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现代装甲材料特别是防弹面板材料在实际应用中需要具备质轻、抗弹性好等的特点,而陶瓷颗粒增强铝基复合材料的研制与开发正是目前能够解决这一问题的热点,特别是碳化硼陶瓷与金属铝及其合金的复合正在作为大家研究的焦点。这是因为B4C/Al复合材料的密度与碳化硼陶瓷的密度(2.5g·cm-3)基本上处于同一水平,仍具有轻质的特点;同时B4C/Al复合材料中还因为加入了金属成分,在保证复合材料高强度的同时还具备了有高韧性的优势。
本课题主要采用无压浸渗工艺制备B4C/Al复合材料,包括B4C/纯Al复合材料和B4C/2519A复合材料。论文首先以不同的制备工艺制备B4C预制体,其次无压浸渗制备B4C/Al复合材料,最后对复合材料进行不同的热处理。综合运用X射线仪、金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析仪以及力学性能测试仪等仪器设备,对B4C预制体和B4C/Al复合材料进行显微组织和力学性能的测试与分析,研究材料组织与性能之间的相互关系,得出以下主要结论:
(1)采用无压浸渗工艺制备B4C/Al复合材料,B4C陶瓷预制体的制备是关键且基础的工艺环节。本文经过实验,优选出了B4C陶瓷预制体的最佳工艺制度为:成型压力采用100MPa,保压时间选择2min,可以制得(Φ)=25mm左右,高13mm左右的圆柱形坯体。B4C陶瓷预制体中颗粒连接紧密,平均致密度在52％～56％之间。
(2)B4C陶瓷预制体的最优烧结温度可以确定为1750℃。B4C陶瓷预制体在此温度下烧结完全,内部晶粒相互粘结,且整体分布均匀,形成了彼此互通的三维连续网络结构,为金属的充分浸渗提供了重要条件。经1750℃预烧后的B4C陶瓷预制体的平均致密度为55.0％。
(3)制备100×100×13mm尺寸的B4C陶瓷预制体时,根据成型压力及保压时间对预制体密度的影响情况,可以适当提高成型压力,延长保压时间。本实验采用适当延长保压时间为3min,而保持成型压力100MPa的压制工艺,制备了比较理想的B4C陶瓷预制体。
(4)通过显微X射线衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)观察及能谱(EDS)分析表明:金属铝渗入到碳化硼预制体中后,B4C和Al在高温下发生反应,主要生成了AlB2相和Al3BC相。在B4C/纯Al复合材料中主要生成AlB2相,其次是Al3BC相:在B4C/519A复合材料中主要生成Al3BC相。
(5)热处理工艺对B4C/Al复合材料的组织和性能有重要的影响。经过一定的热处理后,B4C/Al复合材料中的主要相组成为Al3BC、Al82、B4C和Al相。研究表明,随热处理温度的提高,热处理时间的延长,复合材料中Al3BC相的含量逐渐增加,AlB2相的含量逐渐减少。在900℃×25h热处理后,B4C/2519A复合材料中主要生成相为Al3BC,在700℃×25h热处理后主要生成相为AlB2相。
(6)采用碳化硼粉末以100MPa×2min工艺冷压成型B4C预制体,在1750℃烧结,1200℃×2h无压浸渗铝熔体,最后经900℃×25h热处理工艺制备的B4C/2519A复合材料,密度为2.75g·cm-3,硬度(HRC)为65.0,三点弯曲强度为278.37MPa。高于相同工艺制备的B4C/纯Al复合材料的相应力学性能值。
(7)B4C/2519A复合材料断裂韧性值为2.87MPa·m1/2,较B4C/纯Al复合材料具有好的韧性。