【摘 要】
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三维互穿网络结构Si C/Al复合材料以其独特的微观结构和卓越的综合性能而备受重视。不同于Si C颗粒弥散分布于Al基体相中的常规复合材料,互穿网络复合材料中Si C相和Al合金相互相渗透形成网络结构,它们之间的协同作用使复合材料具有优良的综合性能,如较高的强度和断裂韧性以及优良的耐磨性和抗热震性等。制备互穿网络Si C/Al复合材料的前提和关键是网络结构Si C预制体,3D打印工艺由于复杂结构成
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三维互穿网络结构Si C/Al复合材料以其独特的微观结构和卓越的综合性能而备受重视。不同于Si C颗粒弥散分布于Al基体相中的常规复合材料,互穿网络复合材料中Si C相和Al合金相互相渗透形成网络结构,它们之间的协同作用使复合材料具有优良的综合性能,如较高的强度和断裂韧性以及优良的耐磨性和抗热震性等。制备互穿网络Si C/Al复合材料的前提和关键是网络结构Si C预制体,3D打印工艺由于复杂结构成形能力强和材料适用性广等特点,正在成为复合材料预制体制备及新型复合材料开发的新兴热点。本文以3D打印网络结构Si C预制体结合Al-Mg合金的熔体浸渗工艺,制备出互穿网络结构Si C/Al-Mg复合材料,研究了Si C浆料的制备工艺、3D打印工艺及无压浸渗工艺对复合材料组织性能的影响。研究结果如下:(1)对Si C浆料的制备工艺进行研究,通过改变固相体积分数、分散剂含量、粘结剂含量和p H值,探究了这些因素对Si C浆料粘度和挤出成形性的影响,确定制备出适合3D打印的Si C陶瓷浆料。研究表明:当固相体积分数为42%、分散剂含量为3 vol.%、粘结剂含量为12 vol.%、浆料p H值为9时,浆料粘度适宜,约为2.8 Pa·s,浆料的分散性能最好且最稳定,适合于网络框架预制体的挤出3D打印。(2)对3D打印过程中的工艺参数进行研究,发现最佳分层厚度为挤出头内径的80%,此时挤出丝表面无裂纹且预制体的外形均匀完整,搭接效果最好。在此基础上利用正交试验分析挤出头内径、挤出丝间隙和打印层数三个因素对Si C预制体结构的影响,分析发现,挤出头内径是影响试验结果的主要因素,其次是挤出丝间隙,最后是打印层数。得出最优的Si C预制体制备方案为:挤出头内径为0.6 mm,挤出丝间隙为0.6 mm,打印层数为6层。对Si C预制体的烧结工艺研究发现,烧结温度在1350℃时预制体性能最佳,此时的抗弯强度为5.141 MPa、孔隙率为81.75%、体积密度为1.270 g/cm~3、在X、Y、Z三个方向的收缩率分别为8.35%、14.60%、7.58%。(3)利用无压浸渗工艺制备了互穿网络结构Si C/Al-Mg复合材料,铝合金成分、无压浸渗条件和Si C预制体烧结温度对Si C/Al-Mg复合材料的组织和力学性能有重要影响。当Mg含量从6 wt.%增加到10 wt.%时,复合材料微观组织趋于致密均匀,孔隙明显减少,浸渗效果越来越好,力学性能有所提高,当Mg含量为10 wt.%时,复合材料的力学性能最好。当浸渗保温时间由1 h增加至4 h时,Si C颗粒与铝合金的结合更加紧密、分布趋于均匀、界面结合良好,孔洞也有所减少,力学性能有了显著改善,当保温时间增大至4 h时,复合材料的力学性能最好。当浸渗温度从890℃提高到950℃时,促进了反应发生和组织均匀,复合材料的力学性能也有所增加,当浸渗温度为930℃时,复合材料的力学性能最好。当预制体烧结温度从1150℃提高到1450℃时,复合材料的力学性能呈现先增加后减小的趋势,当烧结温度为1350℃时,Si C颗粒不容易产生团聚,分布较均匀,Si C和基体之间结合良好,起到了很好的增强效果,复合材料的力学性能达到最大。通过对不同工艺参数下的复合材料进行研究,发现当Si C预制体烧结温度为1350℃、Mg含量为10 wt.%、浸渗温度为930℃、浸渗保温时间为4 h时,Si C/Al-Mg复合材料的综合性能最佳,维氏硬度和抗压强度分别达到了336 HV和553 MPa,磨损率为3.37×10-7cm~3/(N·m)。
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