1、 题目：粉末热压成形 SiCp/Mg-9Al 复合材料的制备工艺及组织性能I粉末热压成形 SiCp/Mg-9Al 复合材料的制备工艺及组织性能摘 要镁基复合材料由于具有高的比强度和耐磨性能而成为当今航空航天、交通运输等领域重点关注的材料之一。本文采用粉末热压法辅助超声振动技术制备颗粒增强镁基复合材料，高能超声改善了SiC颗粒与基体的润湿性，从而使SiC颗粒在基体中的分布更加均匀。通过对本实验条件下工艺参数的优化，为颗粒增强镁基复合材料的制备提供理论参考。本文主要研究了粉末热压法制备 SiCp/Mg-9Al 镁基复合材料以及工艺参数对 SiCp/Mg-9Al 镁基复合材料显微组织、力学性能的影响
2、规律，同时优化了 SiCp/Mg-9Al 镁基复合材料的热处理工艺，并对其热处理之后的材料显微组织进行观察与对比。实验结果表明：在 430的热压温度下晶粒细小组织均匀。通过实验选择的最佳热处理工艺为：380预溶 2 小时升温至 410固溶处理 22 小时。经过热处理之后，复合材料的硬度有所下降。关键词：粉末热压，SiC p/Mg-9Al 镁基复合材料，显微组织，硬度，热处理IIPOWDER THERMOFORMING SICp/MG-9AL PREPARATION AND ORGANIZATION COMPOSITESABSTRACTMg matrix composites have high
3、 specific strength and wear resistance and have already become the concern of aerospace, transportation and other fields. In this paper, powder compaction method auxiliary ultrasonic vibration technology of particle reinforced magnesium matrix composites, high-energy ultrasound improved wettability
4、SiC particles and the substrate, so that the distribution of SiC particles in the matrix is more uniform. By optimizing process parameters under the conditions of the real for the pellets prepared reinforced magnesium matrix composites provide a theoretical reference.This paper studies the powder pr
5、epared by hot pressing SiCp/Mg-9Al magnesium-based composites and process parameters on the SiCp/Mg-9Al magnesium material microstructure, the influence of matrix composites mechanical properties while optimizing SiCp/Mg-9Al magnesium heat treatment process based composites, and observe and compare
6、their material microstructure after the heat treatment. The results show that: a uniform fine grain size organization at 430,through the optimum heat treatment process: 380 for 2 hours and dissolving solution treatment temperature is raised to 410 for 22 hours. After the heat treatment,the hardness
7、of the composite decline.Keywords： powder compaction， SiCp/Mg-9Al magnesium-based composite materials， microstructure， hardness， heat treatment目录摘 要 .IABSTRACT .II第一章 绪论 .11.1 前言 .11.2 镁基复合材料的制备方法及研究现状 .11.2.1 镁基复合材料常用基体合金及增强相 .21.2.2 颗粒增强镁基复合材料坯料的制备工艺 .31.2.3 镁基复合材料的界面及界面反应 .71.2.4 颗粒增强镁基复合材料的应用状况
8、.81.3 粉末热压技术的概念及发展现状 .81.3.1 粉末热压的概念 .81.3.2 粉末热压技术的国内外研究现状 .81.4 本文研究的意义及主要内容 .91.4.1 研究的意义 .91.4.2 主要研究内容 .9第二章 实验条件及制备工艺 .112.1 引言 .112.2 实验材料及过程 .112.2.1 基体和颗粒增强相的性能 .112.2.2 实验的主要原材料 .122.2.3 实验设备、SiC p/Mg-9A1 的制备工艺及试样外观 .122.2.4 热压温度的选择 .132.3 热处理工艺 .142.4 复合材料的显微组织观察和力学性能测试 .152.4.1 金相显微组织观察及
9、 SEM 组织观察 .152.4.2 硬度测试 .16第三章 SiCp/Mg-9Al 镁基复合材料的显微组织及硬度 .173.1 引言 .173.2 粉末热压成形 SiCp/Mg-9Al 镁基复合材料的微观组织 .173.2.1 SiCp 在 SiCp/Mg-9Al 复合材料中的分布情况 .173.2.2 热压温度对复合材料显微组织的影响 .193.2.3 热处理对 SiCp/Mg-9Al 复合材料显微组织的影响 .223.3 SiCp/Mg-9Al 复合材料硬度分析 .263.4 小结 .28结论 .29参考文献 .30致谢 .32附录一(外文原文) .33附录二(外文翻译) .391第一章
10、 绪论1.1 前言先进材料的高比强度、高比模量和耐高温是结构材料开发的永恒主题。镁合金的优势列举如下：(1) 较高的比强度、比模量； (2) 电磁屏蔽性；(3) 阻尼减震性好；(4) 与聚合物材料相比，具有更好的力学性能、抗老化能力、更好的导电和导热率、易于回收，是一种环保可再生的材料，可替代现行的工程塑料 1。尽管镁合金具有以上优点，但是一般镁合金的高温强度低、蠕变性能差、耐磨性较低、长期使用不能超过 120，这是限制镁合金广泛应用的主要问题，单纯依靠合金化的手段不足以较大的改善其性能。同时随着宇航、国防及汽车等行业的不断发展，现有的镁合金已远不能满足更高的性能要求。因此，研制开发更轻、强度
11、和韧性更高、更耐磨和耐高温的新型镁基复合材料已成为材料研究领域中的一个重要发展方向。SiC 颗粒具有弹性模量高、热稳定性好、耐腐蚀、价格低廉、与基体镁相容性好等优点 2。通过陶瓷增强颗粒作为增强相增强镁合金，可以提高镁合金室温拉伸强度、韧性、抗蠕变性能、高温塑性，使之更好应用于汽车、摩托车部件、电脑、家电用机壳、手机机壳、航空等领域。一方面，希望通过 SiC 颗粒增强镁合金，获得一种既有更高比强度和比刚度，同时又具有陶瓷材料的高温强度、高温抗氧化、抗腐蚀等性能予一体的一种新型复合材料，广泛用于航空航天、能源、冶金、机械等领域。另一方面，在研究 SiC 颗粒增强镁基复合材料的基础上，为通过粉末热
12、压法制备具有良好特性的镁基复合材料提供理论依据和试验数据。1.2 镁基复合材料的制备方法及研究现状镁基复合材料的制备工艺与铝基复合材料基本相似，但因镁合金基体化学性质很活泼，制备过程中的高温阶段都需要真空、惰性气氛、CO 2+SF6 混合气体保护，以防止氧化。其制备方法主要有粉末冶金法、熔体浸渗法、搅拌铸造法、喷射沉积法以及目前仅用于 Mg-Li 基复合材料的薄膜冶金法等。不同工艺制备的复合材料，其微观组织和力学性能均不同，尤其是在增强颗粒的分布性、颗粒与基体金属的界面结合情况等方面有一定的差别。21.2.1 镁基复合材料常用基体合金及增强相镁基复合材料基体合金的选择因其使用性能不同而有所不同
13、，侧重铸造性能的可选择不含 Zr 的铸造镁合金为基体；侧重热压性能的则一般选用变形镁合金。纯镁因其强度偏低，不适于作为镁基复合材料的基体，一般需要添加合金元素，利用其进行固溶强化、沉淀强化、热处理强化、细晶强化等作用。主要添加元素有铝、锌、锰、锆、锂、钍和稀土金属等，其中铝、锌、锂较为常用 3。由于复合材料获得强化很大部分取决于将应力从基体转移到比较强的增强相的能力，因而获得一个强的基体/增强相的界面结合十分关键。如果界面结合不好，那么在任何有效应力传递到增强相之前，界面就会失效，从而得不到强化，这在某种程度上也反映了增强颗粒选择对复合材料强化的影响 4。一般复合材料增强体的选择要求为与基体合
14、金的物理、化学相容性好，润湿性良好，载荷承受能力强，且尽量避免增强体与基体合金之间的界面反应等。常用的增强体主要有 C 纤维、Ti 纤维、B 纤维，Al 2O3 颗粒及其短纤维，SiC 颗粒及其晶须，B 4C颗粒等。表 1-1 列出了它们的一些基本性质。表 1-1 常用的增强体材料性质由于镁及其镁合金化学性质比较活泼，因而增强体与其他金属基复合材料不尽相同。例如 Al2O3 与 Mg 会发生 3Mg+Al2O3=2Al+3MgO 的反应，降低其与基体之间的结合强度，且常用的 Al2O3 中含有少量 SiO2，SiO 2 与 Mg 发生强烈反应：2Mg+SiO2=Si+2MgO，2Mg+Si=M
15、g2Si，其中 Mg2Si 沉淀危害界面结合强度，所以镁基复合材料中较少采用 Al2O3 作为增强体。纤维/颗粒密度(g/cm3)熔点()抗拉强度极限值(MPa)/比强度(cm106)拉伸弹性模量模量值(GPa)/比模量(cm10 8)Al2O3 3.99 2082 689 1.8 323 13.3B 2.52 2100 3450 13.9 441 17.8C 1.41 3700 2760 19.9 200 14.4Ti 4.71 1668 1930 4.2 1.5 2.5SiC 3.21 2700 - - 400-450 -B4C 2.51 2450 - - 360-460 -3C 纤维与纯
16、镁不反应，但会与镁合金中的 Al、Li 生成 Al4C3、Li 2C2 化合物，其损伤碳纤维。B4C 与纯镁也不反应，但 B4C 颗粒表面氧化物 B2O3 与 Mg 会发生反应，生成的MgB2 增大了液态 Mg 和 B4C 颗粒的润湿性，有助于提高复合材料的力学性能。另据报道 5SiC 与镁合金之间无论在复合材料的制造过程还是固溶处理过程中都没有发现任何界面化学反应。由此可见，SiC 和 B4C 晶须或颗粒是镁基复合材料较为合适的增强体。1.2.2 颗粒增强镁基复合材料坯料的制备工艺早期金属基复合材料的研究主要集中于增强相为长纤维的复合材料，但由于其工艺过程复杂、加工性能差，长纤维增强相价格偏
17、高，从而转向颗粒增强复合材料的研究 6。颗粒增强镁基复合材料也以其低密、高强度、高刚度、良好的尺寸稳定性和优良的铸造性能以及材料各向同性等一系列优点成为现代高技术领域中最有希望采用的一种复合材料。颗粒增强镁基复合材料的制备方法与其他金属基复合材料基本相类似，主要可分为以下几种 47-8；(1) 液态金属浸渗法浸渗法指借助作用于液体金属上的气体热压力或离心力等，使液态金属渗入铸型内具有一定形状和孔隙率的颗粒增强体预制块中并凝固成形，从而获得复合材料制件的工艺。液态金属浸渗工艺是一种制备大体积分数复合材料的好方法，且工艺简便灵活。不需要大的机械设备，但也存在预制块变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大
18、和界面的反应等一系列问题。按所施热压力的不同，液态金属浸渗法又可分为热压铸造法、真空气热压浸渗法、无热压浸渗法等。(2) 搅拌法搅拌法根据熔体加热状态又可分为全液态搅拌铸造法及半固态搅拌铸造法。全液态搅拌铸造是制备颗粒增强金属基复合材料的一种典型工艺，最早采用此工艺是 Surappa 和 Rohtgi9，即采用机械设备对全融金属熔体进行强烈搅拌，投入增强颗粒，利用涡流使其均匀分布于金属熔体中，然后直接浇铸成型。此方法工艺简单，设备投资少，便于规模化生产。但存在铸造气孔较多，增强颗粒的体积分数受限制，分布难以实现均匀化，易偏聚，收得率颇低等缺点。据报道 10，目前已有多家公司采用搅拌铸造法成功开
19、发颗粒增强镁基复合材料。4如美国 DOW Chemical Company 利用一种新的搅拌法制备了 SiCp、A1 2O3 增强AZ9l、AZ31 、AZ61 镁基复合材料坯锭。英国镁电子公司 Magnesium ElectronLtd.也开发了一种搅拌铸造工艺制备出颗粒分布均匀，性能优良，质量达 180Kg 的 Melram 镁基复合材料。半固态搅熔铸造法就是通过机械搅拌低粘度的半固态基体合金熔体，利用形成的涡流强制引入增强颗粒。并依靠半固态浆液的触变特性分散增强相，在混合均匀后再升温浇铸，得到镁基复合材料的方法。该工艺相对于搅拌铸造增强颗粒在基体内分布均匀，且同样设备简单，成本低，适合用
20、于大规模工业生产。但在于气孔，加入量，收得率等方面仍存在问题。(3) 粉末冶金法粉末冶金法是将增强颗粒与微细纯净的镁合金粉末混合均匀后在模中冷热压，然后在真空状态下，加热至合金两相区进行热压，制得金属基复合材料的方法。粉末冶金法的特点是：对基体合金种类和增强体类型没有限制，可任意改变基体合金与增强体的配比，且增强体颗粒在基体内分布均匀。但工艺设备复杂；小批量成本高。郗雨林 11等采用粉末冶金法制备了钦合金颗粒、SiC 颗粒增强镁基复合材料。复合材料的基体成分与 MB15 变形镁合金相近，增强体选用 Ti-6Al-4V 钦合金颗粒和SiC 颗粒，颗粒尺寸分别小于 37m和 10m，体积分数均为
21、10%；元素粉末分别经过干燥、混料、冷热压、530下烧结 2h、380 以 250MPa 的热压力热压 20min，最后在350下热压成型(热压比为 15：l) 。在材料的变形过程中原镁粉表面的 MgO 氧化膜被破碎，破碎后的 MgO 颗粒尺寸小于 5m，大都分布在基体中 Mg/Mg 边界处，这对于复合材料力学性能是很有帮助的。钛合金颗粒与镁基体之间和 Zn、Al 和基体之间都没有明显的扩散现象产生，且钛合金的增强效果好于 SiC 颗粒的增强效果。X Lzhong12采用粉末冶金法用纳米级 Al 颗粒来增强镁基复合材料，其中采用的是纯度为 98.5%、粒度为 60-30m的镁粉作为基体，增强颗
22、粒是 18nm 的 Al 粉，分别制备了含 Al 颗粒体积分数为 0.25%、0.5%、0.75%和 1%的复合材料。首先在 V 型搅拌器中以 50rpm 的搅拌速度混料 5h，然后冷热压成。 35x40mm的圆柱锭，然后在500下保温 2h 同时通入氢气保护进行烧结工艺，烧结后再在 400下保温 lh，并在350下以热压比 25：1 热压成直径为由 7mm的棒材。对材料进行分析后得到：纳米Al 颗粒在镁基体中分布均匀，界面结合良好，由于纳米 Al 颗粒的加入大大增强了镁基体的硬度和拉伸强度(如下表 1-2)。5表 1-2 Mg/Al 和 Mg 的室温拉伸性能由表 1-2 可以看到，力学性能最
23、好的是 Mg/0.50Alp 增强后的镁基复合材料，其中最好 0.2%YS、UTS、断裂应变比基体增加 62%、43% 、35%，它的断裂形式从脆性断裂逐渐转变成混合型断裂形式。H.GTang13等以 10wt.% W14Al86(纯度为 99.5%，小于 10m) 合金粉末来增强镁基复合材料，首先将混合粉末密封并在氢气保护下进行球磨混粉，其中球的质量和粉末的质量比 15：1，使用的是 GN-2 高能球磨机(转速为 580rmp)，然后在 500MPa 下热压成 40mm10mm5mm 的长方体锭，锭子在真空炉中加热到 740并在 400MPa 的热压力下热压成型，模具预热温度为 400。结果
24、表明 10wt.% W14Al86 扩 Mg 可以通过机械合金化成型，且 W14A186 颗粒在基体中分布均匀，最合适的球磨时间为 2h，制备出的复合材料的模量、显微硬度、UTS分别为 52GPa、135Hv、458Mpa。W 14Al86/Mg 和 Mg 以及 AZ91 力学性能见表 1-3 所示。表 1-3 Mg、AZ91 和 10wt.%W14Al86/Mg 的室温拉伸性能材料 密度(g/cm3)弹性模量(GPa)UTS(MPa)0.2%YS(MPa)(%)Mg 1.72 43 249 152 9.8AZ91 1.81 45 328 276 6材料 硬度(15HRT) 0.2%YS(MPa)UTS(MPa)F(%)Mg/0.00Alp 463 13411 19010 4.60.6Mg/0.25Alp 541 18114 22115 4.80.4Mg/0.50Alp 571 21816 27111 6.20.9Mg/0.75Alp 601 2027 26110 5.01.6Mg/1.00Alp 611 1859 22612 3.31.0
