论文部分内容阅读
近年来,在金属超声波固结成形技术基础上发展起来的超声波增材制造技术引起了国内外的普遍关注。该技术结合数控、铣、削等工艺,可实现超声波增材成形与智能制造一体化。在研发国内首台超声波固结装备的基础上,本文以A1 1100箔材和纯TA1箔材为原材料,通过超声波固结成形制备层状Al/Al材料、层状Ti/Al材料及对应的纤维增强预制带材,采用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪和力学性能测试设备,系统地研究了工艺参数对材料的微结构、剥离性能及拉伸性能的影响,探究了其断裂机制。并以Ti/Al及Ti/Al纤维预制带材为原材料,经热压烧结制备得Ti/Al3Ti层状复合材料。研究了以Ti/Al为原材料制备Ti/Al3Ti的热压反应动力学,并对制备得Ti/Al3Ti材料进行微结构表征和力学性能进行测试确定其力学指标和断裂机制。研究表明:振幅在28～32μm,正压力在1177～1373N,固结速度在20～28mm/s间制备的Al/A1材料综合性能最优。Al/Al材料剥离主要呈现完全剥离和部分剥离两种失效模式,Al/Al材料拉伸主要以塑性断裂为主但在近界面处会伴随着部分脆性断裂。正压力为1236N,振幅为30μm,固结速度为25mm/s时可实现连续束丝SiC纤维在Al/Al材料中的大范围均匀分散。在Al/Al材料中引入SiC纤维拉伸强度可提高约10.6%,延伸率与Al/Al材料大致相当。振幅在34～36μm,正压力在2059～2206N,固结速度在20～23mm/s间制备的Ti/Al材料综合性能最优。XRD及EDS结果表明,固结Ti/Al材料界面无明显的新相生成,只是在近界面的冶金结合区有几个微米的元素扩散。Ti/Al界面结合主要有机械结合区、冶金结合和机械结合混合结合区、完全冶金结合区三种形式。Ti/Al拉伸断裂后有明显颈缩,层内以塑性断裂为主,层间界面呈现脆性断裂。正压力为2001N,振幅为32μm,固结速度为25mm/s时可实现连续束丝纤维在Ti/Al材料中的大范围均匀分散。在Ti/Al中引入陶瓷纤维后其拉伸强度有一定程度降低,延伸率无明显变化。超声波固结成形制备的Ti/Al在660℃～700℃热压烧结后,Al3Ti是唯一生成相,且制备得Ti/Al3Ti中Ti与Al3Ti界面呈波浪形。660℃保温时Ti/Al预制带材热压烧结形成Al3Ti的动力学生长指数为2.38。压缩试验表明,Ti/Al3Ti垂直于叠层和平行于叠层的准静态压缩强度分别为582MPa和865MPa,断裂应变分别为0.047和0.017。拉伸试验表明,Ti/Al3Ti的准静态拉伸强度和断裂应变分别为174MPa和0.049。Cf-Ti/Al和SiCf-Ti/Al热压烧结后,连续束丝C纤维和SiC纤维整齐排列在Al3Ti层中心线处,且纤维与Al3Ti基体的近界面形成几个微米的元素扩散区,表明纤维与基体形成冶金结合。在Ti/Al3Ti引入陶瓷纤维可提高材料的拉伸强度、延伸率和垂直于叠层方向的压缩强度,却使平行于叠层方向的压缩强度一定程度上降低。Ti层的断裂表面呈现大量韧窝,为典型的韧性断裂;Al3Ti层断口呈现大量的穿晶断裂和沿晶断裂,为典型的脆性断裂。而在Ti/Al3Ti复合材料拉伸断断口表面,Ti层与Al3Ti的过渡边界部分呈渠形（“flutes”）和解理混合型断裂。