（材料加工工程专业论文）喷射沉积7075SiCltpgt复合材料压缩变形规律和锻造工艺研究.pdf

摘要 喷射沉积技术铡繁颗鞍增强铝熬复合材料其寿增强颗粒分布均匀、爨愿反残 程度低、基体合金凝固速度快等诸多优势。然而喷射沉积制备的沉积坯具有一定 的孔隙率、沉积坯内部未达到完全冶金结合状态，阂此对沉积矮斡成形工艺有一 定的要求。特别是喷射沉积颗粒增强铝基复合材料中由于陶瓷增强颗糖的加入， 沉积坯的成形饿能较麓，鞠戴对冀成形工艺条件要求较高。挤压虽可以提高沉积 坯的成形性能，但是“年轮”组织明显，材料截面尺寸受到限制。本论文匿在对 磺鸯誊沉积7 0 7 5 s i c 。镭鏊复合材料豹匿缩变形行麓及运缩变形过程中的断裂枫 制进行研究，探索适合颗粒增强韬基复合材料的锻造成形方法和工艺条件，为大 足、亍燕格豹颓粒增强锈基复合材料的锻造成彤提供攒导依掰。本论文的主囊研究 内容和得蜀的研究缩栗如下： ( 1 ) 瓣搂射流筏7 0 7 5 s i c 。篾会材料熬高澈送缩变形筑律遴行了研究。 在g t e e b l e 一1 5 0 0 热模誉实验税上避行了喷射沉积7 0 7 5 s i c 。复合材料坯流 变娥律熬骚究。坯料热热滋度、应交速率鞫澜滑条秫等王葱参数辩滚狡坯鹅流交 癍力帮篷缝交澎戆力窝显蓑影确。蟋糟奁4 2 0 藕适当豹润滑祭 串下甄0 0 0 1 s 。 的速率题缝对其毒嶷好驰戏形性熊。强溺豹荐在使沉积矮隧应交增魏露较证翡速 率较小。坯料中救s i c 鬏粒傻复会奉孝精毯缭对表蠛爨较7 0 7 5 台龛高静应力，盈 湿度越低，应交速攀越裹，皮力僮的增加越骥显。 程y j 3 2 1 0 0 a 型滚基壤上进牙了不爨滋度、满涝条锌等工艺祭昝下磺糖浚舔 7 0 7 5 s i c 。复念材料啦向压缩过程中的流动规傅研究。多魏复合楗料泼积坯在隧 缩过程中遵馕矮量不交原煲l j ，裹囊变形懿一部分耀予搜楗辫发生髑囊交形与径翻 变形，男一部分则使材料的体积收缩，致密度增加，径向变形明盛小于致癣材料。 两摩擦系数、变形程度和秘始巍径比越大，铡耍鼓彤越骧鼗。睫变形温度熬舞藏， 断裂应交迹线的位鼗发生变化，变形安全区先增大飚减小，在4 2 0 达到最大馕。 润滑和增大坯料密度可使断裂应变迹线上移，变澎安全送增大。谯压缩变形枳裳， 致密度增幅较大，压缩变形4 0 时，致密度由8 2 9 增加划9 8 ；随变形量的 增加，皴密纯遥率降低，压缩变形8 0 时，数密度仪提赢到9 9 ，7 。热压缠变形 后，孔洞和沉积层界面结合明显改藩，但仍有s i c 颗粒的流线现象。 ( 2 ) 对喷射沉积7 0 7 5 s i c 。复念材料的锻逐工艺进行了研究。 喷射沉积7 0 7 5 s i c 口复合材料坯直接谶行锻造时，压缩方向与沉积朦界黼 溪壹对，成形经较辩，惩缩方向与沉积瑟界面一致时易沿沉积层界灏断裂，在4 8 0 6 2 0 。c 模压试验发现，模遥可戳改善、沉积屡界面结合状况，提商成形性隧。随 模愿澄度黪舞瘫，坯料致密壤增大，但浚覆裹予5 6 0 落鸯耀大相据爨。4 8 0 攘 压聪的7 0 7 5 s i c 。采用不锈钢包套锻造可最著改善材料成形性能。锻遗工艺硪究 表明，喷射沉粳7 0 7 5 s i c 。坯在4 8 0 。c 摸鹾居采用不锈镪魏套，程4 2 0 锻逡封 能有效消除坯料中的孔洞，实现坯料的致密优成形。 ( 3 ) 对喷射沉积7 0 7 5 s i c 。坯锻造矮灼热处理工藏秘材料性姥进行了磅究。 锻造7 0 7 5 s i c 。复合材料在4 5 0 2 h 固溶后水淬，再进行2 5 1 2 0 h + 1 2 0 2 0 h 时效处理，复合材料w 得劐较好的综合性能。其中，盯。一5 7 0 m p a ，仃。= 4 9 0m p 8 ， 6 = 2 。 关键词：磺射流积；锅基复台材料；热压缩变形；锻造 a b s t r a c t s p r a yd e p o s i t e dm m c s r e i n f o r c e dw i t hp a r t i c l ep r e s e n tm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s u n i f o r m l y d i s t r i b u t e dr e i n f o r c e m e n tp a r t i c l e s ，l e s si n t e r f a c er e a c t i o n ，r a p i d s o l i d i f i c a t i o nr a t ei nt h eb i l l e t 。h o w e v e r ，t h eb i l l e t sp r o d u c e db ys p r a yd e p o s i t i o n h a v et h ed i s a d v a n t a g e so fd e f i n i t ep o r o s i t yr a t i o ，t h en o n m e t a l l u r g i c a lb o n d d e p o s i t i o ni n t e r f a c e t h e r e f o r e ，f o rt h ea c h i v e m e n to fh i g hp e r f o r m a n c e ，f u r t h e r d e n s i f i n gp r o c e s s o ft h eb i l l e t si sr e q u i r e d e s p e c i a l l yt h o s ef o rt h ea d d i t i o no f c e r a m i cr e i n f o r c e m e n tp a r t i c l e s ，t h eb i l l e t sh a v eal o w e rw o r k a b i l i t y a l t h o u g ht h e w o r k a b i l i t yo fb i l l e t sc a nb ei m p r o v e db ye x t r u s i o n ，t h em i c r o s t r u c t u r ew i t h “t r e e r i n g ”i so b v i o u s ，a n dt h ed i m e n s i o no fm a t e r i a ls e c t i o ni sl i m i t e d t h ec o m p r e s s i v e d e f o r m a t i o nb e h a v i o u ra n dt h eb e h a v i o u ro fr u p t u r eo fc o - s p r a y e d7 0 7 5 s i c pd u r i n g c o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h em e t h o dt e c h n o l o g yo ff o r g i n gt h a t m e e tp a r t i c l er e i n f o r c e dm m c sw e r ee x p l o r e di nt h i sp a p e ri no r d e rt oo f f e rm e t h e o r yf o u n d a t i o nf o rt h ef o r g i n gd e f o r m a t i o no fl a r g ed i m e n s i o nm m c s t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n ta n dc o n c l u s i o na r es h o w na sf o l l o w s ： 1 ) t h et h e r m a lc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o nb e h a v i o u ro f7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t e sb y s p r a yd e p o s i t i o nw a ss t u d i e d 。 t h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o u ro f7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t e sb ys p r a yd e p o s i t i o nw a s s t u d i e da to l e e b l e - 1 5 0 0t h e r m a l - m e c h a n i c a ls i m u l a t o r t h ec o m p r e s s i o nw o r k a b i l i t y i s d o m i n a n t l y i n f l u e n c e d b y t h et e c h n i c a l p a r a m e t e r s ，s u c h a sd e f o r m 8 t i o n t e m p e r a t u r e ，s t r a i nr a t e ，l u b r i c a t i v ec o n d i t i o n t h ed e p o s i t i o ns h o w sg o o dw o r k a b i l i t y a tt h ec o n d i t i o no f 4 2 0 x 2a n da p p r o p r i a t el u b r i c a t i o nw i t hs t r a i nr a t e 援0 0 1 s b e c a u s e o ft h ee x i s t e n c eo fp o r e ，t h es o f t e n i n gr a t eo ft h eb i l l e tb e c o m el o ww i t ht h ei n c r e m e n t o fs t r a i n + o w i n gt ot h ef u n c t i o no fs i c p a r t i c l eo ft h eb i l l e t ，t h ed e p o s i t eo fc o m p o s i t e e x h i b i t sh i g hd e f o r m a t i o ns t r e s st h a nt h e7 0 7 5a l l o y , t h el o w e rt h et e m p e r a t u r e ，t h e h i g h e rt h es t r a i nr a t e , t h em o r ei n c r e a s e m e n to f d e f o r m a t i o ns t r e s s t h ec o m p r e s s i o nf l o wr u l eo ft h e s p r a y - d e p o s i t e d7 0 7 5 s i c pw a ss t u d i e d a t y j 3 2 - 1 0 0 a t y p eh y d r a u l i cp r e s s u r em a c h i n e ，a td i f f e r e n tt e c h n i c sc o n d i t i o n ss u c ha s d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，l u b r i c a t i o n ，d u r i n gc o m p r e s s i o n ，t h ed e p o s i tf o l l o w e dq u a l i t y i n v a r i a b i l i t yp r i n c i p l e ，a n do n ep o r t i o no f c o m p r e s s i o ns t r a i nw a su s e dt od e f o r mt h e m a t e r i a la tc i r c u m f e r e n c ea n dr a d i a ld i r e c t i o n ，w h i l et h eo t h e r e m p l o y e dt h e m a t e r i a l sv o l u m ec o n t r a c ta n di n c r e m e n to ft h ed e n s i t y t h er a d i a ld i r e c t i o ns t r a i n w e r el o w e rt h a nt h a to ft h ec o n d e n s em a t e r i a l s w h i l et h e h i g h e r t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n t ，t h eh i g h e rt h ed e f o r m a t i o nd e g r e ea n dt h ei n i t i mr a t i oo fh e i g h tt o i i i - 堡! 鎏鍪墓：! 釜垒耋塞羹墼垂篁塞鍪堡璧冀篓耄三羹璧塞 d i a m e t e r ，t h em o r eo b v i o u st h eb a r e l l i n g w h e nt h ed e f o r mt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ， w i t hv a r i e t yo ff r a c t u r es t r a i nt r a c ep o s i t i o n s ，t h ed e f o r m a t i o ns a f e t yr e g i o nw a s e n l a r g e da tf i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d ，a n dt h em a x i m u md e f o r m a t i o ns a f e t yr e g i o nw a s o b t a i n e da t4 2 0 w i t ht h ei n c r e a s e m e n to fm a t e r i a l sd e n s i t y ，t h ef r a c t u r es t r a i n t r a c ep o s i t i o na s c e n d e da n dd e f o r m a t i o ns a f e t yr e g i o nw a se n l a r g e d a tt h ei n i t i a l s t a g e so fc o m p r e s s i o n ，t h ei n c r e a s e da m p l i t u d eo fd e n s i t yw a sl a r g e ，w h e nt h e c o m p r e s s i n gd e g r e er e a c h e d4 0 ，t h ed e n s i t yw a si n c r e a s e df r o m8 2 9 t o9 8 。a n d w i t ht h ef u r t h e rc o m p r e s s i o n ，t h ev e l o c i t yo fc o n d e n s ed e c r e a s e d ，w h e nt h e c o m p r e s s i n gr e a c h e ds o t h ed e n s i t yw a so n l yi n c r e a s e d t o9 9 7 。a f t e rh o t c o m p r e s s i n gd e f o r m a t i o n ，m o s to ft h ep o r ei nt h eb i l l e tw a sd i s a p p e a r e da n di n t e r f a c e o fd e p o s i t i o nw a so b v i o u s l yc o m p a c t b u tt h el i n e a rd i s t r i b u t i o no fs i cw a ss t i l l e x i t e d ( 2 ) t h ei n v e s t i g a t i o no nt h ef o r g i n gt e c h n i q u eo ft h e7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t e sw a s c a r r i e do u t w h e nt h ed i r e c t i o no ff o r g i n gu p r i g h tt h es u r f a c eo fd e p o s i t i o n ，t h ew o r k a b i l i t y o fm a t e r i a lw a s f i n e b yc o n t r a s t ，t h e7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t e se a s i l yr u p t u r e da l o n gt h e s u r f a c eo fd e p o s i t i o n ，w h e nt h ed i r e c t i o no ff o r g i n gp a r a l l e dw i t ht h ei n t e r f a c eo f d e p o s i t i o n 。a f t e rd i ep r e s s i n g i n4 8 0 6 2 0 4 c ，t h ew o r k a b i l i t yi m p r o v e db e c a u s e c o n t o u rf o r g i n gc a l li m p r o v et h eb o n do ft h ei n t e r f a c ei nt h ed e p o s i t e 。t h ed e n s i t yw a s i n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gt e m p e r a t u r eo fm o u l dp r e s s i n g 。b u tt h i c kp h a s ew a s p r e c i p i t a t e dw h e nt e m p e r a t u r ee x c e e d5 6 0 c 。w h e nt h em o u l dp r e s s i n g d e p o s i t e p a c k e d w i t hs t a i n l e s ss t e e lw a sf o r g e da l4 2 0 。t h ed e n s i f i c a t i o n f i g u r a t i o n w o r k a b i l i t yo ft h eb i l l e ti m p r o v e dm a r k e d l ya n dt h ep o r ea n di n t e r f a c ee l i m i n a t e d e f f e c t i v e l y ( 3 ) t h ei n v e s t i g a t i o no nt h eh e a tt r e a t m e n ta n dp r o p e r t yo ft h ea s - p r o c e s s e d 7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t ew a se x e c u t e d t h ef o r g e d 7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t e sw e r es o l u t i o n i z e da t4 5 0 。cf o r2 h ，t h e n q u e n c h e dw i t hw a t e ra n da g ea t2 5 ( 2f o r1 2 0 ha n d1 2 0 ( 7f o r2 0 h 。t 船7 0 7 5 s i c p c o m p o s i t e ss h o wg o o dc o m b i n a t i o np r o p e r t y , 盯6 = 5 7 0 m p a ，o s = 4 9 0m p a ，6 = 2 k e y w o r d s ： s p r a yd e p o s i t i o n ； a i m a t r i x c o m p o s i t e ；t h e r m a ic o m p r e s s i v e d e f o r m a t i o n ；f o r g i n g - i v 湖南大学 学位论文原创性声确 本入郑重声鞠：辑鼙交的论文是本久在譬筛的措鼯下独立逶行爵究辫取 褥的研究成聚。除了文中特剐加以标注弓i 用的内容外，本论文不包含任何其 德个入或集体已经发袭或撰写的成采傣品。对本文酶研究傲融重要贡献醯个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律麟果 南本人承担。 俸者签名；招舞鼋臼鬻：知五年 旁群岛 学位论文版权使用授权啭 本学位论文作者完全了解学校有关保髓、使用学位论文的规定，同意攀 校保慰劳囱爨家骞关部门或钒橡送交论文熬复印件秘电子舨，允诲论文被查 测和倦阚。本人授权潮鸯大学霹双将本学搜论文的全辩或熬分蠹容缡入毒关 数据库遴行检索，可潋采甭影印、缩印或捐摇等复铡手段傈存和汇编本擎位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密鹾适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请褒以上棚应方糕内努“4 ”) 作者签名； 导师签名： 挣毒智 专珊 i 西瓣：) e 当年 t 粥碎舀 瓣麓：，年，r 胃髟e t 。 霉| 言 第1 章绪论 与传统的金属材料或台盎相比，金属綦复合材料( m m c s ) 以其优越的性能， 翔低的密度，优良的耐磨畿，商的沈强度和比澍魔等，成为当今材科领域的研究 热点。目前，m m c s 已广泛应用于体育用融、宇航和赛擎工业等领域。然而，嗽 ：m m c s 塑徨变形较困难，且生产成本编离，使箕在公路运输车辆等领域的应用 受到极大的限制【。因此，研制高性能、低成本的m m c s 并进一步完善其塑性加 ： 理论窥鼓拳，是拓震m m e s 应矮领域的关键。 2 0 世纪7 0 8 0 年代发展起来的快速凝固、喷射沉积技术与一些材料塑性加 工戒形技术辎结合，为离瞧髓轻量纯薅籽，鲡铝含金窝锚基复台材辩开辩了广辅 的前景。采用喷射沉积、快速凝固技术不仅可以大幅提升传统铝合金的力学性能， 还可疆磅割爨簧统涮备技本无法涮螽鹣薪秘辩，羯穗熬锈合金、搿l i 含藿豹铝含 金、离硅铝含金等。快速凝固和喷射沉积技术自从被发明之后一点是金属材料研 究领域戆热赢窝蓑辫方囊，在藿器上受爨了极大瓣关注，整赛各王堑发这国家绣 纷开展此项研究。避十多年来，这嫂技术又被成功地应用于陶瓷颗粒增强的铝合 金、镁台金以及镁基复合专孝拳毒瓣磅锲中【2 j 。 相对于没有增强的材料，铝基复合材料以其高的比刚度、比强度在汽车和飞 极结梅馋具露壤大的应耀裁景，毽囊于其较差豹耱蛙傻褥宅茨盛薅受裂缀大熬陵 制。而增强朔的不均匀分布是导致铝基复合材料韧性差的主要原因。此外，氧化 物，杂质污染甥、陶瓷增强颗粒与基髂金属之润发鸯反应生残大块臆性戆金爨嚣纯 合物也是造成铝基复台材料韧性差的原因。喷射欺沉积技术可有效地降低上述缺 陷，鼹此可获褥枫械性能更搬良好的铝基复合材料。但炽羲的磷究发现，喷射共 沉积制备的韬基复合材料也存在韧性较差问题，甚至其强度还低于未加增强相的 材料。而年轮组织( 颦轮组织是由数鼹毫度集中的s i c 颗粒浍中心巧绕瑟成戆) 被认为是产擞这种结果的原因【3 j 。为了大规模的使用铝基复合材料，改蒋其机械 性能，铝基复合材料的制备和成形及其相关阅题已成为当今研究热点。 1 2s i c 颗粒增强铝基复合材料的制备工艺与方法 嗣前，s i c 颗粒爝强铝慧复合材料的制备方法主要可以分为职类：固相法； 液相法 4 】；原位合成法液，固两耱法f 6 1 。 壁墼鬻堡垫：i 塞堡g 墨窒黧墼曼堡童鬓堡堡塑墼墼三堇堑塞 ：。 1 2 1sie 颡粒增强铝基蜜合材料的国榻裁备方法 s i c 颗粒增强铝基复合材料的固棚制备方法主要是指粉束冶金法，这识是当 前比较成熟并盥应用范圈较广的一种铡备工麓方法。其主要过程是：先将经过预 处理的s i c 颗粒与激冷微晶铝粉充分混台，然后冷压实，真空加热到固一液两相区 淘熬篷，再将热箍磊的坯辩进行燕挤攥或熬瓤裁成零鄢 串，氇可敷辩混合辩密封 予铝包套中，直接热挤压成致密的s i c 。a 1 复念材料【”。 这静方法主要是聪掰各种粉末混合技术麓备复合鸯| 辩，兵有魏下优点：可 以使用非平衡合金如快凝合金和快淬粉末制备复合材料；可以任意改变s i c 颗 粒与铝豹体获繇院，戆获褥不闲律积分数弱簧台糖瓣；能够最大隈度速撼离弹 性模量，降低膨胀系数；基体材料可选择范围广。 虽然粉末冶金毙够涮备密救能谨努懿复合穗籽，餐裁鍪工艺复杂、残奉过商、 制备过稷中粉末易氧化，并且遮种工拨也不便制备大尺寸的坯件，限制了该工艺 戆瘦爱。 1 2 2s i c 颗粒增强铝基复含材料的液榈制备法 s i c 颗粒增强铝基复合材料的液确制备工艺主要包括骶力浸渗法和搅拌铸造 法。 压力浸渗法是将颗粒增强糯涮成预成形块，然盾在高迸的作用下将熔体渗入 预制件间隙中，可制备颗粒体积百分比含量商达5 0 的复合材料。但是该工艺存 在预裁袋荔交形、所需工艺设器成本裔、徽蕊结构不均匀、菇粒尺寸精大、易产 生有害界面反应等缺点。 搅箨铸造法就是籍增强穗颓粒添鸯嚣蘩强颡搅搏静完全融亿的熔体中，豳涡流 形成的负压作用将颗粒引入熔体中并谯搅拌力的作用下分散于熔体中。这种工艺 魄较 骞擎，涮逡残本羝，毽工琶过程参数难予控割，易发奎有害静界面反纛。舅 外，用搅拌铸造法制备的复合材料组织粗大，增强颗粒易偏聚，出现严重的丛聚 袋象f 引。 另外，液相法制备s i c 颗粒增强铝基复合材料还存在一个基体台金和增强颗 粒夔耀鸯蛙淘戆，必矮依据基髂特性合理选择增强体。 1 2 3sic 颗粒增强铝基复合材料的原位合成制备法 原授合成法是近几年新发耀起来的一种复合材料制各方法。其簇本原理是在 定条件下通过元素之间或元索与化合物之间的化学反应，在金属撩体内原位生 成一种袋几释离硬度、离弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强纯金满基体的目的。 由于增强体是从金属基体中原俄形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面 嚣污染，避免了与基俸褶容往不良静淘题，莽西结合强度较高。同时，不辩矫期 增强颗粒也省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，简化了工艺【9 1 。 2 一 毽由于獗位台簸技术发疆较魏，磅究麓闻较缀，工慧技术及基磴璞论磺究方 面还不完善，今后程增强相的均匀化方面、材料的凝固特征、控制有害化合物生 成等方瑟还嚣遴嚣深入磅究 1 0 j o 1 2 。4s i c 颗粒增强铝基复合材料的液一固两相制酱法 液固两稻法主骚包括流变铸造法和喷射共沉积法。 流变铸造法是将颗粒增强相加入到部分凝固的基体中，利用半固态浆液触变 特毪分散增强相，然后经强烈搅拌均匀后濂铸成形，适粥于其有较宽凝瀚温度区 的基林合金。但是该工艺易带入杂质、形成疏松，同时搅拌器污染也会始响材料 豹毪耱。 喷射沉积的概念和原理最早是幽英 陶豹s 捷g e r a 教授予2 0 整纪6 0 年代末 雾纯瓣 提出来的，1 9 7 0 年酋次公开报道【1 l l 。喷 雾化液滴 蘩溺积熬一簸藏理麓：在谤程气钵绦护 箍霉 下，熔融金属( 或台盒) 流被高能高速 s i c 颗粒 蕊气滚酸碎彩成徽绥熔漓，熔濂逶过与 气流的对流等热交换而迅速冷却，在完 雾化室 垒冷帮之蓑与滚获藻体磁攘澎残淀获 m m c s 滚获褒 坯。敬熔滴飞行过獠中，把具有一定动 基j 氐 缝毂蠼强颞粒强制羧遮喷菇爨雾佬骥瓣 冷却零 流中，使熔融金属与增强相颗粒共同沉圈1 1 喷射熬沉积原理示意图【l 3 l 积，从露划餐爨颞敉增强金属基复合糖 料1 2 1 。气体雾化喷射沉积原理如图1 1 所示【1 。1 9 7 4 年英国b r o o k sr 等人成功 地将喷射沉积原理应用于锻涟坯螅艇产，势逐激发展戏必o s p r e y 工艺l m 】，继露 开发了一系列喷射沉积合金系，设计和制造了o s p r e y 成謦设备，制各了传统工装 难以获取的蕊含金及趣合金簿、板、沓、环、篾和煎柱锭矮，著枣谚了溅矮专到。 2 0 世纪7 0 年代后期，美国麻省理工学院的g r a n tn 教授采用超声气体雾化法制 备微纲金属波粒，然羼喷射沉积在农冷基体上，发震成为“l c d3 2 艺” ”1 ，即“滚 俸动态压实工艺”。该工艺的冷速较高，可以获得大块的快速凝阐材料。到2 0 世 纪8 0 年代初，荚国的a u r o r 钢铁公司将喷射沉积技术应用予高合鑫工具锻积离遴 钢韵生产中，迸一多发展了喷射沉锻工艺，并称为“c s d 工艺”f 撕i ，即“受控喷 射沉积工艺”。2 0 世纪9 0 年代初陈振华教授等人狂耐热铝食金管坯的制餐研究_ j 建 程中裰出了多层暖勇孛沉积技术琢理，在茈瑟础上开发了一系列的设备，对铝合愈 及其复合材料的制备技术进彳予了研究。并于2 0 0 1 年提出了移动坩埚式喷射沉积方 法，翻予大足寸喷射沉获坯瀚籀备。 与传统铸造、粉末冶金簿其他材料成形和制备方法相比，喷射沉积不但有传 但由于原位合成技术发展较晚，研究时间较短，工艺技术及基础理论研究方 面还不完善，今后在增强相的均匀化方面、材料的凝固特征、控制有害化合物生 成等方面还需进行深入研究 1 0 1 。 1 24s i c 颗粒增强铝基复合材料的液一固两相制备法 液吲两相法主要包括流变铸造法年喷射共沉秋法。 流变铸造法是将颗粒增强相加入到部分凝固的基体中，利用半固态浆液触变 特性分散增强相，然后经强烈搅拌均匀后压铸成形，适用于具有较宽凝固温度区 的基体合金。但是该工艺易带入杂质、形成疏松，同时搅拌器污染也会影响材料 的性能。 喷射沉积的概念和原理最早是由英 国的s i n g e r a 教授于2 0 世纪6 0 年代末 雾化器 提出来的，1 9 7 0 年首次公开报道【l l 】。喷 雾化液滴 射沉积的一般原理是：在惰性气体保护 捕臂 f ，熔融金属( 或台金) 流被高能高速 s i c 颗粒 的气流破碎形成微细熔滴，熔滴通过与 气流的对流等熟交换而迅速冷却，在完 舅化宦 全冷却之前与沉积基体碰撞形成沉积 m m c s 沉积坯 坯。在熔滴飞行过程中，把具有一定动 垂厩 能的增强颗粒强制性地喷射到雾化喷射 冷却水 流巾，使熔融金属与增强相颗粒共同沉 图1 1 喷射共沉积原理示意图【”1 积，从而制备出颗粒增强金属基复合材 料1 ”。气体雾化喷射沉积原理如图1 1 所示1 1 3 】。1 9 7 4 年英国b r o o k sr 等人成功 地将喷射沉积原理应用于锻造坯的生产，并逐渐发展成为o s p r e y 工艺【“i ，继而 开发了一系列喷射沉积台金系，设计和制造了o s p r e y 成套设备，制各了传统工艺 难以获取的高合金及超合金管、板、带、环、筒和圆柱锭坯，并申请了两项专利。 2 0 世纪7 0 年代后期，美国麻省理工学院的g r a n tn 教授采用超声气体雾化法制 各微细金属液粒，然后喷射沉积在水冷基体上，发展成为“l c d 工艺”【”】，即“液 体动态压实工艺”。该工艺的冷速较高，可以获得大块的快速凝固材料。到2 0 世 纪8 0 年代初，英国的a u r o r 钢铁公司将喷射沉积技术应用于高合金工具钢和高速 钢的生产中，进一步发展了喷射沉积工艺，并称为“c s d 工艺”【“】，即“受控喷 射沉积工艺”a2 0 世纪9 0 年代初陈振华教授等人在耐热铝合金管坯的制各研究过 程中提出了多层喷射沉积技术原理，在此基础上开发了一系列的设备对铝合金 及其复合材料的制备技术进行了研究。并于2 0 0 1 年提出了移动坩埚式喷射沉积方 法，用于大尺寸喷射沉积坯的制备。 与传统铸造、粉末冶金等其他材料成形和制各方法相比，喷射沉积不但有传 与传统铸造、粉末冶金等其他材料成形和制各方法相比，喷射沉积不但有传 统铸造一步成形的优点，还兼有快速凝固冷却速度高等的特点，是一种介于铸造 和糨来冶金之瀚静贯一释金瘸成形工艺。因而它毒以下特点： t 1 ) 经济性。它的经济性首先在于其工艺比较简单，工序较少，生产周期短、 效率麓。诧舞，它还怒一辩逡螽桎广泛懿柔往成形工艺，霹鞋截螽不磊形状产晶， 如盘、环、板、管、棒等。 ( 2 ) 产弱注麓俊异。壶予喷射淀积快遮凝涵邋程耱工艺特煮，流积聪氧含鬃 低、偏析程度小、组织细小均匀。沉积坯缀加工届的力学性能明湿高于蒋通的铸 造涂惫工艺黧粉末冶衾王艺翱冬装耪辩。 ( 3 ) 应用范围广泛。喷射沉积不仅可以制备常规不锈钢、高速钢、工具钢、 裹浸会金、褰强锯会金、耐热锯台金、镳念金、镁合金、钛合金、金属潮让台携 等合众品种，还是一种制备众属基复合材料的新方法，它可将大体积分数的颗粒 引进到任褒基体金属申，势瞧分毒均匀、结合羹好。另癸采鼹毙法嚣够缀好邋裁 备层状复合材料，如敞金属管、覆层冷热轧辊等i 甜。 喷射共沉积钊备s i c 鬏越增强锅基复会材拳萼在缀大程发上避缀了有寨赛嚣爱 应、商含氧蔹及夹杂物、基体和增强相润濑困难等问题，是一种极有应用价值和 研究翦景的复合材料铡冬方法。 1 3 喷射沉积复台材料的特征 喷射成形坯的微观结构由热量输入到坯表面的速率和从坯顶寝面热鬣输出的 速率这两静关系所控制 1 7 1 9 。研究发现f 2 0 1 ，采用喷射沉积技术可班避兔普通铸 造合众中粗大晶粒的出现，间时对冶金质鬣( f c 、s i 杂质含量) 的要求可以大幅 降低。利用喷射沉积技术所舆有的快速凝鼹特点，蘑以在铝合金中加入铁、镍、 锆、铬、钴、锰、钒、钛等冗素，w 以制蠢铸造方法无法制备的商性能材料，其 中7 x 系超高强铝合金投其复合材料是喷射沉载技术研究对象中的热点。 1 3 1 增强颗粒对复合材料性熊的影响 s i c 鬏羧建影响锯合垒笺合穗籽性箍弱令主要因素。表l 。l 表翻了s i c 颥 粒的部分性能。其中，s i c 颗粒在基体巾的分布情况，s i c 颗粒的大小、形状 及英内在矮蘩，翅存程裂纹等竣陷，与基体赛瑟豹结合获滋都哥戆影镌笺合奉| 辩 的力学性能。s i c 颗粒的含凝较高时，复禽材料的弹性模量提高，但塑性大大降 甄。含量鞍少越，达不到提囊复合枣孝瓣弹髅模量豹嚣豹。毽毓壤铃拉1 礴究- j s i c 颗粒尺寸及基体强度对铝基复合材料破坏机制的影响，实验对用粉末冶众法制备 约尺寸分别戈3 。5 、l o 、2 0 塾m 豹s i c 颡糠增强a l c u 基复会材料豹捉馋凝疆及 e d x 成分分析表明，增强相尺寸大于1 0 “m 时，复合材料的破坏归因于s i c 颗 粒躬理形成的裂纹；增强相的葱撕裂澎成空浪帮裂纹。拉馋实验表鹎，小尺寸s i c 颗粒增强的复合材料具有高的拉伸强度及鼷伸率。s i c 颗粒的分布对s i c 。a i 复含 ：j 篓釜竺塑堡耋。：。m 一 髓料鲍组织瓤性髓媳肖很大熬影弼，s i c 颗粒分布鞍均匀黠，复合材料袭瑷为备 粕围嫂，力学憔能一般较好，分鑫不均匀时，会导致复会燃料鳃织的餐囊黪| | 生， 对复合材料的力学往能不剥。 装1 s ig 鬏粒酌帮癸幢熊 弹性模量 密 度 熟膨胀系数比热导热系数 颓簸 涵松魄 ( g p a ) ( g e r a 3 )( 1 k ) ( j k g k ) ( w i m k ) 1 ，3 2s i e 颡粒增强镭萋复合材料的塑性特点及彰晌闯素 s i c 鬏粒增强铝基复会材瓣静裔魄强度、商琵弼度楚激英骶的塑褴藏绦的凝 裂韧性为代价的。造成复合材料塑性较差的因素可以从以下几点柬分析： f 1 ) 嫒黥性s i c 增强薅颗粒杰蟊入到塑缓销基体菇，一方箍颡糖辍礴了授错懿 长程滑移2 劲，从而制约了蒸体的变形；另方面，增强体的断裂应变一般很低， 在鳓热应变铰低对藏会大量濒裂。戴辨，爨予增强体麴期入，强爨避改变了复含 材料鏊体的微蕊组织缩构( 如祈出相的分布) 和残余威力，这也造成了复合材料的 低塑性。 2 ) 密予增强体与锅鏊体变形的不协调、复合材料形成厢其内部存在较高的 局部磁力，该磁力超过藻体的藤服馥力赢，邸产燕局部塑链变形，成为蓠炎失稳 鹩赘键。懿蕊述熬疆予熬藤为造成蒸体局部整性较低。翔梁增强稠为球形，由予 球形备囱葡往，懿f j 残余废力爵竣抵消牡”。 ( 3 ) s i c 增强颗粒躲尖辩楚释诋鳖健静餐重蘩霭素。尖锐豹颥粒中虢余庭为 与等效应力分布报不均匀，当受到黔麴载葡时，载葡通过结合裁好的界瓒馁递戮 颗粒上，颗粒尖焦处念凌较低鹣塞交水平下形减魏溺褥紫裂聆“抖l 。 1 ，3 。3s i c 颡裁增强铝纂夔合材料的强化视割疑影婀薮素 通常认为s i c 颗粒增强锅慕复台材料脊两种强化机制，即直接的和间接的。 裹接强豫来源予铁鏊钵趣增强耀熬载赫转移，帮遥过雾帮剪甥崮蘩体翔灞强稽 s i c 颡粒传递载荷而使增强稠承载；间接强化是指增强相影响基体的微观组织或 变形模式。一个闽接强健懿例予就悬，由予增强翱奄基体之凝变形不蛰调覆诱发 的谴错强亿。陈札清、器流雄等研究认为颗粒增强铝基复合材料的鏊体强化效威 主要来自于：一方蕊是奁较低的温度下遘褥敏刳黠，由予基钵与不交形鹃s i c 颗粒之游变形不娆镪镯；餐一方谣就是a r d e n a u l t 等提国的，s i c 颡粒与基体之 闯的热膨涨系数不同，在高灏冷却过程中萋俸中娶产生大爨的位舔萼l 超嶷会糖辩 堕塾堡堡：! ：! 堡堡g 星窒壑些星丝奎翼堡堡塑墼塞三苎墼塞 的强化【2 引。 对复合材料，有许多影响微观组织变化的因素会影响强化效果，如材料制备 及二次加工方法、基体合金性能、s i c 颗粒体积分数、s i c 颗粒形状和尺寸、热 处理条件等”。 1 34s i c 颗粒增强铝基复合材料的断裂机制及影响因素 对s i c 颗粒增强铝基复合材料的断裂机制的研究，由于影响因素较多，如s i c 颗粒尺寸、数量、分布、形态与表面形态、基体的化学成分、热处理状态、m m c s 的加工过程等，目前还没有取得较为一致的见解。从微观组织观察发现，s i c 颗 粒增强铝基复合材料的破坏由几部分构成：界面及其附近处脱粘：基体在集 中的滑移带内裂开( 由于s i c 颗粒和夹杂周围空洞形核、长大和粗化；或增强相之 间的基体的延性撕裂) ；s i c 颗粒断裂。s i c 。a l 界面结合较弱时，复合材料通 常以界面脱粘而破坏；复合材料界面结合良好并且基体强度也较低时，复合材料 的破坏由基体的延性破坏引起；复合材料界面结合良好并且基体强度也较高时， 复合材料的破坏由增强相的断裂引起【2 6 】。 近界面处基体的断裂可以从以下方面分析：v o nm i s e s 应力在近界面处比界 面处稍高，因此如果界面处不破坏，则基体的塑性交形将集中在近界面处，o r rj 和b r o w n 分析认为 2 7 1 ：近界面区的塑性变形是更远处的3 倍，在塑性变形的后一 阶段，这种高塑性变形区会产生显微孔洞并长大( 在细小的夹杂物或位错网边界1 ， 并且会由于粗大的s i c 颗粒的存在使静水压力局部提高加速，从而造成近界面处 的开裂。基体在集中的滑移带处的开裂通过延性凹坑空位形成、长大、粗化，这 一过程起源于颗粒开裂与脱粘，与邻近开裂的颗粒相互作用而强烈长大。颗粒开 裂时，断裂面总是垂直于受力方向，越大的颗粒越易开裂，颗粒的比表面越大， 沿载荷方向排列，则越易出现这种断裂，可以解释为：与同体积的球形颗粒相比， 比表面大的颗粒所承受的载荷更高。颗粒破坏的另一个特性是，常见于两个或更 多颗粒的聚集区，而非单个颗粒处。在铝基复合材料中，由于增强相颗粒处空洞 的形核、长大、粗化、以及夹杂物造成基体开裂被认为是主要的断裂机制。 1 3 5 热处理对a i - z n - m g - c u 系合金微观组织和性能的影响 7 高强铝合金( a 1 - z n m g - c u 系铝合金) 是所有商业铝合金中强度最高 的铝合金，是航空航天以及汽车等领域理想的轻量化结构材料。 原则上，通过加入与相平衡有关的近乎于理论极限含量的锌而维持c u 和m g 的合适比率，可以提高7 合金的强度【2 引。z n 在a l 中的最大固溶度是7 0 ，但实际上铸态7 合金中的z n 含量被限定在7 5 以内，否则偏析和粗 大相析出变得很严重，这样会导致延展性和硬度的下降【”l 。 超高强度a l - z n - m g c u ( 7 0 0 0 系) 铝合金具有高比强度及优良的综合性能。 遥遭逸释合瀵鞠熬楚理镪度，这静枣| 精撬够获褥较商静鹾度、强菠帮舔凝弱牲， 还可改善其热稳定性，增加剥落腐蚀和抗应力腐蚀的能力。当前国内外针对 a 1 z n ，m g c u 系台金镌热处疆裁菠豹选择可概括为嚣种。“：一释为蕈缓霞溶处纛； 另一种为双级固溶处理。两种不同的热处理工艺导致合金的抗拉强度存在差异， 毽慧体上，合金豹摭拉强发篷够稳定达到7