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本文以光学/仪表级复合材料为应用背景,以高比模量、高比强度、低膨胀、高导热及高尺寸稳定性等性能为目标进行了材料设计,通过添加30%~40%,3μm~40μm的Si C颗粒到2024铝合金基体中,利用粉末冶金法制备复合材料获得上述性能。采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜、热膨胀仪、电子拉伸机、硬度计、X射线衍射仪(XRD)、激光热导仪和gleeble热力模拟机等手段研究了Si C颗粒的加入对Si Cp/Al复合材料显微组织、力学性能、热物理性能和热加工性能等的影响,并深入研究了其作用机理。研究工作及主要结果如下:(1)综合研究了热压烧结工艺参数如热压温度,热压压力和保温时间等对Si Cp/Al复合材料性能和组织的影响,优化成型工艺,探求有利于提高复合材料界面结合和力学性能的工艺方案,并获得了制备工艺参数对复合材料力学性能的影响规律,确立了Si Cp/Al复合材料的最优制备工艺为热压温度580℃,热压压力70~80MPa,保温时间3h;研究了热处理工艺参数影响Si Cp/Al复合材料力学性能的规律,并得到合理的热处理工艺参数为505℃固溶2小时,水淬,190℃人工时效处理7~10小时。(2)通过改变Si C颗粒尺寸,从材料设计角度改善Si Cp/Al复合材料力学性能,制备出力学综合性能较高的Si Cp/Al复合材料,30%Si Cp(3μm)/Al(σb=409MPa,E=219GPa)、30%Si Cp(8μm)/Al(σb=367MPa,E=195GPa)、35%Si Cp(3μm)/Al(σb=385MPa,E=209GPa)和35%Si Cp(8μm)/Al(σb=403MPa,E=215GPa)四种复合材料的比强度均超过120Nm/kg,比模量大于60m,可为工业应用提供技术支持。研究了Si C颗粒尺寸效应引起的显微组织变化对Si Cp/Al复合材料拉伸变形行为的影响及作用机理,探明了Si Cp/Al复合材料的强化机制与断裂模式,其中,Si C颗粒尺寸减小,Si Cp/Al复合材料的屈服强度、抗拉强度和硬度均增大;复合材料的相对密度与Si C颗粒尺寸和基体颗粒尺寸的比率(d/D)相关。复合材料的断裂机制也受Si C颗粒尺寸的影响,当Si C颗粒尺寸逐渐变大,复合材料的断裂机制由基体的韧性断裂为主转变为以Si C颗粒本身的解理断裂为主。(3)研究了Si Cp/Al复合材料中Si C颗粒与铝基体界面的结构和结合形式,Si C/Al界面干净平滑,整体结合良好,多数为干净界面,也含有极少量轻微反应型界面和非晶层界面。在干净界面中,Si C和Al间没有固定或择优的取向关系,Si C和Al的结合机制为紧密原子匹配形成的半共格界面;在轻微反应型界面中,反应生成物Mg Al2O4与Si C和Al均能形成半共格界面,作为中间媒介很好地连接了Si C和Al。(4)通过微结构分析研究了Si Cp/Al复合材料热处理后基体中析出相的结构和形态以及与基体的界面结合情况,时效处理后析出相以盘片状Al2Cu和棒针状Al2Cu Mg的形式弥散分布于基体中,对位错运动起到钉扎作用,起到沉淀强化的效果。随着时效时间的增长,析出相Al2Cu和Al2Cu Mg的直径和长度逐渐增加。随着时效时间的延长,时效析出相与基体的界面转变规律为:共格界面→错配度较小的半共格界面(时效8h)。(5)改变Si C颗粒的体积分数和尺寸能有效调节复合材料的热膨胀系数。随着Si C颗粒体积分数的增加,复合材料的热膨胀系数逐渐减小;当Si C颗粒体积分数相同时复合材料的热膨胀系数随Si C颗粒尺寸的减小而减小;复合材料的热膨胀系数均随着温度的升高而增大,Si C颗粒尺寸对复合材料热膨胀行为的制约是通过影响基体热塑性变形行为和热残余应力大小来实现的。Schapery模型能较好的预测在300℃下Si Cp/Al复合材料的热膨胀系数变化。另外,Si C颗粒的体积分数和尺寸影响复合材料的尺寸稳定性,复合材料中Si C颗粒体积分数越高,颗粒尺寸越小,热循环残余应变越大,抗温度波动尺寸稳定性变的越差。本文制备的Si Cp/Al复合材料热膨胀系数介于11.6~13.3×10-6/K之间,可以与铍材、轴承钢等航空材料的热膨胀系数(11.8~13×10-6/K)达到较好的匹配,比模量达到铝合金的2~4倍左右,满足光学/仪表级复合材料对热膨胀系数匹配及高比模量的需求。(6)改变Si C颗粒的体积分数和尺寸能有效调节复合材料的导热系数。当Si C颗粒体积分数一定时,随Si C颗粒尺寸的增加,复合材料导热系数变大,利用Hasselman-Johnson模型能够较好地预测导热系数的变化;Si C颗粒体积分数对Si Cp/Al复合材料导热系数的影响与Si C颗粒的尺寸和最小临界尺寸有关,在界面结合基本良好的情况下,Si Cp/Al复合材料中Si C颗粒的最小临界粒径为9.6μm,当Si C颗粒的粒径大于9.6μm时,Si C颗粒体积分数增大复合材料的导热性能提高,且复合材料导热系数大于基体导热系数;当Si C颗粒粒径比最小临界粒径小时,增加Si C颗粒体积分数则复合材料的导热系数降低,且复合材料导热系数小于基体导热系数。本文所研究的Si Cp/Al复合材料导热系数为120~150 W/(m?K),能够满足光学/仪表级材料的导热性能要求。(7)对复合材料的热加工性能进行了系统研究。以热压缩数据为基础,研究了材料的高温流变行为,建立了复合材料的本构方程,回归出材料的流变应力与应变、应变速率和温度之间的函数关系;根据DMM模型构建了复合材料的功率耗散系数图、失稳图和热加工图,确定了五种Si Cp/Al复合材料的最佳热加工工艺参数。结果表明:Si Cp/Al复合材料对变形温度和应变速率敏感,其热变形流变应力行为可用含Zener-Hollomon参数的双曲正弦形式来描述,变形热激活能随着Si C颗粒体积分数的增加及粒径的降低而增加;随Si C颗粒尺寸减小和含量增加,功率耗散系数峰值减小;功率耗散系数图的结果显示热变形过程中发生动态回复(DRV)和动态再结晶(DRX),并且通过组织观察得到验证,材料失稳的形式以Si C颗粒的破裂以及Si C颗粒团聚处产生孔洞为主。(8)对Si Cp/Al复合材料热压缩试验所得真应力—应变曲线数据进行加工硬化率处理,并利用lnθ-ε曲线上的拐点及(??(ln?)/??)??)曲线上的最小值作为临界应变的判据,确定材料开始发生动态再结晶。Si Cp/Al复合材料的动态再结晶临界应变随热变形时应变速率的增大及变形温度的降低而增加。本实验所制备Si Cp/Al复合材料的动态再结晶临界应变与峰值应变间均具有较好的线性变化关系,除此之外,临界应变随Z参数的增加而增大,利用临界应变与Z参数间的函数关系,构建了五种Si Cp/Al复合材料的动态再结晶临界应变模型。