（材料加工工程专业论文）大尺寸7075sicp复合材料循环压制工艺研究.pdf

摘要 瑟兹大尺寸淡积燧 譬进露数密铯翔工弱报器缀乡，露置逻掺矮，锻造等工艺 对大尺寸喷射沉积琏件进行致密化加工，材料性能并不理想。为了获得高性能的 大尺寸喷射沉积坯件，扩展啖射沉积材料的应嗣范围，本文提班袋用循环腿制工 麓对喷射荚沉积太尺寸坯俸遴行霰密纯宓鞋工。研究了喷射共沉积7 0 7 5 s i c p 笺合材 料在循环压制过程中的变形规律、致销化规律以及组织变化规律，并对大尺寸喷 射共沉积7 0 7 5 s i c p 袈合耪辩瓣獯强瑟涮工艺和李| 料睦能送行琴 究。辑变懿三l 三要内 容和得到的主要结粜如下： ( 1 ) 研究喷射共沉积7 0 7 5 s i c p 缀合材料，在循环聪制过程巾的变形规律与 致密仡趣镶。 用网格法研究了7 0 7 5 s i c p 复合材料坯料在循环压制过程中的变形规律。研究 发瑷坯科豹横囱交形分为四个的区域。离淘变形在压到开始蹬段在坯斟表露疑丈， 程压制后期坯料中部其有最大的平均商向压下蘸。带有间隙的循环压制，w 以提 商坯料的致密化效聚。在横向变形量为1 0 和1 5 时，艇合材料蟋料循环压制后 形状完整。4 2 0 疆环压裁詹， l l 合翡魏溺麓穆形成莛蟹静绪台，楚逶寰懿压潮溢 度。 ( 2 ) 研究喷射焚沉积7 0 7 5 s i c p 复合枣| 料，在循环艨铡过程中的孑l 涸变形与 s i c 颗粒分布规律。 孔洞在不同的应力状态条件下和循环压制阶段具有不同的变形过程。研究发 瑷，坯辩中部豹三囱蘧应力最蠢稠予孔溺靛交形与 l l 台。在疆舔压溺羲密纯镪麓， 孔洞尺寸迅速减小。在塑性变形致密化阶段，孔洞将随蒋压下量的增加而闭合。 沉积坯和挤压坯在循环压制过程中，s i c 颗粒的蜜集带和贫乏带都在不断变薄。沉 积坯中s i c 颖粒富祭带内s i c 颗粒发生破碎，丽在s i c 颡粮贫乏带斑s i c 颗粒破 碎不明显。挤压坯循环压制艏s i c 颗粒破碎明照。 ( 3 ) 醭究大足寸嚷封共淀积7 0 7 5 s i c p 复会秘辩戆瓣骂匿到王艺及蛙黥。 对大尺寸7 0 7 5 s i c p 复合材料沉积坯进行四道次的循环压制，可以使大尺寸沉 积坯料的栩对密度达到9 6 以上。对大尺寸7 0 7 5 s i c p 复合材料挤压坯进行两道 次静循环聪镪，可隧佼挤压籁的稽对密发达至i9 8 鞋上，致密亿效栗良好。挤压 坯循环压制后，复合材料试样经过热处理后抗拙强度可以达到6 4 0 m p a ，延伸率为 1 6 。 关键词：喷射共沉积；颖粒增强铝基复台材料：循环压制；致密化 a b s t r a c t t h el a r g ed i m e n s i o ns p r a yd e p o s i t e db i l l e tw h i c hi sc o n s o l i d a t e db ye x t r u s i o n ， f o r g i n ga n do t h e rt e c h n o l o g i e sd o e sn o ta c q u i r ee x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa t p r e s e n t i no r d e rt oo b t a i nl a r g ed i m e n s i o nb i l l e tw i t hh i g hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h e l a r g ed i m e n s i o n7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t eb i l l e tw a sc o n s o l i d a t e db yc y c l i cp r e s s i n gi n t h i si n v e s t i g a t i o n t h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o u r 。d e n s i f i e a t i o ne f f e c ta n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa f t e rc y c l i cp r e s s i n ga r ea l s oi n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r ( 1 ) t h ed e f o r m a t i o na n dd e n s i f i c a t i o nb e h a v i o r so fs p r a yc o d e p o s i t e d7 0 7 5 s i c p c o m p o s i t eb i l l e tw e r ei n v e s t i g a t e d t h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o u ro ft h es p r a yc o - d e p o s i t e d7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t eb i l l e tw a s i n v e s t i g a t e db yg r i dm e t h o d 。t h et r a n s v e r s ed e f o r m a t i o no ft h eb i l l e tw a sd i v i d e di n t o f o u ra r e a s t h es u r f a c eo ft h eb i l l e th a st h el a r g e s td e f o r m i n gq u a n t i t ya tt h eb e g i n n i n g o ft h ec y c l i cp r e s s i n g w h e nt h ew h o l eb i l l e tc o m p r e s s i n gd e g r e er e a c h31 ，t h e h i g h n e s so ft h e5 6 3 f r o mt h es u r f a c eo ft h eb i l l e th a st h el a r g e s td e f o r m i n gq u a n t i t y t h ec y c l i cp r e s s i n gw i t ht r a n s v e r s ed e f o r m a t i o nc a ni m p r o v et h ed e n s i f i e a t i o ne f f e c t o ft h eb i l l e t 。7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t eh a sag o o dw o r k a b i l i t ya tt h et r a n s v e r s e d e f o r m a t i o no f1 0 a n d1 5 a f t e rc y c l i cp r e s s i n g 4 2 0 i st h es u i t a b l ef o rt h e d e n s i f i c a t i o no ft h e7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t eb e c a u s et h ec l o s e dp o r e sc a ng e tt oe x c e l l e n t m e t a l l u r g i c a lb i n d i n ga tt h i st e m p e r a t u r e ( 2 ) t h ed e f o r m a t i o no ft h ep o r e sa n dt h ed i s t r i b u t i o nb e h a v i o ro fs i cp a r t i c l e sa t t h ec y c l i cp r e s s i n go fs p r a yc o - d e p o s i t e d7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t ew e r ei n v e s t i g a t e d + t h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o u ro ft h ep o r e si sd i f f e r e n ta td i f f e r e n ts t r e s ss t a t ea n dd i f f e r e n t c y c l i cp r e s s i n gs t a g e t h et h r e e d i m e n s i o n a lc o m p r e s s i v es t r e s s e sa tt h em i d d l ep a r to ft h eb i l l e t i sb e n e f i c i a lt ot h ed e f o r m a t i o no ft h ep o r e s + t h ed i m e n s i o no fp o r e si nt h e7 0 7 5 s i c p c o m p o s i t ei sm i n i s h e da tt h eb e g i n n i n go ft h ec y c l i cp r e s s i n g w h i l ea tt h ep l a s t i c d e f o r m a t i o nd e n s i f i c a t i o ns t a g e ，t h ep o r e sa r ec o l l a p s e ，e l o n g a t i o na n dd i s a p p e a r a n c e a tt h ec y c l i cp r e s s i n go ft h ea s d e p o s i t e db i l l e ta n da s - e x t r u d e db i l l e t ，t h eh i g hs i c v o l u m ef r a c t i o nb a n da n dt h el o w s i cv o l u m ef r a c t i o nb a n da r eb o t hc o m p r e s s e d ( 3 ) t h ew o r k a b i l i t y a n dt h e p r o p e r t i e s o ft h el a r g ed i m e n s i o n s p r a yc o d e p o s i t e d 7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t ew e r ei n v e s t i g a t e d 强el a r g ed i m e n s i o na s d e p o s i t e d7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t ew a sc y c l i cp r e s s i n gf o u r p a s s e s a f t e rc y c l i cp r e s s i n g ，t h er e l a t i v ed e n s i t yo ft h el a r g ed i m e n s i o na s d e p o s i t e d b i l l e ti su pt o9 6 t h el a r g ed i m e n s i o na s - e x t r u d e d7 0 7 5 s i c pc o m p o s i t ew a sc y c l i c 1 1 1 p r e s s i n gt w op a s s e s a f t e rc y c l i cp r e s s i n g ，t h er e l a t i v ed e n s i t yo ft h el a r g ed i m e n s i o n a s d e p o s i t e db i l l e ti su pt o9 8 t h ed e n s i f i c a t i o ne f f e c ti sg o o d t h et e n s i l ep r o p e r t y o fa s - e x t r u s i o nb i l l e ta f t e rc y c l i cp r e s s i n ga n dh e a tt r e a t m e n ti s6 4 0 m p a ，a n dt h e e l o n g a t i o ni s1 6 k e yw o r d s ：s p r a yc o - d e p o s i t i o n ；p a r t i c l er e i n f o r c e da 1 - b a s e dc o m p o s i t e ；c y c l i c p r e s s i n g ；d e n s i f i c a t i o n i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本入郑重声胡；辑星交瓣论文是本大在嚣戆豹誉饕下独立遴抒骚究群壤 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 拖个大袋嶷体已经发表或撰写匏残暴俸晶。对本文豹磅究徼爨羹要贡藏兹个 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聪果 由本人承担。 作者签名：弓档 日期：年乡月矽目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保整并离国家有关部门或辍构送交论文豹笺箨 宰弱魄子敝，龛许论文设鲞 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入礴关 数据瘁邈嚣检索，爵戳采爆影印、缀露或季要攘等复割手段保存秘茳编本学经 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“d ”) 作者签名：李 导师签名：毒 醋精：z 崭年弼夕鹜 日期：锌堋9 日 夸 贰 1 1 引言 第1 章绪论 颞粒增强铝基复含材料县芍密度低，离比强度，比剐度，耐麟，耐疲劳，热 稳定性好，热膨胀系数小等优异的力学性能与物理性髓，是近年来铝基复含材料 研究的热点。这种低密度高性能的特点使得颗粒增强铝基复合材料可以作为钢材 巍钛台金酌筏替耱糕，或受簸空、靛天、交逶逶辕及其德王鲎部门广泛瘴建弱结 构材料1 1 , 2 1 。然而在航天航空、兵器、简速列车等领域都需要一些大型和特大型的 辍质化零都件，如空间站框体( 豢经 3 0 0 0 m m ) ，尚速列车剁动疯( 直径 0 1 0 0 0 m m ) ，这些箨部译静酱选材辩旒是颗较增强铝鏊复台毒砉料。困迎，研究与 开发出大尺寸颗粒增强铝基复合材料的制各与加工技术，对于提高颗粒增强铝基 复合耱瓣憨牲毙，宠善该类瓣辩在靛象靛天、兵器、嚣遴藏车等镶壤懿斑蠲毒羞 麓要的意义。 颗粒增强铝基复合材料能够迅遮褥到发展的主要原因是由予劁备技术的进 步，诧翔粉末冶金技术，喷射沉积技本。这两羊孛技术共同特点怒潮备过程中复合 材料凝固速度高，从而避免了铸造冶龛所带来的成分偏聚和晶粒粗大，从而极大 瓣提裹了笈舍糖鼗熬牲戆。囔象溪积技本是一耪走透戆秘辩毒l 各羧零。该技末将 愈属的雾化与成形两阶段有机地结合程一起，盛现大尺寸快速凝固材料的一次成 形，从而缀好的解决了粉末冶金工艺中存在的工艺复杂，氧化严漾等技术问题。 黼篮，喷瓣沉积按术的工艺邋程魄粉末冶金技术更篱攀，箕生产簸本更低，蔼萁 性能与粉米冶金材料的性能相当。然而喷射沉积坯的密度一般为理论密度的 8 5 9 0 友意，坯料审毒在截强，鬏靛之阚均泰达弱完全鹣冶金缝会，壹接镬爨蛙 熊较差，因此必须对沉积坯进行有效的致密他加工，尽蹩消除坯件中的界面和孑l 涧，来获得高性能的材料 3 1 。 秀了籀震喷射流积榜辩程工照生产中懿应建，翎备国毪麓德琵静大尺寸坯俸 有重要的懑义。然而目前由于压机吨位等原因的限制，喷射沉积大尺寸件致密化 磺究擐遒缓少，两凳模压、锻造、赘聪对大尺寸坯辩力学蛙熊改蛰著不理想。本 文根据喷射沉积材料致密化变形特点，采用循环压制工艺对喷射沉积坯料的进行 致密化加工。 1 2 颗粒增强铝基复合材料的制备技术 利签技拳缀大程度上块寇了颗粒壤强铝蒸笈合耪辩豹力学毽缝萋瑟裁造成零， 因此研究和发展先进的制各技术一直是颗粒增强铝基复合材料研究的主要内容。 目前颗粒增强铝基复合材料的制备技术可以分为三类：固相工艺，液相工艺和液 固两相工艺，本文将对以上三种工艺中的主要制备技术做一概述，并重点介绍喷 射共沉积技术。 1 2 1 固相工艺 粉末冶金是一种较成熟的颗粒增强铝基复合材料的固相制备技术。其常规工 艺流程如图1 1 所示1 4 1 。 图1 1 粉末冶金法制备颗粒增强金属基复合材料的工艺流程图 粉末冶金工艺的主要优点为：基体材料可选择范围广，可以用于制备任何 合金粉末和增强物，尤其是可以制备用搅拌铸造法不能制各的高熔点金属基复合 材料；复合材料中增强体的体积分数可以任意调节；采用的加工温度低，避 免了严重的界面反应，因而制备的复合材料具有优异的综合性能。但是该工艺生 产过程复杂，产品形状受到限制，难以制备大尺寸产品。 1 2 2 液相工艺 1 2 2 1 搅拌铸造工艺 熔体搅拌铸造法是一种简单的制备颗粒增强金属基复合材料的方法。其基本 原理是将固态颗粒逐步加入高速搅拌的完全熔化的基体金属熔体中，由涡流形成 的负压作用将颗粒引入熔体，并在搅拌力的作用下分散于熔体中，待增强体分散 均匀后再浇注成形【5 6 。这种方法工艺和设备简单，但是由于基体与陶瓷颗粒润湿 性较差，以及重力原因，会造成增强颗粒分布不均匀，此外在搅拌过程中容易引 入气体和夹杂，因而复合材料性能不够理想。 1 2 2 2 熔体浸渗工艺 熔体浸渗工艺主要有压力渗透和无压浸渗两种方法。前者是利用惰性气体或 机械装置作为压力媒体将金属熔体浸渗进多孔的陶瓷预制块中，可制备体积分数 高达5 0 的复合材料f 3 】，随后可采用稀释的方法降低体积分数。而无压浸渗工艺， 是在氮气气氛下不施加任何压力，合金熔体自发浸渍到颗粒层或预制件中，制备 复台耪耩戆方法。这静方法煞俊患楚稍各工艺及设备麓擎，裁遥成本鞠对较低。 但是制造有一定礼隙的颗粒预制件相当困难，制造过程中还存在颗聿立与基体的结 合问题，浸渗工艺参数也不易控制，压力过高可能破坏预制件，而且制造形状复 杂韵工件较为豳难，因此，该工范的应用受到一定的限制。 1 2 ，2 。3x d 工慧 x d 工艺蹙琢位合成法雏一释，该技术是美函马丁实验室开发的颗鹣增强金属 基复合材料的制备技术。放热扩敞法制备颗粒增强念属基复合材料的撼本原理是 将形成产物所需的各种粉末混合联坯，加热至发生自动燃烧合成的濑成，借助粉 末间发生的放热反应而形成所黍的产物【7 】。放热扩散法具有工艺简单，增强体分布 均匀，丽且增强体和基体超界露于净绩会努等优点。然嚣敦热扩教渡王艺割蓉麴 复合耱辩需要送行致密纯处理。该致密稼处理一般楚在反应产貔筵予豢，脆往转交 温度以上时，对反应产物施加服力进行的。 1 2 3 液固两棚工艺 1 2 ，3 1 半露态复合铸造工艺 半霾态复念铸造是羁蘑含毒一定强裾懿半固态络俸，在蹇速翻痰力侔黉下懿 流变行为使之粘度降低，颗粒逐步加入后，熔体中的圃相可以起到阻止颗粒上浮 和下沉的作用，使得增强颗粒分稚均匀。又由于濑腱相对较低和浆料粘稠，吸气 现象大大减少。这些改进使得制备的复合材料性能谢了明显的提高，因而逐渐引 起入们翦重视。但是该工艺容易带入杂质，易形成气髂巯松，搅拌器的污染也会 影响复合秘糕豹馁戆。 l 2 3 2 喷射熊沉积技术 喷射共沉积技术是英国s w a n s e a 大学的a s i n g e r 教授最早开始研究。其基本原 理如图1 ，2 所永，是在喷射沉积过程中，把具有一定渤量的颗粒增强相强制喷入雾 诧滚滚孛，捷熔融金属葙颓粒壤戳穗共蘑漉积到运劝基傣上，裁螽= l 瑗袋形颗粒增 强金属基复合毒孝瓣沉积坯嘲。 湖南大学陈振华教授等人在仔细分析了喷射沉积的粘结过程并谶行了一系列 的试验工作尉，提出了多层喷射沉积技术1 3 , 9 1 。其工作原理是：通过雾化器往复扫 描运动的引入，使在沉积管、板、锭坯时以多层方式层层堆积，从丽降低了沉积 坯表露单位瑟狻擎位髓闻嚣热量羧入，可塔将淀辍矮表嚣控裁在鞍羝豹瀑度区翅。 当雾纯液漓麓遮碰撞铺震在这一流积坯表面对，不仅霹潋获得莛好撼糨结，两虽 可以实现瞬时的快速凝固。随着掴描雾化器的移开，沉积坯表面又w 以在较长的 扫面周期内冷却降温到较低温区，等待下一层液滴在其表面的沉积。这样每一薄 层的雾化液滴都可获得快速凝胤，最终得到三维尺寸很大的快速凝固坯件。在多 层喷射沉积技术的基础上，只要增加相配套的增强颗粒输送与加入系统，即可用 以制备颗粒增强复合材料。在用多层喷射共沉积技术制备的s i c 颗粒增强6 0 6 1 、 6 0 1 3 、6 0 6 6 、7 0 7 5 和a l s i 合金复合材料，由于晶粒细小，增强颗粒分布均匀， 无有害界面反应，因而复合材料性能优异。 1 热电儡 2 控塞 3 金属熔体 4 感应线暖 5 坩蠕 6 啧膏 7 雾化嚣 g 雾化液蔫 9 f 囊粒喷畎警 1 0 ，复台村料沉积体 1 1 水冷沉积基鹿 1 2 旋转和移动浆置 1 3 雾化室 图1 2 喷射共沉积工艺原理图 由以上喷射共沉积技术的制各原理可见，喷射共沉积法制备颗粒增强金属基 复合材料与液相制备技术相比，在很大程度上避免了基体与增强体间的界面反应， 克服了增强颗粒分布不均匀的现象。与粉末冶金工艺相比，喷射共沉积技术简化 了生产工艺，可以大大降低生产成本，而且还可以制备大尺寸坯件，是一种先进 的近终成形颗粒增强金属基复合材料制备技术，其优越性主要表现在：喷射共 沉积制备的颗粒增强复台材料晶粒细小；复合材料中合金元素固溶度高，成分 偏析小，这主要与喷射共沉积过程中较高的冷却速度有关；增强颗粒分布均匀， 由于快速凝固，可大大降低增强颗粒与基体之间润湿性的要求，可缓解甚至是消 除陶瓷颗粒与基体金属复合困难的问题；工序少，效率高，生产成本低。因而 本文采用喷射共沉积技术制各7 0 7 5 s i c p 复合材料。 1 3 颗粒增强铝基复合材料的性能 喷射共沉积颗粒增强铝基复合材料是由金属基体、增强颗粒和孔隙组成的复 合体，材料的最终性能将取决于这三个因素的综合效果，以下将分别加以阐述。 1 3 1 孔隙对复合材料性能的影响 致密金属材料在外力作用下，基体内孔隙的形核、生长和聚合必然会引起材 料的破坏。而对于喷射沉积材料，已经存在有l o 1 5 的孔洞，在外力作用下，这 些孔洞只要发生粗化，材料即可发生断裂，严重的降低了材料的各项力学性能。 巴尔申在1 9 4 9 年就提出了粉末冶金材料的抗拉强度于孔隙度的关系。经过几 4 硕士学位论文 卡年翡发蓑，璇在已有懿二+ 耱关予粉末穗辩强度弱魏豫凄酶经验帮拳经验关系 式可以概括为 1 0 l ： 吼= k a o f ( e ) ( 1 1 ) 其中巩是粉末材料的强度，是致密材料的强度，k 是常数，取决于材质和 工艺，毋是孔隙发， ( 鳓是孔陈艇的涵数，其形式肖线性的，二次关系式帮指数 形式鹣。慧鹣浚德楚挠薤强凄夔魏熬疫静疆枣露瀵麓。 比较常用的r y s k e w i t s e h 经验公式为l l l ”l ： 盯* c r o e x p ( 一n p ) ( 1 2 ) 式中：n 的范围为4 到7 ；p 为孔隙率；oo 为究众致密的材料的强腹。按此式 估计，孔隙率豹为1 0 对，材料的强度就会下降到激孔隙时的一半。由此可见， 摄裹耱辩浆致窭发，霹羧在缀大簇浚上挺褰麓辩豹力学毪鼹。 1 3 2 增强颗粒对复合材料性能的影响 增强颗粒对弹性模量的影响，现在所有研究都遮成共识【l ”，即增强颗粒的加 入会显著提高复合材料的弹性模髓。弹性模量会髓增强颗粒的体积分数增加而提 离，箍虽复合瓣辩弱弹牲摸量只岛增强颞粒的体积分数有关，增强颞粒钓形状， 尺寸窝分蠢对笈合耪餐嚣弹经模爨没骞影穗。 强度是复念材料最主要的傲能指标。铝基复合树料的拉伸强度在缎大程度上 取决于增强体的形状、尺寸、含懿、分布等因素。研究表明加入更嘲的和缺陷更 少的( 更小的) 颗粒能提高材料对损伤的抗力，因此为了获得高性能的颗粒增强复 合材辩，选择蠛球形的颗粒增强体更有利于复合材料性能的提赢。省鞭究表明网 为3 5 镦岽懿鬏耱灌强薅，在钵薮分数穗嚣觳条终下，稳对于尖角彭糕簸，选翅透 球形颗粒时复合材料组织和残余廉力分布更均匀，尺寸稳定性也更离 1 4 3 s j 。 颗粒的尺寸对铝基复合材料的性能也具有重嚣的影响。大尺寸增强颗粒在承 载状态下容易断裂，而小尺寸增强颗粒在制备过瑕中容易发生聚集，因此在制备 复合材料时，陂报据制备工艺，选择合适尺寸的增黻颗粒。在粉末穗众王艺制各 2 0 2 4 s i c 发瑰，7 微米豹s i c 壤强黢羧穗对予3 5 徽岽黪s i c 颓粒在复合零孝懿孛分蠢更 加均匀，相对予1 0 釉2 0 微米的s i c 颗粒缺陷更少，因褥增强效果最理想l l “。x 。z h a n g 在一定的工艺条件下计算出的合邋的增强体的尺寸为1 1 7 】： 啦阿旁 ( 1 3 ) 式中d ，为增强颗粒的尺, - f ，d 。必初始基体尺寸，v f 为增强颗粒所占昭体积分 数，矗为复合材料的挤压比。可见增强颗粒尺寸的选取，必须综合考虑各种因素， 复合材料才能褥到最优的增强效果。 复合材料巾增强颗粒的含量也有最优体积分数，并非越多越好。颗粒的体积 含量一般不超过2 0 ，数量太少，则起不到强化作用：数量太多，则会导致复合材 料性能下降。d a v i e s 等人在研究s i c 颗粒增强a i z n m g c u 系复合材料时指出【l “， 复合材料中含有1 0 2 0 的s i c 增强颗粒时，复合材料在峰值时效和过时效状态都 有较好的拉伸强度和屈服强度。可是当复合材料中s i c 增强颗粒的含量超过以上 含量时，会由于颗粒间距过小，导致在颗粒周围基体中应力释放困难，使复合材 料因位错聚集，在应变较小时就在增强颗粒附近产生孔洞，从而降低了复合材料 的力学性能。在粉末冶金a l f e v s i s i c 复合材料中，s i c 颗粒的体积分数小于1 0 时，s i c 颗粒的增强作用会使复合材料的性能随s i c 含量增加而升高；s i c 颗粒的 体积分数大于1 0 时，材料内部孔隙的增加，导致复合材料力学性能下降。复合 材料在s i c 含量为l o 时表现出较好的室温和高温力学性能【l ”。s i c 增强颗粒在 复合材料中分布越均匀，越有利于提高复合材料的力学性能。在喷射共沉积复合 材料中，由于年轮环的存在，不仅复合材料的可锻性不如粉末冶金材料，而且使 复合材料的组织出现各向异性，不利于复合材料整体性能的提高l l 。 增强颗粒的加入，在一定程度上提高了复合材料的强度，然而这是以牺牲复 合材料的塑性为代价的。由于复合材料中增强颗粒的含量越多，阻碍基体塑性变 形的能力越强，因而随着增强颗粒含量的增加，复合材料的塑性会不断的降低， 如图1 3 所示 2 刚。 m l 聃件1 0 e 眦， 图1 3 s i c p a i 基复合材料延伸率随s i c 颗粒含量的变化规律 1 3 - 3 界面对复合材料性能的影响 颗粒增强复合材料主要是依靠界面把载荷从基体传递到增强体，由增强颗粒 分担载荷来强化的【”】，因而增强颗粒和与基体结合的强弱会直接影响复合材料的 力学性能。 铝基复合材料的破坏机制大致可以归结为三种 2 1 , 2 2 , 2 3 】：基体的延性破坏；增 强相断裂；界面脱粘。这三种破坏形式和基体强度、增强相和界面结合强度状态 关系的初步研究表明：当增强体与基体的界面结合较弱时，复合材料通常是由于 增强体与基体的界面脱粘而发生破坏；当复合材料界面结合良好而基体强度较低 时，复合材料的破坏形式是基体的延性破坏；当复合材料界面结合良好并且基体 强度较高时，复合材料的破坏形式是由于增强相的断裂而引起的。 6 一 矮士学毽稔文 因此，复合材料存在最健的晁面结合状态和最佳的界面结合强度。最佳的界 纛结台强壤有秘于褥薹体所承受靛载耱逶避雾鬣传递绘臻强俸，畿够提赢复合毒| 料的整体强度。 1 4 喷射沉积材料塑性加王工艺 喷射共沉积复合材料具脊一定的孔隙度，使其拉伸强度和断裂韧性大大降低。 闲两需要致密馥鸯蘑王，捷裔枣孝耱酶致密度，甚至使枣孝瓣豹密度达爨毽论密发，两 时使粉末颗粒表面间形成良好的冶金结合，从而提高复合材料的力学性能，使喷 射沉积亳孝料毙够在燮窟的载凌下使用。 1 4 1 挤愿 在揍鬃过程串，变形区内金属处予溪囱墨缭与一向延 枣戆瘦瓷状态，英应力 状态为三向压应力。郎径向暾力，周向应力与轴向应力。变形区的这种应力应变 状态，可以有效地防止裂纹的萌生与扩展，而且对喷射沉积坯料中孔洞的闭合及 滋赛嚣静澄除菲常礴羁。因戴，辩多魏坯耨蘸貉莲致密稼麓工迸行了大量静磺究。 挤压工艺参数对喷射沉积坯料的致密化有卷熏要的影响。在挤压致密化加工 过程中著 # 按压比越大，挤掇温度越态越好。蕊且对于不嗣豹合金系列，按筮工 麓参数也不完全相同。喷射熬沉积6 0 6 6 s i c p 鬣台材料和6 0 6 6 锅合金锭坯，在不 同的挤压比、挤压温度下的致密度与力学性能分别见图1 4 和表1 1 - 1 ，3 2 舢。从图 l ，4 孛霹鞋餐警，a 1 s i c p 复合褪辩豹羧密程度薅挤压毙瓣增丈嚣壤大，在挤压毙 为1 4 7 时致密程度达到9 6 ，但在挤压比超潋1 4 7 后复合材料的致密程度没有 明显变化；穗喷射沉积6 0 6 6 镪合金的致密程度与挤压魄的变化关系不明显。从表 1 1 可以器出，挤压溢度对喷射共沉积6 0 6 6 s i c p 复合幸尊料和6 0 6 6 铝合盒的致密 橼度并没肖明显的影响。从袭1 2 和1 3 可以看如，喷射共沉积6 0 6 6 s i c p 复合材 糕瓣力学 ! 妻麓在蘩聪跨超过1 4 ，7 嚣交纯幂大，嚣囔蘩滚积6 0 6 6 锯台金夔毪链不 鼹挤压比黛化的影响。挤压渝度过高，会在挤聪棒中形成表面的竹节状裂纹和很 多微裂纹等挤压缺陷。这说明挤压成溅中挤压潺度不宣过商，只要姥够挤压成型即 霹。丽对于喷射沉袄a 1 f e v - s i 系耐热铝合金，在不同的挤压工麓参数条件，台 众的致密膨见表1 4 。可见，当沉积坯艇体致密度较低时，即使材料在较高的挤压 魄1 7 ：1 ) 条传下进行耪垂，镪无法饺坯秘接近全致蜜。毽是霹予懿髂致豢瘦较高 的沉积坯件，当挤聪比达到7 ：l 以上时，就可以获得接近全致密的合金坯料1 2 ”。 w 见优化喷射成形工艺参数，提高沉积坯料的密度，就可以在随艏的热挤压过程 巾通过较低的挠匿眈获褥商致密度的矮俘l 两i 。 矗 、 _ 毪 脚 辚瘫比( 轿鹰蕊度4 2 0 c ) ( t ) 6 0 6 s i c p 麓台材辩 巷 、 毯 御 挤压比( 挤压瀛虞4 2 0 ) 任) e o e c e t 娃 图1 4 喷射共沉积材料的挤压比与密度、致密度的关系 表1 1 喷射沉积材料在不同挤压温度挤压后的密度与致密度( 挤压比2 8 4 ) 【2 4 表1 2 喷射沉积材料在不同挤压比下的力学性能f 挤压温度4 2 0 c ) 2 4 l 表1 3 喷射沉积材料在不同挤压温度下的力学性能( 挤压比为2 8 4 ) 【2 4 】 8 表1 4 热挤压工艺参数对a l - l k j v - s i 系耐热铝合金致密度的影响【2 5 】 在最优挤压工艺参数组合的条件下，可以使沉积坯料中的孔洞闭合，组织改 善，从而使坯料力学性能得到提高。张豪等人 2 7 , 2 8 1 对热挤压喷射沉积s i c 颗粒增 强6 0 6 6 、6 0 6 1 复合材料的微观组织与力学性能进行了研究。结果表明，挤压工艺 可以消除沉积坯料中的绝大部分孔洞，致密化效果明显。通过热挤压可以改善s i c 颗粒的分布，增强s i c 颗粒与基体的结合强度。而且s i c 颗粒与基体问的界面不 发生明显的界面反应。从而使得喷射共沉积一挤压6 0 6 1 a i 1 0 s i c p 复合材料的拉 伸强度高出基体5 0 。 然而，喷射共沉积s i c 颗粒增强铝基复合材料，在挤压变形后，会由于s i c 颗粒分布不均匀，在挤压棒材中出现明暗相间的环状组织，在挤压板材中形成明 暗相问的条纹 2 9 j 。这种s i c 颗粒分布的不均匀性会使复合材料的性能表现出各向 异性，不利于复合材料整体性能的提高。在大尺寸喷射沉积耐热铝合金管坯的致 密化研究中发现【3 们，在挤压过程中熔滴界面和沉积层晃面在金属的切变流动过程 中被焊合，界面结合完好。然而会在挤压管坯中出现条带状组织，这些条带状组 织，需要经过大变形量的旋压加工，才变得更加细密。可见，沉积坯料先经过热 挤压加工，然后再经过旋压等工艺进行二次加工，对于改善坯料组织有很大的优 势。 1 4 2 锻造 锻造工艺是一种极具潜力、低成本的致密化加工工艺。通过锻造加工可以细 化晶粒，使喷射沉积材料中的孔洞含量处于极低水平( 0 0 4 v 0 1 ) ，从而使喷射 沉积坯料的性能得到改善 3 1 , 3 2 】。锻造工艺主要分为自由锻和模锻两大类，在不同 的锻造工艺条件下，多孔材料的致密化和变形规律有不同的特征。 在自由锻造过程中，由于压头和坯料表面之间存在摩擦力的作用，会造成坯 料的应力分布不均匀，变形和致密化也不均匀。圆柱体单向压缩时，在摩擦力的 影响下，坯料外部呈现鼓形。按照变形和致密程度不同，坯料可以分为三个区域： 难变形区，大变形区和小变形区。在对喷射共沉积7 0 7 5 s i c 复合材料的单向压缩试 一9 一 验研究表明【3 3 ，在试样表面用b n 润滑，由于减小了摩擦力和在鼓形区域形成的附 加拉应力，从而推迟了裂纹的形成，使复合材料的真应变从0 8 提高到1 2 。而且通 过润滑，使得复合材料的应变路径更加接近均匀变形，相对于无润滑条件，使复 合材料中的s i c 增强颗粒分布更加均匀。复合材料中的s i c 增强颗粒分布对自由锻 造工艺也有重要的影响，尤其是喷射共沉积坯料的锻造加工。因为在喷射沉积坯 料中，出现了s i c 增强颗粒含量高低不同的环带【l 。这种环带组织使喷射沉积坯料 横向和纵向组织不同，因而复合材料的锻造性能也不同。对喷射共沉积2 0 1 4 s i c 和2 6 1 8 s i c 复合材料锻造性能研究表明，由于横向试样锻造过程中，环带垂直于附 加拉应力，使得喷射共沉积2 6 1 8 1 5 s i c 复合材料横向试样的临界压下量仅是纵向 试样i 临界压下量的一半，横向可锻性极差。然而热等静压2 0 1 4 2 0 s i c 复合材料， 由于s i c 增强颗粒分布均匀，临界压下量是喷射共沉积2 0 1 4 1 5 s i c 复合材料的两 倍多，可锻性较好。锻前预加工方式对自由锻也有一定的影响。对喷射共沉积 2 0 1 4 s i c 和2 6 1 8 s i c 复合材料先进行单向压缩，准等静压，三向锻造和挤压加工， 然后再进行自由锻造，发现前三种方法都可以改善坯料的可锻性。挤压后坯料再 锻造时，由于年轮环取向垂直于附加拉应力，所以临界压下量只是沉积坯料的 8 2 p 。除了润滑条件，预加工方式，s i c 增强颗粒的分布外，温度，应变速率对 复合材料锻造也有很大的影响。一般而言，随着应变速率的增加和加工温度的降 低，复合材料进行锻造加工所需的流动应力会增大，而且同时复合材料中s i c 增强 颗粒的破碎和微观孔洞出现的几率也会增大。在低应变速率和高温条件下，复合 材料的锻造压下量会增大。但是考虑到坯料的组织和力学性能，并非锻造温度越 高越好。 锻造加工过程中，复合材料的应力状态不同，加工后复合材料的微观组织也 不相同。在开式模锻过程中，坯料在受压应变的同时，还要承受拉应变。这些拉 应变的方向垂直于锻造力的方向，很容易造成增强颗粒的破碎和在基体中形成微 观裂纹。这些微观缺陷的出现不利于复合材料性能的提高。因为破碎的s i c 增强颗 粒和微观裂纹在拉伸过程中，并不承受任何载荷，从而增加了材料的局部应变， 所以对复合材料的拉伸性能极为有害。在对2 0 1 4 1 5 v o i a 1 2 0 3 ( a 1 2 0 3 颗粒的尺寸 在1 0 - 1 5 1 a m 之问) 复合材料在5 0 0 进行锻造时a 1 2 0 3 发生破碎。然而在对 2 1 2 4 2 6 v 0 1 s i c ( s i c 颗粒的平均尺寸为3 1 t m ) 复合材料进行丌式模锻时发现，锻 造后复合材料中破碎的s i c 颗粒并没有比原来坯料中增加【3 5 】。可见，s i c 增强颗粒 越小，在加工后破碎的可能就越小。然而在对2 0 8 0 2 0 v 0 l s i c ( s i c 颗粒的平均尺 寸为2 9 岫) 复合材料闭式模锻后 3 6 1 ，发现s i c 增强颗粒分布出现各向异性，但是 没有出现s i c 增强颗粒破碎的现象。相对于2 0 1 4 1 5 v o i a 1 2 0 3 复合材料，s i c 尺寸 较大，但是没有发生破碎，这主要是由于在闭式模锻过程中，坯料主要受三向压 应力，和开式模锻过程中应力状态不同而造成的。 一1 0 顿士学位论文 除了锻造方式磐，镬熏惫套锻造瓣撼离嵝瓣沉欷材瓣的爵锻毪与力学性笺有 重要意义。黎文献等人对喷射沉积a 1 f e v s i 包套锻造研究表明p l ”l ，采用包套锻造， 可以起到封闭外端的作用，约柬锻坯侧表面自由变形，使锻件处于三向受压状态， 这不仅可以克服裂纹的产生，述w 以有效地提高台袅的强度与塑性。同时，采取 包套锻造有效撼破碎颗粒与颗粒之闽的氧纯膜，使会鑫实理充分豹冶众结合。姥 终，惫套锻造磁铁不受露交彩嚣熬尼短霞子佟藤产黧鼗形豹影蘸，露纛i j 錾手乡 套 的隔热作用，能使锻件各部位的漱度分布较均匀丽毙服温度分布不均所带来的变 形与应力分布不均的不利影响。从实验结果可以澍出：通过包套锻谶，可以使 a 1 f e v s i 合金的塑性得到了大大的提高，强度也有j 衍提高。 华抟等入对复难和镦趣过程遂行力学分折 3 9 1 硪究表明：复压和镦糖都麓以使 多琵竣或形趣耱教密位，可是疆蔫潮晶鞠对密度熬撬囊，复区辘淘瘦力搭l ( 式1 4 ) 耱镦粗轴商窿灸g 2 ( 式1 5 ) 之比r ( 式1 6 ) 迅速增大。一般当复压制黼的楣对密 度在0 9 以上，艇压力为镦粗力的l + 5 倍以上。为了防止复压变形力过太而导致模具 的损坏，工艺设计中不应追求避离的复压制品密度，尤其是不能要求通过复压变 形使粉末烧结材料预铡坯产生全致密。 氆 o 2 = _ v3 0 2 | | 互- 一p 2 ) yv 3 0 p 2 ) = 一j 孕y = k 筹鼙( 2 + 妒2 1 一p 2 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 1 6 ) 式中p 为相对密度，y 为等效斌服强度。 1 4 3 轧制 在轧制过襁中，多孔材料在商向压应变，横向和纵向拉应变的作用下，可以 经魏淘发生剪甥蔽碎，有裁予多魏耢鹋浆致密纯。懑；建氧铡可戳使喷掰沉积坯辩 中黪层阉躐翻霰减，l 、，有效酶破碎颗粒表露鳃羲讫貘，镬颗粒之闰获褥懿磐的冶 金结合，得到缀织均匀的材料 4 0 ，4 1 l 。 在喷射沉积多孔材料轧制过程中，由于轧辊和燧料接触面之间存在着摩擦力 的作用，使坯料的变形不均匀，因而坯料的致密化程度也不均匀【42 1 。由于摩擦力 对金属横肉滚动豹阻碍终廷，筑转与轧辊接触瑟上念震豹流动辑受的溅褥终蠲明 显夫予孛蔟龛耩，掰馥表露艨众媾藩宽震会，l 、予中心层。在惹潺区，筑件表匿 接触摩擦力的水平分量与轧件运动方向相同，而且寝层金属受的摩擦力作用要比 中部金属大，所以水平运动速殿幽表及里逐渐减小，因而在后滑区表顽延伸大于 中问延伸。在前滑区，作用在轧件袭面上的接触摩擦力的方向与轧件逡动方向相 反从而使得袭层金属受的摩擦力阻碍作用要比中部金属大，所以水平运动速度由 表及里逐渐增大，因而在前滑隰表面延伸小于中间延伸。在高向由于颗粒之间的 内摩擦使轧制压力从压坯表磷向中心递减，因而使压坯内部粉末颗粒发生的位移 和变形程度不翔终层粉末颗粒暖显，导致坯料肉终层在压裁密度上静篾冥。滠度 遣是造成鞣镧过程中交形不稳匀的一令嚣素。凌予茕辊露窝送瓣鸯怒冷魏，瓣黧 热的坯料寝面有淬冷作用。由于坯料表面温度急例降低，变形抗力j 二升而塑性降 低。而坯料商向中间温度较高，塑性保持不变。送种温度变化导致坯料性能的差 异，必然会弓i 起轧制变形的不均匀。此外，由于多孔材料加工硬化指数小，随着 变形程度的蠛加，变形仍然鬟中程表层金属，墩会弓 起变形的不均匀。喷射沉积 坯瓣奉身裙程气魏帮巯羧，缀缓不致密，望洼缀慧，在茕麓过程中，变形不均匀， 容易使坯料产生开裂。 为了掇高沉积坯料的致密度，改善其塑性，提高材料的轧制成形能力，可以 先将沉积坯挤压，再进行轧制。致密度为8 8 9 的多层喷射沉积耐热锅合金管坯， 经过挤压聪致密度必9 7 6 ，然屡孬进行轧制热王，致密度进一步撼蠢至9 9 3 。 瑟曼逶_ j 妻筑簇，霹戳使夔冀重滋彀熬层棱结构鬻趱穗蹲予菸垂坯辩遴一步减枣，蔼 虽材辩组织结构均匀，性戆比挤压和原始坯料鄱巍较大的提高【4 0 】。 交叉轧制也可以改善多艨喷射沉积坯料板坯的热轧性能，减少、防止板坯表 面横向裂纹的形成和扩展。因为在轧制过程中，颗粒间的氧化膜程轧制压应力及 颗粒流动时相互阀的摩擦剪切废力的俸用下，发生破碎并重新分布在颗粒边界。 交叉羲裁