铜添加对SiCP/Al-20Si高压凝固复合材料组织及性能影响

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本论文采用高压凝固技术制备Si CP/Al-Si(-Cu)复合材料,研究不同Cu含量(0%、2%、4%、6%)及不同凝固压力(1、2、3GPa)对复合材料物相组成、微观组织和力学性能的影响。对添加Cu元素后的复合材料进行热处理,分析经过高压凝固和微合金化协同作用后的复合材料热处理前后组织及性能的变化。对不同凝固压力下Si CP/Al-Si(-Cu)复合材料进行组织观察和性能分析,结果表明,无论在何种凝固压力(1、2、3GPa)下Si CP/Al-Si复合材料含有Si、Si C、Al相。随着凝固压力的增加,复合材料基体组织中不规则片状初生Si相尺寸逐渐减少,当压力增加至3GPa时初生Si相消失;初生α-Al相含量逐渐增多,并且逐渐由椭圆形胞状向枝晶状转变;共晶Si相由长条状逐渐转变为短棒状。当复合材料中添加Cu元素后出现Al2Cu相,随着凝固压力的增加,Al2Cu相含量逐渐减少。3GPa凝固压力下的Si CP/Al-20Si复合材料其硬度(179.73HV0.2)、抗压强度(574.94MPa)和抗拉强度(165.80MPa)与1GPa凝固压力下相比分别提高了37.98%、16.39%和31.19%。Si CP/Al-Si(-Cu)复合材料的硬度、最大抗压强度和最大抗压强度均随着凝固压力的增加而提高,但是其塑性变形量和断裂总延伸率却随着压力的增加而降低。高压凝固复合材料的断裂方式为准解理断裂,当凝固压力为1GPa时,复合材料的断裂主要是由于Si C颗粒界面脱粘以及Al基体发生塑性断裂为主;凝固压力为3GPa时,复合材料增强相颗粒出现二次裂纹,大块Si C颗粒发生自断裂。研究同一凝固压力的Si CP/Al-Si(-Cu)复合材料基体组织,当Cu含量不超过2%时,极少量共晶Si发生了长大现象,有互相连接的趋势。初生α-Al相含量逐渐增多,尺寸长大;Cu含量达到4%、6%时,片状初生Si相尺寸明显增大,共晶Si颗粒发生缠结合并,出现明显粗化的现象。初生α-Al相含量增加,尺寸增大,Al基体之间基本相互连通。同一凝固压力下复合材料的硬度随着Cu元素含量增加而提高;最大抗压强度与最大抗拉强度随着Cu元素含量的增加先提高后降低,当Cu元素含量为2%时达到最大值,但是都优于不添加Cu元素的复合材料;复合材料的塑性变形量及断裂总延伸率随着Cu元素含量的增加而降低。对复合材料进行175℃×12h时效处理,复合材料的硬度及最大抗压强度提高,是由于在时效过程中析出了Al2Cu相,对基体组织起到弥散强化的作用。
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