（材料加工工程专业论文）sicpew61镁基复合材料的组织和性能研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 区l 聋 日期：趁2 圣年上月毕日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文通过搅拌铸造法制备了两种粒度( o 7 岬、6 岬) 、四种质量 分数( 1 叭、2 叭、3 叭、4 叭) 的s i c o e w 6 1 复合材料，并 对复合材料进行了热挤压和搅拌摩擦加工。采用金相显微镜( o m ) 、 扫描电镜( s e m ) 、x 射线衍射仪( x i ) 、硬度测试和单轴拉伸等对 材料的组织与性能进行了研究，得出如下结论： ( 1 ) 铸态复合材料中的s i c p 主要沿晶界分布，s i c p 质量分数越 大、粒度越小，越容易发生团聚；s i c d 与基体的界面结合力较低，导 致铸态复合材料的弹性模量、屈服强度和抗拉强度较低，增强效果不 明显。 ( 2 ) 热挤压能消除铸态组织中的孔洞等缺陷，使组织更加致密， 并改善第二相粒子的分散性，提高了复合材料的力学性能；热挤压后， 6 岬1 叭s i c d e w 6 1 复合材料的弹性模量相比基体合金提高了 8 g p a ，0 7 岬1 叭s i c d 对弹性模量的增强效果与6 岬颗粒相当，屈 服强度和抗拉强度高于6 p m l 叭s i c p i w 6 l 复合材料；s i c p 粒度相 同时，质量分数越大，挤压态复合材料的弹性模量越低，屈服强度和 抗拉强度先提高，后降低。 ( 3 ) 复合材料经搅拌摩擦加工后，第二相粒子的成分和组成基 本不变，但其分布发生明显改变，搅拌区的粒子被破碎，变得细小且 弥散，热机影响区的粒子也被破碎，沿搅拌方向呈流线型分布，热影 响区的粒子大小与分布基本不变；经热挤压及搅拌摩擦加工的样品， 弹性模量值相对基体e w 6 l 合金挤压态提高了8 g p a ，屈服强度和抗 拉强度有所下降。 关键词：s i c d e w 6 1 复合材料，热挤压，搅拌摩擦加工，微观组织， 力学性能 中南大学硕士学位论文 a bs t r a c t s i c p e w 6 1 c o m p o s i t e sw 池a v e r a g ep 删c l es i z e so fo 7 岬a n d6 岬 a n df o u rw e i g h tp e r c e n to f1 、矶，2 、玑，3 、矶，4 、矶w e r ef a b r i c a t e d b ys e i i l i - s o l i ds t n c a s t i n gt e c l l n i q u e ，距dt 1 1 e s ec o m p o s “e sw e r et h e n s e c o n d l y - p r o c e s s e db yh o te ) 浙u s i o na n d 衔c t i o ns t i rp r o c e s s i l l g ( f s p ) t h ei i l i c r o s t m c t u r e sa i l dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sw e r e e x 砌n e db yo p t i c a li i l i c r o s c o p y ( o m ) ， s c 砌1 i n ge l e c 仃0 nr n i c r o s c o p y ( s e m ) ，x - r a yd i f t i o n ( m ) ，h 2 u r d i l e s s a n dt e n s i l et e s t i n g t l l e c o n c l u s i o n s 扣ea sf i o u o w s t h es i cp 硪i c l e sm a i n l yd i s t r i b u t e da l o n gt h e 铲a i nb o u n d 撕e si n a s c a u s tc o m p o s i t e s ，a n dt e n d e dt oa g g l o m e r a t ea st h ea v e r a g ep a n i c l e s i z e sg e ts m a l l e ro rp 枷c l ew e i 曲tp e r c e n ta r i s e s t h eb o u n 出呵s 仃e n g t h b 咖e e ns i c pa n dt h em a 嗽w a sw e a l 【，w h i c hl e dt 0t l l el o we l 枷c m o d u l u s ，y i e l ds t r e n g ma r l du l t i m a t et e n s i l es 仃e n g t l l o ft h ea s - c a s t c o m p o s i t e s a r e rh o te x t m s i o n ，t l l ep o r o s i t ) rw a se l i m i n a t e d ，a i l dt h ec o m p o s i t e s h a dad e n s es 仇l c t u r ea l o n gw i ld i s p e r s e dp a n i c l e s ，w h i c hl e dt oa n i m p r o v e i n e n to f m e c h a n i c a lp r o p e n i e so f a s - c a s tc o r n p o s i t e s t h ee l a s t i c m o d u l u so fa s - e x t m d e d6 岬1 叭s i c p e w 6 1c o m p o s i t ei n c r e a s e d8 g p a c o m p a r e dt ot h em 撕xa l l o y t 1 1 eo 7 岬1 叭s i c p e w 6 1 c o m p o s i t e e ) 【h i b i t e da e q u a l i i l c r e a s eo ft h ee l a s t i cm o d u l u s a s也e 6 岬l 叭s i c p e w 6 1c o m p o s i t e ，w h i l em e 姐e l ds 仃e n g ma n du l t i m a t e t e n s i l es 仃i e n g mw e r er e l a t i v e l yh i 曲e r f o rt l l ec o i i l p o s i t e sw i t ht h es a m e p a r t i c l es i z e ，t h ee l a u s t i cm o d u l u sd e c r e a s e dw i t hm ei n c r e a s eo fp a r t i c l e w e i 曲tp e r c e n t ，a n dt h e 姐e l ds 仃e n g ma n du l t i m a t e t e n s i l e s 仃e n g d l i 1 1 c r e a s e df i r s ta n d 也e ne l e c r e a s e d t h ec o n l p o s i t i o na n dt y p eo fm es e c o n d 巾h a s ep a r t i c l e sr e r m i n e dt l l e s 锄ea r e rf s p ，w h i l em ed i s 仃i b 砸o nc h a n g e dg r e a t l y 1 1 1 e s ep a i t i c l e s b r o k e nt ot 埘o n e sa n d b e c 锄ed i s p e r s ei nt h es t i m dz o n e p 耐i c l e si 1 1 t h e n l o m e c h a l l i c a la 妇f e c t e dz o n ew e r ea l s ob r o k e nb u tm s 臼曲m e di n l i l l e s p a r t i c l es 讫ea i l dd i s t r i b 砸o ni i lh e a ta 任e c t e dz o n er e m a i n e d t h e e l a s t i cm o d u l u so fe x 仃u s i o n f s p o 7 岬1 叭s i c p e w 6lc o m p o s i t e 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t i n c r e a s e d8 g p ac o m p a r e dt ot h em a 仃i xa 1 1 0 y ，w r h i l et h e 姐e l ds 仃e n g t ha n d u l t i m a t et e n s i l es 旬r e n g t hw e r e1 0 w e r k e yw o r d s ： s i c p e w 6 1 c o m p o s i t e ， h o t e x 仃u s i o n ， 衔c t i o ns t i r p r o c e s s ，1 1 1 i c r o s t l l _ l c t u r e ，m e c h a m c a lp r o p e r t i e s i 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 第一章文献综述1 1 1 课题背景1 1 2 镁基复合材料的制备2 1 2 1 镁基复合材料常用的基体合金2 1 2 2 镁基复合材料的增强相3 1 2 3 镁基复合材料的主要制备方法4 1 3 复合材料的热挤压技术6 1 3 1 热挤压工艺参数6 1 3 2 热挤压对复合材料性能的影响一8 1 4 复合材料的搅拌摩擦加工技术9 1 4 1 搅拌摩擦加工技术的原理及优势9 1 4 2 复合材料搅拌摩擦加工技术的研究现状1 0 1 5 镁基复合材料的性能1 l 1 5 1 复合材料的增强机理1 1 1 5 2 颗粒增强镁基复合材料的力学性能1 2 1 6 本文主要研究内容1 3 第二章实验材料与方法1 4 2 1 研究路线1 4 2 2 实验材料1 4 2 2 1 基体合金1 4 2 2 2s i c 颗粒及其预处理1 4 2 3s i c p e w 6 l 复合材料的搅拌铸造1 6 2 4s i c p e w 6 l 复合材料的热挤压1 6 2 5s i c p e w 6 1 复合材料的搅拌摩擦加工1 7 2 6 热处理制度1 7 2 7 组织观察与性能测试1 8 2 7 1 金相显微组织观察1 8 2 7 2 硬度测试1 8 中南大学硕士学位论文目录 2 7 3x 射线衍射1 8 2 7 4 扫描电镜1 8 2 7 5 拉伸实验1 8 第三章s i c ，e w 6 1 复合材料的铸态组织和性能2 0 3 1 引言2 0 3 2 实验材料与过程2 0 3 3 实验结果与分析2 1 3 3 1 显微组织分析2 1 3 3 2x 射线衍射分析2 4 3 3 3 铸态s i c 口e w 6 l 复合材料的力学性能2 5 3 4 本章小结2 6 第四章s i c p e w 6 l 复合材料的热挤压2 8 4 1 引言2 8 4 2 实验材料与过程2 8 4 2 1 挤压温度和润滑剂2 8 4 2 2 挤压比和挤压速度2 8 4 3 显微组织分析2 9 4 3 1 金相显微组织分析2 9 4 3 2 扫描和能谱分析3 0 4 4 拉伸性能测试3 2 4 4 1 热挤压对s i c 。e w 6 l 复合材料力学性能的影响3 2 4 4 2s i c ，对基体合金力学性能的影响3 3 4 4 3 颗粒质量分数对s i c ，e w 6 1 复合材料力学性能的影响3 4 4 5 拉伸断口形貌分析3 5 4 6 本章小结3 6 第五章s i c p e w 6 l 复合材料的搅拌摩擦加工3 8 5 1 引言3 8 5 2 实验材料与过程3 8 5 3 显微组织分析3 9 5 3 1 金相显微组织分析4 0 5 3 2 扫描和能谱分析4 2 5 4 力学性能测试4 3 5 4 1 硬度测试4 3 5 4 2 拉伸性能测试4 4 中南大学硕士学位论文 目录 5 5 拉伸断口形貌分析4 5 5 6 复合材料搅拌摩擦加工中常见的缺陷4 6 5 7 本章小结4 8 第六章结论4 9 参考文献5 0 致谢5 5 攻读硕士学位期间主要科研成果5 6 i i i 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 课题背景 第一章文献综述 镁合金具有密度低、比强度高、比刚度高、阻尼减震性好、机加工性能优良、 尺寸稳定性好、电磁屏蔽效果佳、可回收和无毒性等优点，在航天航空、汽车制 造、电子通讯、国防等领域有着广阔的应用前景【l 】。但镁合金作为结构材料使用 时，由于弹性模量较低，强韧度不够高，耐磨性、耐蚀性较差，限制了其应用范 围。为了弥补上述不足，向镁及镁合金基体中添加高强、高刚度增强体是提高镁 合金材料弹性模量的重要手段，国外已对此进行了相关的研列2 3 。欧、美、日、 加等发达国家已在航空航天及交通运输领域的结构件中采用镁基复合材料。例 如，美国t e x n 的n 公司和d o w 化学公司【4 】用镁基复合材料制造螺旋桨、导弹 尾翼、内部加强的汽缸等。d o w 化学公司用镁基复合材料己制成皮带轮、油泵 盖等耐磨件，并制出完全由镁基复合材料制成的油泵。美国海军研究所和斯坦福 大学利用镁基复合材料制造天线构件。英国镁电子公司【5 】从1 9 9 2 年以来也已开 发了一系列成本低、可回收、可满足应用要求而特殊设计的不连续增强镁基复合 材料。该公司开发的镁基复合材料管材，号称是世界上最轻的金属基复合材料： 此外，该公司还正在开发此种复合材料在国防和汽车方面的应用研究。德国 c l a u s 也a l 工业大学【6 ，7 】采用镁基复合材料制成了轴承、活塞、汽缸内衬等汽车零 件。加拿大镁技术研究所成功开发了一系列镁基复合材料，并用于制造汽车的盘 状叶轮、活塞环槽、齿轮、变速箱轴承、差动轴承、拨叉、连杆、摇臂等零部件。 目前制备镁基复合材料可采用的方法有：搅拌铸造、浸渗、挤压铸造、粉末 冶金、喷射沉积等，镁基体多为纯镁、m 争舢z n 系和m 争z n 系合金，增强体则 主要为s i c 、b 4 c 、a 1 2 0 3 、短玻璃纤维等。表1 1 示出了目前国内外部分高强度 高模量镁基复合材料的性能，在密度、强度、弹性模量等性能协同性方面获得较 好综合性能指标的镁基复合材料主要有两种：一是采用搅拌铸造+ 挤压制备的 m g 6 叭z 州2 0 v 0 1 s i c 【2 】，二是采用挤压铸造( 喷射沉积+ 变形) 制备的 q e 2 2 s i c v a l 2 0 3 【3 1 ，两者密度均在2 1 9 c m 3 以上，与铝合金相比，密度降低约 2 0 。前者主要依靠基体( m g - z n 系合金) 的形变强化提高强度，但基体的高温 性能差，宽温域范围内性能波动大；后者含有2 叭左右的银，成本太高。 近十年来，我国利用自身的镁及稀土资源优势，在镁合金的基础研究方面， 开展了大量的研究工作，在新型镁合金的开发与应用方面也初见成效，如具有自 主知识产权的镁一稀土( m g g d y - x 系列) 合金【8 。1 2 】，比国外“王牌，、e 系列镁合 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 金具有更优异的耐热性能，且具有宽温域( 1 9 6 3 0 0 ) 性能稳定的特点。 但是，我国在镁基复合材料方面的研究起步较晚，与国外相比，在应用方面还有 很大差距，若能进一步提高镁基材料的弹性模量，其密度、强度、刚度、宽温域 性能稳定等综合性能将超过上述材料，获得更广泛的应用，取得更大的减重效果。 表1 1 高强度高模量镁基复合材料的力学性能 t a b l e l - lm e c h 孤i c a lp r o p e m e so f h i g h - s 仃e n g n l 孤dl l i g h - m o d u l u sm g - b a s e dc o m p o s i t e s 1 2 镁基复合材料的制备 1 2 1 镁基复合材料常用的基体合金 镁基复合材料的基体合金一般根据使用要求来选择，侧重铸造性能的可选择 不含z r 的铸造镁合金为基体，侧重挤压性能的一般选用变形镁合金为基体。因 纯镁强度低，不适宜直接作为基体使用，需要添加合金元素进行合金化后才可用 作基体，如a l 、z n 、“、a g 、z r 、m n 、b e 和稀土金属等【2 1 1 。这些合金元素在 镁合金中具有固溶强化、沉淀强化、细晶强化等作用。不同的基体对复合材料的 抗拉强度、屈服强度和结合强度等有较大的影响，但并非基体强度越高，复合材 料的强度就越高，而是存在一个最佳匹配。目前常用的合金系主要有：m g - ， m 争a l ，m 哥z n ，m 争z r ，m g - “和m g - i 通系镁合金等，此外，还有m g a g 和 2 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 m 哥y 两个耐高温合金系。最为常用的合金有a z 9 1 口伽、a m 6 0 2 2 1 ，还有部分研 究z k 6 0 【2 1 、q e 2 2 【3 1 等。近年来，随着高强镁合金的不断出现，镁基复合材料可 选择的基体种类日益增多，为镁基复合材料的发展提供了有利条件。 1 2 2 镁基复合材料的增强相 镁基复合材料的增强体种类繁多、形态多样。增强体按形态可分为晶须、长 纤维、短纤维和颗粒等，按材料属性可分为氧化物、硅化物、硼化物和碳化物等。 镁基复合材料所用增强颗粒的要求与铝基复合材料大致相同，如物理化学相容性 好、润湿性良好、承载能力强等。可作为镁基复合材料增强颗粒的氧化物包括 m g o 、s i 0 2 、m n 0 2 、f e 2 0 3 、a 1 2 0 3 等，硅化物主要包括m s i 、t i s i 2 、c r s i 2 以 及w s i 2 等，硼化物有t i b 2 、z r b 2 等，碳化物颗粒主要包括s i c 、b 4 c 和t i c ， 此外，还有m 9 3 n 2 、舢n 等氮化物，c h 、n i 、t i 等金属颗粒以及准晶颗粒。常 用增强颗粒的性能指标如表1 2 瞄】所示。 s i c 颗粒在镁基复合材料中的使用非常广泛。s i c 颗粒具有硬度高、耐磨性 能好的优点，并且具备良好的抗热冲击和抗氧化性能，此外，它来源广泛，价格 便宜，所以s i c 颗粒增强镁基复合材料具有大规模工业化生产的潜力。i i l e m b 【2 4 】 和蔡叶等人【2 5 】先后对s i c 颗粒和m g 基体的界面特征进行了研究，用透射电镜观 察了复合材料的相界面，发现s i c p m g 复合材料界面光滑，无反应层存在。 表1 2 常用增强颗粒的性能指标【2 3 】 t a b l e l - 2p r o p c r t i e so f r e i n f o r c e dp a n i c l e s 熔点 密度热导率膨胀系数莫氏抗拉强度弹性模量 颗粒晶型 “1 0 3 k g 血3 ) ( w 心l k 1 )“l 舛妊1 ) 硬度a i g p a 碳化物s i ch e x 2 3 0 03 2 l5 94 7 5 o9 7 4 8 0 b 4 c t i c 氧化物 砧2 0 3 s i 0 2 z 帕2 硼化物1 m 2 氮化物a i n b n 5 o 石o 7 4 8 3 1 0 8 1 2 o l 7 4 6 o 3 8 伽 渤 m 竹 星! m 姗 如 一 柳 拟 一 昭 m 姗 一 5 5 一 一 一 一 5 ” 一 一 一 一 一 凹 凹 筋 一 一 盯 m 巧 铉 奶 鳃 的 眇 5 巧 药 2 4 3 2 5 3 2 如 轴 一 一 m ” 加 一 一 凹 筋 砌 胝 一 一 嗽 融 敝 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 1 2 3 镁基复合材料的主要制备方法 镁基复合材料的制备工艺基本沿袭自铝基复合材料，但镁合金的化学性质非 常活泼，因此镁基复合材料的制备必须在真空、惰性气体或c 0 2 + s f 6 混合气体 等的保护下进行，以防止氧化。目前为止，镁基复合材料的制备工艺包括粉末冶 金法、搅拌铸造法、挤压铸造法、熔体浸渗法、喷射沉积法和原位反应自生法等。 ( 1 ) 粉末冶金法 粉末冶金法( p o 、砌e rm 削h u 斟，简称p m ) 是制备颗粒增强金属基复合材 料的传统工艺。铝基复合材料最初就是采用粉末冶金法生产的。采用该方法制备 镁基复合材料的工艺流程为：将预制好的纯镁粉或镁合金粉与陶瓷颗粒均匀地混 合在一起，混合粉末通过真空除气、固结成型后，再进行挤压、铸造、轧制等冷、 热塑性加工，制成所需形状、尺寸和性能的复合材料。粉末的固结方式有热压、 等静压( 冷等静压、热等静压和温等静压) 等方法。 粉末冶金法制备镁基复合材料的主要优点是：基体合金的组织微细，对增强 体类型没有限制，增强相陶瓷颗粒的分数可根据需要灵活调整，甚至可以达到 5 0 以上。此外，粉末冶金法制备镁基复合材料时所采用的温度较低，不会发生 有害的界面反应，有利于提高材料的塑性和韧性。粉末冶金法制备镁基复合材料 的主要缺点在于：金属基体需制成粉末，工艺复杂成本偏高；制备过程需在真空 或保护气氛下进行，以防止镁粉引起的爆炸；粉末冶金法不适合制备形状复杂的 零件 2 6 】。 ( 2 ) 搅拌铸造法 搅拌铸造( s t 辞c 笛t i n g ) 是利用机械搅拌或电磁搅拌等方法，使金属熔体剧 烈流动，并形成以搅拌旋转轴为中心的漩涡，将颗粒加入漩涡中，依靠漩涡的负 压抽吸作用让颗粒进入金属熔体中，经过一段时间的搅拌，使得颗粒均匀分布在 熔体中，然后浇注成型。搅拌铸造法分为以下几种类型：全液态搅拌铸造( 增强 相在液态熔体中添加，经搅拌后浇注) 、半固态搅拌铸造( 增强相在半固态金属 熔体中添加，半固态下搅拌一定时间后浇注) 和搅熔铸造( 增强相在半固态熔体 中添加，经半固态搅拌一定时间后升温至液态区间，继续搅拌后浇注) 三种。 搅拌铸造法是最简便的颗粒增强金属基复合材料制各工艺，成本较低且生产 效率高。搅拌铸造在强烈的搅拌过程中易吸入气体和夹杂物，同时难以避免增强 相的偏析和“团聚”现象。此外，钢制的搅拌头在高温镁合金熔体中搅拌时，易 引入f e 元素污染【2 6 1 。 ( 3 ) 挤压铸造法 4 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 挤压铸造法( s q u e e z ec a s t i i 培) 被认为是制备金属基复合材料最有效的方法 之一【2 7 ，2 8 1 ，也是目前制备金属基复合材料较为成熟的一种方法。挤压铸造法的 工艺一般包括两个工序，先将增强相压成预制件，然后将其置于热态挤压模中， 在模中浇入液态镁合金，并加压使镁合金熔体渗入预制件，经一段时间的保压凝 固后脱模，即制备出了镁基复合材料。挤压铸造过程中的压力有利于细化晶粒和 减少气孔，从而提高性能。但是压力不宜过高，否则易使镁合金中产生紊流，增 加吸气量而引起氧化。 挤压铸造法具有单一铸造工艺过程中低成本实现材料复合和材料结构成型 的能力，特别适合制备高体积比颗粒增强镁基复合材料。挤压铸造有利于基体与 增强体的结合，并且避免了气孔、缩松等铸造缺陷。该方法的缺陷在于，对制造 形状复杂或体积较大的零件有一定的限制。 ( 4 ) 熔体浸渗法 熔体浸渗法( m e l th f i l t r a t i n g ) 是先将陶瓷颗粒或碳纤维用黏结剂黏结起来， 做成预制件，用惰性气体或机械化装置作为压力介质将金属液压入预制件的间隙 中，凝固后即形成复合材料。按具体工艺不同，可将其分为压力浸渗、无压浸渗 与负压浸渗。 熔体浸渗法可以获得较高增强相体积分数的复合材料，成形简单。主要缺点 是预制件制备工艺复杂，容易在制备过程中变形，并且基体与增强相之间润湿性 不好，厚壁或形状复杂的零件不适合用熔体浸渗法来制备【2 6 1 。 ( 5 ) 喷射沉积法 喷射沉积( s p r a yd e p o s i t i o n ) 是将高压惰性气体同镁合金熔体一起经喷嘴雾 化，同时将增强颗粒喷入镁合金液滴喷射流中，共同沉积到底板上并迅速凝固， 经压力加工成块状复合材料。喷射沉积法集快速凝固和近终成形于一体，可以明 显降低热滞效应，相对传统铸造而言，凝固速度大幅度提高，晶粒细小，组织更 均匀，且能抑制高合金化材料中的宏观和微观偏析，有利于使材料获得更佳的力 学性能。然而，喷射沉积法制备的复合材料其颗粒与金属界面属机械结合，抗拉 强度有待进一步提高；另外，制备的复合材料一般存在孔洞，需进行进一步的致 密化处理以获得性能优异的零部件。此外，制备过程中要求严格，有较大的危险 性【2 6 1 。 ( 6 ) 原位反应自生法 原位反应自生法( h 1 s i t us y i l t h e s i s ) 制备出的镁基复合材料，其增强相是在 金属熔体中通过各种反应生成的。这一方法的优点在于，增强相表面无污染，避 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 免了与基体不相容的问题，界面结合强度高；通过合理选择内生反应体系可控制 增强相的种类、大小和数量，且省去了增强相单独合成、处理和加入等工序，工 艺简化，并且可以铸造形状复杂、尺寸较大的零件。这种方法的缺点是，增强相 的种类受限制，且工艺难以控制【26 | 。目前主要方法有放热反应法( x d 法) 、液 固一气反映法( v l s 法) 、自蔓延高温合成( s h s ) 法、混合盐反应法、固液反 应法、直接氧化法、机械合金化法( m a ) 等。 1 3 复合材料的热挤压技术 由于金属基复合材料内部的增强颗粒难以达到均匀分布，并且存在疏松、气 孔等缺陷，强度和延伸率较低，因而复合材料的二次塑性加工越来越引起人们的 关注。镁基复合材料的二次塑性加工方法有挤压、轧制、锻造和拉拔等，其中， 挤压是最常用的加工方法 2 9 1 。所谓挤压，就是对放在容器( 挤压筒) 中的锭坯 一端施加以压力，使之通过模孔成型的一种压力加工方法【3 ，常用的挤压方式 有正挤压和反挤压。图1 1 所示为镁基复合材料挤压模具图。 挤压轩 挤葳筒 挤艨垫 坯料 挤压模 图1 1 镁基复合材料挤压模具图 f i g 1 一lt h ed r a w i n go fe x t m s i o nm o u l df o rm g - b a s e dc o m p o s i t e 1 3 1 热挤压工艺参数 镁基复合材料热挤压过程中的主要工艺参数有：锭坯温度、模具预热温度、 挤压比、挤压速度和润滑等。这些参数的选择直接影响镁基复合材料挤压制品的 组织和性能。 ( 1 ) 锭坯温度 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 锭坯温度是挤压变形时最重要的参数，它不但影响挤压过程的进行，还影响 成品率、产品的质量以及组织和力学性能等。锭坯温度理论上可以根据合金的相 图、塑性图和再结晶图来确定，但实际上还要考虑其他因素的影响，对于镁合金 需特别注意防止燃烧和爆炸。镁合金挤压时的锭坯温度一般在3 0 0 4 5 0 之间 【3 1 ，3 2 1 ，当挤压件形状比较复杂时可选用较高的温度。 ( 2 ) 模具预热温度 镁合金的变形温度范围较窄，与冷漠接触时极易产生裂纹，并且坯料降温过 快会降低材料的流动性能，因此必须对模具进行预热。由于坯料与模具的接触面 积较大，变形时间较长，模具的加热温度一般要低于坯料加热温度。挤压筒、垫 片、模具的温度一般比锭坯的温度低2 5 ，以补偿由于摩擦热、变形热而引起 的温升。镁合金挤压过程中还应注意加热时间以及挤压开始与终了温度 3 3 ，3 4 1 。 ( 3 ) 挤压比 为了使镁合金挤压件获得较佳的晶粒组织和理想的力学性能，必须控制断面 收缩率在一定的范围内，即合理制定挤压比。 棒材挤压时的挤压比计算公式如下： 2 露 肛茅 公式( 1 1 ) 式中：d 棚压简直径( n 吼) d 一挤压棒料直径( i n m ) 挤压时，挤压比一般在l o 1 0 0 范围内【3 5 。7 1 。镁基复合材料热挤压加工的目 的主要是消除铸造缺陷，使组织更加致密，并通过挤压过程的径向压应力使增强 颗粒分散，因此不需要太高的挤压比。 ( 4 ) 挤压速度 挤压速度的大小受合金成分、锭坯组织特征、挤压方式、挤压设备、制品复 杂程度、挤压温度、模孔数量、润滑条件等的影响。挤压速度的确定与挤压温度 一样十分复杂，选择原则是：在保证制品不产生表面裂纹、毛刺、拧扭、弯曲、 波浪、间隙、扩口以及尺寸等质量问题的前提下，当挤压机能力允许时，挤压速 度越快越好。 镁合金的挤压速度不宜过高，为了获得较好的挤压制品，需对上述工艺参数 加以综合考虑并合理选择。 ( 5 ) 润滑剂 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 镁合金挤压时，为了减少坯料与挤压筒及挤压模之间的摩擦，防止黏模，降 低摩擦力，改善金属流动性，可以考虑采用润滑剂。此外，润滑剂还可以起到隔 热作用，从而提高模具寿命。在镁合金挤压时，润滑剂可采用石墨、动物油或植 物油。在采用石墨作润滑剂时，石墨颗粒容易引起镁合金表面划伤及腐蚀，并且 容易黏附在挤压制品表面，难以清洗，挤压后若不及时清理，会影响挤压制品的 表面质量和外观。而动物油的润滑效果好于石墨，所以应尽量避免使用石墨润滑 剂。 1 3 2 热挤压对复合材料性能的影晌 镁基复合材料经热挤压之后，一般都会发生回复和再结晶，除此之外，热挤 压还会引起以下变化： ( 1 ) 改善增强体的分散性 张文龙等人3 8 ，3 9 1 对s i 岛l 3 复合材料热挤压后的组织进行观察，并研究挤压 工艺参数对其组织性能的影响，发现晶须沿挤压方向的定向排列程度随挤压比的 增大而增大，而挤压温度的影响程度较小。但李建辉等人 删在研究s i c w 6 0 6 l a l 复合材料的正挤压时发现，当挤压温度升高，材料的流动应力会下降，晶须的定 向排列趋势因而随之增强；当挤压温度升高至铝合金的熔点，或稍高于熔点，复 合材料中将出现少量液态铝，此时复合材料的流动性更好；增大挤压比时，晶须 定向排列的趋势反而减弱。李建辉的研究结果还发现，晶须之所以定向排列，是 由挤压过程中复合材料的塑性流动引起的。谢文【4 1 】的研究表明，s i c 颗粒增强镁 基复合材料在3 5 0 4 5 0 挤压时，颗粒分布越均匀，材料致密性越好。但颗粒基 本沿挤压方向富集。s 邺a 【4 2 1 认为，挤压过程中颗粒的流动方式与主要模具形 状相关。 ( 2 ) 增强体的断裂 在复合材料热挤压过程中，当挤压温度升高，材料的流动应力会下降，因此 材料在塑性变形过程中的流动阻力随之降低，材料流动更容易，故材料折断的几 率降低【3 8 ，3 9 1 。当挤压温度升高至铝合金的熔点，或稍高于熔点，复合材料中将 出现少量液态铝，此时复合材料的流动性更好【加】。增加挤压比，晶须所受应力 加大，其折断几率也增加。增强颗粒的尺寸和体积分数越大，越容易发生断裂， 但断裂过程中产生的孔洞能够在挤压的压应力下消除【4 3 1 。 ( 3 ) 提高复合材料的力学性能 对于晶须增强复合材料，复合材料热挤压后的性能主要由晶须的定向排布和 r 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 折断来决定【3 引。因为挤压过程中晶须的定向排布和折断对材料的强度起相反的 作用，因此晶须增强复合材料的强度不随挤压比的增加而提高。严峰等人】的 研究表明，热挤压能够使晶须沿挤压方向产生定向排布，并且消除因晶须折断而 产生的孔洞，有效改善基体与晶须的界面结合强度，使s i c 卅b 1 5 复合材料的 弹性模量有所提高。胡连喜等人 i6 j 的研究结果也验证了这一点，经过等温挤压， s i c w z k 5 1 复合材料的界面结合力也得到增强，有利于载荷从基体向晶须传递， 充分发挥了晶须的承载能力，铸态复合材料经挤压后弹性模量得到明显改善。 对于颗粒增强镁基复合材料，挤压后其性能的提高主要归因于断裂方式由颗 粒脱粘转为颗粒断裂【4 l 4 5 1 。 1 4 复合材料的搅拌摩擦加工技术 1 4 1 搅拌摩擦加工技术的原理及优势 搅拌摩擦焊技术的基本原理【4 6 】是利用一个带有特殊形状的搅拌头和轴肩的 搅拌工具，在动力驱动下高速旋转着插入待焊接材料中。搅拌头与被焊接材料的 机械摩擦使搅拌头附近区域材料的温度急剧升高，使之热塑化。然后搅拌头沿着 待焊材料连接界面向前移动完成焊接。在搅拌头旋转摩擦以及挤压作用下，被热 塑化的材料由搅拌头的前部向后部循环转移。转移后的热塑化材料在热力复合 作用下发生动态再结晶，因此形成致密可靠的焊缝组织。其基本原理如图1 2 所 示。 斑接疆，j 搅捧头游沿 图1 2 搅拌摩擦焊原理示意图 f i g 1 - 2s c h e m a t i ci l l u s 仃a t i o no f 衔c t i o ns t i rw e l d i n g 搅拌摩擦加工工艺【4 7 - 5 1 1 是一种新型材料加工制备方法，它是由搅拌摩擦焊改 造而来的，这一方法适用于材料的改性。搅拌摩擦加工过程类似于搅拌摩擦焊， 基本原理相同，不同之处在于，搅拌摩擦焊是通过搅拌方法将两块板材连接在一 9 中南大学硕士学位论文第一章文献综述 起，而搅拌摩擦加工则是对一块板材进行搅拌，从而改善和提高某一方面的性能， 以满足使用要求。 搅拌摩擦焊自1 9 9 1 年问世以来，在全世界工业范围领域得到了飞快的发展 和大规模推广与应用。本质原因在于搅拌摩擦焊本身具有的显著技术优势和潜在 技术推动力，表现在以下几个方面： 第一，它彻底解决了铝合金的焊接性问题。不管是传统的熔焊方法还是激光 焊、电子束焊等特种焊接连接方法，都不能彻底解决铝合金在焊接上存在的问题。 尤其是2 系和7 x x x 系等高强铝合金，任何一种熔焊方法都不能从根本上 消除铝合金焊接常见的气孔、热裂纹和焊后应力腐蚀裂纹等难题。目前采用搅拌 摩擦焊可以连接所有牌号系列的铝合金，且焊接头组织性能显著得到改善与提 高，基本解决了困扰铝合金连接的难题。 第二，它为工业应用产品的设计提供了崭新的思路与途径。因搅拌摩擦焊本 质上是一项固相连接技术，因此不仅可以实现同种材料焊接，也可实现异种材料 焊接，如铝铜、铝镁、铝钢等异种材料，甚至还可以实现不同状态的材料连接。 第三，它可以提高产品的质量和性能。由传统的熔焊焊接方法得到的接头组 织通常表现为粗大铸态组织，而搅拌摩擦焊接头一般为致密的细晶锻造组织，且 焊接头性能普遍要优于熔焊接头，相比熔焊变形还较小，故可以达到提高产品质 量与性能的目的。 第四，它还可以降低产品成本和提高生产效率。搅拌摩擦焊实验过程中不需 要填丝与保护气，无辐射和烟雾，是名副其实的“绿色连接或加工技术”，在工业 大批量产品制造中可以大大节省制造成本。同时还易于实现自动化、不需要太多 人力参与、生产效率高且焊接头质量好。 1 4 2 复合材料搅拌摩擦加工技术的研究现状 目前为止，搅拌摩擦加工应用于复合材料多在于复合材料的制备，并且已经 取得了一定的研究成果，但大部分研究仍处于实验室的尝试探索阶段。 搅拌摩擦加工过程中不需要加热工件，因此塑性较好的铝基和镁基合金多用 作基体材料，以确保加工过程的顺利进行。选用的增强相包括颗粒( a 1 2 0 3 p 、s i c p 、 s i 0 2 0 ) 、纤维和碳纳米管。由于基体在搅拌摩擦加工过程中会发生强烈的塑性变 形，并且材料的迁移十分显著，因此增强体多选用尺寸较小的颗粒，如纳米和微 米级的颗粒，以避免增强体被破碎。 搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的原理有两种：强制添加增强体和原位自 生成增强体。通过搅拌摩擦加工原位自生成增强体已经成功制备了a 1 c u 和 a 1 a 1 ，t i 复合材料【4 7 ，4 9 ，5 0 1 ，制备流程如下：首先将铜铝粉末压实，并对其进行一 1 0 中南大学硕士学位论文 第一章文献综述 定的预处理，然后进行搅拌摩擦加工，加工过程中需调节好工艺参数，以便于生 成增强相，由此制备出增强体分布均匀的复合材料。这种方法的缺点在于，增强 体含量较少。通过强制添加增强体的方法也已经成功制备出了纳米s i c p 几忆3 1 复 合材料，其耐磨性相对基体合金有很大的提高，但该方法的缺陷在于，增强体的 宏观分布均匀性较差。 利用搅拌摩擦加工对复合材料进行改性也已经有所报道，w d n b a cl e e 5 2 】等 人对s i 呲9 1 复合材料进行搅拌摩擦加工，加工后母材中的s i c 颗粒分布均匀， 晶粒细化，p 相溶解，复合材料搅拌区的硬度和耐磨性得到提高。 虽然复合材料的搅拌摩擦加工技术仍处在初始研究阶段，并且存在明显的缺 陷，但这种方法具有无污染、低消耗、重复性高、工艺简单和性能可控治等优点， 因此在未来复合材料的加工制备研究中有很高的价值。 1 5 镁基复合材料的性能 1 5 1 复合材料的增强机理 近年来，镁基复合材料的强化机理和强度预测引起了广泛的关注，它直接影 响到复合材料的组织设计。复合材料的强化机理主要包括以下几个方面： ( 1 ) 载荷从基体转移到增强体，增强体承担大部分载荷而起到应力转移的 作用。 ( 2 ) 由于引入增强体而使得基体晶粒细化，产生细晶强化。 ( 3 ) 由于基体与增强体的热膨胀系数相差很大，在复合材料的制备和热处 理过程中，基体会产生塑性变形，从而形成高密度位错，产生强化。 ( 4 ) 增强体和析出相在复合材料中能起到阻碍位错运动的作用，从而产生 o r o w 锄强化作用。 ( 5 ) 其他强化方式，如残余热应力和复合强化【5 3 】。 复合材料的弹性模量与增强体的性质和含量有关，按照简单混合定律，增强 体的弹性模量越高、含量越多，复合材料的弹性模量也越高。但基体与增强体往 往不是简单的混合，研究表明，弹性模量还受以下因素的影响： ( 1 ) 界面基体模量。王文吲硎等人指出，当界面模量比k 1 时，复合 材料中的增强体没有起到增强效果，复合材料弹性模量值小于基体；当k _ 1 时， 复合材料的弹性模量与基体相近：当k _ = 1 0 时，复合材料的弹性模量能达到理 想值的9 2 左右；当k - - 2 5 ，比例上升到9 7 ；k 值继续增加，增强效果不显 著。 ( 2