B-,4-C顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的制備及焊接性研究.pdf

1、現(xiàn)優(yōu)化研究了攪拌鑄造及粉末冶金制備工藝參數(shù)對B4CP/2024Al復(fù)合材料組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響規(guī)律，確立了輕質(zhì)高強(qiáng)B4CP/Al基復(fù)合材料穩(wěn)定可行的制備工藝；對多種焊接工藝對復(fù)合材料焊接性及其組織與性能之間內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，并通過X射線衍射分析，金相顯微鏡，掃描電鏡，電子探針，透射電鏡等分析手段系統(tǒng)全面的研究了復(fù)合材料組織演變、界面特性與性能之間的關(guān)系，主要研究結(jié)果表明： 攪拌鑄造法制備的B4CP/Al基復(fù)合材料拉

2、伸強(qiáng)度通常低于基體合金強(qiáng)度，其原因在于，通過優(yōu)化的攪拌鑄造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)體顆粒均勻分布于基體之中，但由于增強(qiáng)體B4CP顆粒與Al 基體發(fā)生的界面反應(yīng)造成復(fù)合材料強(qiáng)度及延伸率均低于基體合金。通過采用粉末冶金復(fù)合工藝，不僅可以避免增強(qiáng)體與基體的化學(xué)反應(yīng)，同時可制備高性能B4CP/Al基復(fù)合材料。其中，經(jīng)優(yōu)化后粉末冶金工藝制備的10vol％B4CP/Al基復(fù)合材料，拉伸強(qiáng)度可達(dá)548.4MPa，延伸率為9.24％，其延伸率與基體合金延伸率接

3、近；在延伸率高于4％條件下，24vol％B4CP/Al基復(fù)合材料強(qiáng)度可達(dá)626MPa。B4CP/Al基復(fù)合材料比強(qiáng)度、比模量明顯高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料（鋼與鈦合金），優(yōu)于相同體積份數(shù)的SiCP/Al基復(fù)合材料（比強(qiáng)度和比模量分別高出20％和5％）。通過對相同體積分?jǐn)?shù)的B4CP/Al基復(fù)合材料與SiCP/Al基復(fù)合材料微觀組織及斷裂特征研究發(fā)現(xiàn)，B4CP/Al基復(fù)合材料在拉伸變形過程中沒有發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)體的破裂或界面脫粘現(xiàn)象，其變形與斷裂受基體韌窩的

4、產(chǎn)生、擴(kuò)展控制。而SiCP/Al基復(fù)合材料的斷裂與SiC 顆粒的破裂有密切關(guān)聯(lián)。 B4CP/Al基復(fù)合材料制備過程中，B4C顆粒表面氧化生成的B2O3 與基體合金內(nèi)Mg 元素反應(yīng)生成MgO，后者的形成促進(jìn)界面結(jié)合，同時氧化后的B4C顆粒由尖角狀變?yōu)閳A滑狀，緩解了界面處應(yīng)力集中狀況；而包含層錯等晶體缺陷的SiC顆?；蚺c擠壓態(tài)復(fù)合材料中與增強(qiáng)體顆粒尺寸相近的Al20Cu2Mn3顆粒，當(dāng)應(yīng)力水平超過一定程度時，造成顆粒破裂，導(dǎo)致復(fù)合材

5、料失效。 對粉末冶金法制備的B4CP/Al基復(fù)合材料進(jìn)行鎢極氬弧焊（Tungsten Inert Gaswelding，TIG）研究時發(fā)現(xiàn)，焊道內(nèi)存在大量的針狀產(chǎn)物與焊接氣孔是造成接頭性能差的主要原因。通過對復(fù)合材料TIG焊前進(jìn)行真空除氣處理可以明顯降低B4CP/Al基復(fù)合材料焊道內(nèi)氣孔數(shù)量，接頭拉伸強(qiáng)度不足100MPa。針對TIG焊條件下B4C與Al存在較強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)趨勢的特性，研究了在熔池內(nèi)添加含鈦鋁合金Al-10Ti和高銅鋁

6、合金焊絲ER2319對形成的接頭組織、力學(xué)性能及熔池行為的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)焊道內(nèi)添加Al-10Ti可以生成TiC覆蓋于B4C表面，TiB顆粒彌散地分布于焊道之中，表面包裹TiC的B4C顆粒在焊道內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的分布，最終所形成的接頭拉伸強(qiáng)度可提高至234MPa。向復(fù)合材料焊道添加ER2319進(jìn)行TIG焊后，所形成的接頭室溫拉伸強(qiáng)度為233.2MPa，均為未添加填充金屬焊接接頭強(qiáng)度的2.5倍以上。對添加ER2319焊絲的復(fù)合材料接頭進(jìn)行T

7、6處理后進(jìn)行拉伸發(fā)現(xiàn)，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)370MPa，為焊前復(fù)合材料母材強(qiáng)度有效率的70％以上，是提高B4CP/Al基復(fù)合材料TIG焊焊接性的有效途徑。通過進(jìn)一步研究表明：TIG焊接過程中，利用填充金屬優(yōu)先與增強(qiáng)體顆粒發(fā)生作用誘發(fā)原位化學(xué)反應(yīng)，可以在增強(qiáng)體表面形成保護(hù)層，該保護(hù)層的存在不僅抑制增強(qiáng)體不被熔融鋁侵蝕產(chǎn)生有害針狀產(chǎn)物，同時原位產(chǎn)生的保護(hù)層（如TiC）與Al液的潤濕角降低至118°(700℃)，而900℃下B4C與Al的潤濕角仍然

8、高達(dá)135°，從而改善焊后凝固組織，減少焊接氣孔數(shù)目，促進(jìn)增強(qiáng)體顆粒的均勻分布。由于激光焊接過程中復(fù)合材料的吸熱機(jī)制不同于TIG焊，陶瓷B4C材料優(yōu)先吸熱并在鋁液中分解產(chǎn)生B原子及C原子，在隨后的凝固過程中分別與Al結(jié)合生成AlB12和Al4C3化合物。 針對B4CP/Al基復(fù)合材料的焊接特性，通過選擇不同材質(zhì)的攪拌頭研究了攪拌摩擦焊接技術(shù)（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）過程中復(fù)合材料接頭形成規(guī)律及材料流動

9、特性。H13鋼材攪拌頭對24vol％B4CP/Al基復(fù)合材料施焊后，在焊道表面形成類似撕裂的缺陷，焊道內(nèi)產(chǎn)生隧道型缺陷，Lazy S線等焊接缺陷，上述缺陷的產(chǎn)生與FSW 過程中攪拌頭螺紋部分的劇烈磨損從而導(dǎo)致材料的不完全流動有關(guān)。GT35攪拌頭工具基本可以實(shí)現(xiàn)對上述24vol％B4CP/Al基復(fù)合材料無缺陷對接。對上述接頭截面增強(qiáng)體顆粒的分布進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，焊道兩側(cè)增強(qiáng)體分布相當(dāng)均勻，無團(tuán)聚現(xiàn)象發(fā)生。焊核中心晶粒尺寸1-2mm，為典型的再

10、結(jié)晶組織。無缺陷FSW 復(fù)合材料接頭拉伸強(qiáng)度有效率均超過90％，其中10vol％B4CP/Al基復(fù)合材料接頭強(qiáng)度511MPa，24vol％B4Cp/Al基復(fù)合材料接頭強(qiáng)度575MPa，延伸率分別為9％和3.6％。接頭拉伸斷裂位置在熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)之間，熱影響區(qū)受到熱循環(huán)作用促使Al20Cu2Mn3顆粒長大，致使熱影響區(qū)成為接頭薄弱環(huán)節(jié)。 通過對復(fù)合材料/鋁合金異種材料FSW對接，研究FSW過程中材料的流動規(guī)律，結(jié)果表明：復(fù)合