SiCp/2024Al复合材料制备工艺与性能的研究

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本文以航天航空用空间工程结构材料为应用背景,采用真空热压烧结制备SiCp/2024Al复合材料。以密度为轻质指标,热膨胀系数为尺寸稳定性指标,以抗拉强度和硬度为力学性能参数,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射分析、热膨胀分析仪、精密万能材料试验机、布氏硬度仪等设备,研究不同的制备工艺对复合材料组织性能的影响,来确定最佳制备工艺。研究了热处理对真空热压制备SiCp/2024Al复合材料组织性能影响,探讨其强化机理。此外,对SiCp/2024Al复合材料动态压缩性能进行了探索研究。研究结果表明:在2024Al基体中加入SiC颗粒明显提高了复合材料整体的力学性能,SiC颗粒起到了很好的增强作用,也很大程度上降低了材料的热膨胀系数。采用SiC颗粒尺寸为3.5μm,在580℃进行真空热压烧结制备的复合材料综合性能最佳。此时复合材料组织较为致密,界面结合状况较好,基体中存在大量片状Al2Cu相,抗拉强度为283MPa,在20℃~100℃时测得热膨胀系数为12.32×10-6K-1。真空热压烧结制备SiCp/2024Al复合材料最佳热处理工艺为在490℃固溶处理1h,然后在170℃下时效处理10h。SiCp/2024Al复合材料经过热处理后,致密度达到97.3%,在20℃~100℃测得材料热膨胀系数为13.18×10-6K-1,抗拉强度达到409MPa。经过热处理后的SiCp/2024Al复合材料组织致密,基体中白色第二相明显减少,析出相弥散分布在基体中,主要为针棒状Al2CuMg相和少量的点状Al2Cu相,SiC颗粒与基体界面处位错密度增大。基体合金在时效析出大量的Al2CuMg相与基体中位错交互作用,在塑性变形过程中,形成了针扎作用,材料的变形抗力增加,从而提高了材料整体的力学性能。SiCp/2024Al复合材料在高应变率动态冲击下均未出现剪切破坏和破碎等宏观损伤,都出现了不同程度的腰鼓变形,材料表现出良好的塑韧性。在不同应变率下,相同颗粒尺寸的SiCp/2024Al复合材料的动态压缩应力-应变曲线趋势变化不大。复合材料的流动应力并没有因为应变率的变化有明显的改变,复合材料基本为率不敏感材料。在同一体积分数下,相同冲击载荷作用下,不同颗粒尺寸对SiCp/2024Al复合材料的动态压缩性能有显著的影响。小颗粒尺寸的SiCp/2024Al复合材料表现出了较大的屈服应力值和流动应力值。
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