金属材料工程专业毕业论文.doc

毕 业 论 文 题 目：颗粒增强铝硅合金复合材料的搅拌铸造研究学 院：材料与建筑工程学院专 业：金属材料工程目 录目 录I摘 要IIAbstractII引 言1第一章 绪 论11.1复合材料概述11.1.1复合材料的发展概况及趋势11.1.2复合材料的分类及性能特点11.2金属基复合材料概述21.3铝基复合材料21.3.1铝基复合材料概述及分类21.3.2铝基复合材料的应用及发展31.4 SiC颗粒增强铝基复合材料研究动态与见解41.4.1 SiC颗粒增强铝基复合材料强化机理41.4.2 SiC颗粒增强铝基复合材料制备工艺41.4.3 SiC颗粒增强铝基复合材料的性能特点及应用61.5选题背景与研究内容8第二章 复合材料的制备工艺102.1 实验材料的选择102.1.1基体材料102.1.2增强体材料102.2复合材料的制备102.2.1制备方法102.3实验原料及仪器112.3.1实验原料112.3.2实验设备112.4实验部分112.4.1实验装置的设计改造112.4.2复合材料的制备处理过程13第三章 结果探究与分析173.1 复合材料的微观组织分析173.2复合材料硬度性能分析183.3实验结果19第四章 结 论20参考文献21致 谢22摘 要采用6063铝合金为原料，利用液态搅拌铸造法制备出不同体积分数的SiC颗粒增强铝硅合金复合材料(SiCp/Al)，研究了SiC颗粒添加量、Si含量以及T5热处理工艺对复合材料显微结构和维氏硬度的影响。结果表明：SiC颗粒在基体材料中分布均匀，界面清晰；通过5254 h均匀化处理后组织细小均匀；80淬火后过饱和固溶体Mg2Si析出，并经1753.5 h时效处理后SiCp/A1复合材料的硬度随SiC颗粒含量的增加而呈线性增加，在SiC颗粒添加量为30%时，硬度达到最大值138.27HV，与对应的基体材料相比，硬度显著提高。关键词：6063铝合金；SiC颗粒；搅拌铸造；铝基复合材料；硬度AbstractSiC/6063 aluminum matrix composite plates of different volume fraction SiC were prepared by Liquid stir casting，effect of SiC and Si particles content on the Vickers hardness，microstructure after T5 heat treatment process. The results showed that SiC particles distributed uniformly in the matrix material，clear interface，fine and uniform tissue homogenization treatment by 525 C 4 h ; 80 after quenching，a supersaturated solid solution of Mg2Si precipitates，and 175 for 3.5h aging treatment SiCp/A1 hardness of the composites with the increase in the content of SiC particles showed a linear increase.When in the SiC particle addition amount of 30%，the hardness reaches the maximum 138.27HV，compared with the corresponding matrix material，the hardness is significantly increased . Keywords： 6063 aluminum alloy；SiC particles；Stirring Cast；Aluminum matrix composites； Hardness24引 言随着近代科学技术的发展，特别是宇航、火箭、原子能以及机械和化工等工业的发展，对工程材料性能的要求越来越高，如高比强度、高比刚度、耐高温、抗腐蚀、抗疲劳等。与传统材料相比，颗粒增强金属基复合材料不仅兼有金属的高韧性、高塑性优点和增强颗粒的高硬度、高模量的优点，而且材料各向同性，可采用传统的金属加工工艺进行加工，因此备受各国关注。第一章 绪 论1.1复合材料概述1.1.1复合材料的发展概况及趋势复合材料(Composite materials)，是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的性能要求。复合材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草或麦秸增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代，因航空工业的需要，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢），从此出现了复合材料这一名称。50年代以后，陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁等金属基体复合，构成各具特色的复合材料。由于复合材料具有可设计性，各发达国家逐渐开始重视其研发与应用，因而发展很快，开发出了许多性能优良的先进复合材料。与此同时各国开展的各种基础性能研究也得到很大发展，使复合材料与金属、陶瓷、高聚物等并列为重要材料1。进入21世纪后，复合材料迅猛发展，得到了更为广泛的应用。1.1.2复合材料的分类及性能特点复合材料种类繁多，人们为了规范使用和研究而特意制订了不同的分类方法。按照用途划分：功能复合材料，结构复合材料； 材料类型划分：金属基复合材料，非金属基复合材料，聚合物基复合材料； 按照纤维类型分：碳纤维复合材料，玻璃纤维复合材料，有机纤维复合材料；硼纤维复合材料，混杂纤维复合材料；按照增强物外形划分：连续纤维复合材料，纤维织物或片状材料增强复合材料，短纤维增强复合材料，粒状填料复合材料；按照制造方法划分：层合复合材料，混合复合材料，浸渍复合材料。与单一组分的材料相比，复合材料有着不可比拟的优势，其突出的特点为比强度和比模量高，抗疲劳性能好，减震能力强，相对基体材料而言高温性能提升，减摩耐磨性能增强，制造工艺相对简单，适合整体成型。但是复合材料横向拉伸强度和层间剪切强度低，断裂伸长率低，冲击韧性有时不好，在制造时产品性能不稳定，分散性大，质检困难，机械连接困难，并且总体成本太高。1.2金属基复合材料概述金属基复合材料（简称MMC）是以金属及其合金为基体，以一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料2。其性能既优于金属材料，也优于树脂基复合材料。它既有金属的性能，也有树脂基无法达到的使用温度高、剪切强度高、阻燃、不老化、不吸潮、不放气、耐磨损、导电、导热等金属属性，在一些工业领域中有广泛的应用前景。目前，金属基复合材料是我国应用较为广泛、发展迅速的复合材料。它采用金属或合金为基体，以纤维、晶须、颗粒等为增强体，通过合理的设计和良好的复合工艺，使基体和增强体之间取长补短，发挥了各自的性能及工艺优势3。与传统的金属材料相比，金属基复合材料往往具有更高比强度、比模量，更好的耐热性以及更低的热膨胀系数，尺寸稳定性也较好4。金属基复合材料除力学性能优异外，还具有某些特殊性能和良好的综合性能。这些优良的性能决定了它成为新材料中重要的一员，已经在某些领域得到了应用并应用领域正在不断扩大，取得了令人瞩目的发展，成为各国高新技术研究开发的重要领域。在过去的二十几年中，金属基复合材料逐渐地从军事国防向民用领域渗透，如今已在陆上运输(汽车和火车)、热管理、民航、工业和体育休闲产业等诸多领域实现商业化的应用5。相比于长纤维连续增强金属基复合材料,颗粒、晶须等非连续增强金属基复合材料虽然在性能方面自叹弗如，但是却提供了更好的性价比和可加工性能,而这恰恰是实现商业化的前提条件。受商业利益驱动,许多企业参与到非连续增强金属基复合材料的研发进程中,攻克了一系列具有挑战性的技术难题，其中包括基体与增强体之间的相容性问题、界面表征与控制问题、可调控增强体空间分布的复合技术与二次加工技术等。这一切帮助确立了金属基复合材料作为新材料和新技术的地位6。1.3铝基复合材料1.3.1铝基复合材料概述及分类复合材料是应现代科学发展需求而涌现出具有强大生命力的材料，在金属基复合材料中表现尤为明显。金属基复合材料有铝基、镍基、镁基、抬基、铁基复合材料等多种。作为金属基复合材料的一种，铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、可热处理性好、制备工艺灵活等优点，因而成为金属基复合材料研究和发展的主流。根据材料使用性能要求，来选择基体金属、增强相和制备方法。纯铝和铝合金均可用作基体，铝合金基体主要选用AI-Cu-Mg系、A1-Mg-Si系和mZnMg系，增强相主要为SiC、Al2O3；常用制备方法有粉末冶金法、液态金属浸渗法、搅拌铸造法与原位复合法等7。按增强体不同，铝基复合材料分为纤维增强和颗粒增强铝基复合材料。1.3.2铝基复合材料的应用及发展纤维增强铝基复合材料主要有B/Al、Si/Al复合材料以及C/Al复合材料等。B/Al、Si/Al复合材料具有表面缺陷敏感性小、线膨胀系数小、导电和导热性能好、使用中不老化等优异综合性能，可进行电阻焊、扩散和机械连接，在航空、航天和军事工业上起着重要的作用。C/Al复合材料具有高的比强度和比模量，密度小，耐酸性好，线膨胀系数极少，甚至为负值，并且具有很好的耐高温蠕变性能，一般碳纤维在1900以上才呈现出永久塑性，目前该材料在太空站大型结构及太阳能电池支架、空间望远镜和照明机的镜筒、人造卫星抛物天线、发动机活塞等方面得到了成功的运用。日本也运用碳纤维增强的铝基复合材料制成的新干线电动车制动盘，质量仅为29Kg，这种制动盘的应用对高速列车轻量化作出重要的贡献8。此外，碳化硅纤维抗拉强度高（达1.1GPa），弹性模量高，高温强度和耐热性良好，纤维直径细小，在实际应用中可制造耐热材料和作为各类基体材料的增强纤维。总之，纤维增强铝基复合材料运用在一些重要的领域，但是由于其制造成本高，在应用中也受到了限制。故今后在提高材料性能、加快其产业化进展，实用化的纤维增强铝基复合材料制备、应用方面还需要进一步探究。颗粒增强铝基复合材料的增强体主要有SiC、TiC、A12O3和石墨颗粒，解决了纤维增强铝基复合材料增强纤维制备成本昂贵的问题。而且这类复合材料各向同性，克服了制备过程中出现诸如纤维损伤、微观组织不均匀、纤维与纤维相互接触、反应带过大等影响材料性能的许多缺点。颗粒增强铝基复合材料可广泛应用于航空航天、军事、汽车、电子、体育用品等9。随着增强体与基体结合理论的进一步研究，成本更低的增强体和制备工艺的不断开发，成本将更加低廉，使其应用领域将越来越广。颗粒增强铝基复合材料作为先进的材料，具有优异的性能，同时原材料资源丰富，相对成本较低，在各经济领域有着广泛的应用前景，已受到普遍重视。我国相关领域也应大力开展这方面研究，包括基础理论研究，如强化相，基体对材料性能影响的机理等。还应重点加强对材料制备工艺及其对材料性能影响的研究，积极开拓颗粒增强铝基复合材料在众多领域中的应用，使其在国防和国民经济中发挥更大作用。1.4 SiC颗粒增强铝基复合材料研究动态与见解碳化硅颗粒增强铝基复合材料，是目前普遍公认的最有竞争力的金属基复合材料品种之一10。以SiC颗粒作为增强物的铝基复合材料，由于其热膨胀系数低，耐磨、耐热性能好，高温强度优异，在航空航天工业、汽车工业、内燃机工业、军事工业等领域具有广阔的应用前景11。尽管其力学性能尤其是强度难与连续纤维复合材料相匹敌，但SiC颗粒增强铝基复合材料却有着极为显著的低成本优势，而且相比之下制备难度小、制备方法也最为灵活多样，并可以采用传统的冶金工艺设备进行二次加工，因此易于实现批量生产12。1.4.1 SiC颗粒增强铝基复合材料强化机理SiC颗粒增强铝基复合材料是以纯铝或铝合金为基体，复合添加一定的颗粒增强相SiC颗粒复合而成的。通常认为SiCp增强铝基复合材料有两种强化机制，即直接的和间接的。直接强化来源于从基体向增强相的载荷转移，即通过界面剪切由基体向增强相SiCp传递载荷而使增强相承栽：间接强化是指增强相影响基体的微观组织或变形模式。一个间接强化的例子就是，由于增强相与基体之间变形不协调而诱发的位错强化。其强化机理沿用的是弥散强化型合金的理论，并且多从位错运动的角度进行分析。在外加剪应力的作用下，当基体金属中的位错受力达到临界应力时发生运动，即基体金属发生塑性变形。如果位错运动受到质点(增强颗粒)的阻碍，就会产生位错塞积，从而使质点受到一个较大的应力。塞积位错越多，该力就越大，因而产生的强化效果也愈加明显。1.4.2 SiC颗粒增强铝基复合材料制备工艺由于纤维增强体材料的限制，更促进了颗粒增强铝基复合材料的发展，而且颗粒增强铝基复合材料的制备成本相对较低，工艺简单，制得的铝基复合材料具有各向同性、微观结构无差别和易于二次加工，因此颗粒增强铝基复合材料的研究成为研究工作者的首选，并逐渐趋于成熟，而且制备方法也不尽相同。目前，SiC颗粒增强铝基复合材料的制备方法主要可以分为四类：固相法；液相法；原位合成法；液-固两相法13。（1）固相法SiC颗粒增强铝基复合材料的固相制备法是主要指粉末冶金法这也是当前比较成熟而且应用范围较广的一种制备工艺方法。其主要过程是：先将经过预处理的SiC颗粒与激冷微晶铝粉充分混合，然后冷压实，真空加热至固-液两相区内热压，再将热压后的坯料进行热挤压或热轧制成零件，也可以将混合料于铝包套中，直接热挤压成致密的SiCp/Al复合材料14。这种方法主要足利用各种粉末冶金技术制备复合材料，具有如下优点:可以使用非平衡合金加快凝合金和快淬粉木制备复合材料；可以任意改变SiCp与铝的体积配比.能获得不同体积含有率的复合材料；能够最大限度的提高弹性模量，降低膨胀系数；基体材料选择范围广。虽然粉末冶金法能够制备出性能优异的复合材料，但制备工艺复杂、成本过高、制备过程中粉末氧化，并且这种工艺也不便于制备大尺寸的坯件，限制了该工艺的应用。（2）液相制备法SiC颗粒增强铝基复合材料的液相制备工艺主要包括压力浸渗法和搅拌铸造法。压力浸渗法是将颗粒增强相制成预成形块，然后在高压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里高达50%的复合材料。但是该工艺存在预制块易变形、所需工艺设备成本高、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗大、易产生有害界面反应等缺点。搅拌铸造法就是将增强相颗粒添加到强烈搅拌的完全融化的熔体中，由涡流形成的负压作用将颗粒引入熔体中并在搅拌力的作用下分散于熔体中。这种工艺 比较简单，制造成本低，所需设备相对简单，能适应批量生产，是近年来研究较多、发展较快的复合材料制备方法。常用的铸造法有浸渗法(包括压力浸渗法和自浸渗法)、离心铸造法、机械搅拌铸造法和挤压铸造法。其中，以搅拌铸造法制备颗粒增强金属基复合材料最有希望实现大规模生产。搅拌铸造法制备颗粒增强金属基复合材料是近年来国内外研究十分热门的复合工艺技术。但是其缺点在于工艺过程参数难于控制，易发生有害的界面反应。另外，用搅拌铸造法制备的复合材料组织粗大，增强颗粒易偏聚.出现严重的丛聚现象15。并且液相法制备SiC颗粒增强铝基复合材料还存在一个基体合金和增强颗粒的相容性问题，必须依据基体特性合理选择增强体。（3）原位合成法原位合成法是近几年新发展起来的一种复合材料制备方法。其基本原理是在一定条件下通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的。由于增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相。因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，界面结合强度较萵。同时，不需外加增强颗粒，也省去了增强体单独合成、处理和加入等工序，简化了工艺16。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，今后在増强相的均匀化方面、材料的凝固特征、控制有害化合物生成等方面还要进行深入研究17。（4）液-固两相法主要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Singer A RE教授于20世纪60年代 末提出来的，1970年首次公开报道18。喷射沉积的一般原理是:在惰性气体保护下，熔体金属（或合金）流被高能高速的气流破碎形成微细熔滴，熔滴通过与气流的对流等热交换而迅速冷却，在完全冷却之前与沉枳基体碰撞形成沉积坯，在熔滴飞行过程中.把具有一定功能的增强颗粒强制性的喷射到雾化喷射流中，使熔融金属与增强相颗粒共同沉积，从而制备出颗粒增强基复合材料19。喷射法具有增强颗粒分布均匀、没有严重的界面反应、基体组织有快速凝固特征、呈细小等轴晶形态等优点，且产率高，易于制备大件。因而该方法与铸造法和粉末冶金法相比有更大的性能价格比，受到材料工程专家的极大关注。但与粉末冶金方法相比，其致密化所需的压力设备吨位要低得多，且易于获得大尺寸的复合料。热挤压作为常用的后续加工手段，可以消除沉积材料中的绝大部分孔隙，并改善组织，挤压后SiC 颗粒分布非常均匀，界面清晰，孔隙度接近零，晶粒异常细小。 1.4.3 SiC颗粒增强铝基复合材料的性能特点及应用 与其他材料相比，碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有如下特点：（1）可以利用传统的金属材料加工技术和设备来制造和进行二次加工，因而可以降低成本；（2） 复合材料各向同性，因此可以套用传统金属材料的设计理论进行结构设计；（3）复合材料具有良好的尺寸稳定性，可以在温度变化剧烈的环境中使用，这对于高技术部门（例如航天航空技术、核能技术）尤为重要；（4）所制备的复合材料可以进一步实现热处理强化；（5）复合材料具有较高的强度、模量、硬度、优良的耐磨性和耐腐蚀性、优秀的高温性能。碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究已有40余年的历史，美国学者Logsdon曾提出金属基复合材料未来的发展前景主要在于非长纤维增强，特别是碳化硅颗粒增强铝基复合材料。碳化硅颗粒增强铝基复合材料的密度仅为钢的1/3，但其强度比纯铝和中碳钢都高，且还具有较高的耐磨性，可以在300350的高温下稳定工作，目前已应用于发动机活塞、连杆和刹车片20。从80年代初开始，国外投入大量财力致力于颗粒增强铝基复合材料的研究，并已在航空航天、体育、电子等领域取得应用。作为结构材料，SiCp/Al复合材料已被大规模应用于直升机旋翼系统上。Alcan公司用Al2O3P/6061Al复合材料汽车驱动轴来代替精钢轴，美国海军飞行动力实验室研制成SiCp/Al复合材料薄板，应用于新型舰载战斗机上。俄罗斯航空航天部门将SiCp/Al复合材料应用于卫星的惯导平台和支撑构件上。国内从80年代中期开始在863计划的支持下，经过十几年努力，在颗粒增强铝基复合材料的研究方面已经有了很大的提高，在材料的组织性能、复合材料界面等方面的研究工作已接近国际先进水平21。加拿大铝业公司在美国的分公司Dural铝基复合材料公司用SiC颗粒作为增强体，用A356和A357铸造铝合金作基体，采用搅拌铸造法制成的复合材料，目前已用于人造卫星、飞机液压管、直升飞机支架和阀体、三叉戟导弹零部件、汽车的制动盘、发动机活塞和齿轮箱上。F3SS与F3KS铝基体复合材料也是美国杜雷耳铝基复合材料公司开发的铸造型复合材料，用SiC颗粒作为增强体，代表SiCp的体积分类（10%20%），基体为近似359铸造铝合金的成分。在室温和高温下有好的强度、刚度、耐磨性、抗蠕变性能和尺寸稳定性能，用于汽车零部件上，如刹车部件、汽车缸衬套、离合器压力板、动力传递部件等。北京航空材料研究所已进行多年的863项目“颗粒增强铝基复合材料精密铸造”的研究，目前已制得了多种宇航零件样品。美国先进复合材料公司（ACAM）用粉末冶金方法开发的这类复合材料简称为SA，在强度、刚度、抗疲劳性能等方面有极好的综合性能。它们是用细小的SiC颗粒作增强体，用近似于热处理强化变形铝合金2009、2004、6061、6013、7475和7075的成分做基体，用粉末治金方法制成坯锭后，用常规设备和技术锻造和轧制成材，可以进一步加工成零部件，也可以粘结、铆接、阳极氧化处理和电镀处理。用它们制造的零部件其重量比常规铝合金制造的轻，Al2009 +25%（体积百分数）SiCp材料可制造火箭发动机零件。SiCp/2004复合材料可取代传统铝合金和钛合金制造直升机的起落架、机翼前缘加强筋和大的通用正弦形梁等。美国SWA特种复合材料公司用25Vol% SiCp增强6061铝合金基复合材料代替7075铝合金生产航空结构导槽、角材，其密度下降317%，弹性模量提高了65%。而英国BP金属复合材料公司用17Vol% SiCp增强的2124铝合金、8090Al-Li合金复合材料制作飞机和导弹。同时，国外正在进行将颗粒增强铝基复合材料用于坦克和水陆两栖军用车履带板、火炮下架和炮管等兵器试验22。目前铝基复合材料的研究主要集中在3个方面：(1) 是采用连续纤维增强的具有优异性能的铝基复合材料，综合性能较好，但是价格昂贵，制备工艺复杂，成本高，其应用范围集中在航天、航空、军事工业和少数民用工业等特殊的领域。(2) 晶须增强铝基复合材料具有高的比强度、比模量、良好的热稳定性及抗疲劳、耐磨损等优良性能，并得到迅速发展，成为铝基复合材料的一个重要分支。 (3) 颗粒增强型铝基复合材料的制备工艺比较简单，颗粒增强体的价格不高，因而成本较低并且可以用铸造、热挤压、热锻压和热轧等常规加热方法和设备制取。SiC颗粒增强铝基复合材料的力学性能虽然没有哪些纤维增强铝基复合材料高，但与基体铝合金相比，其硬度、模量、耐磨性能、抗疲劳性能、高温屈服强度和热稳定性能好。因为增强体在铝基体内是均匀弥散分布，所以复合材料是各向同性，此种材料有很大的应用潜力。从20世纪70年代以来SiC颗粒增强铝基复合材料得到了迅速的发展，现在是国内外研究开发的热门课题，并且实际应用范围正在不断扩大。1.4.4 颗粒增强铝基复合材料的展望铝基复合材料将随着信息技术的发展，复合材料也会被带动得到发展，同时在交通运输、基础设施和房屋建筑等方面是复合材料的主要市场。由于SiC颗粒增强铝基复合材料的综合性比较好，是具有发展潜力的工程材料，完合可以成为新一代固体发动机，并推广应用。至于开发宇宙空间、各种航天器更是非其莫属，并有很好的发展机遇。SiC颗粒增强铝基复合材料只要设计适当，不仅不会增加对环境的影响，反而起到改善环境污染的作用。今后功能复合材料的发展前景是广阔的，特别是它的高附加值更能促进其发展速度。据专家预见，随着社会的进步和对材料要求的进一步提高，将会推动机敏和智能复合材料的进展速度，目前SiC颗粒增强铝基复合材料的研究还不足够充分，还有待进一步提高其性能。目前颗粒增强铝基复合材料的发展趋势在于：优化设计方法和研发新型材料，以实现材料的高性能、多功能、研发结构以及结构一体化，创新制备工艺，将两种或两种以上的制备工艺结合，利用各自的优势，可以制备出性能更高的材料，降低制备工艺成本，实现商业领域的更广泛应用，规模化生产，扩大应用，发挥集体优势，共建应用技术平台，促进颗粒增强铝基复合材料的研制和应用，国防工业将继续引领高性能颗粒增强铝基复合材料的研发。1.5选题背景与研究内容随着科学技术和高新技术的发展，特别是航天航空、汽车、电子、军事等领域的迅速发展23，越来越要求材料有优良的综合性能，单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料均难以满足这些迅速增长的性能要求，金属基复合材料正是为了满足这些更高的性能要求而生的。由于金属基复合材料具备这些独特的特点，所以金属基复合材料就成了新材料中的重要一员，得到了迅速的发展。铝基复合材料由于基体金属铝还具有熔点低、塑性好、低密度、成本低、运用广泛、易于加工、工程可靠性好等良好的综合性能，所以成为金属基复合材料中的研究和发展重点，也是目前金属基复合材料中运用最广的一种。颗粒增强颗粒金属基复合材料由于其增强机体成本低、微观结构均匀、制备工艺简单、材料性能各向异性、可以采用传统的金属加工工艺进行加工，因而具有良好的发展前途，成为目前研究运用的热点与重点。碳化硅颗粒金属基复合材料在航天航空领域有广阔的应用前景，由于各国国防科研军费的大量投入，美国、法国、日本、德国等发达国家已经取得了一定的研究成果并在具体领域中得到了初步运用。碳化硅颗粒增强铝基复合材料尤其适合于汽车、摩托车的刹车盘等制动器耐磨件。目前，汽车、摩托车用刹车盘都采用铸铁制造，与铝基复合材料相比，后者在导热性、摩擦因素、重量都体现出明显的优越性，就重量方面就可以比铸铁制备轻50%60%，在耐磨方面也能很大提高，这样不仅提高了汽车、摩托车的综合性能，同时也降低了能耗，节约了资源。本课题研究的主要目的：利用液态搅拌法制备一定数量的颗粒增强铝基复合材料，获取搅拌铸造法制备颗粒增强铝基复合材料的工艺参数；研究SiC颗粒含量、Si含量对铝基复合材料硬度的影响，解决增强颗粒的分散问题，控制过多的界面反应，降低孔隙率，提高复合材料的综合性能；研究成品试样的组织与性能。本课题研究的主要内容：颗粒增强铝硅合金复合材料搅拌法制备的设计改造；颗粒增强铝硅合金复合材料搅拌法制备的工艺探究；铝合金T5热处理的具体操作；对制备的颗粒增强铝基复合材料进行组织观察、硬度检测，并对实验结果进行分析探讨。第二章 复合材料的制备工艺2.1 实验材料的选择 本课题采用液相搅拌铸造法制备颗粒增强铝硅合金复合材料，首先要选取基体和增强体。2.1.1基体材料金属基复合材料体中的基体，决定着复合材料的性能、成型工艺以及成本，因而需合理选择合适的基体材料。与纯铝相比，铝合金大大提高了其硬度和机械性能，具有密度小、耐腐蚀的优点。在采用合适的强化手段后，铝合金更是可获得与低合金钢相近的强度，因此具有高比强度。本次研究采用AL-Mg-Si系中具有中等强度的可热处理强化6063铝合金为基体材料，其具有极佳的加工性能、优良的可焊接性、挤出性及电镀性、良好的抗腐蚀性以及韧性。其成分含量如表2.1所示。表2.1 6063合金中各元素的质量分数%MgSiFeCu、Mn、Zn、Cr、Ti杂质Al0.630.460.3分别0.10.05余量2.1.2增强体材料由于SiC颗粒具有高强度、高模量、耐热、耐磨性好且耐高温的性能特点，故选其作为增强体。它能使复合材料的耐磨、耐热、强度以及模量得到提高。SiC颗粒的物理性能如表224。表2.2 SiC的物理性能颗粒晶系熔 点/密 度/gcm-3弹性模量/GPa热膨胀系数/10-6K-1泊松比SiC六方27353.24004.00.202.2复合材料的制备2.2.1制备方法本次制备的复合材料采用机械搅拌铸造法，其优点在于制备时温度高，熔融态的金属流动性好，便于一次形成复杂工件，所需设备也相对简单；成本较低，能适应规模化生产25。其工艺流程图如图2.1所示：2.1 SiC颗粒增强铝硅合金复合材料制备工艺流程2.3实验原料及仪器2.3.1实验原料W20SiC、硅粉（分析纯，过200目筛）、ZnO和Na2SiO3溶液、高纯Ar。2.3.2实验设备针对液态搅拌铸造的要求和特点，依据实验室的具体情况，本次实验改造设计了部分实验装置，顺利完成了熔炼、气氛保护、搅拌、浇铸、热处理等各个环节，涉及到的主要仪器设备有：PL302电子天平、坩埚、恒温干燥箱、温控大功率坩埚电阻炉SG2-1.5-1.0、改造直流电机搅拌器、H2-K超级恒温水浴箱、自制浇铸模具、电热鼓风恒温干燥箱、M3030立式砂轮机、PG-2A金相试样抛光机、XHV-1000 数显触摸屏显微维氏硬度计等。2.4实验部分2.4.1实验装置的设计改造（1）浇铸模具的设计为了在熔融合金液搅拌除渣后进行更好的浇铸和脱模，特取4个直径大小D=5.2CM的圆筒状易拉罐，剪平口后用配制好的适量的一定浓度的ZnO和Na2SiO3混合溶液进行充分浸润，然后将其放置于恒温干燥箱中100烘干，确保熔体浇铸后便于脱模。（2）直流电机搅拌器的改造搅拌器的作用在于搅拌器高速旋转，使完全熔融的合金金属液产生旋涡，向旋涡中逐渐加入SiC颗粒。由于旋涡的抽吸作用，颗粒被卷入熔液中，在搅拌作用下逐渐溶于金属熔体。为使颗粒搅拌充分均匀且尽量减少外界气体进入熔体，将原搅拌器叶的搅拌棍重新更换，并将搅拌棍上的搅拌片换为耐高温的三片大小相同且均匀平行放置的陶瓷叶片，以达到合适的搅拌液体流动状态，使物料的搅拌需求和产品的性能要求得到满足。改造后的搅拌器如图2.2所示。图2.2 改造的直流电机搅拌器（3）实验装置的合理连接及参数设置为使整个复合材料的制备过程操作简便却又不乏实效性，需对实验仪器进行合理有效的连接并设置合理的参数，确保整个实验流程能够安全有效地运行。仪器装配连接图如图2.3所示。图2.3 实验仪器装配连接图搅拌速度的确定搅拌速度是影响SiC颗粒分布均匀性和铸造缺陷的主要因素。当搅拌速度较低时，SiC颗粒团聚严重，而且整体分布不均，当搅拌速度过高时，熔液易形成较大的漩涡，产生飞溅。同时，搅拌速度过高会使搅拌过程中卷入熔液的气体增多， 导致氧化夹杂和气孔等铸造缺陷增加，对熔液的流动性不利26，综合考虑到本实验的具体情况，设定搅拌器的转速为1200r/min，搅拌时间25min。搅拌温度的确定搅拌时的熔体温度是影响SiC颗粒分布和材料性能的重要因素，所以对温度要适当控制。熔体温度升高，铝合金液面的表面张力减小，有利于SiC颗粒与金属溶液润湿。但是过高会使基体溶液的吸气、氧化严重，界面反应加剧。搅拌温度过低，熔体粘度增大，不利于颗粒加入与分布。考虑到6063铝合金熔点是568-652，为使其充分熔化，本实验采用的搅拌温度为700。2.4.2复合材料的制备处理过程（1）W20碳化硅颗粒的预处理W20碳化硅颗粒的预处理是指为满足SiC颗粒与基体之间有良好的润湿性和颗粒在基体中均匀分布的要求，而进行相关操作除去其表面的气体、水分、有机物杂质等，增强其表面活性，从而改善颗粒与基体金属的相互润湿能力，制备出具有优良综合性能的复合材料。本次实验采用的预处理方式为将长时间放置、表面已局部氧化的SiC颗粒于恒温干燥箱中保温1h，除去水分和其他杂质。（2）基体与增强体的计算称量根据SiC粉末跟基体合金的润湿能力和SiC粉末体积含量对复合材料的性能的影响,选取体积比不同的原料进行实验探究。选取比例及含量如表2.3。表2.3增强相及基体的含量与百分比SiC含量（%）6063铝合金（g）6%的Si粉（g）SiC含量（g）总合金（g）0%331.9121.190353.1010%508.0836.2960.49604.8620%365.3929.6398.75493.7730%502.9547.15235.76785.86（3）SiC颗粒增强复合材料的制备1） 清洗数次市面上购置来的6063铝合金，将表面杂质去除后将其放在100恒温干燥箱中保温1h。称取一定量的Si粉以及已在空气中长时间氧化的SiC粉末，在100恒温干燥箱中保温1小时。2）按照表2.4依次称量6063铝合金，置于坩锅炉中的金属容器中准备加热。设定温度控制箱温度为300，打开Ar排气阀，通入适量Ar气排空金属容器。随后开始加热，除去炉中水汽。等温度达到预定温度后，开始计时，30min后将温度设为700。此过程中间歇性通入Ar气。3）温度达到700后，保持通入Ar气进行精炼，用金属棒搅拌基体溶液，并多次除渣，直至熔体表面光亮、无杂质出现。4）按照上表2.4中比例成分向基体溶液中加入预处理过的SiC颗粒和6%的Si粉。通入Ar气，保温10min。5）安装并调整搅拌机位置，使搅拌叶片全部浸入溶液中，且不能碰着器壁。通入Ar气。打开开关，按照设定的搅拌速率开始搅拌。搅拌时一定要盖好密封盖，防止空气进入金属容器，造成铝液的氧化等。搅拌时间控制为25min。6）取出搅拌桨，再次除渣后将基体溶液静置保温5min。取出已处理好的金属模具，开始浇铸。浇铸时保持一定溶液流速确保金属溶液匀速流入金属模具中。浇铸完成后空冷至室温。如此重复浇铸SiC含量为0%、10%、20%、30%的试样。7）将浇铸完成的试样在M3030立式砂轮机打磨，用1200至5号砂纸进行不同层次的打磨，随后在PG-2A金相试样抛光机上抛光。然后用XHV-1000 数显触摸屏显微维氏硬度计观察金相组织并测定硬度。在硬度测试时维氏硬度仪加载25kN ，保压15s，然后读出硬度测试值。对取得的几组数据进行合理取舍，取其平均值。SiC含量0%、10%、20%、30%金热处理前后硬度值如表2.4、2.5所示。表2.4不同SiC含量试样硬度测量值原始数据SiC含量 硬 度 值（HV）0%83.3191.15104.9884.7885.2491.1510%94.6883.2973.2395.2698.7226.3744.8120%133.0296.2855.80101.17102.23107.01103.2530%105.3695.75112.4797.18122.72表2.5不同SiC含量试样硬度测量值有效数据SiC含量12345平均0%83.3191.1584.7885.2491.1587.5310%94.6883.2973.2395.2698.7288.8420%96.28101.17102.23107.01103.25101.9830%105.3695.75112.4797.18122.72106.90（4）复合材料T5热处理取试样放于坩埚炉中，通入Ar气。开始加热，设定温度为300，保温0.5小时。继续加热到525保温4小时。取出放于80恒温水浴中淬火，静置20mim。随后取出放入175恒温干燥箱中保温3.5小时。取出试样放于空气中自然冷却。SiC颗粒增强铝硅合金合材料T5热处理曲线如图2.4所示。曲线说明：OA段表示开始加温，AB段表示在300保温0.5小时，BC段继续加温，CD段表示在525下保温4小时，DE段表示取出放于80水中，EF段表示在80水中淬火，FG表示继续加温，GH表示在175下保温3.5小时，H点以后表示在空气中自然冷却。（5）复合材料的硬度测定取热处理之后的试样在金相试样机上抛光。然后用XHV-1000 数显触摸屏显微维氏硬度计测定硬度。复合材料热处理后硬度测试图如图2.5所示。 图2.5（a） 图2.5（b） 图2.5（c） 图2.5（d）复合材料T5热处理之后硬度如表2.6所示表2.6 T5热处理之后试样硬度值测定原数据：SiC含量123456780%123.47114.89119.29115.61118.63135.27139.42374.5010%129.89124.18141.02133.82136.96116.07119.2720%135.07139.61106.02119.93103.43125.44114.99139.6130%98.66132.96145.55160.00185.38120.61132.36 表2.7 T5热处理之后试样硬度值测定有效数据：SiC含量12345平均 0%123.47114.89119.29115.61118.63118.3810%129.89124.18133.82116.07119.27124.6520%135.07139.61119.93125.44139.61131.9330%132.96145.44160.00120.61132.36138.27第三章 结果探究与分析3.1 复合材料的微观组织分析1）SiC含量为0%时，T5热处理前后的金相组织如下图3.1(a)。 图3.1（a）2）SiC含量为10%时，T5热处理前后的金相组织如下图3.1（b）。 图3.1(b)3）SiC含量为20%时，T5热处理前后的金相组织如下图3.1（c） 图3.1（c）4）SiC含量为30%时，T5热处理前后的金相组织如下图3.1（d） 图3.1（d）通过观察金相显微组织，并结合硬度测试实验可知：（1）液态拌铸造工艺制备的体积分数为0%、10%、20%、30%的SiC颗粒增强铝硅合金复合材料，SiC增强颗粒分布均匀，表面光洁，与同等条件下制备的未增强基体合金相比，复合材料的初晶相枝晶破碎、间距较小，共晶硅颗粒分布更均匀。（2）铸态合金组织中存在少量枝晶偏析，随着基体中Si含量的增加，SiC颗粒偏析得到了改善，对于SiC颗粒与滤液浸润性差的问题，可以采用合金化的方法改善浸润性，通过SiC颗粒表面形成涂层的方法改善界面结合状态。（3）铸态合金进行5254h均匀化处理过程中，随着温度的升高和保温时间延长，非平衡共晶组织逐渐消失，合金枝晶偏析逐渐消除，过饱和基体析出Mg2Si相，复合材料的硬度和强度得到了提高。（4）将SiC颗粒复合入铝合金，导致基体合金的微观结构发生了变化，引入大量的位错和SiC-Al界面，影响到SiCw(p)/Al复合材料中基体合金的沉淀过程，显微组织中共晶硅从板片状转变为纤维状，是共晶Al、Si两相同时作用的结果，硅相领先时长成片状，铝相领先时长成纤维状。3.2复合材料硬度性能分析（1）对表2.5和表2.7复合材料T5热处理前后的数据进行比较，可以看出，硬度提升明显，SiC颗粒含量为30%时硬度达到138.27HV，再对其硬度增强的比率进行统计如表3.1所示。表3.1复合材料硬度增强比率SiC颗粒含量(%)0%10%20%30%T5热处理前硬度(HV)87.5388.84101.98106.90T5热处理后硬度(HV)118.38124.65131.93138.27增 强 比 率（%）35.25%40.31%29.41%29.35%由表3.1可知，复合材料在经过T5热处理后，硬度增强比率曲线为折线，随时间延长硬度增强比率先上升后下降，前期较快后期较慢。3.3实验结果（1）通过改进复合材料搅拌器，增强复合材料熔体内层流的剪切力，使得复合材料内SiC颗粒的含量大幅增加，复合材料内颗粒均匀分布。（2）恰当的设置工艺参数，控制搅拌速度和搅拌温度，可以使基体和增强结合更加紧密。均匀化处理能提高复合材料的表面光洁度，80水淬可得到过饱和的固溶体，强化复合材料的性能。（3）通过T5热处理的5254h均匀化处理，1753.5h时效处理后复合材料的硬度得到了很大程度的提升，说明T5热处理工艺对增强SiC颗粒增强率硅合金复合材料的硬度是可行的。（4）适量过剩Si对合金的铸态组织具有细化效果，提高合金的过饱和度，并能改善材料的综合力学性能；合金中析出相Mg2Si与合金的强度具有相关性，时效硬化后弥散析出相和位错的交互作用使材料的强度、硬度增加。第四章 结 论6063合金属于Al-Mg-Si合金，是典型的可热处理变形合金，其最终强度、硬度主要是由合金的时效强化引起。合金的强度主要由沉淀析出相的大小、弥散度决定。因而采用6063合金为基体材料，SiC颗粒为增强相搅拌铸造的铝硅合金复合材料的硬度与整个热处理工艺的选取有着紧密的联系。此外，SiC颗粒的含量，与基体材料的浸润性，也在很大程度上影响着铝硅合金复合材料的机械性能。由本次实验归纳起来，可得如下结论：（1）通过金相显微组织观察与分析表明，SiC颗粒含量为10%30%的铝基复合材料，其SiC颗粒分布相对均匀，界面结合良好，基体形成了很好的冶金结合，对其性能改善起了很大作用。（2）合适可行的T5热处理工艺能改善SiC颗粒增强铝硅合金的机械性能，通过均匀化处理和时效处理，有效提高了SiCp/Al材料的硬度。（3）SiCp/Al复合材料的硬度随SiC颗粒含量的增加呈线性增加，在SiC颗粒含量为30%时，达到硬度最大值138.27HV，说明SiC颗粒对基