SiCP/A356铝基复合材料组织与力学性能研究及其界面第一性原理计算

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颗粒增强铝基复合材料具有轻质高强,耐磨性好,低热膨胀率等优点,被广泛应用于航空航天,汽车制造等领域。粉末冶金法是制备颗粒增强铝基复合材料最常用的方法之一,但采用该方法制备的复合材料存在致密度低、力学性能较差的缺点。为了获得颗粒增强铝基复合材料粉末冶金制备工艺,研究最佳制备工艺下的性能以及增强体颗粒与基体的界面关系,本文选用A356铝合金为基体,SiC颗粒为增强体,采用了真空热压烧结的制备方法,制备了不同SiCp含量、粒径以及热压温度和压力条件下的SiCp/A356铝基复合材料样品。利用了正交试验考察了SiCp含量、粒径以及热压温度和压力条件对SiCp/A356铝基复合材料性能的影响。通过金相显微镜及扫描电子显微镜得到了SiCp/A356铝基复合材料金相照片以及断口形貌。对制备的样品进行了室温条件下的拉伸试验、硬度检测、摩擦磨损实验;对SiCp与A356基体的界面进行了扫描电镜能谱(EDS)分析。结合已有的SiC颗粒与Al基体间界面原子位相关系和采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,构建了SiC(0001)/Al(111)界面模型,研究其界面电子结构和能量。通过实验和计算得出以下结论:(1)SiCp最佳氧化改性工艺参数为:氧化温度1100℃和氧化时间7h,有利于解决SiCp与A356基体润湿性差的问题。(2)利用L9(3~4)标准正交表及极差分析研究了SiCp颗粒粒径、含量、热压温度以及热压压力对其力学性能如抗拉强度、延伸率和硬度的影响,得到影响抗拉强度的因素顺序为热压温度>热压压力>SiCp含量>SiCp粒径;延伸率的影响因素顺序为热压温度>SiCp含量>热压压力>SiCp粒径。硬度的影响因素顺序为热压温度>粒径>含量>热压压力。当SiCp粒径为25μm,SiCp含量为20wt%,热压温度为595℃和热压压力为30 MPa时,SiCp/A356铝基复合材料的综合力学性能最佳,其抗拉强度、延伸率和硬度分别为261.2MPa、5.366%和93.82HV。(3)金相照片以及SEM照片结果表明,3#和6#样品的SiC颗粒分布均匀,SiC颗粒与A356基体结合良好,当SiC颗粒粒径达到纳米级(如8#样品)时,颗粒发生部分团聚,界面结合较差,孔隙率增加。界面的反应为3SiC(s)+4Al(l)=3Si(s)+Al4C3(s)。(4)三种典型样品(3#、6#、8#)摩擦磨损曲线、磨损体积和磨损量表明SiC颗粒粒径与耐磨性能正相关,SiC颗粒尺寸越大,耐磨性能越强。颗粒直径为25μm的3#试样的摩擦系数最终稳定在0.42左右,颗粒直径为13μm的6#试样的摩擦系数稳定在0.51左右,而颗粒直径为500nm的8#样品的摩擦系数约为0.53。样品的表面磨损形貌表明3#样品表面具有粘着磨损和磨粒磨损的混合磨损特点;6#样品表面具有粘着磨损,表面疲劳磨损以及磨粒磨损类型的典型特征;8#样品磨损量较大,为完全的粘着磨损。(5)6H-SiC(0001)/Al(111)界面计算结果表明,以C和Si原子为终端原子界面稳定性的顺序为:TOP>FCC>HCP。以C原子为终端原子并且TOP堆垛方式构成的6H-SiC(0001)/Al(111)界面最稳定,界面两侧的Al、C原子结合会形成强Al-C共价键,增强了复合材料的机械强度,降低了塑性。
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