烧结温度对SiC_(p)/2024Al复合材料组织与性能的影响

以高纯度碳化硅(SiC)颗粒和2024铝合金粉末为原材料,采用高速球磨+热压粉末冶金工艺制备了不同烧结温度下的SiC_(p)/2024Al复合材料,研究了不同烧结温度对该材料显微组织及力学性能的影响。结果表明:烧结温度较低时该材料孔隙率较高,孔隙在断裂失效中起主导作用;随烧结温度升高,该材料孔隙率降低;材料断裂失效呈SiC颗粒脆性断裂、基体合金撕裂、界面结合失效开裂三种失效方式共存特点;当烧结温度为590℃时,该材料组织致密,抗拉强度、硬度和伸长率分别达到最大值364 MPa、106 HV和7.6%。

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。

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。

高体积分数SiC_(p)/Al复合材料的螺旋铣削试验研究

目的分析体积分数为55%的SiC_(p)/Al复合材料在螺旋铣削加工条件下的材料去除机理,提高制孔的孔径精度和表面质量,降低表面粗糙度,为螺旋铣削加工提供一定理论基础。方法首先,基于螺旋铣削运动规律分析复合材料中单一碳化硅颗粒的受力状况及不同去除形式。其次,对铝基体、碳化硅颗粒以及刀具进行建模,模拟碳化硅颗粒在加工过程中的去除形式,并分析3种典型去除形式对表面粗糙度的影响。再次,以螺旋铣削的方式,采用直径为4mm的PCD铣刀在8mm厚的SiC_(p)/Al复合材料上制备直径为6mm的孔。通过响应面法,以主轴转速、进给速度和螺距作为优化变量,孔径精度和表面粗糙度作为优化指标,建立相应的响应分析模型,得到切削参数与优化指标的多元回归方程,研究各工艺参数之间的交互作用。最后,对响应面法得到的较优工艺参数进行试验验证。结果当主轴转速为3388 r/min(切削速度为42.575m/min)、进给速度为175mm/min、螺距为0.26mm时,制孔满足孔径H7的技术要求,表面粗糙度Ra值为1.5303μm。结论适当提高切削速度可增大颗粒被切断的概率,相较于颗粒被挤压和颗粒被拔出,颗粒被切断时已加工表面质量更好。

SiC_(p)/2024铝基复合材料冷压成形致密化特性研究

采用单轴模压法,以50μm、10μm双粒径SiC_(p)和2024铝粉混合粉末为原料,研究在102、204和306 MPa冷压条件下混合粉的冷压致密化行为、机理。采用粉末冶金法制备了SiC_(p)含量为20vol%的SiC_(p)/Al基复合材料,研究了热压烧结成形复合材料的组织和断口特征。结果表明,随着冷压压力的增大,冷压坯和复合材料的致密度均增加,204 MPa之后冷压坯致密度的增幅不明显,306 MPa冷压条件下冷压坯致密度最高达到85.8%,烧结后铝基复合材料的致密度最高达到99.87%。铝基复合材料的双粒径SiC_(p)与Al基体界面呈冶金结合,未出现SiC/Al界面脱粘现象及孔隙产生,复合材料断口中SiC_(p)均发生穿晶断裂,显示出良好的界面结合性能。

不同电解液体系中SiC_(p)/Al基复合材料微弧氧化膜层的组织与性能

在(NaPO_(3))6,Na_(2)SiO_(3)-NaOH和NaAlO_(2)-NaOH三种电解液中,采用微弧氧化技术在SiC_(p)/Al基复合材料表面制备微弧氧化膜层。使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)对膜层组织结构及相组成进行表征,并通过摩擦磨损实验及电化学工作站分析基体及膜层的耐磨性和耐蚀性。结果表明:三种电解液中均能制备出均匀的微弧氧化膜层,NaAlO_(2)-NaOH中制备的膜层粗糙度和厚度最大。三种电解液中制备的膜层物相有差异。微弧氧化提高SiC_(p)/Al基复合材料的显微硬度,其中NaAlO_(2)-NaOH中制备的膜层硬度达到1125HV。微弧氧化可降低SiC_(p)/Al基复合材料的摩擦因数,综合摩擦因数及磨损情况,NaAlO_(2)-NaOH中制备的微弧氧化膜层的耐磨性较好。三种电解液中制备的微弧氧化膜层均能改善SiC_(p)/Al基复合材料的耐蚀性,其中Na_(2)SiO_(3)-NaOH中制备的膜层耐蚀性优异,腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为-0.6122 V和2.704×10^(-7)A·cm^(-2)。

不同热处理下滑动速度对SiC_(p)/Al复合材料摩擦学性能影响研究

SiC_(p)/Al复合材料非匀质性微观结构使其摩损机制较传统匀质材料更为复杂,不同工况及热处理工艺下复合材料的摩擦学性能也存在差异。以SiC_(p)/2024Al复合材料为研究对象,进行球-面接触干滑动摩擦磨损实验,探究它在不同热处理状态及滑动速率下的摩擦磨损性能及磨损机制。结果表明:热处理对复合材料力学性能和摩擦学性能有显著影响,固溶+人工时效态复合材料具有更高的强度、硬度及耐磨性;滑动速度影响复合材料的表面接触性质及磨损程度,摩擦因数和磨损量随滑动速度提高逐渐增大;随滑动速度增加,复合材料主要磨损机制由剥层磨损向磨粒磨损转变,而磨损机制的转变明显加快了复合材料的磨损,在实际应用中应尽量避免此现象发生。

基于图像处理的高体积分数SiC_(p)/Al复合材料ELID磨削表面质量评价

对ELID磨削实验条件下的高体积分数SiC_(p)/Al复合材料工件表面进行了研究,通过扫描电镜(SEM)获取ELID磨削表面的形貌照片并进行观测,采用MATLAB软件对不同工件移动速度和不同磨削深度下的表面SEM照片进行灰度化、增强对比度、提取缺陷形状、降噪滤波以及将缺陷与平坦表面分割生成二值图像等处理,再通过ImageJ软件对图像中的缺陷进一步处理以获取相关数据,由此实现加工表面质量图像评价。结果表明:随着工件移动速度的增大,表面总体破坏程度变大,但大缺陷凹坑的尺寸变化不大,且凹坑数量在增加,所以表面质量变差;随着磨削深度的增加,表面总体破坏程度、大缺陷凹坑的尺寸和数量均在增加,表面质量变差。综上所述,高体积分数SiC_(p)/Al复合材料ELID磨削表面质量在较低工件移动速度和较小磨削深度下最好。

液相网络及相对密度对SiC_(p)/2024复合材料显微组织与力学性能的影响

为获得高力学性能的SiC_(p)/2024复合材料,本工作采用粉末冶金法制备了37%(体积分数)SiC_(p)/2024复合材料,研究了热压温度及二次热压对复合材料组织及力学性能的影响。结果表明:热压温度为530℃时,复合材料具有适中的液相含量(3.28%,体积分数)及相对密度(99.21%),T6热处理态复合材料的力学性能达到了较高水平,抗拉强度和延伸率分别为480 MPa和0.216%;在此基础上,采用540℃二次热压进一步细化与分散了复合材料中的液相网络,其相对密度从一次热压的99.30%提高到了99.45%,二次热压T6热处理态复合材料的力学性能达到了最高水平,抗拉强度和延伸率分别为540 MPa和0.515%。分析表明,复合材料中适中、细小分散的液相网络及较高的相对密度是获得具有良好力学性能的SiC_(p)/2024复合材料的关键。

基于单颗金刚石磨粒磨削的SiC_(p)/Al复合材料仿真与试验研究

本文主要开展了单颗金刚石磨粒磨削碳化硅颗粒增强铝基(SiC_(p)/Al)复合材料的试验及三维有限元仿真研究。分析了SiC_(p)/Al复合材料磨削过程中磨削工艺参数对磨削力及表面形貌等的影响。分析结果表明,随着磨粒转速的增加,磨削力减小,SiC颗粒破碎现象有所缓解,铝基体的涂覆作用增强,表面形貌完整性好;随着磨削深度的增加,磨削力增大,SiC颗粒破碎明显增强,表面形成较多凹坑与孔洞,表面质量差。仿真结果与试验结果较吻合,说明该仿真模型可用于磨削工艺参数的优化分析。

挤压铸造(SiC_(w)+CNTs)/2024Al复合材料高温摩擦磨损性能

铝基复合材料因具有低密度、高硬度、高强度以及耐磨损等特点,是制备轻量化制动零部件的理想材料。本研究采用挤压铸造法和热挤压工艺制备了具有优异耐磨性的(SiC_(w)+CNTs)/2024Al复合材料。利用干滑动摩擦磨损实验研究了复合材料在高温条件(200℃)不同载荷(5~20N)下的耐磨性。研究表明,相较于2024Al,复合材料在高温低载荷条件下具有高且稳定的摩擦系数以及低的磨损率,而在高载荷条件下,其摩擦系数显著降低且出现明显的波动。通过增加载荷使得SiC_(w)和CNTs被拔出,CNTs自润滑能力及硬质SiC_(w)的表面强化作用得到充分发挥,大幅度降低了材料的摩擦系数。高温下2024Al被软化,发生粘着磨损,而复合材料中混杂增强体的存在有效提高了材料的高温耐磨性。

SiC_(p)/Al复合材料微弧氧化膜层单磨粒去除仿真研究

研磨是SiC_(p)/Al复合材料精密加工的关键工序,针对两相力学性能相差大、研磨表面缺陷多且难度大的问题,提出通过微弧氧化形成氧化膜后再进行研磨的复合加工方法。为验证其去除效果,通过ABAQUS有限元软件进行单磨粒去除仿真,基于Johnson-Holmquist ceramic硬脆材料本构方程建立模型,研究相同参数下切削氧化膜不同位置时的材料去除特性及膜层特征对材料去除的影响,分析在不同切削深度下的去除特性。结果表明,材料在致密层和疏松层的去除均十分平稳,膜层越致密,切削力越大;切削到碳化硅颗粒时存在应力集中,但去除效果较好无明显的台阶缺陷。实验证明,表面微弧氧化后进行研磨精密加工方法是可行的。

SiC_(p)/2024Al复合材料高应变率热变形行为的新本构模型

通过分离式霍普金森压杆(SHPB)动态压缩试验研究了体积分数为45%的铝基碳化硅颗粒增强复合材料(SiC_(p)/2024Al)在大应变率和变形温度范围内的热变形行为,分析了热变形参数(变形温度和应变率)对流动应力的影响。研究发现:变形温度和应变率对复合材料的流变应力、抗压强度、弹性模量、应变率敏感性有显著影响;抗压强度、弹性模量随变形温度的增大而减小,而抗压强度、弹性模量、应变率敏感性随应变率的增大出现了拐点。根据试验结果,结合热力学和统计损伤力学理论,建立了描述SiC_(p)/2024Al复合材料动态热变形行为的连续损伤本构模型,预测的流动应力与试验结果吻合较好,表明所建立的模型能够准确地描述SiC_(p)/2024Al复合材料动态热变形行为。

SiC_(p)/Al复合材料的Fe^(11+)离子辐照实验研究

为了解辐照对航天电子元器件封装基板复合材料SiC_(p)/Al的影响,利用3 MeV Fe^(11+)束流进行了不同注量下的辐照实验。辐照完成后,利用X射线衍射(XRD)仪和纳米压痕仪对材料进行表征分析。XRD分析表明,Fe^(11+)离子入射后材料辐照层应力发生了变化。结合对应的理论模型,对铝基体的位错密度进行计算,发现辐照后铝基体的位错密度增加,SiC颗粒产生非晶化。纳米压痕测试表明,随着离子注量增加,材料辐照硬化程度增加。综上,辐照硬化可能是由于铝合金基体的应力变化导致产生局部高密度位错区,而这些区域阻碍了后续位错的运动,进而导致位错聚集,最终使得材料硬度增加。

N_(2)在等离子弧原位焊接SiC_(p)/Al基复合材料中的作用

以0.8 mm钛片作为填充材料,采用纯氩和氮氩混合等离子气体对SiCp/Al基复合材料进行等离子弧原位焊接,分析加入的N2对焊缝成形、焊缝组织和性能的影响。结果表明,随氮气体积分数增大,焊缝熔深也相应增大:增加氮气还改善了熔池中的热循环状态和冶金反应,生成TiN、AlN等新的增强相,有效地抑制脆性相的生成,改善了焊接接头的性能。力学性能实验表明,采用Ar+N2作为离子气进行焊接时,焊缝硬度和强度都有提高。当N2体积分数约占15%时,拉伸强度达到最大值233.5 MPa。

Al_2O_(3p)/2024Al基复合材料的界面结构

利用TEM、HRTEM等分析测试手段,对挤压铸造法制备的Al2O3颗粒增强2024Al基复合材料的界面组织结构进行了观察与分析。结果表明:Al2O3p/2024Al基复合材料的界面结合良好,未发现界面反应物,铝基体与Al2O3颗粒以共格关系结合,界面属直接结合型,且Al2O3颗粒与Al基体存在如下的位向关系:Al2O3(2)//Al();Al2O3<4>//Al<110>。

无压浸渗高体积分数SiC_(p)/Al复合材料界面反应特征

采用无压浸渗法制备高体积分数的SiC_(p)/Al复合材料,研究合金/碳化硅界面区域的相组成和界面反应产物分布特征。结果表明,高硅铝熔体会与SiC发生界面反应,界面产物Al_(4)C_(3)仅存在于铝合金和SiC的浸渗界面区域附近,且含量沿浸渗方向逐渐减少。Al_(4)C_(3)在潮湿的环境下水解,宏观表现为材料粉化。

超声振动辅助铣削SiC_(p)/Al复合材料表面质量与切屑形貌实验研究

碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有强度高、硬度高、耐高温等优良的物理及力学性能,被广泛应用于航空、航天、电子和汽车制造业等重要领域。本文以体积分数为20%的SiC_(p)/Al复合材料为研究对象,开展了纵向超声振动辅助铣削试验,重点分析了切削速度和每齿进给量对加工表面粗糙度和微观形貌的影响,并探究了切屑宏观与微观形貌的形成机理。结果表明:表面粗糙度随切削速度的增加呈先增加后降低的趋势,当切削速度从65m/min增加到125m/min时,表面粗糙度增加15.3%,而增加到145m/min时,表面粗糙度相比于125m/min的切削条件降低2.4%;表面粗糙度随每齿进给量的增加呈增大的趋势,当每齿进给量从0.02mm/z增加到0.1mm/z时,表面粗糙度数值增加129.7%;加工表面主要存在凹坑、划痕、粘屑、划伤等缺陷;切屑宏观形态为“C”状,其内表面主要存在裂纹、凹坑及破碎颗粒等特征,并且切削速度和每齿进给量均对切屑内表面形貌产生显著影响。

高体分SiC_(p)/Al复合材料薄壁小孔钻削工艺机理与实验研究

目的研究高体分SiC_(p)/Al2024复合材料小孔钻削表面质量和出入口棱边缺陷形貌,为钻削加工提供一定理论基础。方法用ABAQUS软件对薄壁板钻削加工的整个过程进行三维仿真模拟,采用直径为3 mm的PCD钻头对70%(体积分数)的SiC_(p)/Al复合材料薄壁件进行钻削,采用单因素实验方案,通过改变主轴转速和进给速度检测复合材料已加工表面棱边的缺陷,并通过钻削实验验证有限元仿真的正确性。结果薄壁小孔钻孔形成的过程中,表面会出现大量的凹坑、裂纹及划痕。当主轴转速N为3000、4000、5000 r/min,进给速度V_(f)为0.05、0.1075、0.1 m/min时,小孔内表面的粗糙度随主轴转速和进给速度的增大而明显降低。发现进给速度是影响钻削棱边缺陷质量的主要原因之一,随着进给速度的增大,断裂缺口的缺陷越明发显,毛刺的高度和厚度逐渐增加,缺陷越发严重;主轴转速对棱边缺陷质量的影响较小,主轴转速增大,颗粒与基体产生变形的现象较少,毛刺的高度和厚度也逐渐减小,材料脱离及断裂缺口现象得到明显改善。结论当主轴转速为5000 r/min、进给速度为0.1 m/min时,加工表面较为光滑,材料的表面形貌较好,粗糙度为1.331μm。棱边缺陷随进给速度的增大和主轴转速的减小变得严重。

高体积分数SiC_(p)/Al复合材料超声辅助划切微观去除机理

目的揭示高体积分数SiC_(p)/Al复合材料在超声辅助加工条件下的材料去除机理。方法采用SiC_(p)/Al复合材料的超声辅助划切试验,探究划切参数变化对超声振幅、划切力及摩擦因数的影响规律,并通过扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对划痕表面微观形貌进行观察,分析单点金刚石磨粒工具超声辅助划切材料去除的特点。结果随着划切深度从0.01 mm增加到0.05 mm,电流值逐渐降低,电流值变化量从12 mA增加到25 mA,超声振幅逐渐衰减,金刚石压头的轴向冲击作用减弱。划切深度和划切速度的增加使切向挤压切削作用增强,划切力和摩擦因数增大。在材料去除过程中,碳化硅颗粒存在破碎成小颗粒、剪切断裂破碎和拔出等多种去除形式,铝基体出现明显的塑性流动和涂覆现象,并形成切削沟槽外侧堆积。结论当切削深度和进给速度较小时,材料去除主要是在轴向的高频振动冲击作用下完成,材料表面加工质量较好;当切削深度和进给速度逐渐增大时,材料去除是在轴向冲击破碎和切向挤压切削共同作用下完成,材料表面加工质量逐渐降低。