铝基陶瓷增强复合材料的钎焊及扩散焊

由于陶瓷增强相与金属基体合金性能的巨大差异,造成铝基陶瓷增强复合材料的焊接困难较大。在各种焊接方法中,钎焊和扩散焊是铝基陶瓷增强复合材料焊接比较常用的方法。本文研究了钎料和中间层合金与铝基复合材料的润湿机理,介绍了颗粒增强铝复合材料的超声波钎焊、真空钎焊、无夹层液相扩散焊、冲击扩散焊和瞬时液相扩散连接等焊接新工艺,对这些焊接工艺的原理与特点进行了探讨。

铝酸盐体系中氧化时间对碳化硅颗粒增强铝基复合材料微弧氧化膜层的影响

[目的]探究氧化时间对碳化硅颗粒增强铝基(SiC_(p)/Al)复合材料微弧氧化膜层的影响。[方法]选用铝酸盐体系作为电解液,对SiC_(p)/Al复合材料进行微弧氧化处理,分析氧化时间对膜层组织结构、物相、厚度、粗糙度、结合力、电绝缘性及耐蚀性的影响。[结果]随着氧化时间延长,膜层逐渐变得连续均匀,厚度增加。若氧化时间过长,膜层会出现层叠现象,形成大尺寸微孔及裂纹,且生长速率越来越低。膜层结合力随氧化时间延长先增大后减小,在60 min时最大,达到39.85 N。氧化时间为10 min时,膜层的电绝缘性及耐蚀性最优,100 V和500 V电压下的绝缘电阻分别达到3.11×10^(12)Ω和1.41×10^(12)Ω,腐蚀电位为-0.6298 V,腐蚀电流密度为1.332×10^(-7)A/cm^(2)。[结论]SiC_(p)/Al复合材料表面微弧氧化膜层的连续性、均匀性及生长速率均与氧化时间有关。需选择合适的氧化时间,才能制备出连续、均匀且综合性能优异的膜层。

预处理对TiB_(2)增强铝基复合材料电弧增材影响

以TiB_(2)/6056铝基复合材料丝材为焊材,采用冷金属过渡焊接技术,研究TiB_(2)增强铝基复合材料丝材的电弧增材,重点分析预热处理对增材层成形及接头质量的影响。结果表明:当焊接电流为140 A、送丝速度为8 m/min、焊接速度为5 mm/s、基板预热温度为200℃时制备的增材层与基板未预热制备的增材层相比,外观成形更好,气孔数目降低,气孔尺寸减小,晶粒更细小,TiB_(2)颗粒分散更好,且增材层硬度与拉伸性能均得到了提高。

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。

多元颗粒协同增强铝基复合材料研究进展

由于颗粒增强铝基复合材料具有优良的综合性能,其成型及制备技术是现阶段关注的热点,也是未来多元颗粒的重要研究领域之一。本文归纳总结了多元颗粒增强铝基复合材料的制备方法,以及搅拌铸造、粉末触变成形、粉末冶金等成型及制备工艺的优缺点。对增强颗粒和基体合金界面润湿性改善的方法及多元颗粒协同增强对铝基复合材料显微结构、力学性能、磨损性能的影响进行了概述,并对未来多元颗粒增强铝基复合材料进行了展望。

增强体表面改性在高导热金属基复合材料中的应用

随着电子技术的高速发展和电子器件的更新换代,电子封装材料的性能需求越来越高。金属基复合材料,尤其是铝基和铜基复合材料具有高导热、低膨胀、高稳定性等特点,是具有广阔应用前景的电子封装材料。然而,金刚石、石墨烯、硅等增强体与基体的润湿性差,或者在高温下与基体发生有害的界面反应,限制了此类高导热金属基复合材料的开发和应用。本文简述了金属基复合材料的界面研究进展,结合影响金属基复合材料界面结合的因素,提出了几种改善界面结合的方法。增强体表面改性是改善金属基复合材料界面的重要途径之一,常用工艺有磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、化学镀法等;最后,对增强体表面改性在高热导金属基复合材料中的应用进行分析和展望。

煤矸石-铝基陶瓷复合材料的制备与性能分析

以煤炭生产废弃物煤矸石为原料,在煅烧和球磨后按不同质量分数(5%~35%)与不同粒度铝粉(5μm,45μm)混合,经过烧结制备了陶瓷增强铝基复合材料。研究了煤矸石添加量和铝粉粒度对陶瓷增强铝基复合材料的相组成、机械性能和微观结构的影响。结果表明:交错柱状莫来石和网状交错氮化铝晶须起到增强作用;随着煤矸石的加入,陶瓷相含量增加,煤矸石的加入使材料内部孔隙增多,主要原因是它在加热时发生反应,导致体积变化。该研究为陶瓷增强复合材料的制备及煤矸石的再利用提供了重要参考价值。

等温锻造对CNTs/SiC_(p)混杂增强铝基复合材料力学性能的影响

强韧性匹配是金属基复合材料需解决的关键问题,强度的提升往往导致韧性损失,而混杂增强铝基复合材料可以综合各组元的优点,起到同时增强的协同混杂效应。为探索等温锻造工艺对混杂增强铝基复合材料力学性能的影响,采用真空烧结工艺制备了CNTs/SiC_(p)混杂增强Al-Cu-Mg铝合金复合材料,其CNT和SiC的质量分数分别为0.7%和10%,分别在450℃、460℃、470℃进行了80%变形量的等温锻造加工,研究了等温锻造对复合材料微观组织和力学性能的影响规律。结果表明混杂增强铝基复合材料经过等温锻造加工后的塑性相比烧结态锭坯发生明显上升,材料经470℃等温锻造后同比具有最好的综合力学性能,相比烧结态锭坯的抗拉强度提升了48%,延伸率提升了260%。等温锻造后,组织中的絮状相及细长形SiC颗粒在垂直于锻造方向上发生流线型分布,对材料的拉伸力学性能起到了强化作用。本研究为后续新型高性能铝基复合材料的开发与应用提供一定理论支撑。

颗粒增强铝基复合材料的制备与界面行为

【目的】探讨颗粒增强铝基复合材料(particle-reinforced aluminum matrix composites,PAMCs)性能提升、应用前景等。【研究现状】概述PAMCs复合材料的主要制备方法,主要包括搅拌铸造法、原位合成法、粉末冶金法、喷射成形法、挤压铸造法、直接氧化法、高温水热合成法等;从结合方式、结合强度、界面表征等方面对PAMCs界面进行介绍;从强化机制和增强体因素等方面对界面力学性能进行概括。【结论与展望】复合材料的制备方法对增强体在基体中的分布、界面结合和性能产生显著影响,选择制备方法时应综合考虑所需的材料性能、生产成本及工艺可行性;界面结合对PAMCs的整体性能至关重要,良好的界面结合能提高材料的强度和韧性;强化机制决定材料的特性,通过成分设计、微观结构调控以及制备工艺优化等手段,实现多种强化机制的协同作用,可最大限度地提升材料的性能。未来的研究应致力于开发低成本、绿色环保等新型高效的制备技术,优化PAMCs的微观结构和性能;通过设计界面结构并调控界面反应等,可以进一步提升PAMCs的性能;控制界面反应也是PAMCs关键发展方向之一。

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。

电压对15%SiC_(p)/2009铝基复合材料微弧放电析出气体成分的影响

在硅酸盐溶液中,对15%SiC_(p)/2009铝基复合材料进行不同电压下的微弧氧化试验。通过分析微弧放电过程中复合材料析出气体的组成,评估电压对阳极析出气体成分的影响,并阐释其产生机制。结果表明:不同电压下阳极析出的气体均由H_(2)、O_(2)及少量CO组成,不同于传统电化学理论认为的阳极析出氧气。在360~440 V范围内,随着电压的升高,放电火花强度增大,微弧氧化膜生长速率加快,H_(2)含量随之增加,O_(2)含量相应降低;电压超过440 V后,H_(2)含量约为80%(体积分数),O_(2)含量约为20%,两者含量保持稳定。阳极火花放电区水热分解释放大量H_(2)和O_(2),且放电越剧烈,水分解量越多。放电区中铝和水氧化反应及高能电子轰击电离水分子也是过量H_(2)析出的重要原因。此外,SiC增强体参与成膜过程,并在放电区高温环境中被氧化,生成了少量的CO气体。

60%SiCp/2009铝基复合材料表面等离子体电解氧化膜的生长和表征

在硅酸盐溶液中采用等离子体电解氧化技术在60%SiCP(体积分数)/2009铝基复合材料表面制备陶瓷膜。研究氧化膜的显微组织、成分、润湿性及其耐腐蚀性能,探讨SiC颗粒表面火花放电的产生机理。结果表明,来自硅酸盐溶液的不溶性化合物(SiO_(2))使SiC颗粒表面产生火花放电,Al-Si-O化合物中的缺陷为SiC颗粒表面放电电流的传导提供优先路径。1200s时铝基复合材料表面形成5.5μm厚的均匀膜层,膜层的表面自由能在40s时达到最大值37.10 m J/cm^(2),并在1200 s时下降到25.95 m J/cm^(2)。此外,等离子体电解氧化处理可以显著提高复合材料的耐蚀性。

铝基复合材料制备方法及成型工艺的最新进展

介绍了铝基复合材料当前的发展状况,总结了铝基复合材料的多种制备方法。增强相不同,铝基复合材料的制备方法也不同。铝基复合材料的增强相按照其不同的形貌特征主要分为颗粒增强相、纤维增强相、片状增强相。首先介绍了铝基复合材料的典型制备方法,之后以三种增强相为中心,对其成型工艺进行了说明,列举了不同方法当前的研究进度,最后总结了各种方法在目前研究中存在的问题,并对不同增强相的铝基复合材料的发展前景进行了展望。

SiC颗粒增强6013铝基复合材料时效析出行为及力学性能

采用球磨-冷等静压-热等静压-热挤压工艺制备组织均匀、颗粒分散良好的15%质量比SiC_(p)/6013Al复合材料,并利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和室温力学性能测试等研究不同人工时效温度下SiC_(p)/6013Al复合材料的析出行为和力学性能.结果表明,复合材料析出行为受热扩散控制,温度升高导致沉淀相析出加速;复合材料中的主要强化相为Mg_(2)Si,而且SiC颗粒能显著增强强度,但也导致复合材料的塑性快速下降;相比基体6013铝合金,15%质量比SiC_(p)/6013Al复合材料能在更低温度、更短时间内达到峰时效,经过人工时效处理后的最高硬度为180 HV_(0.2),抗拉强度为522 MPa.

陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接研究现状综述

陶瓷颗粒增强铝基复合材料是一种新兴的工程应用材料,在众多工业领域中具有广阔的应用前景。在对陶瓷颗粒增强铝基复合材料连接的过程中,使用绿色环保、安全可靠的搅拌摩擦焊接技术,可获得力学性能良好的焊接接头。文章从焊接接头宏观及微观组织特点、接头力学性能及断裂特征、搅拌头对焊接效果的影响3个方面综述陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接在国内的研究现状,并从焊接材料种类、焊接工艺稳定性、高性能焊接工具开发3个方面展望陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接研究未来的发展方向。

铝基复合材料的力学性能及耐磨性研究

以铝粉和镁粉为基础材料,以SiC颗粒为增强体材料,制备建筑用的铝基复合材料,研究其力学性能及耐磨性。分别在SiC的质量分数为0~32%时测试铝基复合材料的力学性能,在3~18 MPa的外载荷下摩擦不同距离时,研究复合材料的耐磨性。结果表明:SiC含量较高时,复合材料中SiC团聚较明显,力学性能不佳;SiC的质量分数为8%时,铝基复合材料的硬度、抗拉强度、抗弯强度较优异;当SiC的质量分数为8%时制备的铝基复合材料在较高载荷作用下始终具有良好的耐磨性;摩擦距离越长,铝基复合材料耐磨性降低越多。

热处理对不同体积分数B_(4)C增强铝基复合材料组织和力学性能的影响

为了探究热处理对碳化硼颗粒增强铝基复合材料(B_(4)C/6061Al)性能的影响,课题组选择体积分数分别为10.0%,17.5%,25.0%和31.0%的B_(4)C增强铝基复合材料进行热处理(535℃保温5.0 h后温水淬,165℃时效4.5 h),采用扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料的微观组织形态,并运用万能拉伸试验机测试其力学性能。研究结果表明:随着B_(4)C体积分数的增加,B_(4)C颗粒呈现聚集、破碎和剥落现象;热处理后的B_(4)C/6061Al复合材料的强度随着B_(4)C体积分数的增加而提升,延伸率随B_(4)C体积分数的增加则呈下降的趋势。B_(4)C体积分数为10.0%时,复合材料的屈服强度和抗拉强度分别是220.8和246.0 MPa,延伸率为11.76%;当B_(4)C体积分数增加至31.0%时,复合材料的屈服强度和抗拉强度分别为330.2和358.3 MPa,延伸率为2.18%。热处理之后,复合材料发生了动态再结晶,B_(4)C增强颗粒周围出现高位错密度区域。

铝基复合材料搅拌摩擦加工制备工艺及其耐磨性能研究进展

铝基复合材料具有密度低、加工性能良好、耐腐蚀等特点,在高性能制造方面拥有举足轻重的地位,被广泛应用于航空航天、船舶机械等领域。然而,在往复运动的工况条件下,工件之间的磨损对材料的性能影响最为显著,从而降低工件的服役寿命。因此,提高工件耐磨性能和延长服役寿命,对于扩展铝合金的使用范围具有非常重要的意义。在制备铝基复合材料的工艺中,搅拌摩擦加工(Friction stir processing,FSP)技术是制备复合材料的新兴方式之一,所制备的复合材料具有优异的微观组织、不易产生界面反应等特点。所以,搅拌摩擦加工技术在铝基复合材料的生产中有巨大的应用潜力。针对搅拌摩擦加工制备铝基复合材料进行了综述,重点介绍了增强相的种类和含量,以及搅拌摩擦加工中的搅拌道次和焊接等参数,并且讨论了上述因素对铝基复合材料耐磨性能的影响。结果表明:随着增强相含量的增多,铝基复合材料的耐磨性能增强,但过多的含量反而会导致耐磨性能降低;随着搅拌道次的增加,有利于晶粒的细化,但是晶粒的细化程度过高,反而降低了铝基复合材料的耐磨性能。在此基础上,还研究了提高耐磨性能的机理。结果表明,在往复磨损过程中,材料的亚表层易形成动态再结晶,而动态再结晶尺寸对复合材料的耐磨性能有影响,过小的结晶尺寸会使耐磨性能下降。此外,还指出了搅拌摩擦加工制备铝基复合材料过程中存在的问题,如纳米增强相的团聚现象,以及选取适合FSP的工艺窗口等。最后,对FSP未来的研究趋势进行了展望。

基于Al-B-C烧结助剂的SiC_(nf)增强SiC陶瓷基复合材料制备及性能研究

以单晶碳化硅纳米纤维(SiC_(nf))为增强体,以铝(Al)粉、硼(B)粉和超细炭黑为烧结助剂,通过化学气相沉积及浸渍裂解工艺在SiC_(nf)上制备了PyC、BN双层界面包覆层,采用热压烧结法制备SiC_(nf)增强SiC陶瓷基复合材料(SiC_(nf)/SiC-CMC)。实验结果表明,Al-B-C烧结助剂在1850℃生成了液相Al8B4C7,促进了SiC陶瓷的致密化,提高了复合材料致密度。当烧结助剂含量为10wt.%时,随着Si Cnf含量的增加,复合材料内孔隙增多,致密度降低,抗弯强度和断裂韧性先增大后降低。当SiC_(nf)含量为10 wt.%时,复合材料的力学性能达到最优,抗弯强度和断裂韧性分别为414 MPa和9.65 MPa·m1/2,相较于未添加SiC_(nf)的热压烧结SiC陶瓷,其韧性提高了93.8%。微观结构分析表明,SiC_(nf)主要通过纤维拔出的方式来增加裂纹扩展时的能量消耗,达到提升陶瓷断裂韧性的效果。

熔铸法制备纳米碳增强铝基复合材料研究进展

纳米碳增强体具备优异的力学、热学、电学等性能,是金属基复合材料中理想的增强体之一。将纳米碳增强体与铝基体复合,可以获得具有优异力学性能及导热导电性能良好的复合材料,在新一代飞行器零部件材料展现出巨大潜力。目前急需低成本大规模化制备方法的推广应用,熔铸法是其大规模制备的首选。基于此,本文综述了近年来国内外采用熔铸法制备纳米碳增强铝基复合材料的研究进展,通过纳米碳增强体加入铝熔体方式的不同进行分类,详细介绍了搅拌铸造法、压力铸造法、半固态铸造法、压力浸渗法等纳米碳增强铝基复合材料中主要的铸造方法。分析总结了不同铸造方法的特点及铸件的力学性能,最后指出熔铸法制备纳米碳增强铝基复合材料过程中存在的关键科学问题,并且展望了未来的发展方向。