纳米碳/铝复合材料强韧化研究现状及展望

以碳纳米管、石墨烯为代表的超高性能纳米碳,具有优越的力、热、电等综合性能,是复合材料的理想增强体,以纳米碳为强化相少量加入到铝中,有望开发出高强、高模、低热膨胀的复合材料,并使复合材料保持轻质、易加工等特性,在航空、航天、国防等领域具有重大的应用前景,因而以纳米碳/铝为代表的新一代铝基复合材料备受关注。然而,碳纳米管等纳米碳易团聚,与铝等大多数金属并不浸润,且容易分布在晶界上诱导显著的晶粒细化,使得复合材料的强韧性等关键性能指标提升困难,或者使强度提高的同时使塑韧性下降显著,限制了其工程应用潜力。综述近年来国内外研究者在纳米碳/铝复合材料强韧化方面的策略和方法,包括纳米碳分散、界面和构型调控等,以期推动新一代轻质高强纳米碳/铝复合材料的发展,支撑国家未来重大工程应用。

热处理对激光粉末床熔融AlSi10Mg合金热物理性能的影响

采用激光粉末床熔融(laser powder bed fusion,LPBF)法成功制备AlSi10Mg合金样品,研究130℃/4 h时效处理、236℃/10 h退火处理和540℃/1 h固溶处理三种热处理工艺对AlSi10Mg合金样品的微观组织的影响,以及热处理后AlSi10Mg合金在室温~400℃的温度范围内热膨胀系数和热导率演变规律。结果表明:时效处理后铝基体中析出球状的Si颗粒,仍然保留完整的网状共晶硅组织;退火后,网状共晶硅完全消失,球化Si颗粒均匀分布在基体中;固溶处理后出现大的块状Si颗粒,尺寸在1~3μm;经过热处理之后AlSi10Mg合金的热物理性能均优于打印态。退火处理后的合金样品在室温到400℃的热膨胀系数为1.64×10^(−5)~2.1×10^(−5)℃^(−1),平均热导率为179.6 W·m^(−1)·K^(−1),性能优于时效处理和固溶处理。

颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形有限元模拟

目的建立可靠的模拟方法,以更高效地预测颗粒增强铝基复合材料(PRAMC)粉末热等静压中的形状变化和不同部位致密度的差异,解决传统实验试错方法适用性差且费时费力的问题,满足批量应用的需求。方法以45%(体积分数)SiCp/6092Al复合材料为研究对象,构建了能预测粉末热等静压成形过程的有限元模型。使用Gurson-Tvergard-Needleman(GTN)模型作为粉末本构模型,建立了粉末尺度的代表性体积单元(RVE)对GTN模型进行修正。结果通过对比GTN模型计算结果与实验结果,发现修正后的GTN模型能更准确地预测模型的最终变形尺寸,与修正前相比,相对误差降低了1.6%~2.9%。使用修正后的GTN模型对杯形回转体零件的热等静压成形过程进行预测,最终形状的计算结果与实验结果的相对误差仅为0.2%~3.1%,致密度分布的相对误差在0.5%以内。在探究包套厚度对热等静压过程的影响时发现,随着包套厚度的增大,热等静压过程中的屏蔽作用增强,内部粉体致密度下降。结论为PRAMC热等静压近终形制备的形状和致密度控制问题提供了有限元预测工具,辅助优化了热等静压工艺和包套设计,降低了颗粒增强铝基复合材料热等静压近净成形过程开发的试错成本。

双模CNT/Al复合材料变形过程的代表性体积单元模拟

目的研究双模CNT/Al复合材料在塑性加工过程中的微观结构演变行为。方法通过ABAQUS/Python二次开发,对双模CNT/Al复合材料代表性体积单元(RVE)进行参数化建模,并基于显式动力学求解器和欧拉-拉格朗日耦合技术,对双模CNT/Al复合材料RVE模型的单向压缩过程和挤压过程进行数值模拟分析。结果单向压缩模拟结果显示,结构心部异质区两侧的等效塑性应变较大,结构边缘基体区域的等效塑性应变相对较小;最大等效应力位于结构边角处的基体区域,而结构心部异质区的等效应力则相对较小。通过对异质区材料和形态的影响规律进行分析发现,当异质区为粗晶材料时,其变形后的形态更趋于扁平,而当异质区为细晶材料时,其变形后的形态更接近椭圆。通过挤压过程的模拟,实现了对变形过程中双模组织结构变化的分析,模拟结果显示,材料表面与模具贴合良好,异质区随变形的进行被不断拉长,部分异质区由于拉伸程度过大,甚至出现了分离的情况。结论提出的模拟方法为双模CNT/Al复合材料的挤压变形工艺设计和变形后组织结构预测提供了有效手段。

基于代表性体积单元的双模铝基复合材料性能拟实研究

目的研究双模铝基复合材料连续区(Continuous Region,CR)和非连续区(Discontinuous Region,DR)力学性能对材料整体力学性能的影响规律,以深入了解双模铝基复合材料的强韧化机理。方法基于Abaqus模拟软件,以双模CNT/Al为研究对象,建立了构型尺度的代表性体积单元(RVE)模型,采用GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型来描述双模CNT/Al中CR和DR的变形力学行为,通过定义力学性能参数来简化描述CR和DR复杂的力学性能。针对双模CNT/Al的CR和DR,分别设定力学性能参数HC和HD,并进行一系列的拉伸载荷模拟,研究HC和HD对双模复合材料整体力学性能的影响规律。通过与真实双模CNT/Al的力学性能进行对比,得到双模CNT/Al中CR和DR力学性能与均匀材料力学性能的差异,最后对双模CNT/Al在变形过程中的应力分布情况和断裂后的形貌进行分析。结果当HC小于4时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而下降;当HC大于5时,双模CNT/Al的抗拉强度随HD的增大而增大;双模CNT/Al的屈服强度随着HD和HC的增大而增大,延伸率随着HD和HC的增大而降低。当HD或HC一定时,在HC=HD时,模型材料的延伸率最大。典型双模CNT/Al由“粗晶铝合金+CNT/超细晶Al复合材料”构成,与均匀结构的粗晶铝合金相比,其构型中粗晶铝合金的强度显著提升、塑韧性显著下降;与均匀结构的CNT/超细晶Al相比,其构型中的CNT/超细晶Al复合材料的强度小幅降低、塑韧性小幅提升。当HD大于HC时,裂纹优先在DR产生;当HD小于HC时,裂纹优先在CR区产生;当HD和HC接近时,裂纹产生的区域更加分散。结论建立了一种双模铝基复合材料的有限元模型,从数值上说明了双模CNT/Al复合材料微区与均匀材料的力学性能存在显著差异,为双模铝基复合材料的设计提供了参考。

无压烧结温度对15%SiC/2009Al复合材料微观组织与力学性能的影响

针对传统粉末冶金工艺制备成本高、制备效率低等问题,采用冷等静压结合无压烧结及热挤压工艺制备15%(体积分数,下同)SiC/2009Al复合材料。研究不同烧结温度(600,620,640℃)对15%SiC/2009Al复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明:在600℃下烧结,SiC与基体间的结合差,微观下可观察到较多的大尺寸孔隙,材料的致密度低,力学性能差;在640℃高温下烧结,坯锭产生大量液相,并溢出到坯锭表面,造成心部合金元素下降,此外,640℃会引发强烈的界面反应,生成较多大尺寸脆性相,成为材料断裂过程中的裂纹源,导致材料性能下降;620℃为最佳烧结温度,产生较多的液相能填充坯锭中的部分孔隙,进而提高材料致密度以及界面结合强度,复合材料的强度和塑性均取得最佳值,抗拉强度与屈服强度分别达到505,345 MPa,伸长率达到7.2%。

淬火冷却方式及宏观取向对Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能的影响

以7050铝合金为研究对象,研究热处理状态(空冷时效与水冷时效)和宏观取向(与轧制方向成0°,45°,90°)耦合作用对合金力学性能的影响。结果表明:水冷时效态的样品中析出相细小均匀弥散,晶界无析出带较窄。在空冷时效态下,过饱和的溶质不仅会以半共格的Al3Zr为核心形成粗大析出相,还会沿位错大量析出。此外,与水冷时效态相比,空冷时效态晶界相尺寸大幅增加,晶界无析出带显著宽化,不同宏观取向样品的强度和伸长率都明显下降。宏观取向对两种状态样品强度的差值影响较小,但对伸长率的差值影响较大。当拉伸方向与轧制方向成45°方向时,空冷诱导的伸长率下降幅度最小;当拉伸方向与轧制方向成90°时,下降幅度最大。

原位生长TiB_2增强Al复合材料的研究

将纯Al,Ti,B粉进行真空热压反应烧结,成功地制备了原位生长TiB_2增强Al复合材料。生成的TiB_2具有亚微尺寸,基本无点阵缺陷。这种复合材料具有高的室温强度和模量,以及良好的高温性能。

原位TiB晶须和TiC颗粒复合增强Ti复合材料的压缩性能及微观结构

采用反应热压方法制备了原位TiB晶须和TiC颗粒复合增强钛复合材料,对复合材料进行了高温压缩试验,对变形前后的微观结构进行了分析.在350～650℃温度范围内,复合材料的强度均明显高于钛基体.原位增强相与钛基体具有良好的界面结合,压缩变形后在钛基体中产生大量的形变孪晶.

弥散质点和SiC颗粒复合强化Al基复合材料 Ⅰ．制备和微观结构

采用纯Ａｌ粉、Ｃ粉和ＳｉＣ颗粒进行机械合金化和热处理，经冷压实后直接进行热挤压，成功地制备了Ａｌ_４Ｃ_３、Ａｌ_２Ｏ_３弥散质点不和ＳｉＣ颗粒复合强化Ａｌ复会材料．金相显微镜、透射电镜和高分辨电镜观察表明，ＳｉＣ颗粒与Ａｌ基体具有较好界面结合，其在基体中分布的均匀性受基体粉末特性的影响Ａｌ_２Ｏ_３含量较低且尺寸细小，Ｘ射线衍射和透镜分析难以确定．Ａｌ_４Ｃ_３为尺寸细小（直径约０．０２μｍ，长度约０．２μｍ）的棒状单晶体，与Ａｌ基体没有固定的取向关系，界面结合良好，无中间过渡层．

晶须增强Al－8．5Fe－1．3V－1．7Si复合材料及晶须增强效果的评价

采用粉末冶金法在较高的温度下制备了ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４和Ａｌ_（１８）Ｂ_４Ｏ_（３３）晶须增强Ａｌ－８．５Ｆｅ－１．３Ｖ－１．７Ｓｉ耐热铝合金复合材料，山于采用不含Ｍｇ的基体避免了Ａｌ_（１８）Ｂ_４Ｏ_（３３）晶须界面上出现界面反应和Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＣ晶须界面上出现的界面生成物，所以所有晶须界面都是清洁的．加入晶须可以明显提高材料的强度和模量，三种晶须的增强效果依次为ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４和Ａｌ_（１８）Ｂ_４Ｏ_（３３）．这类复合材料的强度随温度的升高呈线性下降。

铝基复合材料焊接的研究现状与展望

介绍了铝基复合材料几种典型的熔化焊、钎焊、固相焊接方法。从焊接的特点,所面临的问题等方面介绍了这几种焊接方法的研究进展,并重点介绍了目前最受关注的搅拌摩擦焊接技术在铝基复合材料中的研究进展。最后展望了这些焊接方法的发展前景。

Al_2O_3,TiB_2粒子增强铝基复合材料的动态压缩性能和高温蠕变性能

对ＴｉＯ２－Ａｌ－Ｂ和ＴｉＯ２－Ａｌ－Ｂ２Ｏ３体系制备的两种Ａｌ２Ｏ３和ＴｉＢ２原位粒子增强铝基复合材料进行了动态压缩试验和高温拉伸蠕变试验．动态压缩试验表明，随着应变速率的提高，复合材料的强度和初始加工硬化率明显增加．然而，复合材料中含有的条状Ａｌ３Ｔｉ对复合材料的动态机械响应基本没有影响．透射电镜观察表明，在高应变速率下两种复合材料强度和初始加工硬化率的明显提高可由复合材料基体中位错密度的显著增加来解释．高温蠕变试验表明，两种复合材料均表现出高的显态应力指数和蠕变激活能．复合材料中含有的Ａｌ３Ｔｉ对蠕变速率的应力依赖性（应力指数）基本没有影响，对复合材料的蠕变抗力亦无明显的降低作用．然而Ａｌ３Ｔｉ提高了复合材料蠕变速率的温度依赖性（蠕变激活能）．在引入门槛应力后，两种复合材料的蠕变数据均可由微观结构不变模型来解释．

原位Al_2O_3和TiB_2粒子增强Al-Cu合金基复合材料的制备和性能

由ＴｉＯ２ＡｌＢＣｕＯ体系制备了原位Ａｌ２Ｏ３和ＴｉＢ２粒子增强Ａｌ３．２％Ｃｕ和Ａｌ６．０％Ｃｕ合金基复合材料。Ｘ射线衍射分析表明，在两种复合材料中均有Ａｌ２Ｏ３和ＴｉＢ２生成，没有发现Ａｌ３Ｔｉ相产生。原位生成的Ａｌ２Ｏ３和ＴｉＢ２粒子为尺寸小于２μｍ的等轴状粒子，在Ａｌ基体中均匀分布。室温拉伸试验表明两种ＡｌＣｕ合金基原位复合材料具有很高的强度，并且随着基体合金中Ｃｕ含量的增加复合材料的强度增加。动态压缩试验表明，这种ＡｌＣｕ合金基原位复合材料的强度对应变速率是不敏感的，这可由不同应变速率变形后的复合材料基体中位错密度大致相同来解释。高温压缩蠕变试验表明，两种复合材料均表现出高的显态应力指数。随基体合金中Ｃｕ含量的增加复合材料的蠕变抗力明显提高。

SiCp／2024Al复合材料拉伸断裂过程的SEM研究

对粉末冶金法制备的２０μｍＳｉＣ颗粒增强２０２４Ａｌ复合材料进行了动态拉伸试验。试验表明，在比较低的应力下就有ＳｉＣ颗粒产生开裂，大量ＳｉＣ颗粒开裂造成的材料累积损伤导致复合材料的最终断裂，从复合材料的强化机制和力学计算对试验结果给出了解释。

弥散质点和SiC颗粒复合强化Al基复合材料 Ⅱ．性能和断裂特征

对机械合金化制备的Ａｌ_４Ｃ_３、Ａｌ_２Ｏ_３弥散质点和ＳｉＣ颗粒复合强化Ａｌ基复合材料进行了拉伸试验和断口分析，并测定了弹性模量和热膨胀系数．研究表明，在ＳｉＣ_ｐ／Ａｌ复合材料中引入弥散的Ａｌ_４Ｃ_３和Ａｌ_２Ｏ_３质点可以明显提高复合材料的室温和高温强度，随加入Ｃ含量的增加或Ａｌ粉氧化时间的加长，复合材料的强度提高．在Ａｌ_４Ｃ_３／Ａｌ复合材料的基础上加入ＳｉＣ颗粒可以提高复合材料的弹性模量并进一步降低其热膨胀系数．复合材料断口为大韧窝加细小韧窝的混合断口，随复合材料基体强度的增加，拉伸断口上断裂的ＳｉＣ颗粒数量增多．

碳化硅颗粒增强2124Al复合材料特性研究

本文对粉末冶金法制备的SiCp/2124Al复合材料进行了不同温度的拉伸试验和物理性能测试,对并其时效析出特性和磨损性能进行了研究。结果表明,这种复合材料不仅具有高的室温强度、模量和低的热膨胀系数,而且表现出良好的高、低温性能和抗磨损性能。SiC颗粒加入铝合金显著加速了其时效析出过程。

Ti形态对原位生长陶瓷粒子增强Al复合材料微观结构的影响

采用Ｔｉ－Ａｌ－Ｂ和ＴｉＯ２－Ａｌ－Ｂ两个体系利用反应热压方法制备了原位ＴｉＢ２粒子增强Ａｌ（ＴｉＢ２／Ａｌ）和原位Ａｌ２Ｏ３，ＴｉＢ２粒子复合增强Ａｌ（Ａｌ２Ｏ３．ＴｉＢ２／Ａｌ）两种复合材料，研究表明，对于Ｔｉ－Ａｌ－Ｂ体系，除ＴｉＢ２外还有一定量的尺寸可达几十微米的Ａｌ３Ｔｉ生成，原位形成的ＴｉＢ２大部分为０．１－５０μｍ的块状粒子，此外还有少量长宽比大于４的棒状ＴｉＢ２．对于ＴｉＯ２－Ａｌ－Ｂ体系，基本上没有Ａｌ３Ｔｉ生成，原位形成的Ａｌ２Ｏ３和ＴｉＢ２为００５－２０μｍ的近似等轴状的粒子．对两种复合材料差异的微观结构给出了解释．

TiO_2－Al－B系反应烧结制备的复相陶瓷和原位Al基复合材料

采用反应烧结方法，利用ＴｉＯ２，Ａｌ和Ｂ粉末间的放热反应在较低的温度下制备Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＢ２复相陶瓷和原位生长Ａｌ２Ｏ３和ＴｉＢ２弥散粒子增强Ａｌ复合材料Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＢ２复相陶瓷是密度ρ～０．８的多孔体，由尺寸约１０μｍ的生长单元构成晶粒，在陶瓷中还含有少量的Ａｌ３Ｔｉ．Ａｌ基复合材料中原位形成的Ａｌ２Ｏ３和ＴｉＢ２粒子尺寸小于２μｍ，在基体中呈现均匀分布，没有发现Ａｌ３Ｔｉ生成．这种原位Ａｌ基复合材料具有优于ＳｉＣｗ／Ａｌ复合材料的强度．

SiCp／Al－Li复合材料的微观结构性能、及断裂特征

本文对粉末冶金法制备的ＳｉＣｐ／Ａｌ－Ｌｉ复合材料进行了不同温度的拉伸试验和透射电镜分析，结果表明，该复合材料具有高的室温强度和低的延伸率。在复合材料基体晶界和ＳｉＣ颗粒界面处均存在一定宽度的无沉淀带。微裂纹常在基体晶界和ＳｉＣ颗粒界面处形成。复合材料的断裂形貌为韧窝加沿晶断裂。