原位调控Al/Cu金属间化合物颗粒增强铝基复合材料组织性能研究

摘要

金属基复合材料由于具有较好的综合力学性能而被广泛应用于航空、航天、国防等领域。其成分设计、制备方法及相关组织性能研究受到科研工作者广泛关注。累积叠轧(ARB)作为一种大塑性变形技术凭借其工艺简单、成本低、可实现多材料组元复合等优势成为一种较为理想的金属基复合材料制备方法。此外，得益于硬质颗粒阻碍材料塑性变形中位错运动引起的强化作用，利用ARB技术制备颗粒增强铝基复合材料成为一个研究热点。相关研究中所用强化颗粒主要为SiC、Al2O3、B4C等硬质陶瓷颗粒，而同样具有高的硬度的金属间化合物虽然也可被用作基体增强颗粒，但有关研究报道较少。因此，本文提出了ARB技术结合连续梯度退火的方法制备金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的思路，重点研究了颗粒尺寸、形态、在基体中分布、相成分等因素对复合材料组织性能的影响。 本论文主要借助光学显微镜(OM)、硬度计、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、万能拉伸试验机等设备对所得Al/Cu复合板微观组织、界面结合、力学性能、断裂机制进行深入研究。 结果表明：250℃累积叠轧结合350℃条件下不同时间轧后退火处理可以实现板材之间较好界面结合以及Al/Cu金属间化合物的连续生成及破碎，基体晶粒也随轧制道次增加不断细化；Al/Cu界面原子扩散以Cu原子向Al一侧的扩散为主，扩散初期界面反应产物包括Al2Cu、AlCu和Al4Cu9。最终所得8道次复合板中Al/Cu金属间化合物颗粒成分主要为Al2Cu,其形态为椭球型且具有明显的核-壳结构。颗粒尺寸、形态及分布状态可以通过包括原始板材厚度、叠轧道次及退火温度和时间在内的参数调整进行调控；1道次以后，轧制过程中金属间化合物层破碎分离及内部纯铜的伸长会导致新的Al/Cu界面的形成，从而为随后退火过程中更多金属间化合物的产生提供了扩散通道。这一过程中Cu原子在Al基体中固溶度也随着退火次数的增加逐渐增大，从而对材料起到一定强化作用；8道次叠轧所得Al/Cu复合板强度最高(181MPa)，约为退火态1060强度的1.8倍，但延伸率最低。5道次所得复合板具有最好的强度-塑性匹配(161.3MPa,4.1%)。复合板内部界面结合强度随叠轧道次的增加不断提高。断口分析表明铝层断裂机制为塑性断裂，韧窝形态由等轴状逐渐转变为剪切状，表明其塑性逐渐降低。Al/Cu金属间化合物颗粒处具有典型的脆性沿晶断裂特征；复合板试样原位拉伸载荷-位移曲线由弹性阶段，塑性阶段和失效阶段三部分组成。8道次复合板由于脆性颗粒较多，塑性阶段占比相对0道次大幅减小，弹性阶段占比增加。其主裂纹的形成及扩展主要通过颗粒内部微裂纹的贯通，颗粒边缘孔洞的产生及内部Al/Al界面横向局部分层共同作用来实现。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 典型金属复合板制备方法

1.2.1 扩散焊法

1.2.2 爆炸焊法

1.2.3 轧制复合法

1.3 累积叠轧法

1.3.1 累积叠轧法简介

1.3.2 累积叠轧在Al及Al合金中的应用

1.3.3 金属间化合物在金属基复合材料中的应用

1.4 累积叠轧中主要强化机制

1.4.1 细晶强化

1.4.2 位错强化

1.4.3 第二相强化

1.5 课题研究内容

第2章 实验设计及材料制备

2.1 实验设计

2.2 实验材料

2.3 Al/Cu复合板制备

2.3.1 板材退火处理

2.3.2 板材表面处理

2.3.3 板材组坯及固定

2.3.4 累积叠轧(ARB)过程

2.4 组织观察与性能测试

2.4.1 金相组织观察

2.4.2 SEM分析

2.4.3 TEM分析

2.4.4 XRD测试

2.4.5 力学性能测试

2.4.6 硬度测试

2.4.7 原位拉伸测试

第3章 Al/Cu复合板微观组织与界面特征

3.1 Al/Cu复合板光学显微组织观察

3.1.1 原始1060板材组织

3.1.2 不同叠轧道次Al层组织变化

3.2 Al/Cu复合板组织分析

3.2.1 SEM组织观察

3.2.2 Al/Cu IMCs颗粒形成机制

3.2.3 颗粒尺寸及长径比

3.3 Al/Cu界面扩散层

3.3.1 热处理对界面扩散的影响

3.3.2 Al/Cu金属间化合物(IMCs)层结构形态特征

3.3.3 扩散反应机制

3.4 XRD分析

3.5 本章小结

第4章 Al/Cu复合板力学性能研究

4.1 力学性能分析

4.1.1 1060板材拉伸性能

4.1.2 Al/Cu复合板拉伸性能

4.2 硬度分析

4.3 断口分析

4.3.1 宏观断裂特征

4.3.2 断口SEM形貌

4.4 本章小结

第5章 Al/Cu复合板原位拉伸

5.1 载荷-位移曲线

5.2 试样变形及断裂行为

5.3 宽度变化

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文