喷射沉积超高强铝基复合材料的组织及性能研究

采用喷射沉积技术研制铝基SiC复合材料,通过调整喷射沉积参数(雾化压力、扫描频率)和同轴送粉设备参数,研制出SiC均匀分布的直径为φ255 mm、高度为500 mm的喷射沉积铝基复合材料坯锭。微观组织结果表明,沉积坯锭晶粒均匀细小,无宏观偏析现象,晶粒平均尺寸为(17.3±4.7)μm,但部分晶粒之间存在微孔缺陷。SiC颗粒在基体中没有明显的富集,呈弥散分布,尺寸约5~20μm,且在SiC颗粒附近有微孔缺陷。经挤压处理、双极固溶处理、峰时效处理后,合金的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、弹性模量分别为650 MPa、600 MPa、6%、85 GPa,并且组织致密无微孔。

喷射沉积过共晶AlSiCuMg合金的时效行为和力学性能

利用扫描电镜(SEM+EBSD)、透射电镜(TEM)、硬度测试以及室温拉伸实验研究了喷射沉积过共晶AlSiCuMg合金的时效组织演变规律及力学性能。结果表明:随时效时间的延长,喷射沉积AlSiCuMg合金的硬度先增加后降低;随着时效温度的升高,合金硬度达到峰值所需时间分别为24 h(170℃)、2 h(185℃)和0.5 h(200℃)。合金经185℃时效0.5 h后,在位错处可观察到非均匀析出的细小针状θ″相。在(185℃,2 h)峰时效状态下,析出相包含细针状θ″相和点状Q′相,同时存在粗针状θ′相。峰时效硬度约为91HRB,比挤压态提高了近72%。合金经185℃时效28 h后,θ′相体积分数明显增加。合金经185℃时效48 h后,析出相演变为粗大的板条状θ相和方块状Q相;过剩Si相开始析出,同时在与入射轴垂直的晶面上观察到包围Si相的粗大盘片状富Cu相。合金经185℃时效56 h后,θ相和Q相演变为粗大椭球状。合金的硬度下降至约80HRB。喷射沉积AlSiCuMg合金的时效析出惯序为:过饱和固溶体→GP区→θ″+Q′→θ′+Q′→θ+Si+Q′→θ+Si+Q。合金的峰值时效强化效应来自细小θ″和Q′相对位错的阻碍作用。(185℃,2 h)峰时效态抗拉强度可达447 MPa。

预处理对喷射沉积Al-Cu-Li合金中Al_(3)Zr粒子析出及再结晶行为的影响

本文为探究如何调控喷射沉积Al-Cu-Li合金中Al_(3)Zr粒子的析出以及其析出机制,通过扫描电镜、透射电镜和电子背散射衍射研究了预处理对喷射沉积Al-Cu-Li合金中Al_(3)Zr粒子的析出行为及其对再结晶的影响。研究结果表明,喷射沉积Al-Cu-Li合金中Al_(3)Zr粒子存在分布不均匀,其粒子数量密度在Zr原子过饱和度高的晶内更高,在过饱和度低的晶界附近更低;晶界附近和晶内均存在局部无沉淀析出带,且晶界附近存在少量粒子线性团簇。在均匀化过程中Zr原子与位错攀移之间发生交互作用使得Al3Zr粒子析出。在均匀化前热变形预处理增加了基体中位错数量进而促进了Al_(3)Zr粒子析出,改善了粒子分布,抑制了局部无沉淀析出带。相比于(573 K/12 h)退火预处理和673 K下压缩10%预处理,673 K下压缩30%预处理试样中Al3Zr粒子密度更高,分布更均匀,尺寸更小。经过热压缩和固溶处理后,3种热压缩试样大角度晶界占比分别为30.3%、21.6%和17.3%。本研究将为喷射沉积Al-Cu-Li合金的研发提供依据。

多层喷射沉积规律

对多层喷射沉积规律进行了研究。结果表明，多层喷射沉积工艺的最佳沉积条件取决于喷射距离、基体和加热坩埚的运动速度、金属液体的过热温度以及气体与金属液体的质量比等工艺参数。多层喷射沉积工艺和传统的单次喷射沉积工艺相比，易于实现最佳沉积条件。

多层喷射沉积工艺

首先对多层喷射沉积工艺的发展及现状进行了简要评述。考虑到传统喷射沉积工艺的不足，著者发展了一种新的喷射沉积工艺。这种新的喷射沉积工艺的特点为：沉积方式为多层沉积，冷却方式为强制外冷和基体内水冷相结合。新工艺与传统工艺相比，具有喷射沉积物冷凝速度高，沉积物尺寸精度高，制备大型板、管坯时工艺简单等优点。著者采用新的喷射沉积工艺制得了耐热铝合金（Ａｌ－Ｆｅ－Ｖ－Ｓｉ系）ｄ＿内１５０ｍｍ×１８０ｍｍ×１０ｍｍ的管坯和５００ｍｍ×３５０ｍｍ×１０ｍｍ的板坯，坯块经过热轧后，获得良好的室温和高温力学性能。

多层喷射沉积技术的研究及进展

详细阐述了多层喷射沉积技术的产生及发展现状。多层喷射沉积技术与传统喷射沉积技术相比,在制备大型预成形坯件时冷却速度更大,工艺操作更简单,坯件表面精度更高。

喷射沉积技术

给出了喷射沉积的定义 ,简要介绍了喷射沉积技术的发展概况、基本原理、工艺控制过程及应用 。

多层喷射沉积的装置和原理

为了解决铝合金厚壁管坯、厚板坯和大直径圆锭坯的制备技术问题 ,提出了多层喷射沉积的概念 ,发明了多层喷射沉积技术和一系列装置 ,采用该装置制备出了规格为 Φ外 80 0 mm/ Φ内 3 6 0 mm× 12 0 0 mm,重达10 0 0 kg的耐热铝合金 (80 0 9)管坯 ,Φ70 0 mm× 12 0 0 mm的 6 0 6 6 Al/ Si Cp的复合材料圆柱锭坯 ,管、锭坯冷速达 10 4K/ s,经挤压后性能优异 .研究了多层喷射沉积的过程原理 ,结果表明 ,在多层喷射沉积工艺中 ,金属液滴的沉积轨迹、粘结方式、凝固规律以及工艺特点与传统喷射沉积技术有明显区别 ,多层喷射沉积装置是一种制备大尺寸快速凝固近形坯件的理想装置 .

喷射沉积高硅铝合金显微组织及形成机理

研究了喷射沉积Al 2 0 %Si及Al 30 %Si合金坯料的显微组织及形成机理。结果表明 ,两种合金的喷射沉积态组织为细小的团块状Si均匀地分布于基体α上 ,没有共晶组织出现。形成该组织特征的机理是由于在沉积阶段凝固过程中合金发生了离异共晶 ,在雾化阶段大的冷却速度下形成的大量Si相核心以及在沉积阶段相对较低的冷却速度为这一过程提供了动力学条件。通过自行设计的沉积阶段凝固的模拟实验 ,对这一机理进行了验证 ;另外 ,还对Si相的形态。

喷射沉积Al-Si-Fe-Cu-Mg合金的微观组织和力学行为

对喷射沉积技术制备的Al－Si－Fe－Cu－Mg合金沉积态、挤压态及挤压后热处理态的微观组织进行厂观察和分析，并对合金在后两种状态下的室温和高温拉伸性能进行了测试。

喷射沉积Al-30Si组织及其半固态保温转变规律

对喷射沉积Al- 30 %Si合金组织及其在半固态保温过程中的转变进行了试验研究 .喷射沉积Al-30 %Si合金沉积态组织是由细小的Si相与α基体组成 ,提出这种组织是由于离异共晶引起的 ,并运用该机制对组织中Si相的集聚进行了解释 ,认为其形成机制为 :其一 ,在沉积阶段凝固过程中大量细小的Si发生了粗化和团聚 ;其二 ,大量的Si在沉积时会发生碰撞而靠在一起 ,在随后的离异共晶凝固过程中 ,共晶硅附着在初生硅上从而将原来相互独立的Si联结在一起 .在半固态保温过程中 ,基体发生熔化而出现球形α ,而Si相则发生粗化 。

喷射沉积70%Si-Al合金电子封装材料的组织与性能

采用喷射沉积与热压相结合的方法制备电子封装用70%Si-Al合金坯料,采用扫描电镜和金相显微镜观察合金的显微组织。结果表明:采用喷射沉积与热压相结合的方法可获得直径为76.2mm、厚度为6mm的70%Si-Al合金样品;合金中初晶Si的长大受到抑制,初晶Si相的尺寸仅为20～50μm,分布均匀且形成连续骨架;Al相围绕Si相间隙呈连续网络分布,这种结构有利于提高材料热导率,降低其线膨胀系数;通过与后续热压相结合制备的70%Si-Al合金样品,其室温热导率达到110W/(m·K),400℃时线膨胀系数仅为9.6×10-6/K。

半固态喷射沉积TiC_p／7075铝合金的晶粒长大规律

采用原位反应喷射沉积法制备TiC_p／7075半固态铝合金坯料,在600℃保温10—60 min,研究半固态二次加热过程中合金的晶粒长大规律,并与喷射沉积7075铝合金进行对比分析,结果表明,添加原位TiC颗粒后,合金的晶粒长大指数由2增加到3,晶粒长大速率明显减慢,其原因是添加TiC颗粒后合金晶粒长大激活能增加1倍左右,使得合金的晶粒长大更加困难,显示出原位TiC颗粒对喷射沉积7075铝合金的晶粒长大具有显著的抑制作用。

大尺寸喷射沉积耐热铝合金管坯楔压致密化与力学性能

基于多道次局部小变形累积致整体成型的工艺思路,采用一种新型的楔形压制工艺,对大尺寸Al-Fe-V-Si耐热铝合金喷射沉积管坯进行有效致密化,压制出尺寸为douter330mm×dinner314mm×78mm及douter330mm×dinner312mm×113mm的力学性能良好、整体均匀致密、外形圆整的耐热铝合金管材,并对楔形压制的致密化规律及其合金的组织与性能进行研究。结果表明:不锈钢包套在楔形压制过程中可以适当增大静水压力,并改善管坯的温度均匀性,使管坯中的孔洞显著锻合,材料的有效承载面积增加,沉积坯中的弱界面和层状组织得到有效改善,从而使其成形性能得以提高;当楔形压制的变形程度为50.4%时,管坯的力学性能及相对密度由沉积态的σb=125MPa,δ=15%,82%分别提高到301MPa,9.3%及99.3%。该工艺适合于加工大尺寸多孔金属管坯,具有经济、实用的优点及较好的工业应用前景。

喷射沉积Al-5.5Cu/TiB_2自生复合材料的显微组织及性能

研究了采用喷射沉积工艺制得的Ａｌ５．５Ｃｕ／ＴｉＢ２（２０％）自生复合材料的沉积态及挤压态显微组织：沉积态组织细小，颗粒分布均匀，颗粒与基体界面结合良好，很少出现孔洞，原铸态自生组织中呈针片状的ＴｉＡｌ３相消失而呈颗粒状分布，析出相细小弥散；挤压态组织中孔洞基本弥合，纵向组织具有一定方向性，颗粒分布有些不均匀（有一定的条带）。力学性能测试结果表明：喷射沉积后的Ａｌ５．５Ｃｕ／ＴｉＢ２自生复合材料的抗拉强度比铸态提高约５０ＭＰａ，延伸率则提高５００％左右。

喷射沉积Al-5.5Cu/TiAl_3自生复合材料的微观组织及界面结构

采用喷射沉积工艺制备了Ａｌ５．５Ｃｕ／ＴｉＡｌ３自生复合材料，并对该材料的微观组织及界面结构进行了研究。观察表明ＴｉＡｌ３与αＡｌ基体之间存在（０２０）Ａｌ／／（００２）ＴｉＡｌ３，［００１］Ａｌ／／［１１０］ＴｉＡｌ３的位向关系，力学性能测试结果表明喷射沉积Ａｌ５．５Ｃｕ／ＴｉＡｌ３自生复合材料的抗拉强度较铸态的抗拉强度提高约１２％，延伸率提高４５０％，耐磨性则提高１５０％。

喷射沉积快速凝固材料的研究及应用概况

喷射沉积是一种新型的快速凝固技术,近年来广泛应用于研究和开发多种高性能快速凝固材料。简要介绍了喷射沉积技术的基本原理和特点,对其在快速凝固材料中的应用进行了综述。

喷射沉积5A06铝合金热压缩变形的流变应力行为

采用Gleeble-1500热模拟机对喷射沉积5A06铝合金进行等温热压缩实验，变形温度为300～500℃，应变速率为5×10^-4～5×10^-1s^-1，最大变形程度为50％。结果表明：喷射沉积5A06铝合金热压缩变形流变应力受变形温度和应变速率的强烈影响，可以用Zener-Hollomon参数的双曲正弦函数形式进行描述。在本研究条件下，喷射沉积5A06铝合金热压缩变形时的热变形激活能Q及应力指数n均随着应变的增加而减小。根据Zener-Hollomon本构方程得出的流变应力拟合值与实测值吻合较好。

喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备技术的发展

分析了喷射沉积成形颗粒增强金属基复合材料制备技术的研究现状。系统地介绍了原位反应喷射沉积成形过程中进行的各类反应。在总结国内外喷射沉积成形颗拉增强金属基复合材料制备技术优缺点的基础上,发展了熔铸-原位反应喷射沉积成形金属基复合材料制备新技术。

硅含量对喷射沉积SiC_p/Al-Si功能梯度复合材料摩擦磨损性能的影响

对喷射沉积技术制备的不同硅含量铝基功能梯度复合材料进行室温摩擦学性能研究。结果表明：当硅含量分别为7%、17%和20%时,SiCp/Al-Si功能梯度复合材料的摩擦因数随载荷或滑动速度（转速）的增加而减小;随着SiC颗粒含量的增加,摩擦因数呈增大趋势;随基体硅含量增加,摩擦因数越稳定。在转速300~500 r/min、700~900 r/min和载荷10~30 N、40~50 N时,磨损率随转速、载荷的增加而升高,随SiC颗粒含量的增加而降低,梯度变化明显;在转速500~700 r/min和载荷30~40 N时,随转速、载荷的增加,磨损率反而减小;随基体硅含量的增加,磨损率呈降低趋势,材料在摩擦过程中生成的机械混合层（MML）厚度呈减小趋势。