高体积分数SiCp/Al复合材料高温压缩界面研究

采用无压浸渗制备出高体积分数SiCp/Al多功能复合材料。对该复合材料进行了高温(高于基体熔点)压缩实验。利用XRD和TEM观察了SiCp/Al复合材料的界面结构,分析了高温压缩对复合材料界面的影响,研究了复合材料的复合机理。结果表明:高温压缩后的SiCp/Al复合材料的界面过渡层连续且厚度均匀,过渡层宽度减小了一个数量级;复合材料SiCp/Al界面结合机制包括扩散、位向和反应结合机制,复合材料SiCp/Al界面的这些结合机制,导致了增强相与基体之间很强的界面结合;复合材料的断裂方式为颗粒断裂,SiC增强颗粒与Al基体结合良好。     

高性能铝基复合材料的颗粒分布及界面结合

采用常规粉末冶金和高能球磨粉末冶金法制备了B4Cp/Al复合材料，研究了B4C颗粒分布与界面结合特点、形成机制以及对材料性能的影响。结果表明，17％（体积分数）B4Cp/6061Al复合材料的屈服和抗拉强度分别为415MPa和470MPa，比常规粉末冶金复合材料分别提高了69％和70％。微观分析表明，高能球磨粉末冶金复合材料中B4C颗粒均匀分布、颗粒与基体之间存在近百纳米厚度的界面层，界面层由呈带状且有序分布的微细铝晶粒和弥散分布的纳米颗粒组成。高能球磨过程中，铝粉末在钢球表面形成冷焊层，B4C不断被挤入而均匀化是实现颗粒均匀分布的主要机制；球磨过程中铝粉末表面氧化层破碎暴露出新鲜铝表面且与镶嵌与铝粉末中的B4C颗粒形成界面结合是获得良好界面结合复合材料的重要条件     

Zn-Al-Si钎料钎焊铜/铝接头显微组织及性能研究

采用Zn-14.1Al-0.9Si和Zn-21.5Al-1.5Si两种钎料钎焊获得铜/铝接头,研究了Cu/Zn-Al-Si/Al接头Cu母材/钎缝界面结构、钎缝中心区显微组织、接头抗剪切性能和断口形貌.研究发现,Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头和Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头界面结构均为Cu/扩散层/Al4.2Cu3.2Zn0.7,其中Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物层厚度分别为1～2 μm和3～4μm.2种铜/铝接头钎缝中心区均由α-Al固溶体,η-Zn固溶体,Zn-Al共晶和Si单质组成,未发现脆性CuAl2化合物.由于具有较薄的界面化合物层,在剪切力作用下,Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头断裂一部分起源于Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物层,另部分起源于界面扩散层,而Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头断裂均起源于较厚的Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物层.因此,Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头的抗剪切强度高于Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头,分别为60.1MPa和55.6MPa.     

无压浸渗制备Si3N4／Al复合材料的界面反应研究

研究Si3N4多孔预制体的表面氧化程度对无压浸渗制备Si3N4/Al复合材料界面反应以及复合材料性能的影响是复合材料优化设计的基础.不同氧化程度的Si3N4多孔预制体在相同的浸渗工艺下无压浸渗制得Si3N4/Al复合材料,利用EDS,XRD和洛氏硬度计分别测定陶瓷多孔预制体的成份,复合材料的相组成和硬度.结果表明:Si3N4/Al复合材料组成相包括Al,Si3N4,AlN以及少量的Si,Mg2Si,MgO,MgAl2O4;随着氧化程度增加,复合材料内AlN相减少,MgO含量增加,并逐渐出现MgAl2O4相;复合材料的硬度随预制体的氧化程度增加而线性下降;预制体的氧化造成Si3N4和Al之间的反应减弱是硬度下降的重要原因.     

喷射沉积SiCp/Al-8.5Fe-1.3V-.17Si热暴露过程的显微组织演变

采用喷射沉积工艺制备了SiCp/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料,并通过热压后多道次热轧制备了板材.研究了板材在不同温度下热暴露过程中第二相粒子、SiC/Al界面和位错密度的变化,并通过X射线衍射分析了板材在热暴露过程中的物相变化.结果表明,复合材料经热加工后第二相粒子保持弥散细小,为50～ 80nm,SiC/Al界面干净,没有脆性相生成;在500℃暴露200h后,第二相粒子几乎没有变化;在550℃暴露200h后,第二相粒子略有长大,没有明显的脆性相生成;600℃下暴露10h后,SiC/Al界面处生成Al4C3相,第二相粒子长大至400 ～500nm,并生成Al13Fe4相;在550℃热暴露过程中,随着暴露时间变长,位错密度增加.SiC颗粒分解向基体中析出游离态Si,抑制了Al12( Fe,V)3Si的粗化和分解,提高了复合材料的耐热性能,因此该复合材料在550℃以下具有良好的热稳定性能.550℃以上耐热性能急剧下降,热暴露过程中位错增殖.     

熔铝氧化渗透合成SiC_p/Al_2O_3-Al复合材料的微观结构分析

以低成本的熔铝氧化渗透合成新方法制备了SiCp/Al2 O3 Al复合材料。借助X光电子谱 (XPS)、光学金相显微镜、透射电镜 (TEM)、X射线衍射 (XRD)等手段研究了该种复合材料的微观结构 ,并分析了影响微观结构的主要因素及其影响规律。结果表明 ,Al2 O3 和Al作为复合材料基体呈双连续分布 ,它们各自的含量可在较大范围内受SiC颗粒的粒度所控制。在熔铝氧化渗透合成的SiCp/Al2 O3 Al复合材料中 ,各组成相之间无界面反应 ,也无晶间相 ,Al2 O3 在SiC颗粒表面二次形核并直接生长的现象普遍存在 ,并由此形成了具有良好物理冶金结合的Al2 O3 SiC一体化陶瓷骨架     

使役条件下SiC_p/Al复合材料的建模拟实

基于有限元方法,通过Python语言开发了SiC_p/Al复合材料的参数化建模程序,利用ABAQUS图形用户界面(GUI)完成了建模过程的可视化,搭建了颗粒的大小、形状、体积含量和分布可控的快速建模拟实平台。利用此平台建立了SiC_p/Al复合材料基于微细观的代表性体积单元(RVE)有限元模型,并先后引入了颗粒的弹脆性断裂行为、基体的弹塑性断裂损伤行为和界面的拉伸-开裂行为,实现了SiC_p/Al复合材料的变形和断裂的全过程模拟。为研究使役条件下SiC_p/Al复合材料的构效关系,建立了颗粒体积含量为7%和14%的复合材料有限元模型,首先研究了拉伸过程中颗粒体积含量对复合材料变形和损伤行为的影响;然后将体积含量为7%的复合材料模拟压缩过程与拉伸过程进行对比,分析了在不同载荷条件下复合材料的变形和损伤机理。实践证明,所建立的SiC_p/Al复合材料参数化建模平台可用于颗粒增强金属基复合材料基于微细观的有限元建模,对复合材料强韧化机理分析和构效关系研究具有重要的价值。     

Al合金与复合材料LID连接接头微观结构分析

通过SiC颗粒增强Al基复合材料与Al合金的液相界面扩散 (LID)连接试验 ,重点研究了连接接头区域的微观组织 ,并简要分析了接头中各元素的浓度分布情况。结果表明 ,LID连接Al基复合材料和Al合金形成的界面明显向Al合金一侧偏移 ,并且溶质原子在界面两侧分布存在明显的不对称现象。研究结果为异种材料的连接提供了重要的科学依据     

熔铝氧化渗透合成SiCp/Al2O3-Al复合材料的微观结构分析

以低成本的熔铝氧化渗透合成新方法制备了SiCp/Al2O3-Al复合材料.借助X光电子谱(XPS)、光学金相显微镜、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等手段研究了该种复合材料的微观结构,并分析了影响微观结构的主要因素及其影响规律.结果表明,Al2O3和Al作为复合材料基体呈双连续分布,它们各自的含量可在较大范围内受SiC颗粒的粒度所控制.在熔铝氧化渗透合成的SiCp/Al2O3-Al复合材料中,各组成相之间无界面反应,也无晶间相,Al2O3在SiC颗粒表面二次形核并直接生长的现象普遍存在,并由此形成了具有良好物理冶金结合的Al2O3-SiC一体化陶瓷骨架.     

颗粒(晶须)增强金属基复合材料

1987年6月5日美国马里兰大学材料系(Engineering Materials Department,University of Maryland)教授Arsenault博士来我所讲学,作了颗粒(晶须)增强SiC/Al金属基复合材料的学术报告。Arsenault教授在学术报告中,重点讲述了颗粒(晶须)增强SiC/Al金属基复合材料的增强机理、SiC和Al的界面、断裂     

A review of friction stir joining of SiCp/Al composites

SiCp/Al composites have excellent comprehensive properties and have been widely used in aerospace, automotive industry and other fields. Due to the huge difference in performance between SiC particles and matrix alloys, traditional fusion welding methods are difficult to meet the join requirements of SiCp/Al composites. Friction stir joining (friction stir welding), as a solid phase joining process, has been proved to be a new technology with fine prospect in joining SiCp/Al composites compared with fusion welding process. Although some progress has been made in recent years, there are still full of challenges. In this paper, the research status of friction stir joining of SiCp/Al composites in recent years is expatiated, including the weldability of SiCp/Al composites, the macrostructure and the microstructure of joints, mechanical properties of joints, and tool wear and monitoring. Furthermore, the existing challenges of friction stir joining of SiCp/Al composites are summarized and the future development directions are prospected.     

中低体积分数SiCp / Al 在航空航天领域的应用与发展

基于中低体积分数SiCp/Al的性能特点,对比中低体积分数SiCp/Al铝合金及钛合金的力学物理性能,讨论中低体积分数SiCp/Al的性能优势,总结了中低体积分数SiCp/Al在航空航天领域应用情况及目前的发展现状,并提出未来的发展方向.     

SiCp／Al复合材料微蠕变行为及其影响因素分析

 通过对碳化硅颗粒增强铝基复合材料（ＳｉＣｐ／Ａｌ）微蠕变性能的测试及微观组织分析,研究了ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料微蠕变变形规律及机理。结果表明,ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料微蠕变变形行为可分为二个阶段：第一阶段是可动位错的耗尽阶段；第二阶段位错全面开动、增殖是引起材料微蠕变的主要原因。材料内的增强体颗粒、析出相可有效的提高材料的微蠕变抗力。     

高密度脉冲电流对SiCp/Al板材裂纹的修复作用

针对SiCp/Al材料塑性低、容易产生裂纹的缺陷,研究了高密度脉冲电流对SiCp/Al板材裂纹的修复作用。采用室温拉伸方法预制裂纹,在扫描电子显微镜(SEM)下标定裂纹后,对试样进行脉冲电流(电流密度为31.25A/mm~2)处理,对比分析脉冲电流处理前后裂纹形貌,测试电流处理对含裂纹试样力学性能的影响。结果显示,脉冲电流处理后,试样表面尺寸较小的裂纹直接被焊合,尺寸较大的裂纹宽度减小并且尖端出现了熔化现象;对比试样脉冲电流处理前后的延伸率发现,脉冲电流处理可以使试样预变形后的延伸率提高38%。采用电-热-力耦合的数值分析方法求得通电后SiCp/Al板材裂纹附近的电流场、温度场和应力场,并进行了脉冲电流处理对裂纹修复的机理分析,为脉冲电流修复技术的应用奠定理论基础。     

纤维C涂层对SiC_f/Ti6Al4V界面及拉伸性能的影响

通过对SiC纤维增强Ti6Al4V复合材料的拉伸试件断口与界面观察,研究了SiC纤维C涂层对基体与纤维元素扩散、界面反应层厚度与成分、拉伸断口的影响。结果表明,与纤维无C涂层的SiCf/Ti6Al4V相比较,有纤维C涂层的SiCf/Ti6Al4V界面结合强度较弱、反应层厚度较厚,涂层能有效防止纤维性能在复合过程中下降,提高了复合材料拉伸强度。     

Fabrication of Ti/Al/Mg laminated composites by hot roll bonding and their microstructures and mechanical properties

Ti/Al/Mg laminated composites were successfully fabricated by hot roll bonding. The effects of the rolling reduction on the microstructural evolution and mechanical properties of the composites were explored. The results show that Ti/Al/Mg laminated sheets exhibit good interfacial bonding. The rolling reduction has a significant effect on the deformation inhomogeneity through the thickness of the Al layer. The initial grains of the Al layer near the Ti/Al interface are fragmented into fine equiaxed grains, and the grains at the center and near the Al/Mg interface are elongated. The R-cube shear texture of the Al layer forms near the Ti/Al interface and permeates into the center layer in the samples with greater rolling reductions. The β-fiber rolling texture of the Al layer is observed near the Al/Mg interface and increases with the increase of rolling reduction. The stress–strain curves indicate that the fracture appears first in the Mg layer. With the increasing rolling reduction, the ultimate tensile and yield strength values increase, and the elongation up to the Mg layer fracture decreases.     

脉冲电流辅助粉末夹层TLP连接SiC_p/Al接头微观组织和力学性能

研究脉冲电流辅助瞬间液相(Transient Liquid Phase,TLP)扩散连接技术,采用粉末中间层,利用低压高强脉冲电流通过铝基复合材料搭接面与中间层,从而实现对SiC_p/2024Al复合材料板材的TLP扩散连接。分析不同工艺参数下连接试样的微观组织和力学性能,探索脉冲电流对铝基复合材料连接的影响机理。结果表明:采用真空压强为1×10~(-3)Pa,平均电流密度115 A/mm~2,连接预紧压力为0.5 MPa,连接时间60 min条件下,连接接头形成了良好的冶金连接界面,无缺陷产生;通过对连接接头微观组织观察发现,在脉冲电流作用下,接头原位生成弥散的高强度高硬度金属间化合物增强相,有效地提高了接头的力学性能。     

Cutting path-dependent machinability of SiCp/Al composite under multi-step ultra-precision diamond cutting

Particle-tool interactions, which govern the synergetic deformation of SiC particle reinforced Al matrix composites under mechanical machining, strongly depend on the geometry of particle position residing on cutting path. In the present work, we investigate the influence of cutting path on the machinability of a SiCp/Al composite in multi-step ultra-precision diamond cutting by combining finite element simulations with experimental observations and characterization. Be consistent with experimentally characterized microstructures, the simulated SiCp/Al composite is considered to be composed of randomly distributed polygonally-shaped SiC particles with a volume fraction of 25vol%. A multi-step cutting strategy with depths of cut ranging from 2 to 10 μm is adopted to achieve an ultimate depth of cut of 10 μm. Intrinsic material parameters and extrinsic cutting conditions utilized in finite element simulations of SiCp/Al cutting are consistent with those used in corresponding experiments. Simulation results reveal different particle-tool interactions and failure modes of SiC particles, as well as their correlations with machining force evolution, residual stress distribution and machined surface topography. A detailed comparison between numerical simulation results and experimental data of multi-step diamond cutting of SiCp/Al composite reveals a substantial impact of the number of cutting steps on particle-tool interactions and machined surface quality. These findings provide guidelines for achieving high surface finish of SiCp/Al composites by ultra-precision diamond cutting.