基于真空气压浸渗的连续Al2O3f/Al复合材料微观组织及力学性能研究

作     者：聂明明 

作者单位：南昌航空大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐志锋

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：真空气压浸渗 连续Al2O3f/Al复合材料 基体合金 微观组织 力学性能 

摘      要：连续AlO/Al复合材料因具有高的比强度、比模量及优异的热稳定性、抗疲劳性、耐磨性和可设计性等特点,在现代航天、航空和国防等尖端技术领域有迫切的需求。真空气压浸渗制备连续AlO/Al复合材料可实现材料制备和成形的一体化,但制备过程中依然存在AlO纤维与铝基体润湿性差导致难以实现完全浸渗,以及纤维损伤和界面调控等问题。为此,本文从制备工艺和改变基体合金的角度出发,研究不同纤维预热温度及不同基体合金对连续AlO/Al复合材料微观组织、纤维损伤与力学性能的影响。本文选用Nextel 610 AlO纤维作为增强体,分别选取1A99、ZL210A、ZL301和7075铝合金作为基体合金,采用真空气压浸渗法制备了纤维体积分数为40%的连续AlO/Al复合材料。研究了纤维预热温度对连续AlOf/ZL210A复合材料致密度与微观组织的影响,及其致密化机理,并着重研究了基体合金对连续AlO/Al复合材料纤维损伤、微观组织和力学性能的影响。主要结论如下:纤维预热温度对连续AlOf/ZL210A复合材料致密度与微观组织有明显的影响。预热温度为500℃时复合材料不能完全浸渗成形,预热温度提高至530℃,复合材料的致密度大幅提高至98.8%,且复合材料组织缺陷减少,纤维偏聚程度更低;预热温度进一步提高至560℃时,复合材料的致密度为99%,致密度提高及组织改善幅度均较小。基体合金对复合材料的致密度和微观组织有明显的影响。连续AlOf/1A99、AlOf/ZL210A、AlOf/ZL301及AlOf/7075复合材料的致密度分别为96.8%、98.8%、99.2%和98.1%,连续AlOf/1A99复合材料因纤维/1A99合金之间润湿性差导致存在较大的浸渗孔隙;连续AlOf/ZL210A复合材料则出现了较多的纤维偏聚和浸渗微孔,基体中的Al2Cu相聚集在纤维周边;连续AlOf/ZL301复合材料组织致密,仅出现了少量的纤维偏聚和浸渗微孔,基体中的Mg元素分布均匀;连续AlOf/7075复合材料存在一定的浸渗孔隙和纤维偏聚,基体的主要合金元素Zn分布杂乱。造成这种差异的原因主要是基体合金的铸造性能差异及合金元素对润湿性的改善效果不同。连续AlOf/1A99和AlOf/ZL210A复合材料XRD和TEM分析发现其界面光滑洁净,界面反应程度弱,而连续AlOf/ZL301复合材料发生了一定的界面反应生成了MgAl2O4(镁铝尖晶石),连续AlOf/7075复合材料发生了严重的界面反应生成了Al2(SiO4)O(蓝晶石)和ZnAl2O4(锌铝尖晶石)。从连续AlOf/1A99、AlOf/ZL210A、AlOf/ZL301及AlOf/7075复合材料中萃取出AlO纤维的强度分别为原丝的79.7%、75.7%、72.3%和44.7%,连续AlOf/1A99、AlOf/ZL210A复合材料萃取出的纤维表面较为光滑,且有少量附着物;连续AlOf/ZL301复合材料萃取出的纤维表面略为粗糙,同样有少量附着物;连续AlOf/7075复合材料萃取出的纤维表面非常粗糙且有较多附着物。这应是不同基体与纤维发生的界面反应程度不一,最后表现为对纤维的损伤程度不同。采用从复合材料中提取纤维的方法比TEM等手段来判断复合材料界面反应的程度更为简便、直观全面。在预热温度530℃、浸渗温度720℃、浸渗压力7MPa及保压时间5min条件下制备的1A99、ZL210A、ZL301及7075四种基体合金的强度分别为66MPa、165MPa、126MPa和122MPa,对应的四种复合材料的拉伸强度依次为465MPa、479MPa、680MPa和389MPa,其中,连续AlOf/ZL301复合材料的拉伸强度达到理论值的71.5%。基体合金的强度并不是影响连续AlO/Al复合材料强度的主要因素,界面反应程度和纤维损伤才是决定复合材料强度的主要因素。复合材料的断口SEM分析发现,连续AlOf/1A99复合材料的断口参差不齐,纤维拔出较长,连续AlOf/ZL210A复合材料断口存在一定起伏,仅少量纤维拔出,均呈典型的弱界面结合;连续AlOf/ZL301复合材料断口凹凸不平,较多纤维拔出,界面结合适中;连续AlOf/7075复合材料断口平齐,无纤维拔出,呈强界面结合。复合材料的微缺陷及界面结合强弱是影响其断裂机制的主要因素。