喷射沉积SiCp/Al-Fe-V-Si复合材料热加工工艺、组织及性能的研究

论文摘要

Al-Fe-V-Si系耐热铝合金具有良好的室温和高温强度、塑性、断裂韧性以及耐腐蚀性能。该系列合金在Al基体上弥散分布大体积分数的Al12（Fe,V）3Si耐热强化相，强化相细小均匀，具有良好的热稳定性，并且可以充分发挥弥散强化的作用。在该系合金中加入SiC颗粒进行增强，提高材料的杨氏模量、耐磨性，还可以提高材料的室温和高温强度。本论文综合评述了快速凝固耐热铝合金及其复合材料、快速凝固－粉末冶金技术以及喷射沉积技术的研究进展和现状，针对SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料研究中的问题，开展了以下几个方面的研究工作：基于多层喷射共沉积制备技术和装置，研究了SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料坯料的制备，研究了喷射沉积工艺参数如液流直径、雾化气体压力、喷射高度等对沉积坯组织和性能的影响，获得了最佳的喷射沉积工艺参数。通过单向热压对SiCP/Al-Fe-V-Si进行致密化，并对比研究了传统的热挤压致密。对SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料经热挤压和热压后的显微组织进行研究发现：热挤压后的组织中，SiC颗粒呈流线分布，并且在厚度方向上分层，大量的SiC颗粒流动到表面；而在热压后的组织中，虽然在小范围内有SiC颗粒的聚集，但是并未出现SiC颗粒的表层聚集现象。对比研究了多层喷射共沉积SiCP/Al-Fe-V-Si材料的热挤压后轧制和热压后轧制两种热加工工艺，以及这两种工艺对于复合材料板材的显微组织和力学性能的影响。研究发现通过热压后再轧制比通过热挤压后再轧制，复合材料板材具有更加均匀的显微组织。热压致密能克服热挤压过程中带来的SiC颗粒表层聚集现象，SiC颗粒与基体结合良好，轧制后的板材显微组织的均匀、细小，因而加工得到的板材具有优异的力学性能。并研究了轧制过程中复合材料的密度和硬度的变化规律。对比研究Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金及添加SiC颗粒的复合材料的组织力学性能，并研究了不同Fe含量的SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料经热压后热轧制备的板材的组织和力学性能。研究发现，SiC颗粒加入能提高喷射沉积过程中基体合金的冷却速率，使基体晶粒更加细小，弥散粒子也更加细小弥散、稳定，产生更好的细晶强化和弥散强化效果，并在后续的热加工过程中，依然保持晶粒、第二相粒子细小弥散，从而提高了材料的力学性能。复合材料中的第二相粒子体积分数随着Fe含量的升高而升高，复合材料的抗拉强度特别是高温下的抗拉强度随着Fe含量的升高而升高，而材料的伸长率随其Fe含量的升高而降低。经过相同的热挤压后再热轧的工艺加工后，加入SiC颗粒进行喷射共沉积得到的SiCP/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料比没有添加SiC颗粒的Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si合金具有更好的力学性能。研究了SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料的SiC-Al界面，结果表明，在多层喷射共沉积SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料主要存在两种SiC-Al界面，一种是具有晶态界面层的SiC-Al界面，一种是具有非晶态界面层的SiC-Al界面。晶态SiC-Al界面为一平直的、宽度为3nm左右Si原子界面层，界面十分干净且无缺陷，Si纳米过渡层提高了界面润湿性。SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料在界面附近有Al4C3相的生成，Al4C3相呈棒状，长度约为40nm，而直径约为10nm，长径比约为4:1，细小的Al4C3相粒子弥散分布在基体中。另一种SiC-Al界面是厚约5nm的SiO2非晶界面层，SiO2过渡层能起到一个保护层的作用，从而防止生成粗大的Al4C3脆性相，提高SiC与Al基体之间的润湿性，清除界面处的污染物。良好的界面润湿性保证了界面结合强度，有利于提高复合材料的力学性能。研究了SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料在不同温度下的断裂机制，结果表明，在颗粒增强的金属基复合材料中，主要的裂纹形核机制是增强颗粒的开裂、增强颗粒－基体界面的脱粘，裂纹形核方式取决于界面结合的强度。当拉伸温度较低时，由于SiC-Al基体界面结合较强，主要通过SiC增强颗粒的开裂形核，在材料开裂以前，基体变形程度高，材料塑性较好。当拉伸温度达到400℃时，SiC- Al基体界面结合较弱，界面的脱粘成为裂纹形核的主要机制，材料在产生软化以前已经断裂。随着温度的升高，界面结合逐渐减弱，被拉断的SiC颗粒来减少，被拔出的SiC颗粒增多，复合材料的塑性变差。研究了热暴露过程中SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料的第二相粒子、SiC-Al界面和力学性能的热稳定性，以及热暴露过程中的位错增殖现象。复合材料中的弥散粒子在长期高温过程中保持类球状，粗化速率低，即使经550℃热暴露200h后组织无明显变化，硬度下降不明显，具有优异的热稳定性。SiC在热暴露过程中有效抑制第二相粒子的长大与分解，因此添加SiC颗粒的复合材料组织和力学性能具有更好的热稳定性。复合材料的热稳定随着Fe/V比值的提高而提高。经640℃热暴露10h，SiC-Al界面析出了粗大Al4C3相。SiCP/Al-Fe-V-Si经550℃长时间热暴露后，出现了位错增殖。研究了SiCP/Al-Fe-V-Si的耐腐蚀性能。Al-Fe-V-Si合金及其复合材料都具有良好的抗腐蚀性能，但添加SiC后的复合材料较未添加SiC颗粒的同成份Al-Fe-V-Si合金材料腐蚀速率小，抗腐蚀性能好。而对于不同Fe含量的SiCP/Al-Fe-V-Si复合材料，随着Fe含量的升高，腐蚀速率升高，抗腐蚀能力下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 耐热铝合金及其复合材料简介
• 1.2.1 耐热铝合金
• 1.2.2 耐热铝合金复合材料
• 1.2.3 耐热铝合金及其复合材料的应用
• 1.3 耐热铝合金的快速凝固制备技术
• 1.3.1 快速凝固－粉末冶金法
• 1.3.2 平流铸造法
• 1.4 喷射沉积技术
• 1.4.1 喷射沉积工艺技术及发展状况
• 1.4.2 多层喷射共沉积原理
• 1.4.3 喷射沉积技术特点
• 1.5 本论文的研究目的和主要内容
• 第2章 多层喷射共沉积制备Si CP/Al-Fe-V-Si复合材料锭坯的原理及规律研究
• 2.1 引言
• 2.2 锭坯制备方案与过程
• 2.2.1 合金的成份配制
• 2.2.2 喷射沉积装置
• 2.2.3 喷射沉积工艺参数
• 2.2.4 检测方法
• 2.3 喷射沉积工艺参数对沉积状态的影响
• 2.3.1 雾化工艺参数的影响
• 2.3.2 沉积工艺参数的影响
• 2.3.3 工艺参数对SiC增强颗粒捕获的影响
• p/Al-Fe-V-Si复合材料的显微组织及致密度'>2.4 喷射共沉积Si C_p/Al-Fe-V-Si复合材料的显微组织及致密度
• 2.4.1 显微组织
• 2.4.2 喷射共沉积的致密度
• 2.5 本章小结
• 第3章 喷射沉积Si CP/Al-Fe-V-Si复合材料板材的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验方案与过程
• 3.2.1 热挤压及热压的设备及工艺过程
• 3.2.2 轧制的设备及工艺过程
• 3.2.3 检测方法
• 3.3 热挤压工艺
• 3.3.1 热挤压工艺参数的选择
• 3.3.2 热挤压致密后的显微组织及材料的致密度
• 3.4 热压工艺
• 3.4.1 热压工艺参数的选择
• 3.4.2 热压后的金相组织和热压致密度
• 3.5 轧制工艺
• 3.5.1 轧制工艺参数的选择
• 3.5.2 轧制过程中的组织、致密度、硬度演变
• 3.5.3 轧制过程中的致密化及硬度演变
• 3.6 本章小结
• 第4章 Si CP/Al-Fe-V-Si复合材料的微观组织及性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验方案与过程
• 4.2.1 显微组织观察
• 4.2.2 力学性能
• 4.3 Si CP/Al-Fe-V-Si复合材料的显微组织
• 4.3.1 加工过程中的X 射线物相分析
• 4.3.2 弥散粒子
• 4.3.3 SiC与基体金属界面
• 4.3.4 断裂机制
• 4.4 Si Cp/Al-Fe-V-Si复合材料的力学性能
• 4.4.1 SiCP/Al-Fe-V-Si 复合材料的力学性能
• 4.4.2 SiCP/Al-Fe-V-Si 复合材料在不同温度下的变形行为
• 4.4.3 强化机制
• 4.5 本章小结
• 第5章 SiCP/Al-Fe-V-Si 复合材料的热稳定性及耐腐蚀性能
• 5.1 引言
• 5.2 实验方案与过程
• 5.2.1 热稳定性能测定
• 5.2.2 耐腐蚀性能测定
• 5.3 热暴露过程显微组织和力学性能的稳定性
• 5.3.1 热暴露过程中的相转变
• 5.3.2 热暴露过程中显微组织的演变
• 5.3.3 SiCP/Al-Fe-V-Si 的力学性能变化
• 5.3.4 热稳定性能分析
• 5.4 耐腐蚀性能
• 5.4.1 腐蚀后的显微组织
• 5.4.2 腐蚀过程中的失重状况
• 5.4.3 腐蚀性能分析
• 5.5 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A