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颗粒增强铝基复合材料具有比强度高、导热性好、耐磨性好和尺寸稳定性好等优点,因而目前已广泛应用于航天、航空及武器系统等领域,在部分性能要求较高的民用领域也开始得到应用。限制该类材料大规模使用的障碍是成本过高。搅拌铸造制备颗粒增强铝基复合材料具有工艺简单、成本低、后续处理工艺选择性灵活等优势,被认为是最有可能实现规模化生产的制造方法。
本文首先介绍了颗粒增强铝基复合材料的制备方法、界面改性手段、后续处理工艺、增强机理机制及应用领域的发展现状与趋势,随后在此基础上提出了本研究的目的和意义,详细论述本文的研究内容并得出研究结论。研究内容主要是通过添加Mg合金来改善基体合金的润湿性和力学性能,用SEM对其组织形态分析和力学性能测试；通过化学还原原理在络合液中对经过高温氧化处理的微米级SiC颗粒进行表面包覆金属Cu,利用XRD和SEM等分析测试工具对Cu／SiC复合粉体的成分与结构进行了表征；以AD12铝合金为基体合金,采用真空搅拌铸造法制备SiC(p)／Al复合材料,通过对复合材料抗拉强度、抗弯强度和硬度的测试及显微组织和断口形貌的观察来分析制备工艺对材料性能的影响；最后对制备的复合材料进行了T6热处理和热挤压、固溶时效处理,研究固溶时间与时效时间对复合材料性能的影响,同时研究了不同SiC／Cu含量对T6态和热挤压态复合材料性能的影响,并对T6态复合材料的强化机理和热挤压固溶时效处理对复合材料强韧化机理进行了研究。
研究结果表明:对ADC12铝合金添加合金元素Mg,能有效提高基体合金的强度,尤其是热处理强度,较未改性的合金相比,添加Mg量达到1.0％时综合性能最好,抗拉强度可达到274 MPa,较未改性基体合金提高15％左右。利用化学还原原理制备的Cu／SiC复合粉体表面包覆效果良好,纳米铜可以均匀完整包覆SiC颗粒,形成的复合粉体含Cu量为15％。利用真空搅拌铸造法制备的SiC(Cu)／ADC12复合材料在复合温度为580℃、保温温度740℃和搅拌时间30 min左右时获得的材料性能最佳。在此工艺下,铸态抗拉强度在SiC／Cu含量为4％时取得最大值,抗弯强度在SiC／Cu含量为6％时取得最大值,硬度随Cu／SiC复合粉体含量的增加而提高。对SiC(Cu)／ADC12复合材料T6处理工艺最终选择的固溶时间为7 h,时效时间为6.5 h,固溶温度515℃,时效温度175℃。T6态复合材料抗拉强度随SiC含量不同从324 MPa到355 MPa,与铸态相比平均提高18％到30％,在SiC／Cu含量6％时达到最大值355MPa:抗弯强度从365MPa.到510 MPa,与铸态相比平均提高27％左右,在SiC／Cu含量为8％时达到最大值510 MPa；布氏硬度值从140 HB到163 HB,平均提高10％左右。在SiC／Cu含量为8％时达到最大值163 HB；其断裂主要是以脆性断裂为主的混合型断裂,增强机制有位错强化、细晶强化、弥散强化和固溶强化。热挤压固溶时效处理的复合材料其抗拉强度从386 MPa到462 MPa,与T6态相比提高了20％到30％,在siC／Cu含量为6％时达到最大值462 MPa:布氏硬度值从108 HB到121 HB,与T6态相比下降近20％且硬度变化随着SiC的增加而增加。其强韧化机理主要是位错强化、细晶强化、固溶强化、弥散强化及组织的变化和晶粒定向分布。