fā)進(jìn)行。超聲分散及其產(chǎn)生的疲勞破壞是引起納米顆粒有效分散的主要原因。而潤濕劑的加入促進(jìn)了納米顆粒與基體熔體的潤濕，進(jìn)而改善納米顆粒在熔體內(nèi)的分散。晶粒細(xì)化主要歸因于顆粒推移機制及異質(zhì)形核行為。相對于基體合金，在加入1.5 wt.％納米顆粒及1.0 wt.%潤濕劑，800℃下制備的復(fù)合材料的拉伸、抗壓及硬度有很大的提高。TEM分析顯示，在晶粒內(nèi)存在高密度位錯及潔凈納米顆粒/

3、基體界面，意味著復(fù)合材料力學(xué)性能的改善與基體合金的位錯型強化及載荷在顆粒/基體界面的有效傳遞有關(guān)。除此之為，對復(fù)合材料的拉伸、壓縮斷口進(jìn)行了研究。
　　在顆粒增強復(fù)合材料的凝固過程中，凝固前沿與懸浮顆粒發(fā)生相互作用。納米顆粒被凝固前沿吞沒或被推移至固/液界面。通過實施鑄造實驗，研究了納米顆粒在基體中的分散及聚集程度與合金微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。建立了一個用于計算界面推移納米顆粒的臨界界面速率的流體動力學(xué)模型。除此之外，討論了分布在固/液界

4、面前沿的納米顆粒對界面形貌的影響。微觀組織分析結(jié)果顯示，復(fù)合材料晶粒的大小與納米顆粒及納米顆粒團(tuán)聚體在基體內(nèi)的分布有關(guān)?；诮⒌牧黧w動力學(xué)模型發(fā)現(xiàn)，對于顆粒尺寸小于顆粒臨界尺寸的36%（r＜0.36r*=0.9973μm）的納米顆粒，其顆粒推移的臨界界面速率要比穩(wěn)態(tài)推移微米顆粒所需的臨界界面速率低4個數(shù)量級，意味著越小的納米顆粒更容易被界面吞沒，而非推移。實驗數(shù)據(jù)與模型完全吻合。結(jié)果顯示，局部溶體的成分過冷及顆粒后的溶質(zhì)堆積導(dǎo)致了胞狀

5、界面的生成。
　　對于半固態(tài)模鍛成形，具有適當(dāng)液相份數(shù)且含有細(xì)小球狀晶粒的微觀組織是必需的。在本研究中，采用超聲振動和顆粒誘發(fā)技術(shù)制備了適合短流程半固態(tài)模鍛成形的復(fù)合材料半固態(tài)漿料。通過這個技術(shù)，納米顆粒有效地分散在基體內(nèi)，同時能夠獲得細(xì)小且分布均勻的球狀半固態(tài)組織。研究了冷卻速率、超聲溫度范圍及超聲功率對復(fù)合材料半固態(tài)組織的影響。同時也分析了第二相對微觀組織的影響。微觀結(jié)構(gòu)分析揭示，通過以10℃/min的冷卻速率，在700℃-6

6、20℃范圍內(nèi)施加1 kW的超聲振動能夠獲得良好的半固態(tài)組織，其中固相率、固相顆粒的平均尺寸及外形因素分別為0.715、73μm和0.84。超聲振動誘發(fā)的成分均勻性及潤濕劑的引入導(dǎo)致了納米尺寸Al7Cu2Fe及MgAl2O4相的生成?；赥EM分析及物相晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些硬質(zhì)相與α-Al有良好的晶體學(xué)取向關(guān)系，意味著合金中強化了異質(zhì)形核行為，進(jìn)而誘發(fā)初生α-Al晶粒過早析出。同時，討論了半固態(tài)組織的演變機制。
　　采用Glee

7、ble-3500熱模擬試驗機，對納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料進(jìn)行半固態(tài)等溫壓縮實驗，研究了變形溫度、應(yīng)變速率及納米顆粒對復(fù)合材料等溫壓縮力學(xué)行為的影響。對復(fù)合材料壓縮斷口進(jìn)行研究，并討論了復(fù)合材料的變形機制。建立了納米顆粒增強鋁基復(fù)合材料半固態(tài)模鍛成形的本構(gòu)模型。基于壓縮實驗數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸法對本構(gòu)模型的系數(shù)進(jìn)行求解。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著變形溫度的提高及應(yīng)變速率的減少，峰值及穩(wěn)態(tài)應(yīng)力減少。固相顆粒間液相的潤滑作用是導(dǎo)致變形抗力減少的主要原因

8、。隨著納米顆粒含量的增加及粒徑的減少，峰值及穩(wěn)態(tài)應(yīng)力增大，細(xì)小且均勻分布的納米顆粒的增強效應(yīng)顯著。斷口分析表明，高溫或高應(yīng)變速率能夠促使液相沿晶界連續(xù)分布，進(jìn)而在固相顆粒表面形成一薄層液相膜，最終導(dǎo)致潤滑作用改善。在變形過程中，試樣經(jīng)歷了強化、軟化及穩(wěn)態(tài)三個階段，分別為液相流、固液協(xié)同流動及固相塑性變形機制。結(jié)果表明，通過本構(gòu)模型獲得的理論數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)擬合程度較好。
　　基于復(fù)合材料的本構(gòu)方程，對其半固態(tài)模鍛成形進(jìn)行了數(shù)值模擬。

9、分析了半固態(tài)坯料的量、成形溫度及成形速率對等效應(yīng)變、應(yīng)力場的影響。同時成功地實施了十字軸零件的短流程半固態(tài)模鍛成形。討論了成形溫度、下模移動速率及保壓時間對零件充型行為的影響?；跀?shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較高的成形速率及成形溫度下，坯料能夠獲得均勻分布的等效應(yīng)力應(yīng)變場及較低的最大成形力，而適量的半固態(tài)坯料有利于提高成形件的完全充型能力。半固態(tài)模鍛成形結(jié)果表明，較高的成形溫度和下模移動速率有利于改善半固態(tài)漿料的充型能力，而較長的保壓時間能夠充滿