搅拌摩擦加工制备MWCNTs/Al复合材料的均匀性研究

采用搅拌摩擦加工技术(FSP)制备多壁碳纳米管增强铝基(MWCNTs/Al)复合材料,并对其复合材料的硬度、均匀性进行了研究。5道次FSP后添加多壁碳纳米管MWCNTs/Al复合材料的平均显微硬度值为78HV,是母材的1.68倍。开尔文探针试验表明,碳纳米管在MWCNTs/Al复合材料中分布均匀。

旋转摩擦挤压制备MWCNTs/Al复合材料的界面微观结构

采用旋转摩擦挤压法制备多壁碳纳米管增强铝基(MWCNTs/Al)复合材料,通过高分辨透射电镜观察MWCNTs/Al复合材料的界面结构,并对界面反应进行研究。结果表明:在MWCNTs/Al复合材料中Al-C之间发生界面反应,两者之间的反应产物为Al4C3,其晶面间距为0.827nm,为(003)晶面;Al基体的(111)晶面与MWCNTs的(002)晶面及Al4C3的(003)晶面的界面结合良好,界面存在MWCNTs(002)∥Al4C3(003)的晶体学位相关系。

MWCNTs特征对MWCNTs/Al复合材料组织及性能的影响

采用粉末冶金法制备多壁碳纳米管(MWCNTs)增强铝(Al)基复合材料(MWCNTs/Al),研究MWCNTs的特征对MWCNTs/Al复合材料显微组织结构及性能的影响。采用X线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和拉伸实验对复合材料进行性能测试。结果表明:经过球磨混合的复合粉末中没有碳化铝(Al_4C_3)相,通过烧结和热挤压后出现Al_4C_3相。与长碳纳米管(L-MWCNTs)和短碳纳米管(S-MWCNTs)相比,镀镍碳纳米管(Ni-MWCNTs)在复合材料中分散更均匀,与Al基体的结合性更好,所得到的复合材料硬度和抗拉强度较高,抗拉强度可达到247 MPa,是纯Al的4倍。

超声振动辅助切削SiCp/Al复合材料的加工机理及试验

切削加工过程中材料损伤形式对加工表面质量会产生较大影响,现有仿真分析难以模拟真实颗粒失效行为,通过建立二维微观多相有限元模型能够深入了解材料损伤与表面质量的关系。基于常规切削(Conventional cutting,CC)与超声振动辅助切削(Ultrasonic vibration-assisted cutting,UVAC)两种加工方式,通过有限元仿真软件Abaqus对20%SiCp/Al复合材料的切削过程进行仿真模拟,阐释加工过程中刀具与工件的相互作用机理,并在同一参数下验证有限元仿真的准确性。通过设计单因素试验,对比两种加工方式及不同加工参数对切削力和表面粗糙度的影响规律,得出最佳加工参数组合,并对最佳加工参数下表面形貌进行分析。模拟和试验结果表明,SiC颗粒断裂、颗粒耕犁、颗粒拔出以及Al基体撕裂是影响SiCp/Al复合材料加工质量的主要原因,刀具与颗粒不同的相对作用位置会产生不同的损伤形式。与常规切削相比,施加超声振动后可以有效抑制颗粒失效和基体损伤,使加工中的平均切削力(主切削力)降低33%,工件已加工表面粗糙度值最大减小量为531 nm,显著提高了表面质量。所建立的二维微观多相有限元模型,能够有效模拟铝基复合材料的加工缺陷和裂纹损伤问题,对提高难加工材料的高质量表面制备有重要借鉴意义。

SiCp/Al复合材料纳米压痕/划痕下的脆塑性行为研究

为探究SiCp/Al复合材料中两相材料相互作用引起的力学性能差异,研究微观尺度下法向载荷变化对SiCp/Al复合材料形变和去除的影响。采用纳米压痕实验,基于Oliver-Pharr法测得其硬度和弹性模量,并对其压痕表面进行观察,结合有限元仿真分析产生力学性能差异的原因;同时,根据纳米压痕实验所得力学参数进行变载荷纳米划痕仿真,并配合实验后划痕表面观察结果分析材料的形变和脆塑性行为。结果表明:当金刚石压头作用于SiC颗粒时,颗粒出现破碎和二次压入现象,所测硬度与弹性模量小于单晶SiC的理论值;当金刚石压头作用于基体相时,由于SiC颗粒阻碍基体压入,复合材料的硬度与弹性模量测量结果偏大。在纳米划痕过程中,复合材料的去除形式随载荷变化体现为划擦、耕犁和切削阶段,其中的基体相通过塑性流动产生塑性脊堆积并伴随有涂覆现象,SiC颗粒则以脱黏、断裂破碎和拔出等脆性机制而去除,且SiC颗粒的二次压入、断裂、破碎和拔出是导致复合材料力学性能与单晶SiC的力学性能产生巨大差异的主要原因。随着划痕载荷增加,SiC体积分数为45%的SiCp/Al复合材料的去除机制更多取决于以塑性去除为主的基体相,而SiC颗粒则主要表现为脆性去除。

纵扭超声辅助铣削SiCp/Al复合材料表面质量研究

高体积分数SiCp/Al复合材料具有高比强度、高比模数和良好的耐磨性等优异性能。然而,它们的高硬度和脆性会导致精密制造过程中应力分布更为复杂,这会使材料中产生过大的力和过多的热,从而影响加工精度和工件耐久极限寿命。目的通过分析切削过程中颗粒的去除机理和表面缺陷类型,利用纵扭超声辅助铣削(longitudinal-torsional ultrasonic assisted milling,LTUAM)技术,改善高体积分数SiCp/Al复合材料的加工表面质量。方法利用ABAQUS和PYTHON软件,建立考虑颗粒断裂过程的两相随机分布颗粒SiCp/Al复合材料模型,并采用Johnson-Cook模型和Brittle Cracking模型对SiCp/Al复合材料纵扭超声辅助铣削过程进行有限元模拟仿真。针对不同加工参数,进行SiCp/Al复合材料纵扭超声辅助铣削和常规铣削(conventional milling,CM)试验,评估有限元仿真模拟与试验结果的一致性。结果模拟结果表明,损伤和裂纹主要产生在SiC颗粒(SiCp)中上部的切削线上,凹坑缺陷主要产生在颗粒下部的切削线上。试验结果显示,表面缺陷的类型主要包括颗粒的损伤和拔出、颗粒的损伤和断裂形成凹坑、未损伤的颗粒形成凸起、破损颗粒与刀具在已加工表面上挤压摩擦形成犁沟、铝基体涂覆、表面微裂纹和表面空穴等,并且当加工速度120 m/min,超声振幅3μm时,最大裂纹深度最小,表面缺陷最小,表面质量最好。结论对比有限元仿真结果与试验结果发现,二者的表面质量变化趋势基本具有一致性。纵扭超声辅助铣削技术的应用对提高SiCp/Al复合材料的表面质量有较好效果。

预热温度对激光选区熔化成形30%SiC_(p)/AlSi10Mg复合材料力学性能的影响

基板常温工况下激光选区熔化成形中等体积分数SiC_(p)/Al复合材料存在孔洞、裂纹等冶金缺陷,从而导致成形零件致密度低、力学性能差等问题。首先研究了固定优化成形工艺参数时,基板预热温度(200~400℃)对45μm的30%(质量分数,下同)SiC_(p)/AlSi10Mg成形零件表观致密度和力学性能的影响;进一步提高SiC_(p)质量分数至50%,再次评价了上述基板预热温度对成形性能的影响。结果表明,当SiC_(p)质量分数为30%时,升高基板预热温度可以减少成形零件的孔洞和裂纹,成形零件的表观致密度及力学性能显著提高;当基板预热至400℃时,成形零件表观致密度最高达到97.98%,与此同时极限抗压强度和极限抗拉强度分别为578 MPa和56 MPa;随着SiC_(p)质量分数进一步增加至50%,基板预热温度对成形零件致密化和力学性能的强化效果逐步减弱。本研究证明高温预热基板能够有效抑制激光选区熔化成形中等体积分数SiC_(p)/Al复合材料的冶金缺陷,为增材制造SiC_(p)/Al复合材料提供了工程应用解决方案。

MWCNTs/ZIF-67复合材料的制备及其催化性能研究

通过简便、经济的方法合成了MWCNTs/ZIF-67复合材料,并运用SEM、TEM、XRD、XPS等技术手段对该复合材料进行了表征。为了评估MWCNTs/ZIF-67催化剂的催化活性,在NaBH_(4)存在下进行了对硝基苯酚(4-NP)的还原实验。结果表明,MWCNTs/ZIF-67催化剂具有很好的催化性能,在6min内对4-NP的催化效率高达99.82%,表观速率系数达到0.4973min^(-1)。此外,该材料可以通过磁铁从水溶液中收集,便于回收和再利用。且经过5次循环后,复合材料的催化活性仍很高,表明该复合材料有较好的稳定性,可以作为去除环境污染物的新型催化材料。

1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料热变形模型对比分析

采用Gleeble-3500热模拟试验机在变形温度为25~400℃、应变速率为0.01~10s^(-1)和真应变为0.85的条件下,对1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料进行了热压缩试验,研究其热变形行为,建立了应变补偿的Arrhenius (SCA)、修正的Johnson-Cook (MJC)和修正的Zerilli-Armstrong (MZA) 3种本构模型,并对流变应力的预测值与实验值进行对比。结果表明,层状复合材料流变应力呈加工硬化型,并随温度升高或应变速率降低而降低;在100℃/0.5s^(-1)、200℃/0.1s^(-1)和300℃/0.1s^(-1)条件下,层状复合材料组元层间变形较为协调;3种本构模型中,MZA模型的相关系数最高,R为0.99085、平均绝对相对误差最低,e_(AARE)为0.046966,更适合描述1060Al/Al-Al_(2)O_(3)/1060Al层状铝基复合材料的热变形行为。

通过基体晶粒和颗粒分布异质结构的调控协同提升AlN_(p)/Al复合材料的强度-塑性

为了获得优异的强塑性能,采用液固反应结合后续的热机械处理方法制备了3种具有不同微观组织构型的异构AlNp/Al复合材料,详细研究了AlN颗粒分布和基体晶粒组织构型对拉伸强度和塑性的影响。结果表明,复合材料的强度和塑性同时提高。其中,具有较弥散颗粒分布的Uniformed-AlNp/Al复合材料表现出优异的极限抗拉强度(~387 MPa)和断裂伸长率(~9.1%)。与其他文献报道的颗粒增强铝基复合材料相比,该复合材料具有较好的比强度和延展性组合。此外,计算了异质变形诱导(HDI)应力。结果表明,在Uniformed-AlNp/Al复合材料中,HDI应力显著增加。揭示了HDI应力在提高AlNp/Al复合材料的强度和塑性中起着至关重要的作用。

基于分子动力学模拟的Cu-Zr/Al复合材料的变形行为

采用分子动力学模拟方法研究了Zr含量对Cu/Al层状复合材料拉伸变形行为的影响,使用取代掺杂的方式用Zr取代Cu/Al层状复合材料中的Cu,取代比例分别为0.25%、0.45%、0.65%、0.85%和1.05%。结果表明:随着Zr取代比例的增加,Cu-Zr/Al复合材料的极限拉伸强度和最大拉伸应变呈现波动变化的趋势。当Zr的取代比例为0.85%时,复合材料的极限抗拉强度和最大拉伸应变最大,继续增加Zr的含量则会使极限拉伸强度和最大拉伸应变都减小。随着应变的增加,FCC结构、BCC结构以及HCP结构会发生相互转化,沿Y轴进行拉伸时,初始阶段相结构转变更加明显;随着Zr取代比例的增加,塑性变形过程中复合材料的晶型转变将会推迟进行,Shockley不全位错在塑性变形过程中起主导作用,且沿Y轴拉伸时的位错线长度大于沿Z轴拉伸时的位错线长度,同时由于Zr元素的加入,影响位错的扩散,导致复合材料的位错密度降低,从而提高其强度。

双尺度SiC_(p)增强Al基复合材料的制备及耐磨性研究

采用粉末冶金法制备了双尺度SiC_(p)增强Al基复合材料,SiC_(p)双粒径50μm:10μm的比例分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1及5∶1,添加总含量为20vol%。通过销盘式摩擦磨损试验机对复合材料及对比试样HT300材料的耐磨性能进行了测试,使用SEM、EDS对复合材料及HT300摩擦磨损前后的微观形貌进行了表征,并对复合材料摩擦磨损机理进行了分析。结果表明,SiC_(p)与Al基体界面结合良好,无界面脱粘及孔隙产生。任一碳化硅颗粒粒径配比的SiC_(p)/Al基复合材料的耐磨性能均优于HT300,其中颗粒粒径配比为3∶1时耐磨性能最优,HT300磨损量约为颗粒粒径配比3∶1时的7~13倍。

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。

W增强Al/Gd_(2)O_(3)双屏蔽复合材料的制备与性能研究

为了屏蔽中子与γ射线的危害,在Al/Gd_(2)O_(3)材料中加入W并采用放电等离子体烧结(SPS)制成Al/W/Gd_(2)O_(3)复合材料。利用扫描电镜和XRD分析了复合材料的形貌和物相结构;利用蒙特卡罗统计试验方法和粒子传输软件MCNP5对Al/W/Gd_(2)O_(3)复合材料屏蔽中子和γ射线的性能进行模拟计算。结果表明,与原铝基复合材料相比,Al/W/Gd_(2)O_(3)复合材料的力学性能优异、抗拉强度提高;拉伸断口形貌表明,复合材料断裂模式为穿晶断裂。

Cu-Sn、Ni-Cr、Co烧结助剂对Ni_(3)Al基金刚石复合材料性能的影响

采用真空热压法制备了Ni_(3)Al基金刚石复合材料,研究了不同烧结助剂对复合材料力学性能和微观结构的影响,并对Ni_(3)Al基金刚石钻头的钻孔性能进行了测试。结果表明,在添加0~30vol%的Cu-Sn、Ni-Cr、Co烧结助剂后,Ni_(3)Al基金刚石刀头的致密度、抗弯强度、硬度得到提高。Ni3Al基金刚石复合材料的抗弯强度随着Ni-Cr、Co烧结助剂含量的增加而提高。Cu-Sn、Ni-Cr烧结助剂中的Cr元素在金刚石的表面出现了富集现象。将添加Cu-Sn、Ni-Cr烧结助剂的Ni_(3)Al基金刚石复合材料制备成工具进行钻削测试,发现Ni_(3)Al基金刚石复合材料的失效形式可以分为微破碎、磨耗、宏观破碎3种形式,钻削试验中并没有发现整颗金刚石脱落的现象,表明Ni_(3)Al基对金刚石的把持力较大,强度较高。

超声施振方式对消失模铸造Al/Mg双金属复合材料界面组织和力学性能的影响

研究了连续超声振动和间歇超声振动两种施振方式对消失模铸造Al/Mg双金属材料界面组织和力学性能的影响。结果表明,未施加超声振动Al/Mg双金属界面由Al-Mg金属间化合物区和共晶组织区组成,两个区域边界存在一层氧化膜,阻碍了元素扩散,Mg_(2)Si相呈网状,团聚分布于金属间化合物区。两种超声施振方式均能通过超声空化效应和声流效应破碎和消除氧化膜,并使Mg_(2)Si相细化和分散于整个界面,部分共晶组织转变为金属间化合物,提高了界面组织和显微硬度分布均匀性。连续超声振动作用下Al/Mg双金属界面剪切强度达到53.9 MPa,相比未超声处理提升63.8%。间歇超声振动作用下,界面厚度较连续超声振动减小,然而局部区域存在孔洞缺陷和Mg_(2)Si相局部聚集,削弱了对界面的强化效果,但界面剪切强度仍达到49.5 MPa。

SiCp/Al复合材料焊接综述

为实现SiCp/Al复合材料的高质量可靠焊接,推广SiCp/Al复合材料在各领域的应用,调研了国内外SiCp/Al复合材料不同焊接方法的研究现状。在熔化焊方面,国内外学者通过调整工艺参数、在焊缝中加入Ti元素发生诱发反应等方法,抑制了焊缝中Al4C3针状脆性相的形成,从而提高了焊接接头的力学性能。在搅拌摩擦焊方面,国内外学者针对不同材料设计了专用的焊接搅拌头,以保证它们具备高耐磨性与足够的冲击韧性,在焊接过程中不出现破损情况;关注了焊接过程中焊接头转速、焊接速度、轴向力与热输入等因素,以获得力学性能优秀、晶粒细小均匀的焊接接头。在扩散焊方面,国内外学者探究了中间夹层对焊缝界面间原子相互扩散的促进作用;采取不同工艺参数,以外加超声或电子束表面加热等方式促进了原子间的相互扩散,以获得力学性能优异的焊接接头,提高焊接效率。在钎焊方面,国内外学者通过探究钎料与SiCp/Al复合材料之间的润湿性来组合钎料与钎剂,通过化学腐蚀处理表面暴露颗粒增强相、在复合材料表面电镀金属等方法来增大钎料与增强相的润湿性、解决钎料铺展受阻的问题,以进一步提高钎焊焊接接头质量。

SiCp粒径级配对55%SiCp/6061Al复合材料组织和性能的影响

采用真空热压法制备了55%SiCp/6061Al(55%为体积分数)复合材料,研究SiCp粒径级配对复合材料SiCp分布均匀度、致密度和抗弯强度的影响.研究结果表明:粒径级配复合材料组织致密、SiCp分布均匀且SiCp与6061Al合金基体界面结合强度高.双粒径(60+25)μm、质量比4∶1复合材料热处理后抗弯强度由395 MPa提高为548 MPa;三粒径级配为(120+60+25)μm、质量比为1∶1∶1的复合材料热处理前抗弯强度最高,为397 MPa;双粒径级配(106+25)μm、质量比4∶1的复合材料致密度>99.0%、均匀度>90.00%、热处理后抗弯强度>400MPa,具有优异的综合性能.

形变参数对B_(4)C_(P)/6061Al复合材料热变形行为的影响

通过对B_(4)C_(P)/6061Al复合材料进行热压缩实验,系统研究了不同温度和应变速率对其流变应力和微观组织演变的影响。采用EBSD表征方法分析了复合材料的晶粒形貌、取向差角分布和晶粒尺寸的演变规律。结果表明,动态再结晶是复合材料热变形过程中的主要软化机制。随着温度的升高和应变速率的降低,平均晶粒尺寸和大角度晶界比例逐渐增大,在高温低应变速率下,B_(4)C的加入限制了DRX晶粒的生长,导致生长的DRX晶粒被拉长。

不同铝合金对Al/Mg/Al层状复合材料腐蚀行为的影响

将镁合金与铝合金经过热轧制成Al/Mg/Al层状复合材料,结合析氢试验、电化学试验和电偶试验,对1060/AZ31/1060、5052/AZ31/5052和6061/AZ31/6061在3.5%(质量分数)NaCl溶液中腐蚀行为进行研究,通过分析其腐蚀形貌、腐蚀产物、析氢速率、动电位极化曲线和交流阻抗谱,探究Al/Mg/Al层状复合材料的腐蚀机理。结果表明:Al/Mg/Al层状复合材料的表面腐蚀行为与铝合金的腐蚀行为相似,其相对于原始镁合金的腐蚀电流密度降低了两个数量级;Al/Mg/Al层状复合材料截面腐蚀产物呈颗粒状密集分布在镁一侧,腐蚀行为主要受电偶效应的影响,镁-铝电偶对电偶电流可达10^(-3)A·cm^(-2)数量级;对应的三种镁-铝电偶对电偶电流密度和电偶电位与混合电位理论拟合值相差不大;三种Al/Mg/Al层状复合材料中5052/AZ31/5052的整体耐蚀性最好。