納米顆粒增強(qiáng)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(dòng)及分段多頻超聲振動(dòng)復(fù)合界面潤(rùn)濕反應(yīng)制備了納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。研究了納米顆粒含量對(duì)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(jī)制、晶粒細(xì)化機(jī)制及復(fù)合材料強(qiáng)化機(jī)制。對(duì)潤(rùn)濕反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，并研究了超聲時(shí)間及超聲溫度對(duì)復(fù)合材料組織的影響。相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)，通過(guò)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(jì)算結(jié)果揭示了潤(rùn)濕反應(yīng)在本實(shí)驗(yàn)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(rùn)濕劑的加入促進(jìn)了納米顆粒與基體熔體的潤(rùn)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?dú)w因于顆粒推移機(jī)制及異質(zhì)形核行為。相對(duì)于基體合金，在加入1.5 wt.％納米顆粒及1.0 wt.%潤(rùn)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(cuò)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(cuò)型強(qiáng)化及載荷在顆粒/基體界面的有效傳遞有關(guān)。除此之為，對(duì)復(fù)合材料的拉伸、壓縮斷口進(jìn)行了研究。
　　在顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的凝固過(guò)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(guò)實(shí)施鑄造實(shí)驗(yàn)，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(gè)用于計(jì)算界面推移納米顆粒的臨界界面速率的流體動(dòng)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(duì)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(dòng)力學(xué)模型發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)，意味著越小的納米顆粒更容易被界面吞沒，而非推移。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型完全吻合。結(jié)果顯示，局部溶體的成分過(guò)冷及顆粒后的溶質(zhì)堆積導(dǎo)致了胞狀

5、界面的生成。
　　對(duì)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(dòng)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(guò)這個(gè)技術(shù)，納米顆粒有效地分散在基體內(nèi)，同時(shí)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(duì)復(fù)合材料半固態(tài)組織的影響。同時(shí)也分析了第二相對(duì)微觀組織的影響。微觀結(jié)構(gòu)分析揭示，通過(guò)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(dòng)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(dòng)誘發(fā)的成分均勻性及潤(rùn)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(qiáng)化了異質(zhì)形核行為，進(jìn)而誘發(fā)初生α-Al晶粒過(guò)早析出。同時(shí)，討論了半固態(tài)組織的演變機(jī)制。
　　采用Glee

7、ble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)，對(duì)納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行半固態(tài)等溫壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了變形溫度、應(yīng)變速率及納米顆粒對(duì)復(fù)合材料等溫壓縮力學(xué)行為的影響。對(duì)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(jī)制。建立了納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料半固態(tài)模鍛成形的本構(gòu)模型?；趬嚎s實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸法對(duì)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(rùn)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(qiáng)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(rùn)滑作用改善。在變形過(guò)程中，試樣經(jīng)歷了強(qiáng)化、軟化及穩(wěn)態(tài)三個(gè)階段，分別為液相流、固液協(xié)同流動(dòng)及固相塑性變形機(jī)制。結(jié)果表明，通過(guò)本構(gòu)模型獲得的理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合程度較好。
　　基于復(fù)合材料的本構(gòu)方程，對(duì)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(duì)等效應(yīng)變、應(yīng)力場(chǎng)的影響。同時(shí)成功地實(shí)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(dòng)速率及保壓時(shí)間對(duì)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(chǎng)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(dòng)速率有利于改善半固態(tài)漿料的充型能力，而較長(zhǎng)的保壓時(shí)間能夠充滿