h-BN/2024Al复合材料制备与力学行为

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六方碳化硼(h-BN)的结构与石墨相似,在金属基复合材料中是一类可实现二维强化的增强相。但h-BN与Al基体的润湿性差,因此,将薄片状h-BN均匀分散到基体中,实现成分和组织精确调控,制备性能优异的h-BN/Al复合材料的研究亟需进一步展开。本文采用两步球磨法获得均匀分散的h-BN和Al复合粉体、利用放电等离子烧结(SPS)及热挤压变形获得了h-BN/Al复合材料,系统地研究了氮化硼含量及热挤压变形对复合材料微观组织与力学性能的影响规律,揭示hBN/Al复合材料的强化机理。通过“球磨混粉-放电等离子烧结-热挤压变形-T6热处理”的工艺流程制备了含量为1 wt.%和3.0 wt.%两种h-BN/2024Al复合材料。两步球磨使得h-BN增强体均匀的嵌入到铝粉内部。SPS制备的h-BN/2024Al复合材料性质均匀,热挤压后hBN/2024Al复合材料表面质量良好,没有明显的宏观缺陷;h-BN增强体由烧结态的随机分布变为沿挤压方向的定向排列,h-BN由铸造态的扭曲形态变为平直形态,热挤压变形可以对h-BN起到进一步分散和定向排布的作用。挤压之后三种含量的h-BN/2024Al抗拉强度、屈服强度都有明显的提高。挤压后3.0 wt.%h-BN/2024Al抗拉强度提高29.8%、屈服强度提高8.6%、弹性模量提高11.1%、延伸率提高450.0%。h-BN含量最高的3.0 wt.%h-BN/2024Al复合材料抗拉强度448 MPa、屈服强度340 MPa、弹性模量90 GPa,较基体合金分别提高6.1%、10.8%、25.7%。采用修正的Halpin-Tsai模型计算的h-BN随机分布、沿单一方向分布的复合材料弹性模量与实测的挤压前后弹性模量值吻合较好。计算了各种屈服强化机制所带来的强化效果,揭示h-BN对铝基复合材料的主要强化机制。理论计算中1.0 wt.%h-BN/2024A复合材料载荷传递强化占比为45.3%。3.0 wt.%h-BN/2024Al复合材料载荷传递强化占比为50.3%。
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