大尺寸7075-SiCp復(fù)合材料的噴射共沉積制備技術(shù)及后續(xù)加工問題研究.pdf

1、大型、特大型的高性能鋁合金及鋁基復(fù)合材料在宇航、列車、國(guó)防及民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，噴射(共)沉積技術(shù)是制備此類材料的有效方法之一。但國(guó)際上現(xiàn)有的噴射沉積技術(shù)難以制備大尺寸和特大尺寸的快速凝固坯件，為了解決大尺寸快速凝固材料坯件的制各問題，作者設(shè)計(jì)出了新型的噴射沉積裝置，研究了技術(shù)原理，結(jié)合一項(xiàng)國(guó)家“十五”攻關(guān)項(xiàng)目對(duì)噴射共沉積7075/SiCp復(fù)合材料的制備工藝、沉積坯的致密化和熱處理工藝規(guī)律、材料組織性能以及復(fù)合材料的摩擦磨損性能等進(jìn)

2、行了研究。得到如下主要結(jié)論：1.在分析傳統(tǒng)噴射沉積技術(shù)局限性的基礎(chǔ)上，根據(jù)陳振華教授提出了新型噴射沉積裝置的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)制造了大尺寸管坯和圓柱錠坯的制備裝置，研究和分析了裝置的工作原理，確定了設(shè)備的主要參數(shù)和工藝參數(shù)；制備出了φ800×1400×300mm的鋁合金管坯、φ3300×2900×200mm的鋁合金環(huán)件、直徑達(dá)φ1000mm的鋁合金錠坯和φ630×800mm的7075/SiCp(15vol％)的復(fù)合材料錠坯；復(fù)合材料沉積錠坯

3、的組織均勻、晶粒微細(xì)、SiC顆粒的分布均勻。 2.研究了噴射共沉積復(fù)合材料錠坯的致密化問題。采用熱模擬試驗(yàn)研究了7075/SiCp復(fù)合材料在高溫壓縮時(shí)的成形性能和材料微觀組織特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)沉積坯進(jìn)行潤(rùn)滑、在420℃以小于0.01s-1的變形速率壓縮時(shí)復(fù)合材料具有良好的成形性能。 結(jié)合熱模擬試驗(yàn)結(jié)果，在YJ32-315A四柱液壓機(jī)和1250T臥式擠壓機(jī)上研究了噴射共沉積復(fù)合材料坯件的擠壓成形性能。研究了擠壓材料中的

4、SiC顆粒的分布與流動(dòng)規(guī)律、材料的組織性能。擠壓成形實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明噴射共沉積材料具有良好的塑性成形性能，擠壓對(duì)噴射共沉積坯的首要作用是致密化，擠壓后材料致密度達(dá)到97.5％，沉積坯件中出現(xiàn)的層界面和孔洞經(jīng)過擠壓后基本消失；擠壓態(tài)材料基本保持了噴射共沉積坯細(xì)小的晶粒組織，但SiC顆粒沿?cái)D壓方向形成了流線；σs=349.4MPa、σb=468.2MPa、δ=10.2％。根據(jù)以上擠壓工藝，采用φ630×800mm的7075/SiCp噴射共沉積錠

5、坯在12500T擠壓機(jī)上成功的擠壓出了330×125×6000mm的復(fù)合材料厚板材。 研究了鋁基復(fù)合材料的軋制工藝規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合材料沉積坯直接軋制成形時(shí)成品率極低，沉積坯擠壓后再軋制成形時(shí)的成品率明顯提高；軋制方式對(duì)板材成形性能和力學(xué)性能有顯著影響，沿平行于擠壓方向軋制時(shí)更有利于材料的成形，采用交叉軋制方式時(shí)板材的成形性能較好；多道次小變形量的軋制變形制度有利于提高板材的成形率；SiC顆粒在軋制過程中有明顯的破碎和圓角

6、化趨勢(shì)；7075/SiCp復(fù)合材料軋制薄板的性能如下：σs=518.8MPa、σb=584.36MPa、δ=1.41％。 3.7075為典型的時(shí)效強(qiáng)化型合金，本文全面研究了噴射共沉積7075/SiCp擠壓材料和擠壓+軋制材料的熱處理工藝、微觀組織以及力學(xué)性能。 7075/SiCp復(fù)合材料擠壓棒材的最佳固溶溫度為455℃，固溶時(shí)間為30min。SiC增強(qiáng)相使復(fù)合材料的時(shí)效速度加快，與鑄造態(tài)和噴射沉積7075合金擠壓棒材相比

7、，噴射共沉積7075/SiCp復(fù)合材料擠壓棒材的固溶溫度較低，固溶時(shí)間較短，而固溶后的硬度較高。但是復(fù)合材料峰值時(shí)效的強(qiáng)度和延伸率與噴射沉積7075基體合金相比有一定程度的降低。采用上述熱處理工藝后，7075/SiCp復(fù)合材料的性能如下：(1)T6態(tài)：σs=479.1MPa，σb=660.7MPa，δ=3.3％；(2)455℃固溶+24℃/120h+120℃/15h時(shí)效處理σs=485.2MPaσb=663.8MPaδ=1.2％；707

8、5/SiCp復(fù)合材料軋制薄板經(jīng)過460℃固溶和120℃/20h峰值時(shí)效后，材料的力學(xué)性能明顯提高，薄板的最佳性能為：σs=536.17MPaσb=670.22MPaδ=3.95％； 4.7075/SiCp復(fù)合材料軋制態(tài)薄板的時(shí)效析出強(qiáng)化相為η相(Mg2Zn3)和T相(AlMg4Zn11)。7075/SiCp復(fù)合材料軋制態(tài)薄板熱處理后的強(qiáng)化機(jī)制是沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及SiC顆粒強(qiáng)化的綜合效果，且主要強(qiáng)化機(jī)制是沉淀強(qiáng)化。7075/Si

9、Cp復(fù)合材料在拉伸時(shí)，SiC顆粒一方面能夠承擔(dān)部分載荷，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和裂紋擴(kuò)展，使復(fù)合材料強(qiáng)度提高；另一方面SiC顆粒/基體界面的高應(yīng)力引起微裂紋的產(chǎn)生，降低了材料的強(qiáng)度和延伸率。7075/SiCp復(fù)合材料強(qiáng)度低于基體合金強(qiáng)度的原因主要與SiC顆粒附近基體應(yīng)力集中、SiC顆粒斷裂和SiC顆粒與基體界面結(jié)合強(qiáng)度較低等有關(guān)。 噴射共沉積7075/SiCp復(fù)合材料擠壓棒材的斷裂模型主要有兩種，即SiC顆粒斷裂模型和界面脫粘模型的共同作

10、用。噴射共沉積復(fù)合材料經(jīng)過擠壓并軋制后，由于SiC顆粒在顆粒/基體界面的高應(yīng)力引起微裂紋的產(chǎn)生，引起二者從界面處脫粘，使材料的斷裂模型主要表現(xiàn)為界面的脫粘模型和基體斷裂。 5.研究了噴射共沉積7075/SiCp復(fù)合材料在擠壓并熱處理后的摩擦磨損性能。顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的摩擦磨損過程非常復(fù)雜，與工況條件、配副材料的種類和基體的成分組織等因素有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明隨SiC含量的增加，復(fù)合材料的耐磨性提高；隨著外加載荷的增大，7075/

11、SiCp復(fù)合材料與基體合金的磨損量均增大，但復(fù)合材料磨損量的增大幅度遠(yuǎn)比基體合金的??；在復(fù)合材料的磨損過程中，由于SiC顆粒起支撐作用，使復(fù)合材料的摩擦系數(shù)高于基體合金的摩擦系數(shù)。 7075合金在干摩擦條件下的磨損機(jī)制以嚴(yán)重的犁削和粘著磨損為主，而7075/SiCp復(fù)合材料在干摩擦條件下的磨損機(jī)制以輕微的犁削和氧化磨損為主。在潤(rùn)滑條件下，7075/SiCp復(fù)合材料的磨面平整，隨著復(fù)合材料中SiC含量的增加，犁削痕跡變細(xì)變淺；在跑