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。

固溶时间对Ti@(Al-Si-Ti)_(p)/A356复合材料组织及力学性能的影响

采用粉末触变成形技术制备了原位自生心-壳结构增强A356铝基复合材料,并研究了固溶时间对Ti@(Al-Si-Ti)_(p)/A356复合材料显微其组织及力学性能的影响。结果表明,随着固溶时间增加,初生α-Al相颗粒粗化长大;共晶Si相不断溶解,晶界上残余的共晶Si粗化、球状化;Al基体、Ti心部继续反应,增强体颗粒壳层发生相转变。复合材料在545℃固溶处理1 h时,力学性能达到峰值,其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为263.9 MPa、175.1 MPa、20%,比制备态复合材料分别提高了7.3%、21.4%和12.4%,维氏硬度也从59.3 HV提高到72.8 HV。

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。

SiC_(p)含量对SiC_(p)/Al-1.2Mg-0.6Si铝基复合材料组织和性能影响

采用粉末冶金法制备SiC_(p)/Al-1.2Mg-0.6Si铝基复合材料,分析了该复合材料的均匀性和界面结合情况,探讨了几种体积分数该复合材料的显微组织和性能变化。结果表明,SiC颗粒和基体之间的界面清晰平滑,界面结合良好,但随着热压温度的增加,SiC与基体间的微观缩孔和析出相逐渐增多。随着SiC颗粒含量的增加,材料的弹性模量、热导率显著提高,弯曲强度先升高后下降,而热膨胀系数逐渐降低。

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%。

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。

SiC_(p)体积分数对SLM成形SiC_(p)/AlSi10Mg复合材料组织及力学性能的影响

为了解SiC_(p)体积分数对SLM成形SiC_(p)/AlSi10Mg复合材料的力学性能的影响规律,本文通过改变SiC_(p)/AlSi10Mg复合材料中SiC_(p)的体积分数,研究了不同SiC_(p)体积分数下复合材料的显微组织及力学性能变化规律。研究结果表明:随着SiC_(p)体积分数的增加,复合材料的中的冶金孔洞的增多及Si形貌的改变是其力学性能降低的主要原因。当SiC_(p)体积分数为3%时,复合材料的抗拉强度及延伸率最高,分别达到417.3MPa和4.9%。

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。

SiC_(p)/2024Al复合材料板材的显微组织、力学性能及加工硬化行为

采用超声波辅助半固态搅拌铸造工艺制备SiC_(p)/2024Al复合材料,对其进行两步热变形(挤压和轧制),得到厚度为1 mm的SiC_(p)/2024Al复合材料板材,研究SiC_(p)含量对显微组织和力学性能的影响。结果表明:轧制态2024铝合金由带状晶粒和大块CuAl_2相组成;因SiC_(p)对铝基体动态再结晶形核的促进作用,致使2024铝基体晶粒尺寸显著细化;随着SiC_(p)体积分数的增加,其宏观分布更加均匀;两步变形导致SiC_(p)与CuAl_2相的破碎,破碎程度随SiC_(p)体积分数增大而增大,当SiC_(p)体积分数为15%时,SiC_(p)尺寸降至约4.9μm;随SiC_(p)体积分数的增加,屈服强度逐渐增大,当SiC_(p)体积分数为10%时,SiC_(p)/2024Al复合材料的综合力学性能最为优异,其屈服强度、极限抗拉强度和断后伸长率分别达到305、490 MPa和8%;随着SiC_(p)体积分数的增加,SiC_(p)/2024Al复合材料的热膨胀系数降低,弹性模量提高,当SiC_(p)体积分数为15%时,弹性模量可达96 GPa,相较于2024铝合金,提高了37.1%。

SiC_(p)/AZ91D镁基复合材料中SiC_(p)颗粒分散情况的无损检测方法

SiC_(p)/AZ91D镁基复合材料在航空航天领域应用较为广泛,但由于国内外对于超声波检测方法研究SiC_(p)/AZ91D镁基复合材料中SiC_(p)颗粒分布情况鲜见报道。本工作通过挤压铸造法,制备体积分数分别为0%,2%,4%和6%的SiC_(p)颗粒增强镁基复合材料。为了研究复合材料中颗粒分布情况,本工作采用超声声速法、超声衰减法、超声波特征扫描成像检测及非线性超声检测方法对SiC_(p)颗粒分散性进行研究。探索各种声学参量随SiC_(p)体积分数的变化关系及不同的检测方法对SiC_(p)颗粒分布情况检测能力的差异,并进行实验验证。结果表明:超声特征扫描检测及超声速度法能够定量检测SiC_(p)宏观团聚,超声衰减法对表征微观团聚和宏观团聚都能达到一个很好的效果,非线性超声检测方法对于检测SiC_(p)微观团聚更为敏感,颗粒不均匀时对力学性能影响最为突出,抗拉强度大大降低。

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。

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。

城轨列车制动盘SiC_(p)/A356复合材料热疲劳裂纹扩展机理

为研究制动盘服役温度载荷及材料微结构对SiC_(p)/A356复合材料热疲劳裂纹扩展行为的影响,明确其热疲劳裂纹扩展微观机理,开展SiC_(p)/A356复合材料热疲劳裂纹扩展实验。结果表明:裂纹扩展过程包括由SiC颗粒偏转作用和二次裂纹释放扩展驱动力导致的缓慢扩展阶段和主裂纹与裂纹扩展前端微损伤连接的快速扩展阶段;加热温度较低时,裂纹扩展的“台阶状”特征明显,整体扩展速率较低,裂纹宽度较小,裂纹扩展方式为颗粒断裂、轻量基体撕裂和沿界面开裂;加热温度较高时,“斜直线跃升”阶段更为明显,裂纹宽度较大且扩展速率较高,裂纹扩展以颗粒脱落以及大幅度基体撕裂为主;主裂纹总是通过选择沿SiC颗粒群或者直接穿过α-Al基体以阻力较小的方式向前扩展,Si相承载时极易发生断裂,成为裂纹扩展源,同时裂纹扩展前端的微损伤对其扩展具有引导作用。

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。

热处理和泡沫铁对A356-SiC_(p)/Fe干滑动摩擦学性能的影响

采用真空辅助熔渗工艺制备泡沫铁骨架作为增强SiC_(p)/A359复合材料A359-SiC_(p)/Fe,对比进行泡沫铁增强前后和T6热处理前后,两种材料的显微硬度和高温磨损性能,明确泡沫铁和T6热处理对A359-SiC_(p)/Fe复合材料高温磨损性能增强的效果,并结合使用SEM与EDS对表面磨损形貌、磨屑形貌的观察表征,以探究该材料在不同温度下的高温磨损机理。结果表示,使用真空辅助熔渗工艺制备A359-SiC_(p)/Fe, Al-Fe界面结合良好,不仅形成了机械结合,还形成了化学冶金结合(靠近铝基体界面的相为Al_(12)Fe_(5)Si_(3);靠近泡沫铁基体处为Fe_(2)Al_(5)相;远离泡沫铁组织,呈游离状态的合金相为Al_(4)FeSi)。A359-SiC_(p)/Fe在300~500℃的磨损量仅为未增强合金的25%~75%,有效将高温环境下的使用温度提升50~100℃以上。T6热处理能够明显提高Al基体的硬度以及Al-Fe界面的冶金结合程度,且在300~500℃时效果更明显,有效提高材料的高温耐磨性能。材料的磨削形式受温度影响,100℃时为磨粒磨损,摩擦温度到达350℃时表面出现分层和剥落,500℃时,开始粘着磨损。

SiC含量对铝基复合材料性能的影响

SiC增强铝基复合材料因具有高比强度、高导热与高耐磨等性能而被广泛应用于航空航天、电子封装与交通运输等领域。本文采用热压烧结法制备了SiC颗粒增强铝基复合材料,研究SiC含量对铝基复合材料微观组织及力学性能的影响。用X射线衍射、阿基米德排水法、洛氏硬度分析与三点抗弯法测定试样的物相组成、表观密度与力学性能,用SEM分析试样微观形貌,用激光闪射法测定导热系数。研究结果表明,随SiC颗粒体积分数从0%增加到60%,试样的硬度先增大后降低,在SiC体积分数为50%时达最大值,为90 HRB。试样的导热率先增加后降低,在SiC体积分数为30%时达到最大值,为324.05 W/(m·K)。随SiC体积分数增加,金属基体与增强体结合紧密,无明显孔隙。当SiC体积分数增加到60%,试样孔隙率增加,致密度降低,强度下降。