日本中田荣一教授作学术报告

7月29日上午,日本材料工艺研究所的中田荣一教授在703所做了有关金属基复合材料的学术报告。他就材料的制造工艺、破坏形式、力学性能及改善措施等方面对纤维增强复合材料和晶须增强复合材料做了较全面的介绍。他认为,B/Al、B/Mg、C/Mg是最有发     

不连续碳化硅增强铝基复合材料磨损性能的研究

本文对粉末冶金法制备的SiC晶须(SiC_w)与SiC颗粒(SiC_p)增强的2024Al、2124Al复合材料在销盘式磨料磨损试验机上进行了磨损试验,并用扫描电镜对磨损表面进行了观察。结果表明,与基体合金相比复合材料的抗磨性能显著提高,复合材料的抗磨性能主要取决于增强组元的含量与大小,30vol.％SiC_(p(20μm))/2024Al复合材料的抗磨性可达基体合金的5倍。     

SiCp／Al复合材料直流脉冲点焊核心组织及断裂行为研究

本文对SiC_p/Al金属基复合材料直流脉冲点焊的焊点核心组织进行了研究,主要对焊核SiC颗粒的再分布及其对焊点剪切撕裂行为的影响进行了较深入的探讨。结果表明,SiC_p/Al在采用直流脉冲点焊进行焊接时,焊点核心中的SiC颗粒在电磁搅拌力作用下,向椭圆形核心长轴方向的边界聚集,造成分布不均,致使焊点在剪切撕裂断裂时,断裂发生在富SiC颗粒区与贫SiC颗粒或无SiC颗粒区的交界,以及SiC颗粒数量较少的区域。     

SiC晶须增韧SiC mini复合材料的制备与性能分析

采用CVI工艺制备了SiC晶须增韧SiC(SiCW/SiC)mini复合材料,研究了其微观结构和力学性能.实验结果表明:SiC晶须的体积分数达到45%～50%,SiCW/SiC mini复合材料的维氏显微硬度平均值为19.04GPa,断裂韧度平均值达到6.51MPa·m1/2.微观结构观察证实SiC晶须的引入在mini复合材料中产生了晶须桥联、晶须拔出、晶须断裂和裂纹偏转等增韧机制,为后续SiCW/SiC复合材料的制备奠定了基础.     

PIP工艺制备SiC晶须增强SiCf/SiC复合材料的性能

以不同界面层厚度的SiC纤维为增强相,采用先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备SiC_f(PyC)/SiC复合材料,并在复合材料基体中引入SiC晶须,对其性能进行研究。结果表明:热解碳(PyC)界面层厚度约为230 nm时,SiC纤维拔出明显,SiC_f/SiC复合材料拉伸强度、弯曲强度和断裂韧度分别达到192.3 MPa、446.9 MPa和11.4 MPa?m^1/2;在SiC_f/SiC复合材料基体中引入SiC晶须后,晶须的拔出、桥连及裂纹偏转等增韧机制增加了裂纹在基体中传递时的能量消耗,使复合材料的断裂韧度和弯曲强度分别提高了22.9%和9.1%。     

原位自生TiB2/Al基复合材料的制备及性能

在合金的基础上进一步引入纳米陶瓷颗粒,从而制备出颗粒增强金属基复合材料,是提高金属材料综合性能的重要手段。本文从原位自生TiB_2/Al基复合材料的制备方法、不同加工工艺下复合材料的微观组织、复合材料的力学性能三个方面总结了其研究现状,同时展望了原位自生TiB_2/Al基复合材料的发展方向。通过原位自生方法制备出的TiB_2颗粒增强铝基复合材料具有颗粒尺寸小、与基体界面结合良好等优点。通过合金化设计、热加工塑性变形、快速凝固工艺可进一步改善纳米陶瓷颗粒的分散性。相对于外加法制备的金属基复合材料,原位自生TiB_2/Al基复合材料具有更加优异的力学性能,如弹性模量、强度、抗疲劳性能、抗蠕变性能等。     

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。     

连续SiC纤维增强Ti_3Al基复合材料力学性能研究

采用箔—纤维—箔方法制备了连续SiC纤维增强Ti_3Al基复合材料(SiC_f/Ti_3Al),测定了两种SiC纤维增强Ti_3Al基复合材料的力学性能,分析了热处理工艺对复合材料力学性能的影响,讨论了复合材料在不同条件下的断裂机制研究表明,国产SiC纤维(无碳涂层)增强Ti_3Al复合材料的界面结合强度高于有碳涂层纤维增强的复合材料,力学性能却低于SCS-6纤维(有碳涂层)增强的复合材料。当热处理时间延长时,SCS-6/Ti_3Al复合材料界面反应层厚度增加,复合材料的力学性能下降。     

SiCp含量及缓蚀剂对SiCp／Al金属基复合材料腐蚀行为的影响

研究了ZL101A铝合金及以其为基体含5vol%,10vol%,15vol%和20voll%SiCP的SiCP/Al金属基复合材料在3.5%NaCl溶液中的腐蚀行为,通过添加钼酸钠、硅酸钠等缓蚀剂在3.5%NaCl溶液中,将SiCP/Al金属基复合材料在室温下浸泡一定的周期,采用失重法和SEM技术分别计算腐蚀速率和分析腐蚀后的微观组织形貌.试验结果表明SiCP颗粒增强物的加入对SiCP/Al金属基复合材料腐蚀速率影响不大,甚至略有降低,SiCP改变了铝合金基体表面腐蚀的形核和发展,点蚀数量增加、深度变浅.添加缓蚀剂后,抑制了SiCP/Al金属基复合材料表面点蚀的形成,与钼酸钠缓蚀剂相比,硅酸钠具有良好的缓蚀作用,当SiCP颗粒增强物的含量达到15vol%和20vol%时,缓蚀剂的缓蚀效果明显下降.     

基于单颗金刚石磨粒磨削的SiCp/Al复合材料仿真与试验研究

本文主要开展了单颗金刚石磨粒磨削碳化硅颗粒增强铝基(SiC_p/Al)复合材料的试验及三维有限元仿真研究。分析了SiC_p/Al复合材料磨削过程中磨削工艺参数对磨削力及表面形貌等的影响。分析结果表明,随着磨粒转速的增加,磨削力减小,SiC颗粒破碎现象有所缓解,铝基体的涂覆作用增强,表面形貌完整性好;随着磨削深度的增加,磨削力增大,SiC颗粒破碎明显增强,表面形成较多凹坑与孔洞,表面质量差。仿真结果与试验结果较吻合,说明该仿真模型可用于磨削工艺参数的优化分析。     

晶须增强金属基复合材料微结构参数优化设计

讨论了增强体体积比、长径比、基体与增强体的模量比以及增强体取向分布、基体的热处理状态对复合材料刚度模量的影响 ,建立了晶须增强金属基复合材料微结构参数与宏观力学性能间的定量关系 ,探索了晶须增强金属基复合材料微结构参数优化设计方法 ,给出了该材料微结构参数优化设计的典型算例     

SiC颗粒增强Al-Li基复合材料力学性能试验研究

对SiC颗粒增强Al -Li基复合材料开展了包套挤压技术研究 ,研究了SiC颗粒含量、挤压比和热处理工艺参数对复合材料力学性能的影响规律 ,探讨了其影响机制     

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     

SiCp/Al复合材料加工损伤及刀具优选研究进展

SiC_p/Al复合材料中增强相SiC颗粒的存在降低了该材料的加工性能,使得其切削加工时产生一系列加工损伤。本文综述了SiC_p/Al复合材料的加工缺陷类型、缺陷形成机理、缺陷控制策略和切削刀具的磨损机理与优选策略,并对今后SiC_p/Al复合材料加工损伤研究进行了展望。     

SiC及其复合材料

1987年11月12日至15日,美国华盛顿大学(University of Washington)材料科学与工程系教授勃拉特博士(Dr.R.C.Bradt)来我所访问,商谈协作事宜并作了多次学术报告,包括: 1.SiC的热膨胀和弹性各向异性; 2.连续纤维增强SiC基体复合材料的热膨胀; 3.SiC和Al_2O_3 纤维增强SiC 基体的抗断裂破坏。     

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的研究

采用加压浸渗法成功制备了SiC_p/Al(纯)复合材料,探讨了加压浸渗工艺并测定了复合材料的力学性能。试验结果表明,向SiC颗粒内加入适量添加剂后制成的预制件,更有利于铝液的渗透,从而能有效地提高复合材料的强度。试验结果还表明,在本试验范围内(SiC颗粒体积分数30％～50％,颗粒粒径0.1～5μm),复合材料的强度随SiC百分含量的增加而增加,随SiC颗粒粒径的减小而呈上升趋势。     

无压浸渗SiCp/Al复合材料干摩擦磨损性能研究

采用无压浸渗法制备了不同SiC颗粒体积分数以及不同SiC颗粒粒度的Al基复合材料.以硬质合金(80%WC 20%Co)为对摩试样进行了干摩擦试验,研究了颗粒体积分数(15%,25%,35%,45%,55%)、颗粒粒度(110μm,63μm,45μm)以及载荷(196N,392N)对SiCp/Al复合材料干摩擦磨损性能的影响.采用SEM和EDS分析了铝合金基体、复合材料的磨损表面及磨损机理.研究结果表明,颗粒体积分数在15%～35%之间时,复合材料的耐磨性明显优于铝合金基体.载荷为196N时,铝合金的磨损率是15%,25%,35%SiCp(110μm)/Al复合材料的2.16,2.76,2.07倍.SiCp/Al复合材料的磨损率随着颗粒粒度的增加、载荷的减小而降低.SiC颗粒的体积分数对铝基复合材料的磨损率和磨损机制有显著影响:SiC颗粒体积分数存在一个最佳值(25%),此时复合材料的磨损率最小,耐磨性能最好.当体积分数小于25%时,复合材料磨损率随着体积分数的增加而下降,磨损机制以磨粒磨损为主,而当体积分数大于25%时,复合材料磨损率随着体积分数的增加而上升,磨损机制以表层剥落磨损为主,同时伴有磨粒磨损.     

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。     

氮化硅陶瓷的增韧研究

研究了加入ZrO_2和SiC晶须对热压烧结Si_3N_4的增强增韧作用。加入ZrO_2和SiC晶须能提高复合材料的断裂韧性K_(IC),但降低了抗弯强度。分别加入10vol％纯ZrO_2和含有钇的Y-ZrO_2,使Si_3N_4陶瓷的室温K_(IC)从原来的6.3MPa·m~(1/2)分别提高到7.3MPa·m~(1/2)和7.6MPa·m~(1/2)。加入10wt％SiC晶须,使Si_3N_4陶瓷的室温K_(IC)从6.3MPa·m~(1/2)提高到7.1MPa·m~(1/2)。     

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.