仿珍珠贝Al合金SiC层状复合材料的制备、组织与性能.x课件

仿珍珠贝Al合金/SiC层状复合材料的制备、组织与性能生物材料在数亿年的进化中,优化了微观结构、组分、形态和功能。贝壳珍珠层是其中的优秀代表,它由片状硬质相和软相交替排列形成独特的“砖–泥”纳米层状结构,显示出较高的强度、惊人的断裂韧性以及良好的耐磨性能,极大地启发了人们对于高性能材料的设计和构筑。SiC颗粒增强Al基复合材料（Al/SiCp）具有高比强度、高比模量、耐磨损、抗辐射、高热导率、低热膨胀系数和良好的导电性能等优点,在航空、航天、汽车、电子、体育器材等领域具有广泛的应用前景。但是由于脆性SiC增强体含量的增加,铝基复合材料断裂韧性和断裂功下降,使用起来不够安全;另外,其制备成本高,二次加工困难,在很大程度上限制了它的广泛应用,这也是颗粒增强金属基复合材料多年来一直没有解决的瓶颈问题。为了提高中高体积分数的SiC颗粒增强Al基复合材料的强韧性,仿制珍珠贝的精细层状结构已成为复合材料的研究热点。然而,目前国内外关于仿珍珠贝层状结构金属基复合材料的研究报道相对少见。所以仿珍珠贝层状结构Al基复合材料的制备、层状结构对复合材料性能的影响规律及机制还需要进一步探索与揭示。本论文分别选取ZL205A和Al–12Si–10Mg合金为基体,以微米SiC颗粒作为主要增强相。首先,制备环境友好的SiC水基陶瓷浆料,利用冷冻铸造法制备出层状多孔SiC预制坯,随后分别采用真空气压浸渗法和无压浸渗法将熔融ZL205A和Al–Si–Mg合金向这一多孔SiC坯体中填充,最终获得仿珍珠贝层状结构ZL205A/SiC和Al–Si–Mg/SiC两种复合材料。在这一过程中,通过调节制备工艺对复合材料微观结构进行有效控制,揭示出熔融合金的浸渗动力学以及与增强相的反应机制,研究工艺参数-微观结构-宏观力学和摩擦磨损性能之间的内在联系和影响规律,提出改善复合材料性能的有效机制。本文主要研究结果如下:1.采用冷冻铸造法制备均匀分布和层状分布的多孔SiC预制体i)对水基SiC陶瓷浆料进行整体快速冷冻铸造后获得了均匀多孔SiC坯体;而对其进行单向冷冻铸造后获得了梯度分布的层状多孔SiC坯体。随着冷冻距离的增加,层状多孔SiC坯体的片层厚度和结构波长沿着冷冻方向均增大;随着浆料初始固相含量的提高,坯体的片层厚度和结构波长均增加;随着冷冻温度的降低,坯体的结构波长和片层厚度均降低。初始陶瓷含量为20⁴0vol.%的SiC层状多孔坯体中,其片层厚度和结构波长分别约为10¹00μm和15¹40μm。ii)纯SiC坯体在氧化烧结后SiC颗粒表面形成SiO₂氧化层,坯体压缩强度较低。向SiC浆料中添加一定含量的助烧剂al2o3–mgo（am）粉体,通过液相烧结后得到了硅酸盐连接的SiC层状多孔坯体,与纯SiC坯体相比,其压缩强度明显提高。2.压力浸渗法制备层状互通结构ZL205A/SiC复合材料及其力学性能i)在850oc时向熔融ZL205A合金和SiC多孔坯体上施加2mpa的气体压力后,获得了陶瓷颗粒均匀分布的ZL205A/SiC复合材料以及多尺度、层状分布的ZL205A/SiC复合材料。复合材料的微观组织致密,界面结合良好,未发现有害相al4c3,而且精细片层厚度可控在100μm以下。ii)力学性能测试表明,与均匀分布的ZL205A/SiC复合材料相比,层状互通结构的ZL205A/SiC复合材料显示出更高的强度以及断裂韧性,尤其裂纹扩展韧性（kjc）和断裂功分别提高了2倍和4倍多。发现层状复合材料性能显示出各向异性,即平行于片层方向的强韧性明显高于垂直于片层方向;随着冷冻温度的降低,复合材料的强韧性明显减弱;随着初始陶瓷含量的提高,层状复合材料的强韧性随之减小,但其弹性模量和硬度随之增大。对于层状复合材料,其最高抗弯强度比基体合金和SiC陶瓷的强度分别提高了25%和148%;其裂纹萌生韧性（kic）与基体合金的韧性相近;而其裂纹扩展韧性（kjc）和断裂功比纯SiC的性能提高了约一个数量级。iii)发现层状复合材料的良好强韧性是由于裂纹偏转、裂纹分叉和合金层的塑性变形以及未开裂韧带的桥接等多重外在增韧机制所引起。3.无压浸渗法制备层状互通结构al–si–mg/SiC复合材料及其力学性能i)采用冷冻铸造和无压浸渗法制备了高强度、层状互通结构al–si–mg/SiC复合材料。在950oc、n2气氛条件下,al–12si–10mg合金向SiC层状多孔坯体自发浸渗。ii)揭示出随着初始陶瓷含量的增加,层状互通结构al–si–mg/SiC复合材料的压缩强度先增大后减小,而其弹性模量随之增加。当初始陶瓷含量为30vol.%时,复合材料在纵向（平行于片层）上压缩强度最高。随着am含量的增加,复合材料压缩强度随之提高,最高压缩强（952±24）约为基体合金强度的2.6倍。iii)提出层状互通结构Al–Si–Mg/SiC复合材料的强化机制:该复合材料具有良好的界面结合强度,界面起到传递载荷作用;纵向方向（平行于片层方向）加载时,陶瓷层起到承载作用,并约束合金层的塑性变形。发现由于该复合材料的基体中团聚大量的Mg2Si脆性相和未浸渗的缺陷,该材料显示脆性断裂的特征。4.层状互通结构ZL205A/SiC复合材料的干摩擦磨损性能i)干摩擦磨损性能测试表明,层状互通结构ZL205A/SiC复合材料横向方向（磨损方向垂直于冷冻方向）的耐磨性要优于纵向方向（磨损方向平行于冷冻方向）。在横向方向上复合材料的陶瓷片层均垂直于磨损方向,因此呈现出主要支撑作用以及陶瓷框架层的限制作用。ii)发现与基体合金相比,层状复合材料耐磨性大幅度提高。随着陶瓷体积分数的增加,层状互通结构ZL205A/SiC复合材料耐磨性增加。外加载荷越大,磨损率越高,呈线性增长关系。初始陶瓷含量为40vol.%的ZL205A/SiC复合材料在外加载荷为30N时其耐磨性比ZL205A基体合金提高了约88%。iii)提出层状互通结构ZL205A/SiC复合材料的磨损机制:第一阶段以磨粒磨损和粘着磨损为主的轻微磨损阶段;随着陶瓷含量的增加,粘着磨损转变为磨粒磨损;第二阶段以氧化磨损为主的机械混合层形成阶段;第三阶段以剥层磨损为主的机械混合层剥落阶段。总之,提出了仿珍珠