首页> 正文

B4C颗粒增强Al基复合材料的制备及焊接性研究

2020-11-28阅读(538)

B4C颗粒增强Al基复合材料的制备及焊接性研究

论文摘要

现代工业及日益紧缺的能源现状对结构材料提出了更高的要求。通过优化的制备工艺将密度低于铝合金,超硬及具有中子吸收特性的碳化硼（B4C）颗粒均匀分布于铝合金中可以制备高比性能、耐磨以及适应严酷工作环境的复合材料构件,在材料功能结构一体化及节约能源、环境保护方面有着重要的研究意义。而材料构件在实际中的使用往往与材料的焊接等加工性密切相关,如果焊接问题不解决,只能制备形状简单的结构件,从而抑制了轻质高强多功能金属基复合材料的应用范围,因此开展颗粒增强铝基复合材料的制备工艺与后续的焊接性研究对于拓宽铝基复合材料的应用具有重要的研究意义。本文针对航天航空及核工业应用潜力巨大的B4CP/Al基复合材料,通过工艺优化研究了搅拌铸造及粉末冶金制备工艺参数对B4CP/2024Al复合材料组织结构、力学性能的影响规律,确立了轻质高强B4CP/Al基复合材料稳定可行的制备工艺;对多种焊接工艺对复合材料焊接性及其组织与性能之间内在联系进行深入系统的研究,并通过X射线衍射分析,金相显微镜,扫描电镜,电子探针,透射电镜等分析手段系统全面的研究了复合材料组织演变、界面特性与性能之间的关系,主要研究结果表明:搅拌铸造法制备的B4CP/Al基复合材料拉伸强度通常低于基体合金强度,其原因在于,通过优化的搅拌铸造工艺能够实现增强体颗粒均匀分布于基体之中,但由于增强体B4CP颗粒与Al基体发生的界面反应造成复合材料强度及延伸率均低于基体合金。通过采用粉末冶金复合工艺,不仅可以避免增强体与基体的化学反应,同时可制备高性能B4CP/Al基复合材料。其中,经优化后粉末冶金工艺制备的10vol%B4CP/Al基复合材料,拉伸强度可达548.4MPa,延伸率为9.24%,其延伸率与基体合金延伸率接近;在延伸率高于4%条件下,24vol%B4CP/Al基复合材料强度可达626MPa。B4CP/Al基复合材料比强度、比模量明显高于传统结构材料（钢与钛合金）,优于相同体积份数的SiCP/Al基复合材料（比强度和比模量分别高出20%和5%）。通过对相同体积分数的B4CP/Al基复合材料与SiCP/Al基复合材料微观组织及断裂特征研究发现,B4CP/Al基复合材料在拉伸变形过程中没有发现增强体的破裂或界面脱粘现象,其变形与断裂受基体韧窝的产生、扩展控制。而SiCP/Al基复合材料的断裂与SiC颗粒的破裂有密切关联。B4CP/Al基复合材料制备过程中,B4C颗粒表面氧化生成的B2O3与基体合金内Mg元素反应生成MgO,后者的形成促进界面结合,同时氧化后的B4C颗粒由尖角状变为圆滑状,缓解了界面处应力集中状况;而包含层错等晶体缺陷的SiC颗粒或与挤压态复合材料中与增强体颗粒尺寸相近的Al20Cu2Mn3颗粒,当应力水平超过一定程度时,造成颗粒破裂,导致复合材料失效。对粉末冶金法制备的B4CP/Al基复合材料进行钨极氩弧焊（Tungsten Inert Gas welding, TIG）研究时发现,焊道内存在大量的针状产物与焊接气孔是造成接头性能差的主要原因。通过对复合材料TIG焊前进行真空除气处理可以明显降低B4CP/Al基复合材料焊道内气孔数量,接头拉伸强度不足100MPa。针对TIG焊条件下B4C与Al存在较强化学反应趋势的特性,研究了在熔池内添加含钛铝合金Al-10Ti和高铜铝合金焊丝ER2319对形成的接头组织、力学性能及熔池行为的影响规律,发现焊道内添加Al-10Ti可以生成TiC覆盖于B4C表面,TiB颗粒弥散地分布于焊道之中,表面包裹TiC的B4C颗粒在焊道内部能够实现均匀的分布,最终所形成的接头拉伸强度可提高至234MPa。向复合材料焊道添加ER2319进行TIG焊后,所形成的接头室温拉伸强度为233.2MPa,均为未添加填充金属焊接接头强度的2.5倍以上。对添加ER2319焊丝的复合材料接头进行T6处理后进行拉伸发现,其抗拉强度可达370MPa,为焊前复合材料母材强度有效率的70%以上,是提高B4CP/Al基复合材料TIG焊焊接性的有效途径。通过进一步研究表明:TIG焊接过程中,利用填充金属优先与增强体颗粒发生作用诱发原位化学反应,可以在增强体表面形成保护层,该保护层的存在不仅抑制增强体不被熔融铝侵蚀产生有害针状产物,同时原位产生的保护层（如TiC）与Al液的润湿角降低至118°（700℃）,而900℃下B4C与Al的润湿角仍然高达135°,从而改善焊后凝固组织,减少焊接气孔数目,促进增强体颗粒的均匀分布。由于激光焊接过程中复合材料的吸热机制不同于TIG焊,陶瓷B4C材料优先吸热并在铝液中分解产生B原子及C原子,在随后的凝固过程中分别与Al结合生成AlB12和Al4C3化合物。针对B4CP/Al基复合材料的焊接特性,通过选择不同材质的搅拌头研究了搅拌摩擦焊接技术（Friction Stir Welding,FSW）过程中复合材料接头形成规律及材料流动特性。H13钢材搅拌头对24vol%B4CP/Al基复合材料施焊后,在焊道表面形成类似撕裂的缺陷,焊道内产生隧道型缺陷,Lazy S线等焊接缺陷,上述缺陷的产生与FSW过程中搅拌头螺纹部分的剧烈磨损从而导致材料的不完全流动有关。GT35搅拌头工具基本可以实现对上述24vol%B4CP/Al基复合材料无缺陷对接。对上述接头截面增强体颗粒的分布进行研究发现,焊道两侧增强体分布相当均匀,无团聚现象发生。焊核中心晶粒尺寸1-2μm,为典型的再结晶组织。无缺陷FSW复合材料接头拉伸强度有效率均超过90%,其中10vol%B4CP/Al基复合材料接头强度511MPa,24vol%B4Cp/Al基复合材料接头强度575MPa,延伸率分别为9%和3.6%。接头拉伸断裂位置在热机影响区和热影响区之间,热影响区受到热循环作用促使Al20Cu2Mn3颗粒长大,致使热影响区成为接头薄弱环节。通过对复合材料/铝合金异种材料FSW对接,研究FSW过程中材料的流动规律,结果表明:复合材料与铝合金在焊核位置形成层状结构,与搅拌摩擦焊特殊的材料流动规律有关,对其截面观察后发现,位于后退侧的铝合金塑性较好,容易通过搅拌头的搅拌作用顺利回流到复合材料一侧与复合材料形成层状结构。同时,FSW焊后MMC/2024Al异种接头强度为278MPa,断裂位置为2024Al一侧。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 前言
  • 1.1 选题意义及背景
  • 1.2 铝基复合材料材料的制备方法
  • 1.2.1 固态法
  • 1.2.2 液态法
  • 1.2.3 半固态法
  • 1.2.4 原位自生法
  • 1.3 颗粒增强铝基复合材料的性能
  • 1.4 铝基复合材料的界面
  • 1.5 铝基复合材料的焊接性研究
  • 1.5.1 铝基复合材料钨极氩弧焊研究
  • 1.5.2 铝基复合材料激光焊接研究
  • 1.5.3 铝基复合材料扩散连接研究
  • 1.5.4 铝基复合材料搅拌摩擦连接研究
  • 1.6 论文选题意义及研究内容
  • 参考文献
  • 第二章 材料及试验方法
  • 2.1 试验材料
  • 2.2 复合材料制备
  • 4Cp/2024Al 复合材料'>2.2.1 搅拌铸造法制备B4Cp/2024Al 复合材料
  • 4Cp/2024Al 复合材料'>2.2.2 粉末冶金法制备B4Cp/2024Al 复合材料
  • 2.2.3 复合材料热处理
  • 2.3 复合材料测试方法
  • 2.3.1 密度测试
  • 2.3.2 拉伸试验
  • 2.3.3 物相鉴定
  • 2.3.4 显微组织分析
  • 2.3.5 焊接性试验
  • 4CP/Al复合材料制备工艺及组织性能研究'>第三章 B4CP/Al复合材料制备工艺及组织性能研究
  • 3.1 引言
  • 4CP/Al 复合材料制备工艺研究'>3.2 B4CP/Al 复合材料制备工艺研究
  • 4Cp/Al 复合材料'>3.2.1 搅拌铸造法制备B4Cp/Al 复合材料
  • 4Cp/Al 复合材料'>3.2.2 粉末冶金法制备B4Cp/Al 复合材料
  • 4CP/Al 复合材料组织结构及性能'>3.3 B4CP/Al 复合材料组织结构及性能
  • 3.3.1 显微组织及拉伸试验结果
  • 3.3.2 拉伸试验结果讨论
  • 4CP/Al 复合材料变形及断裂机制的研究'>3.4 B4CP/Al 复合材料变形及断裂机制的研究
  • 3.5 本章小结
  • 参考文献
  • 4Cp/Al复合材料熔化焊接研究'>第四章 B4Cp/Al复合材料熔化焊接研究
  • 4.1 引言
  • 4Cp/Al 复合材料TIG 焊研究'>4.2 B4Cp/Al 复合材料TIG 焊研究
  • 4Cp/Al 复合材料不添加焊丝表面TIG 焊组织'>4.2.1 B4Cp/Al 复合材料不添加焊丝表面TIG 焊组织
  • 4Cp/Al 复合材料原位合金化TIG 焊接头组织'>4.2.2 B4Cp/Al 复合材料原位合金化TIG 焊接头组织
  • 4Cp/Al 复合材料TIG 过程添加不同填充金属后力学性能分析'>4.2.3 B4Cp/Al 复合材料TIG 过程添加不同填充金属后力学性能分析
  • 4Cp/Al 复合材料LBW 焊研究'>4.3 B4Cp/Al 复合材料LBW 焊研究
  • 4Cp/Al 复合材料熔焊后焊缝中颗粒再分布'>4.4 B4Cp/Al 复合材料熔焊后焊缝中颗粒再分布
  • 4.5 熔化焊接过程中碳化硼与金属相互作用机制
  • 4.6 本章小结
  • 参考文献
  • 4Cp/Al复合材料的搅拌摩擦焊研究'>第五章 B4Cp/Al复合材料的搅拌摩擦焊研究
  • 5.1 引言
  • 4Cp/Al 复合材料FSW 接头成型及组织结构研究'>5.2 B4Cp/Al 复合材料FSW 接头成型及组织结构研究
  • 4Cp/Al 复合材料FSW 接头微观组织及力学性能分析'>5.3 B4Cp/Al 复合材料FSW 接头微观组织及力学性能分析
  • 4Cp/Al 复合材料与异种材料的FSW 研究'>5.4 B4Cp/Al 复合材料与异种材料的FSW 研究
  • 4Cp/Al 复合材料FSW 过程材料流动规律初探'>5.4.1 B4Cp/Al 复合材料FSW 过程材料流动规律初探
  • 4Cp/Al 复合材料与2024 铝合金异种FSW 性能分析'>5.4.2 B4Cp/Al 复合材料与2024 铝合金异种FSW 性能分析
  • 5.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 全文结论
  • 第七章 创新点
  • 致谢
  • 作者攻读博士学位期间发表论文

    • 相关论文文献

    • [1].基于苯并吲哚的荧光探针对Al~(3+)的识别及应用[J]. 应用化学 2020(01)
    • [2].甲醛在本征和Al掺杂石墨烯表面的吸附研究[J]. 科技创新导报 2020(11)
    • [3].空心玻璃微珠/Al基泡沫材料的微观组织与性能研究[J]. 轻金属 2020(02)
    • [4].Al对42CrMo螺栓钢淬透性及组织的影响[J]. 金属学报 2020(10)
    • [5].基于苯甲酰肼衍生物的Al~(3+)荧光探针的合成与表征[J]. 化学试剂 2016(12)
    • [6].合金元素Al、P对镀锌层耐蚀性的影响[J]. 电镀与环保 2017(01)
    • [7].含缺陷碳纳米管吸附Al原子的第一性原理研究[J]. 特种铸造及有色合金 2017(03)
    • [8].Al~(3+)荧光探针的合成及识别性能研究[J]. 化学试剂 2017(06)
    • [9].Al~(3+)对螺旋霉素发酵的影响[J]. 当代化工研究 2017(05)
    • [10].超高速碰撞2A12铝靶过程中Al~+的光谱辐射特征[J]. 光谱学与光谱分析 2017(08)
    • [11].新型席夫碱高灵敏荧光探针用于Al~(3+)的测定[J]. 中国科学:化学 2017(08)
    • [12].一种新型Al~(3+)荧光探针的合成及其在食品中的应用[J]. 高师理科学刊 2017(09)
    • [13].新型Al~(3+)荧光探针综合性实验开发与实践[J]. 山东化工 2020(18)
    • [14].Al对铁素体耐热钢析出相影响的模拟计算[J]. 铸造技术 2019(11)
    • [15].Al~(3+)对不同八仙花品种萼片颜色的影响初探[J]. 上海蔬菜 2017(04)
    • [16].含Al金属间化合物多孔材料的研究进展[J]. 中国材料进展 2017(Z1)
    • [17].合金元素Al对定向凝固镁合金组织、晶粒取向和力学性能的影响[J]. 铸造 2016(10)
    • [18].重视AL型肾淀粉样变的规范治疗[J]. 中华肾病研究电子杂志 2014(02)
    • [19].Al~(3+)对浸铀混合菌活性的影响[J]. 金属矿山 2014(07)
    • [20].不同酸度条件下茜素红-Al~(3+)-磺胺嘧啶体系的研究及应用[J]. 西北药学杂志 2009(02)
    • [21].Al~(3+)对红檵木叶色生理变化的影响[J]. 湖南林业科技 2008(02)
    • [22].喷丸处理对45钢表面Al~+注入层抗高温氧化性的影响[J]. 中国表面工程 2019(03)
    • [23].聚丙烯酸包囊的1-(羧甲基)-1,2,3-三唑-4-羧酸稳定胶体金对Al~(3+)的可视化检测[J]. 高分子材料科学与工程 2020(03)
    • [24].Al-水纳米流体冲击射流流动换热特性研究[J]. 东北电力大学学报 2017(04)
    • [25].8-羟基喹啉类荧光探针的合成及其对食品中Al~(3+)含量的检测[J]. 食品科学 2017(18)
    • [26].拉压变形对B(N)掺杂碳纳米管Al吸附性能的影响[J]. 沈阳工业大学学报 2016(04)
    • [27].基于修正球形双晶模型的金属Al晶界能分子动力学计算[J]. 中国有色金属学报 2015(11)
    • [28].基于烟气脱硫的碱式硫酸铝吸收剂Al~(3+)含量测量试验[J]. 安全与环境学报 2015(05)
    • [29].Al对42CrMo螺栓钢淬透性的影响[J]. 金属热处理 2020(10)
    • [30].微量Al~(3+)掺杂对钴铁氧体磁和电性能的影响[J]. 稀有金属材料与工程 2013(S1)

    标签：;  ;  ;  ;  ;  ;  

    B4C颗粒增强Al基复合材料的制备及焊接性研究
    下载Doc文档

    猜你喜欢

    © 2024 毕速过 版权所有 鄂ICP备12018319号-5