连续增强铸造铝基复合材料的结构特征和热物理性能(1).pdf

Brian Gordon1 Natalia Sobczak2 Ma覥gorzata Warmuzek2 Andrzej Gazda2 覵ukasz Boro 2 Robert M Purgert3 Jerzy Sobczak2 1 Touchstone Research Laboratory Ltd WV 26059 USA 2 Foundry Research Institute Krak w 30 418 Poland 3 Energy Industries of Ohio OH 44131 USA 摘要 介绍了连续增强铸造铝基复合材料的性能及其制造过程 该工艺能获得一种在某些应用场合中性能优于可热 处理的铝合金或聚合复合材料的结构材料 检验得到的热物理性能和结构特征 包括材料的各向异性以及以前Al2O3增 强纤维及金属预浸料坯力学性能的测定结果都证明了该材料的高质量及其在特定的载荷模式和环境条件下工作的可能 性 显微观察 光学显微镜 扫描电子显微镜 显示了微观组织的形态均匀性范围 纤维带分布的各向异性 以及金 属 纤维界面的粘着特性 用计算机层析X射线照相法来显示所选取的微观组织组元的三维形态 结果表明 预浸料坯 的特殊性能一方面受到其内在的微观组织几何形态 即Al2O3增强纤维体积分数和空间分布的强烈影响 另一方面还受 到金属预浸料坯的各组元之间达到非常好的相容性的强烈影响 关键词 Al基复合材料 金属浸渍 Al2O3纤维 微观组织 热物理特性 中图分类号 TB331 TG146 2 1文献标识码 A文章编号 1001 4977 2010 12 1237 07 Brian Gordon1 Natalia Sobczak2 Ma覥gorzata Warmuzek2 Andrzej Gazda2 覵ukasz Boro 2 Robert M Purgert3 Jerzy Sobczak2 1 Touchstone Research Laboratory Ltd WV 26059 USA 2 Foundry Research Institute Krak w 30 418 Poland 3 Energy Industries of Ohio OH 44131 USA 连续增强铸造铝基复合材料的结构特征 和热物理性能 Structural Characterization and Thermophysical Properties of Continuously Reinforced Cast Al Based Matrix Composite 收稿日期 2010 09 29 通讯作者 Jerzy Sobczak 男 博士 主要从事金属基复合材料的理论研究与生产 以及工程材料的合成 E mail sobczak iod krakow pl Abstract In this work the process of manufacturing a continuously reinforced cast Al matrix composite and its properties are presented The described technology permits obtaining a structural material of competitive properties compared to either heat treatable aluminum alloys or polymer composites for several types of applications The examined thermophysical properties and structural characterization including material anisotropy coupled with the results of previous measurements of the mechanical properties of both Al2O3reinforcing filaments and metallic prepregs have proven the high quality of this material and the possibility of its operation under special loading modes and environmental conditions Microscopic examinations LM SEM were carried out to reveal the range of morphological homogeneity of the microstructure the anisotropy of the filament band distribution and simultaneously the adhesive behavior of themetal fiber interface The3D morphology of the chosen microstructure components was revealed by computer tomography The obtained results indicate that special properties of the examined prepreg materials have been strongly influenced on the one hand by the geometry of its internal microstructure i e spatial distribution and volume fraction of the Al2O3reinforcing filaments and on the other by a very good compatibility obtained between the individual metal prepreg components Key words Al based matrix composite MetPreg alumina fibers microstructure thermophysical properties 第 69 届世界铸造会议论文 金属基复合材料 MMC 是一种以金属或合金为 基体与纤维 晶须 颗粒等增强体组成的复合物 与 纯金属相比 MMC的比强度和比刚度较高 抗疲劳和 磨损性能良好 高温力学性能较好 热膨胀系数可调 与聚合物基复合材料 PMC 相比 MMC的耐火性和 高温性能较好 横向刚度和强度较高 不吸湿或发气 导电 导热性能及抗辐射性能较好 1 3 在铝基复合材料中 Al2O3连续纤维被有效用作高 Dec 2010 Vol 59No 12 铸造 FOUNDRY 1237 表1聚合物基和金属基复合材料及其组元的性能 Table 1 Properties of polymer and metal matrix composites and their components 铝预浸料坯 3 3 400 115 7 冷却时凝固 1 500 2 070 4 4 215 50 n m 0 7 性能 吸湿性 储存环境 密度 g cm 3 最高使用温度 热导率 20 W m 1 K 1 热膨胀系数 m m 1 K 1 基体性能优化 抗拉强度 MPa 抗压强度 MPa 最大剪应力 弹性模量 GPa 导电性 电阻 伸长率 Al 2 7 237 25 40 50 62 0 265 5 n m 50 70 Al2O3 3 9 8 3 100 380 绝缘 聚合物预浸料坯 敏感 膨胀 冷藏 Tg 较低 较低 要求固化工序 平行于纤维方向最大 平行于纤维方向最大 较低 较低 通常绝缘 较高 金属预浸料坯 不吸湿 室温 0 6T熔 较高 较高 冷却时凝固 平行于纤维方向最大 平行于纤维方向最大 较高 较高 导电 较低 注 用50 vol Al2O3纤维增强的纯铝的基体 强度 高模数增强组元 目前 市售的试金石公司生 产的这类产品是由预浸渍带材形式的单向Al2O3纤维 增强的铝组成 这种材料类似于预浸料坯 在复合 材料工业中可买到 试金石公司产品的基体是铝 它被视为一种金属预浸料坯 并已获得了商标名称 MetPreg 研究发现 MetPreg带材的显著特点是只 需添加极少量即可显著改善金属的性能 表1 1 2 4 为试 金石公司的金属预浸料坯的一些相关性能 同时给 出了其组元及一个标准的聚合物预浸料坯的性能以 供比较 图1为金属预浸料坯制造过程的示意图 2 纤维被 传送到铝熔池 在那里完成对被牵引的纤维束的润湿 和浸渗 浸渗过的纤维束通过一个成形模并随后冷却 成所要求的金属预浸料坯 除纯铝外 各种铝合金 包括可热处理的铝合金 如2xxx 6xxx和7xxx系列铝合金 也可用于生产金属 预浸料坯 总的来说 可热处理的铝合金可显著强化 基体 使剪切强度明显提高 但也会降低抗拉强度 基体剪切性能的提高还可导致较高的抗压强度 正确 地选择基体材料可以使最终产品的力学性能达到最佳 该材料的潜在用途包括 2 压力容器或储油罐 运输工 具用的轻质结构 金属结构的选择性增强以及用于储 存能量的飞轮 1试验内容 1 1试验材料 用金属预浸料坯MetPreg制取试样 在其不同方向 上切取试验用试样 图2 该材料由50 vol 的直径为 10 12 m的Al2O3纤维增强的纯铝基体组成 1 2试验方法和过程 进行金相试验以显示微观组织的形态均匀性范围 FOUNDRY Dec 2010 Vol 59No 121238 纤维带分布的各向异性 以及金属 纤维界面的粘着特 性 用AxioZm1型光学金相显微镜对试样微观组织观 察 并用Stereoscan 420型扫描电子显微镜观察涂覆无 定形碳膜的试样 在具有300 kV显微焦点X射线管和180 kV纳米焦点 X射线管的nanotom设备上 采用计算机层析成像技术 来显示微观组织组元的3D形态 为SEM观察和表征断 裂机制 在实验室中进行了人为断裂 在非标准试验 条件下 用下列设备检测热物理性能 热导率 热膨胀率 比热容和20 550 的密度 Netzsch 404C型DSC Netzsch 402C型热膨胀仪 在DSC研究中 试样在氩气中加热至800 后即冷 却至室温 经二次加热 冷却循环 再次用SEM分析来 表示它们的特征 2试验结果 2 1结构特征 在垂直于试样轴线的显微切片 图2a 图3 上 可明显看到结合在金属基体中的纤维带 这些纤维带的 分布及宽度不一 可能是与相对于试样轴线的显微切片 所在平面的随机排列有关 在平行于试样轴线的显微切 片上观察到纤维带的微观组织 图2b 图4 在观测的 显微切片上 纤维带间的最大距离约为800 2 000 m 纤维带中纤维的分布不均匀 标识了2种不规则性形态 在金属基体的微观区域中未填满纤维 在图3a 4a中标 记为FV 纤维的不规则集聚 在图3a 4a中标记为FA 图3和图4为金属基体 纤维界面的形态 无论是界 面处材料的相容性 还是良好的界面润湿性 都证明 了界面的保护作用 图5a为加热至800 即冷却到室温获得的两条有 代表性的DSC曲线 即典型的DSC加热 冷却曲线 实 线 和一条反映罕见情况的特殊曲线 虚线 此时的 界面粘着完全遭到破坏 经循环 加热 冷却 处理 微观组织的两个分离的组元分别对应于凝固的铝 图 5b 和氧化铝 图5c 并且 SEM图像并未显示对纤 维有任何明显的损坏 其表面看起来也没有任何结构 缺陷和明显的改变 图5d 5e 这些观测认为 界面的形成展现了一种可以逆转 的过程 这也许易于再循环利用含有这些种复合物的 产品 只是偶然地且仅在所检测的MetPreg试样表面发 现可见的浅空腔 图6 这些空腔很可能是在凝固期 间由液态铝中的收缩引起的 在一些没有充满金属的 空腔中 图7a 可见到平行的纤维带 图7b 在纤 维之间的空间中 MetPreg试样检测区域的内外表面 图6 7 上 都能发现充填不足的微观区域 铸造 Brian Gordon等 连续增强铸造铝基复合材料的结构特征和热物理性能1239 垂直于试样轴线的横截面上观察到结构的不连续 性 图8 它们存在于未被铝液充满的微孔和被互相 接触的纤维封闭的微观空间 图8a 8c 及氧化铝纤 维内的微裂纹 图8b 8c 中 通常微裂纹垂直于纤 维的长轴 图8b 然而 也能观察到一些倾斜的裂纹 图8c 高放大倍数下 图9 的观察表明 大多数裂 FOUNDRY Dec 2010 Vol 59No 121240 纹是在试样切割过程中形成的 图8c 9b 只有极少 数是在材料处理过程中由于凝固期间随金属收缩而产 生的应力所形成的 图9a 为证明这一假设 用计算 机层析成像技术和3D显示的无损方法补充了结构表 征 这些观测发现 结构不连续性仅存在于距表面不 超过0 3 mm的深度内 图10 2 2热物理性能 图11 图13说明了被检测MetPreg材料的热物理性 能 结果表明 在50 550 内 材料密度对温度呈线 形关系 图11a 在250 400 内 检测材料比热容 的测量结果几乎与显微组织的单独组元即铝和氧化铝 的观测结果一致 图11b 较低温度下 复合材料的比 热容值更接近于陶瓷的比热容 但较高温度 400 下 复合材料的比热容更接近于基体Al的比热容 与MetPreg的热膨胀系数 dL dT 1 L 图12b 及 其平均值 m相比 图12a所示MetPreg的线膨胀率 L L 取决于温度 m L T 1 L T T T0 T为试验温度 铸造 Brian Gordon等 连续增强铸造铝基复合材料的结构特征和热物理性能1241 T0为室温 图12c 在300 600 内 可忽略热膨胀系数 随温度的变化 其值几乎恒定为2 35 10 5K 1 图12b 如果是平均热膨胀系数 m 则这种影响是潜在的 图12c中可观察到该曲线斜率的一些变化 被检测MetPreg材料的热扩散率随着温度的增加不 断降低 二者呈近抛物线的关系 图13a 图13b为 MetPreg及氧化铝陶瓷 Al2O3 和纯铝基体 Al 热导 率与温度的关系曲线 铝中加入50 vol Al2O3导致 Al Al2O3复合材料的热导率接近于陶瓷的热导率 然 而 低于100 则可观察到基体对热导率的影响 250 时 比热容 图11b 热膨胀系数 图12b 12c 及热导率 图13b 与温度的关系曲线的斜率有一 定变化 发生在Al Al2O3界面上的某些局部过程 可能是 引起所观测到的与温度关系的曲线斜率降低的原因 2 3局部裂纹的机制 在有裂纹 人为裂纹 的MetPreg材料的表面上进 行观察 发现两种以其特殊形貌特征表征的裂纹 金 属基体中形成的 平行于纤维带的剪切裂纹 图14中 的微区A 金属基体和纤维中形成的 垂直于纤维带 的撕裂纹 图14中的微区B 在材料的剪切区中 纤 维间的基体中可见到塑性变