2024Al复合材料力学性能的影响.pdf

粉末热压成形工艺对ＷＣ／２０２４ＡＩ复合材料力学性能的影响６３粉末热压成形工艺对ＷＣＰ／２０２４Ａｌ复合材料力学性能的影响—ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＰｏｗｄｅｒＨｏｔｐｒｅｓｓｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｏｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＷＣＰ／２０２４Ａ１Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ梁秋实，毛昌辉，杨剑（北京有色金属研究总院先进电子材料研究所，北京１０００８８）——ＬＩＡＮＧＱｉｕｓｈｉ，ＭＡＯＣｈａｎｇｈｕｉ，ＹＡＮＧＪｉａｎ（ＡｄｖａｎｃｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＧｅｎｅｒａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８８，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用真空热压方法制备了ＷＣ颗粒增强２０２４铝基复合材料（ＷＣ／２ｏ２４ＡＤ，并利用ＸＲＤ，ＳＥＭ，拉伸性能测试等检测手段研究了复合材料的热压温度和ＷＣ颗粒尺寸对ＷＣ。／２０２４Ａ１复合材料力学性能的影响。结果表明，热压温度是控制复合材料发生界面反应的关键因素之一，并且界面反应所生成的反应产物导致复合材料的强度和塑性下降，使复合材料由韧性断裂向脆性断裂转变，复合材料的抗拉强度随成形温度的提高而降低。ＷＣ的颗粒尺寸对ＷＣ。／２０２４Ａ１复合材料的抗拉强度未有显著的影响，但是对塑性影响较大，复合材料的塑性随ＷＣ颗粒尺寸增大而提高。关键词：复合材料；热压温度；颗粒尺寸；拉伸性能中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ——文章编号：１００１４３８１（２０１１）１２００６３０５Ａｂｓｔｒａｃｔ：２０２４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｗｉｔｈｔｕｎｇｓｔｅｎｃａｒｂｉｄｅｐａｒｔｉｃｌｅ（ＷＣ。／—２０２４Ａ１）ｗｅｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｖａｃｕｕｍｈｏｔｐｒｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄＷＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＷＣｐ／２Ｏ２４Ａ１ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｂｙＸＲＤ，ＳＥＭａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｉｎｇ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｅｉａｌｒｅａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＷＣ。／２０２４Ａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅ．ＴｈｅｐｒｏｄｕｃｔｓｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｒｅａｃｔｉｏｎｌｅａｄｔｏｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｏｆｔｈｅＷＣｐ／２０２４Ａ１ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｄｅｃｌｉｎｅ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆＷＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｏｎｔｈｅｐｌａｓｔｉｃｉｔｙａｒｅｍｏｒｅｔｈａｎｔｈａｔｅｆｆｅｃｔｓｏｎｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅＷＣｐ／２０２４Ａ１ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．ＴｈｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆＷＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｈｏｔｐｒｅｓｓｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ；ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｙ—颗粒增强铝基复合材料（ＰａｒｔｉｃｌｅＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＡｌｕｍｉｎｕｍＭａｔｒｉｘＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＰＲＡＭＣｓ）具有高硬度、高比强度、高比刚度和优良的耐磨性、抗疲劳性能口］，并且这类材料的某些物理特性，如：热导率、热膨胀系数、弹性模量等，可以通过改变增强相的种类和体积分数实现可控调节ｌ４］。目前已有颗粒增强铝基复合材料被制成航天器外设支架、发动机活塞和电子封装材料等器件加以应用，这使得ＰＲＡＭＣｓ在航空、航天、汽车和电子等行业中具有广泛的应用前景。ＷＣ。／２０２４Ａ１复合材料是在Ｗ。／２０２４Ａ１复合材料＿７］基础上发展起来的一种新型的颗粒增强复合材料，它改善了Ｗ／２０２４Ａ１复合材料热压成形温度偏低的缺点，可以进一步提高热压坯的致密度。ＷＣ。／２０２４Ａ１复合材料具有较高的力学性能和优良的高能射线（如电子、Ｘ射线等）屏蔽性能，兼具结构性与功能性于一身，且制备工艺简单，可加工性能良好，成本较低。ＷＣ。／２Ｏ２４Ａｌ复合材料在器件要求屏蔽材料小型化及轻型化方面具有优势，可以被广泛应用于核工业、航空航天和国防工业等领域。目前已有很多关于颗粒增强铝基复合材料的报道，但是对于其失效行为仍然存有疑问，因为ＰＲＡＭＣｓ的力学行为与很多因素有关，例如基体合金的强度、颗粒的种类、尺寸、体积分数、分布以及界面状态等。吕毓雄等［８］认为，增强颗粒尺寸减小，复合材料的抗拉强度升高，并且当颗粒尺寸在１０ｍ以下时复合材料的断裂归因于基体延展失效形成的裂纹，而当颗粒尺寸超过１０ｍ时则由增强颗粒解理断裂所致。—ＳｏｏｎＪｉｋＨｏｎｇ＿９等的研究结果表明，提高增强体的体积分数可以提高复合材料的强度，但因颗粒团聚的存在降低了其强度提高的预期，甚至当体积分数达到一６４材料工程／２０１１年１２期定程度后反而导致强度降低。在前期工作中，周云峰等的研究表明，随着ＷＣ颗粒体积分数的提高，ＷＣ／２０２４Ａ１复合材料的疲劳极限和疲劳寿命也随之提高，这与ＣｅｖｄｅｔＫａｙｎａｋ＿１等的结论相一致。而ＣｈｅｎＺＺ＿】等则认为２０２４Ａ１合金中加入ＳｉＣ颗粒后，复合材料的疲劳强度几乎与基体合金相同，甚至略低于基体合金。而目前关于制备工艺影响复合材料的界面行为，进而影响复合材料力学性能的报道还比较少。ＷａｎｇＬｌ１。等的研究发现，一定程度的界面反应可以提高复合材料的强度；但界面反应严重则造成复合材料的抗拉强度和断裂韧性降低。本工作利用真空热压方法制备了ＷＣ。／２ｏ２４Ａ１复合材料，并研究复合材料的热压成形温度和颗粒尺寸对ＷＣ。／２ｏ２４Ａ１复合材料力学性能的影响，探寻其影响规律，期望以此来指导ＷＣ。／２Ｏ２４Ａ１复合材料的制备工艺。１实验材料及方法１．１实验材料本实验中使用的原材料为２０２４铝合金粉末和ＷＣ粉末。２０２４铝合金粉末采用气雾化方法制备，其主要合金成分（质量分数／）为Ｃｕ４．０～４．５，Ｍｇ１．３～１．８，余量为Ａ１；ＷＣ粉末为工业用ＷＣ粉末，平均粒径为２，４．６／．ｔｍ和８ｐｔｍ。１．２实验方法采用真空热压方法制备ＷＣ／２０２４Ａ１复合材料。铝合金粉末与ＷＣ粉末经过烘干、机械混合，混合粉℃℃末分别在５４０，５６０，５８０和５９５、成形压力为７０ＭＰａ条件下真空热压成复合材料坯锭，并直接在成形坯锭上制取拉伸试样用以研究成形温度对复合材料力学性能的影响。而不同ＷＣ颗粒尺寸的ＷＣ／℃２ｏ２４Ａ１复合材料在５４０真空热压成形后再经过热挤压（挤压比为２５：１）和Ｔ４热处理，然后制成拉伸试样进行力学性能测试，研究ＷＣ颗粒尺寸对复合材料—力学性能的影响。采用ＸＰＥＲＴＰＲＯＸ射线衍射仪对复合材料的物相进行分析；用ＪＥＭ一２１００Ｆ场发射扫描电子显微镜对微观组织及断口形貌进行观察；采用—岛津ＳＨＩＭＡＤＺＵＡＧ一２５０ＫＮＩＳ万能实验机进行拉伸一ｔｉ能测试。２结果与分析２．１成形温度对力学性能的影响图１为在不同温度下真空热压ＷＣ／２０２４Ａ１复合℃材料的ＸＲＤ图谱。可以看出，在５４０热压的复合材料ＸＲＤ谱线中只有Ａｌ和ＷＣ的衍射峰；当热压温度℃升高到５６０，复合材料的ＸＲＤ谱线中开始有新相（ＷＡ１和Ａ１Ｗ）的衍射峰出现。继续升高热压温度，新相衍射峰的强度并未随之发生明显的增强，直到热℃压温度升高到５９５，反应产物的衍射峰强度急剧增强。可见，成形温度是控制ＷＣ。／２０２４Ａｌ复合材料中的界面反应的重要因素之一。２／（。）图ｌ不同温度热压ＷＣ。／２０２４Ａ１复合材料ＸＲＤ图Ｆｉｇ．１ＸＲＤｓｐｅｃｔｒａｏｆＷＣｐ／２０２４Ａ１ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｏｔｐｒｅｓｓｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ不同热压温度下复合材料的拉伸性能和硬度测试结果如图２所示。可知，随着热压温度提高，复合材料的抗拉强度与延伸率下降，屈服强度却略有升高。这是因为，提高热压温度后，复合材料中开始发生明显的界面反应，一方面，界面反应生成了硬而脆的反应产物（ＷＡｌ。和ＡｌＷ），另一方面，界面反应消耗了高塑性的铝基体，二者共同作用导致了复合材料的强度和塑℃性的降低。尤其当热压温度升高到５９５，复合材料中的界面反应变得异常剧烈，其抗拉强度也随之急剧下降，此时复合材料表现出极低的延伸率，呈现明显的脆性断裂特征。由ＷＣ。／２Ｏ２４Ａ１复合材料的断口形貌（图３）中可以看出，未发生界面反应的复合材料断ｌ２０１１０１ＯＯ９０考８０皇７Ｏ６０图２不同热压温度下ＷＣ／２０２４Ａ１复合材料的力学性能Ｆｉｇ．２ＴｈｅｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＷＣｐ／２０２４Ａ１ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｏｔｐｒｅｓｓｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ粉末热压成形工艺对ＷＣ／２Ｏ２４Ａｌ复合材料力学性能的影响６７ＷＣ颗粒尺寸增大，颗粒内部存在缺陷的可能性增大，而且作为陶瓷颗粒，ＷＣ自身的脆性较高，当作用在ＷＣ颗粒上的局部应力较大时，ＷＣ颗粒在较低的应力水平下发生解理断裂，在复合材料中形成微裂纹，成为材料失效的裂纹源，如图５（ｄ）所示。３结论（１）成形温度是影响ＷＣ。／２０２４Ａ１复合材料力学性能的一个重要因素。热压温度升高，复合材料中发生明显的界面反应，导致复合材料的强度和塑性降低。（２）ＷＣ的颗粒尺寸对ＷＣ／２０２４Ａｌ复合材料的强度影响较小，但对复合材料的塑性影响较大。随ＷＣ颗粒尺寸增大，复合材料的塑性得到明显改善。参考文献［１］ＭＡＪＩＤＨＯＳＥＩＮＩ，ＭＡＨＭＯＯＤＭＥＲＡＴＩＡＮ．Ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ——ｏｆｉｎｓｉｔｕａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｕｍｉｎａｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ＿．ＭａｔｅｒｉａｌｓＬｅｔｔｅｒｓ，—２００５，５９（２７）：３４１４３４１８．——［２］ｚｕＬｉｊｕｎ，ＬＵＯＳｈｏｕｊｉｎｇ．ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅｐｏｗｄｅｒｍｉｘｉｎｇａｎｄｓｅｍｉｓｏｌｉｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆＳｉＣ／２０２４Ａ１ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．—ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，１１４（３）：１８９１９３．—Ｅ３］ＣＥＳＣＨＩＮＩＩ，ＭＩＮＡＫＧ，ＭＯＲＲＩＡ．ＴｅｎｓｉｌｅａｎｄｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＡＡ６０６１／２０ｖｏ１．ＡＩ２Ｏ３。ａｎｄＡＡ７００５／１０ｖｏ１．ＡＩ２０３ｐｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，６６（２）：３３３３４２．［４］ＭＡＮＣＨＡＮＧＧＵＩ，ＳＵＫＢＯＮＧＫＯＮＧ，ＫＷＡＮＧＪＵＮＥＵＨ．ＴｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆＡ１ＳｉＣｐｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｂｙｐｌａｓｍａｓｐｒａｙｉｎｇ—ＥＪ］．ＳｃｒｉｐｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，２００５，５２（１）：５１５６．—［５］ＨＵＢＥＲＴ，ＤＥＧＩＳＣＨＥＲＨＰ．ＬＥＦＲＡＮＣＧ，ｅｔａ１．ＴｈｅｒｍａｌｅｘｐａｎｓｉｏｎｓｔｕｄｉｅｓｏｎａｌｕｍｉｎｉｕｍｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，６６（１３）：２２０６２２１７．［６］柏振海，黎文献。罗兵辉，等．一种复合材料弹性模量的计算方法［Ｊ］．中南大学学报：自然科学版，２００６，３７（３）：４３８．［７］练有运．屏蔽ｘ射线铝基复合材料的制备工艺与性能研究［Ｄ］．北京：北京有色金属研究总院，２００７．Ｅ８］吕毓雄，毕敬，陈礼清，等．ＳｉＣ尺寸及基体强度对铝基复合材料—破坏机制的影响［Ｊ］．金属学报，１９９８，３４（１１）：１１８８１１９２．——［９］ＨＯＮＧＳＯＯＮＪＩＫ，ＫＩＭＨＯＮＧＭＯＵＩＥ，ＨＵＨＤＡＥ，ｅｔａ１．—Ｅｆｆｅｃｔｏｆｃ［ｕｓｔｅｒｉｎｇｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＳｉＣｐａｒｔｉｃｕ—ｌａｔｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ２０２４ｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．——ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，２００３，３４７（１２）：１９８２０４．［１０］周云峰，毛昌辉，杨剑，等．ＷＣ／２０２４Ａ１复合材料疲劳性能研究—［Ｊ］．稀有金属，２Ｏ１Ｏ，３４（６）：８７１８７４．—［１］］ＣＥＶＤＥＴＫＡＹＮＡＫ，ＳＵＨＡＢＯＹＩＵ．ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＳｉＣｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｓｏｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆａｎＡＩａｌｌｏｙｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ，２００６，２７（９）：７７６７８２．［１２］ＣＨＥＮｚｚ，ＴＯＫＡＪＩＫ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｏｎｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋ’ｉｎ’ｉｔｉａｔｉｏｎａｎｄｓｍａｌｌｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｉｎＳｉＣｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ—ａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＩ．ｅｔｔｅｒｓ，２００４，５８（１７—１８）：２３１４２３２１．［１３］ＷＡＮＧＩ，ＨＵＪ，ＩＩｚＪ，ｅｔａ１．Ｆｒａｃｔｕｒｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｌｕｍｉｎｕｍ—ｂｏｒａｔｅｗｈｉｓｋｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ６０６１ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ［Ｊ］．——ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，２００８，４９７（１２）：３５８３６２．［１４］ＫＯＵＺＥＩＩＭ，ＭＯＲＴＥＮＳＥＮＡ．Ｓｉｚｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｉｎｐａｒｔｉｃｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄａｌｕｍｉｎｉｕｍ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，２００２，５Ｏ（１）：３９５１．［１５］王涛，毛昌辉，杨剑．ＷＣ／２０２４Ａ１复合材料的热变形行为［Ｊ］．材料科学与工程学报，２０１０，２８（４）：５５８５６２．［１６］徐娜，宗亚平，张芳，等．ＳｉＣ。／Ａ１２６１８复合材料的应力应变曲线和增强颗粒受力的模拟［Ｊ］．金属学报，２００７，４３（８）：８６３８６７．收稿日期：２０１１０１－０４；修订日期：２Ｏ１１一Ｏ７２６作者简介：梁秋实（１９８２），男，硕士，助理工程师，主要从事金属基功能复合材料的研究工作，联系地址：北京有色金属研究总院先进电子材—料研究所（１０００８８），Ｅｍａｉｌ：ｌｑｓｌ２１３＠１６３．ｃｏｒｎ米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米柴米米米米米米米米米米米米米米米米《航空精密制造技术征订启事●《航空精密制造技术》是国内报道精密制造领域新闻动态与学术交流的中文科技核心期刊。现由中国航空工业集团公司主管，北京航空精密机械研究所主办。本刊旨在交流和推广国内外先进制造技术发展中的新技术、新设备、新工艺、新经验，推动整个精密制造行业的进步。杂志以反映国防科技工业尤其是航空航天领域精密加工、特种加工、工艺过程自动化、测试试验等方面的学术研究、动态发展、技术交流为主要特色，内文６２页，大１６开本，双月１５日出版，国内外公开发行，读者行业覆盖航空、航天、机械、光电子、自动控制、材料与工艺、测试测量等行业。主要读者对象是从事精密加工、机床制造、电子工艺、自动化技术、特种加工、产品性能测试、环境试验、模具设计与制造、材料与热工艺等制造业的广大科技工作者及其他相关行业和高等院校师生。