混杂颗粒增强Ni基复合材料的冲蚀磨损性能研究

煤炭开采、石油化工等极端工况条件下的机械装备对部分关键零部件材料的磨损性能提出了更高要求。本研究设计制备了大尺寸氧化锆颗粒(ZTAp)承载与小尺寸碳化钨颗粒(WCp)强化基体相结合的混杂颗粒增强金属基复合材料,研究了介质、冲蚀角度、ZTAp尺寸、WCp含量对复合材料冲蚀磨损性能的影响及其机理。结果表明,适量ZTAp、WCp的添加能够显著提高复合材料的抗冲蚀磨损性能。固定体积分数的ZTA颗粒,尺寸越大,复合材料冲蚀磨损性能越好,其主要失效形式为脆性剥落和疲劳断裂。WC颗粒通过第二相增强、固溶强化以及析出强化的方式,提高了基体的硬度和耐磨性,抑制了酸性介质中腐蚀与磨损的交互作用,冲蚀过程中主要失效形式为脆性断裂剥落。

单相或混杂颗粒增强铝基复合材料的原位制备技术

以TiB_2/Al及TiB_2+Mg_2Si/Al铝基复合材料为例,探讨单相或混杂颗粒增强铝基复合材料的原位制备技术及混杂增强的优势。结合混合盐反应法与熔铸法成功地制备出体积分数5%TiB_2+10%Mg_2Si/Al混杂颗粒增强复合材料,并对其进行组织分析和性能检测。结果表明:TiB_2颗粒能够作为Mg_2Si相的优质异质形核基底从而有效地细化并均匀化Mg_2Si相,Mg_2Si共晶胞尺寸从50μm细化至10μm以下;在晶界区域团聚的TiB_2颗粒被Mg_2Si相打散而较均匀地分布,二者形成相互优化趋势;TiB_2+Mg_2Si/Al的屈服强度和抗拉强度较TiB_2/Al分别提升了88%和45%。

微纳米混杂颗粒增强铝基复合材料的设计与研究进展

传统颗粒增强铝基复合材料主要是通过添加单一的微米或纳米颗粒作为增强相来改善铝基复合材料的性能。微米颗粒能显著提高铝基复合材料强度、硬度和耐磨性,但塑韧性却大幅下降;而纳米颗粒在提高强度的同时能够保持较好的塑韧性,但由于纳米颗粒的比表面能大,易团聚,制备高体积分数的颗粒增强铝基复合材料比较困难,因此传统铝基复合材料在高科技领域的应用受到一定的限制。为了解决复合材料发展的瓶颈,采用微纳米混杂颗粒增强的设计思路,充分发挥各自增强相的优势和耦合效应,制备出了高性能的混杂颗粒增强铝基复合材料。本文综述了微纳米混杂颗粒增强铝基复合材料设计思路、强化机制及制备技术等方面的研究现状,指出微纳米混杂颗粒增强铝基复合材料存在的问题,并展望了未来的发展方向及需要解决的问题。

微/纳米双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料的制备工艺

采用粉末真空热压烧结机,将微米尺度的SiC颗粒、Al-Si合金基体粉末与反应剂CuO粉末混合后加热到一定温度,使CuO与Al发生原位反应,生成纳米尺度的Al2O3颗粒,然后冷却、热压,制得(微米SiC+纳米Al2O3)/Al-Si双尺度混杂颗粒增强铝基复合材料,并对复合材料进行热处理强化。研究了不同的原位反应加热温度、热压温度、热压压力对复合材料组织、硬度及磨损性能的影响。结果表明,采用微米SiC及纳米Al2O3混杂颗粒强化、热压强化、热处理强化等强化后制备的铝基复合材料具有较高的硬度及耐磨性。原位反应加热温度为620℃、热压温度510℃、热压压力3MPa时,复合材料试样组织细小致密,硬度及耐磨性最好,复合材料的磨损机制主要为磨粒磨损。

原位反应剂质量分数对复合强化法制备混杂颗粒增强铝基复合材料的影响

采用纳米颗粒强化、热压强化等多种方式相结合的复合强化法,以Al-Si系合金为基体、纳米级CuO颗粒为原位反应剂,外加微米SiC颗粒制备多尺度混杂颗粒增强铝基复合材料,并对其组织形貌进行表征,研究CuO质量分数对其硬度和耐磨性的影响.结果表明:所得复合材料的组织为共晶组织(α+Si)+SiC颗粒+AlCu3颗粒,且随着CuO质量分数的增加,共晶组织的α晶粒和点状Si变得更加细小.当CuO质量分数为3.0%,即试样配方为3.0%CuO+15.0%SiC+82.0%Al-Si时,复合材料的硬度最大,为88.8 HB,比基体硬度(51.8 HB)提高了71.4%;同时,复合材料的磨损量最低,为0.0030 g,且耐磨性最好,相对耐磨性为2.93%,是基体耐磨性的2.93倍.

原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料的性能研究

针对传统铝合金无法满足工业和民用中对高强高导铝合金需求的问题,开发一种提升铝合金表面硬度且保证其导电导热性能的新型铝基复合材料。通过机械合金化法制备了Al-TiO_(2)-B混合粉末,采用放热弥散结合接触反应技术成功原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料,探究了原始粉末Al-TiO_(2)-B体系反应生成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)颗粒混杂增强铝基复合材料的反应机理及反应温度对原位反应的影响,分析了铝基复合材料的微观组织形貌以及表面显微硬度和导电导热性能。XRD分析结果表明,反应温度达到1100℃保温200 min后,原始粉末Al-TiO_(2)-B体系中的TiO_(2)和B粉末完全反应,并且在反应过程中B粉抑制了中间产物Al3Ti和AlB2的生成,最终原位生成为Al_(2)O_(3)和TiB_(2)颗粒混杂增强的铝基复合材料。显微组织观察表明,在铝基体中原位生成了TiB_(2)颗粒(直径小于1μm)和Al_(2)O_(3)颗粒(粒径约为2μm),且铝基复合材料表面组织均匀致密。原位合成Al_(2)O_(3)/TiB_(2)混杂颗粒增强铝基复合材料的电导率为46.1%IACS,热导率约为198.5 W·m-1·K-1,显微硬度较传统A356铝合金的68 HV提升至76 HV,新型原位合成铝基复合材料在保证导电导热性能的前提下提升了铝基复合材料的显微硬度。

基于神经网络的混杂SiC颗粒增强铝基复合材料力学性能预测

目的提高混杂SiC颗粒增强铝基复合材料的韧性,利用卷积神经网络预测其力学性能,以得到力学性能关键因素的影响规律。方法首先,通过实验得到了铝基复合材料的力学性能数据。其次,基于相场裂纹扩展本构,采用Python代码批量生成了不同构型参数的代表性体积单元,并利用Abaqus软件进行了有限元仿真(FEM)。通过代码实现了建模与仿真的一体化构建,利用得到的仿真数据,建立了神经网络模型,并实现了对复合材料力学性能的预测。建模前,对数据进行预处理和筛选,以提高数据质量并降低模型复杂度。最后,建立卷积神经网络,并优化模型的超参数。结果通过建立的神经网络模型,实现了对复合材料力学性能的有效预测。极限强度的预测误差保持在−7%~8.5%,能耗的预测误差保持在−5%~6%,预测精度较高。结论通过结合实验、仿真和卷积神经网络模型,可以更有效地预测混杂SiC颗粒增强铝基复合材料的力学性能,从而为材料设计和制备提供指导。

混杂颗粒增强铝基复合材料的研究进展

混杂颗粒增强铝基复合材料具有可以保持各个增强相的优势、多相同时增强的协同混杂效应、综合性能优异等优点,成为目前复合材料研究的一个新的方向。从混杂颗粒增强铝基复合材料的混杂类型和主要的制备方法两个方面,综述了混杂颗粒增强铝基复合材料的研究进展,同时针对目前复合材料制备过程中存在的颗粒分布不均匀、含量配比难以确定以及界面效应问题提出了相应的解决办法,最后展望了混杂颗粒增强铝基复合材料的发展前景。

TiB2颗粒混杂对TiB2/Cu复合材料微观组织和性能的影响

采用粉末冶金工艺,分别制备了单一粒径TiB2颗粒和混杂粒径TiB2颗粒的TiB2/Cu复合材料,研究了TiB2颗粒混杂（2μm＋50μm）增强对TiB2/Cu复合材料微观组织和性能的影响。结果表明：在TiB2颗粒总含量一定的条件下,与单一粒径TiB2颗粒增强TiB2/Cu复合材料相比,TiB2颗粒混杂增强TiB2/Cu复合材料的综合性能明显提高;当2μm与50μm TiB2颗粒混杂配比为1∶2时,TiB2/Cu复合材料综合性能最佳,硬度和导电率分别为69 HB和85.3%·IACS,相对于2μm单一粒径TiB2颗粒增强TiB2/Cu复合材料的硬度和导电率分别提高了12.2%和4.8%;TiB2颗粒混杂粒径TiB2/Cu复合材料的增强作用来源于获得了均匀致密的微观组织,不同粒径TiB2颗粒在铜基体中更加弥散分布,使得混杂粒径的TiB2颗粒协同增强铜基体作用更加明显,综合性能明显提高。

激光选区熔化成形TiB2与SiC颗粒混杂增强铝基复合材料的显微组织与力学性能

在AlSi10Mg合金雾化粉末中添加2%纳米TiB2颗粒和1%亚微米SiC颗粒(均为质量分数),通过低能球磨制备(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合粉末,并采用激光选区熔化(SLM)技术制备(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合材料。采用X射线衍射(XRD)、背散射电子衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)等手段对比研究(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合材料和AlSi10Mg合金的显微组织,并测定材料的拉伸性能。结果表明,(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合粉末的激光反射率低于AlSi10Mg合金粉末的激光反射率(分别为31%和46%),可在较低激光功率(240 W)下进行激光选区熔化成形制备性能优良的(TiB2+SiC)/AlSi10Mg复合材料。TiB2和SiC陶瓷增强颗粒均匀分布,无明显团聚,少量TiB2聚集长大至微米级。通过用(TiB2+SiC)颗粒混杂增强,AlSi10Mg合金的平均晶粒尺寸从7.88μm减小至2.48μm,晶粒组织由粗大柱状晶转变为细小等轴晶及少量短棒状晶,抗拉强度由453.1 MPa提高至509.8 MPa,伸长率从7.2%提高至10.6%。

搅拌摩擦表面复合的颗粒分布研究

利用有限元模拟软件Abaqus的任意拉格朗日-欧拉法,针对通过搅拌摩擦添加B4C颗粒到Al6061-T6表面实现表面复合的工艺,建立全过程热力耦合动力学模型。分析了在常规搅拌摩擦工艺参数下B4C颗粒的分布规律,根据颗粒分布的模拟结果确立了添加单种颗粒和混杂颗粒多道次加工的实验方案。实验结果表明:多道次换向加工可以改善颗粒在复合材料中分布的均匀性,弥补复合材料中的孔洞缺陷;颗粒沿搅拌头的中心呈对称分布;混杂颗粒的加入有助于进一步改善颗粒分布的均匀性。

SiC_P混杂对C／Al浸渍成型复合材料性能的影响

碳纤维经混杂ＳｉＣ_ｐ后用压力浸渍成型方法制备成Ｃ／Ａｌ复合材料，分析混杂的ＳｉＣ_ｐ对Ｃ／Ａｌ复合材料力学性能的影响。测试了制备成的复合材料性能，并用ＳＥＭ对复合材料断面组织与断口形态进行分析。结果表明，混杂的ＳｉＣ_ｐ可以分隔纤维，有利浸渍，使纤维分布均匀从而提高了复合材料的性能，而用ｓｏｌ－ｇｅｌ方法涂复ＳｉＣ层并混杂ＳｉＣ_ｐ可获得最佳的性能。

激光选区熔化成形TiC/SiC协同增强铝基复合材料的组织性能与强化机制

混杂颗粒增强铝基复合材料通过发挥各增强相的协同作用,提高其综合力学性能,具有单一颗粒增强铝基复合材料所不具备的优势。本文采用激光选区熔化(SLM)技术制备了TiC/SiC混杂颗粒增强AlSi10Mg复合材料。通过EBSD、SEM、TEM和拉伸试验研究了添加TiC、SiC颗粒对复合材料的显微组织和力学性能的影响。结果表明:TiC的加入,使(TiC+SiC)/AlSi10Mg复合材料的组织由粗大柱状晶转变为细小的等轴晶,铝基体平均粒径仅为4.27μm。SiC与铝基体之间发生轻微的界面反应,生成少量棒状的Al4C3和Si,界面结合良好。SLM制备的(TiC+SiC)/AlSi10Mg复合材料具有优良的力学性能,其伸长率和抗拉强度分别为(9.7±0.4)%、(488±8)MPa,与SLM制备的AlSi10Mg合金相比,分别提高了19.8%和22.0%。TiC/SiC混杂增强铝基复合材料强度和塑性的提高是多种强化机制共同作用的结果,为采用SLM成形高性能铝基复合材料及其应用提供技术参考,具有重要的研究意义和应用价值。

Cf+SiCp/Al复合材料的微观组织与力学性能

采用挤压铸造法制各了SiC颗粒混杂增强T700/Al和M40/Al复合材料,研究了材料的微观组织与力学性能。结果表明,复合材料组织致密,纤维分布均匀。铸造态复合材料存在界面反应,透射电镜和XRD分析表明M40/Al的界面反应物尺寸和数量均小于T700/Al,M40Cf与铝具有较好的化学相容性。拉伸试验表明,M40/Al的抗拉强度高于T700/Al,这是由于界面反应物的数量改变了复合材料的断裂机制。

SLM成形(TiN+SiC)/AlSi_(7)Cu_(2)Mg复合材料的组织及力学性能

选择AlSi_(7)Cu_(2)Mg作为测试基材,采用纳米级TiN颗粒与亚微米级SiC作为增强体,将各成分混合并经过SLM处理制得TiN/SiC铝复合材料,对材料基体组织结构及其力学性能开展了分析。研究结果表明,在AlSi_(7)Cu_(2)Mg试样的表层形成了大量的微孔并发生组织球化的转变过程。而3.5%SiC/AlSi_(7)Cu_(2)Mg与1.5%TiN/3.5%SiC/AlSi_(7)Cu_(2)Mg则形成了光滑的表面结构。测试发现存在Si、Al、Mg_(2)Si与SiC四种物相成分,只形成了少量Al_(4)C_(3)。1.5%TiN/3.5%SiC/AlSi_(7)Cu_(2)Mg中形成了细小的晶粒,形成了明显不同的晶粒取向排布形态,存在大量小尺寸等轴晶,粒径均值只有4.15μm,晶粒最大为13μm。测试1.5%TiN/3.5%SiC/AlSi_(7)Cu_(2)Mg抗拉强度为486 MPa,伸长率为9.8%,相对SLM工艺制得的AlSi_(7)Cu_(2)Mg试样都提升了近20%,在断口部位形成了明显河流状纹路。