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International Journal of Minerals,Metallurgy and Materials 2024年第10期31卷 2233-2243页

作者： Guonan Ma shize zhu Dong Wang Peng Xue BolüXiao Zongyi Ma Shi-changxu Innovation Center for Advanced Materials Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China Centre of Excellence for Advanced Materials Dongguan 523808China

A high-zinc composite,12vol%SiC/Al-13.3 Zn-3.27 Mg-1.07Cu(wt%),with an ultra-high-strength of 781 MPa was success-fully fabricated through a powder metallurgy method,followed by an extrusion *** effects of solid-solution and aging heat treat-ments on the microstructure and mechanical properties of the composite were extensively *** with a single-stage sol-id-solution treatment,a two-stage solid-solution treatment(470℃/1 h+480℃/1 h)exhibited a more effective solid-solution strengthen-ing owing to the higher degree of solid-solution and a more uniform *** to the aging hardness curves of the com-posite,the optimized aging parameter(100℃/22 h)was *** the aging temperature and time resulted in finer and more uniform nanoscale precipitates but only yielded a marginal increase in tensile *** fractography analysis revealed that intergranu-lar cracking and interface debonding were the main fracture mechanisms in the ultra-high-strength SiC/Al-Zn-Mg-Cu *** regions,such as the SiC/Al interface containing numerous compounds and the precipitate-free zones at the high-angle grain boundaries,were identified as significant factors limiting the strength enhancement of the *** compounds,including MgO,MgZn2,and Cu5Zn8,reduced the interfacial bonding strength,leading to interfacial debonding.

关键词： metal matrix composites heat treatment interfacial reaction mechanical properties fracture mechanism

Two-stage aging treatment to accelerate aging kinetics without impairing strength in B_4C/7A04Al composite

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Science China(Technological Sciences) 2024年第8期67卷 2485-2492页

作者： CHEN YunTao MA GuoNan zhu shize WANG Dong XIAO BoLv MA ZongYi Shi-Changxu Innovation Center for Advanced Materials Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China School of Materials Science and Engineering University of Science and Technology of ChinaShenyang 110016China Centre of Excellence for Advanced Materials Dongguan 523808China

Aging treatments are the key process to obtain satisfactory strength for 7xxxAl alloys and their composites. However, traditional single-stage(SS) aging is time-consuming to reach a peak strength condition. In this study, an efficient 120℃ + 160℃ two-stage(TS) aging treatment was proposed on a B_4C/7A04Al composite fabricated via powder metallurgy(PM) technology, which could acquire similar peak-aging strength but only took about 15% of the time compared to traditional 120℃ SS aging. The evolution of precipitation during the TS aging was investigated, as well as those of the 7A04Al alloys for comparison. In the second stage aging process, the higher aging temperature accelerated the nucleation of η′ phases inside the grains and thus increased the density of precipitates. Moreover, the short aging time limited the coarsening of precipitates and the broadening of precipitatefree zones. The above factors were beneficial for quickly obtaining satisfactory precipitation strengthening effects. The B_4C/7A04Al composite exhibited slower aging kinetics than the 7A04Al alloy in the TS aging. Mg elements consumption by the chemical reaction between B impurities introduced by B_4C particles and the Al matrix was considered to potentially retard the aging kinetics of the B_4C/7A04Al composite. Nevertheless, the precipitation sequence was not affected.

关键词： aluminum matrix composites aging treatment powder metallurgy mechanical properties precipitation

淬火冷却方式及宏观取向对Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能的影响

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材料工程 2024年第9期52卷 124-132页

作者：刘景新朱士泽肖伯律马宗义沈阳理工大学材料科学与工程学院沈阳110159 中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016

以7050铝合金为研究对象,研究热处理状态(空冷时效与水冷时效)和宏观取向(与轧制方向成0°,45°,90°)耦合作用对合金力学性能的影响。结果表明:水冷时效态的样品中析出相细小均匀弥散,晶界无析出带较窄。在空冷时效态下,过饱和的溶质... 详细信息

以7050铝合金为研究对象,研究热处理状态(空冷时效与水冷时效)和宏观取向(与轧制方向成0°,45°,90°)耦合作用对合金力学性能的影响。结果表明:水冷时效态的样品中析出相细小均匀弥散,晶界无析出带较窄。在空冷时效态下,过饱和的溶质不仅会以半共格的Al3Zr为核心形成粗大析出相,还会沿位错大量析出。此外,与水冷时效态相比,空冷时效态晶界相尺寸大幅增加,晶界无析出带显著宽化,不同宏观取向样品的强度和伸长率都明显下降。宏观取向对两种状态样品强度的差值影响较小,但对伸长率的差值影响较大。当拉伸方向与轧制方向成45°方向时,空冷诱导的伸长率下降幅度最小;当拉伸方向与轧制方向成90°时,下降幅度最大。

关键词： Al-Zn-Mg-Cu合金析出相淬火敏感性织构

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无压烧结温度对15%SiC/2009Al复合材料微观组织与力学性能的影响

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材料工程 2024年第5期52卷 76-82页

作者：边鹏博朱士泽张峻凡肖伯律马宗义沈阳理工大学材料科学与工程学院沈阳110158 中国科学院金属研究所沈阳110016

针对传统粉末冶金工艺制备成本高、制备效率低等问题,采用冷等静压结合无压烧结及热挤压工艺制备15%(体积分数,下同)SiC/2009Al复合材料。研究不同烧结温度(600,620,640℃)对15%SiC/2009Al复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明:... 详细信息

针对传统粉末冶金工艺制备成本高、制备效率低等问题,采用冷等静压结合无压烧结及热挤压工艺制备15%(体积分数,下同)SiC/2009Al复合材料。研究不同烧结温度(600,620,640℃)对15%SiC/2009Al复合材料微观组织及力学性能的影响。结果表明:在600℃下烧结,SiC与基体间的结合差,微观下可观察到较多的大尺寸孔隙,材料的致密度低,力学性能差;在640℃高温下烧结,坯锭产生大量液相,并溢出到坯锭表面,造成心部合金元素下降,此外,640℃会引发强烈的界面反应,生成较多大尺寸脆性相,成为材料断裂过程中的裂纹源,导致材料性能下降;620℃为最佳烧结温度,产生较多的液相能填充坯锭中的部分孔隙,进而提高材料致密度以及界面结合强度,复合材料的强度和塑性均取得最佳值,抗拉强度与屈服强度分别达到505,345 MPa,伸长率达到7.2%。

关键词： SiC颗粒铝基复合材料冷等静压烧结温度力学性能

铝粉粒径和热压温度对15%SiC/2009Al复合材料力学性能的影响

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材料研究学报 2024年第6期38卷 401-409页

作者：边鹏博韩修柱张峻凡朱士泽肖伯律马宗义中国科学院金属研究所、师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 沈阳理工大学材料科学与工程学院沈阳110159 北京空天飞行器总体设计部北京100094

将不同粒径(13μm和32μm)的Al粉在不同温度用粉末冶金加热挤压工艺制备出复合材料15%SiC/2009A1,用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)和电子万能试验机对其表征,研究了Al粉的粒径对其微观组织和力学性能的影响。结果表明... 详细信息

将不同粒径(13μm和32μm)的Al粉在不同温度用粉末冶金加热挤压工艺制备出复合材料15%SiC/2009A1,用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)和电子万能试验机对其表征,研究了Al粉的粒径对其微观组织和力学性能的影响。结果表明,用小粒径Al粉在任一温度热压制备的复合材料其强塑性都优于用大粒径Al粉的材料。其原因有:一,大粒径Al粉使SiC颗粒分布不均匀;二,在用大粒径Al粉制备的复合材料中Cu、Mg元素扩散不均匀,与引入的Fe、O元素生成大尺寸难溶相;三,用大粒径Al粉制备的复合材料中SiC颗粒与铝基体的界面结合较弱(尤其是热压温度较低时),在拉伸变形过程中大量SiC颗粒与铝基体脱粘。用两种粒径Al粉制备的复合材料,随着热压温度的变化其断裂方式不同。用小粒径Al粉在不同温度热压制备的复合材料,其断裂方式均为铝基体的韧性撕裂和SiC颗粒断裂。用大粒径Al粉制备的复合材料低温热压时其断裂方式为SiC-Al界面脱粘,热压温度提高可改善界面结合,使断裂方式变为铝基体的韧性撕裂和SiC颗粒断裂。热压温度为580℃用两种粒径Al粉制备的复合材料力学性能最佳,尤其是用小粒径Al粉制备的材料其抗拉强度、屈服强度分别达到556 MPa、381 MPa,延伸率达到9.2%。

关键词：复合材料力学性能粉末冶金铝粉粒径热压温度

时效温度对SiC/Al-Zn-Mg-Cu复合材料时效析出行为的影响

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金属学报 2024年第8期60卷 1043-1054页

作者：张冉朱士泽刘振宇柯于斌王东肖伯律马宗义中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016 散裂中子源科学中心东莞523803 中国科学院高能物理研究所北京100049

SiC/Al-Zn-Mg-Cu复合材料力学性能的提升需要充分理解SiC颗粒的添加对Al基体时效析出行为的影响。但由于受到表征手段的限制,其内在机制尚不明确。本工作结合原位小角中子散射、透射电子显微术和拉伸实验等手段,研究了时效温度(100和160... 详细信息

SiC/Al-Zn-Mg-Cu复合材料力学性能的提升需要充分理解SiC颗粒的添加对Al基体时效析出行为的影响。但由于受到表征手段的限制,其内在机制尚不明确。本工作结合原位小角中子散射、透射电子显微术和拉伸实验等手段,研究了时效温度(100和160℃)对15%SiC(体积分数)增强Al-7.5Zn-1.8Mg-1.7Cu(质量分数,%)复合材料时效析出行为与沉淀强化机制的影响,并与Al-7.5Zn-1.8Mg-1.7Cu合金进行了对比。结果表明,100℃时效时,随着时效时间由0.5 h延长至3 h,复合材料中的析出相由GPI区演变为GPI区+GPII区,且尺寸明显增加。但由于该温度下时效动力学缓慢,析出相的体积分数仅略有增加。析出相尺寸和体积分数的增加均可以增大位错切过析出相的阻力,从而提升复合材料的沉淀强化能力。160℃时效温度下时效动力学加速,复合材料中析出相的尺寸和体积分数均随时效时间的延长而增加,析出相类型也由时效0.5 h的GPII区+η'相演变为时效3 h的η'相+η相。此时的沉淀强化机制以绕过型为主,尽管析出相体积分数的增加有利于提高复合材料的强度,但其尺寸的增大以及强化能力较差的平衡相η相的出现却会削弱强化效果,因此复合材料的屈服强度随时效时间的延长仅有小幅提高。与Al-7.5Zn-1.8Mg-1.7Cu合金相比,100与160℃时效3 h后复合材料的屈服强度均降低,但相关机制并不相同。100℃时效时2种材料中析出相的类型和尺寸大致相同,但复合材料由于SiC/Al界面反应消耗Mg导致析出相的体积分数减少,从而使得沉淀强化能力减弱。160℃时效时加速的时效动力学补偿了Mg消耗引起的析出相体积分数的减少,但复合材料中较低的空位浓度导致析出相粗化且平衡相η相占比增加,这也会削弱其沉淀强化能力。

关键词： SiC/Al-Zn-Mg-Cu复合材料时效析出行为强化机制小角中子散射

航天装备牵引下的铝基复合材料研究进展与展望

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金属学报 2023年第4期59卷 457-466页

作者：马宗义肖伯律张峻凡朱士泽王东中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016

天问一号是我国第一个行星探测器,其核心祝融号火星车承担着星面巡视和探测重任,已圆满完成预定90个火星日的探测并进入拓展任务。火星车上使用了多种SiC颗粒增强铝基复合材料,分别满足承载结构、运动机构、探测器结构的轻量化、耐磨损... 详细信息

天问一号是我国第一个行星探测器,其核心祝融号火星车承担着星面巡视和探测重任,已圆满完成预定90个火星日的探测并进入拓展任务。火星车上使用了多种SiC颗粒增强铝基复合材料,分别满足承载结构、运动机构、探测器结构的轻量化、耐磨损、耐冲击、尺寸稳定等苛刻服役要求,用量刷新了我国航天器铝基复合材料占比记录。本文介绍了针对火星车需求的4种铝基复合材料的研发历程,尤其是性能仿真、材料成分设计与制备加工等。在此基础上,针对未来飞行器等先进装备更苛刻服役工况对材料性能的更高要求,对低成本、高效制备和快速响应的需求,介绍了基于材料基因工程思想与大科学装置的研发新模式,展望了铝基复合材料未来的发展方向。

关键词：铝基复合材料火星车制备加工材料基因工程大科学装置

SiC颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu复合材料的时效行为和力学性能

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金属学报 2023年第12期59卷 1655-1664页

作者：马国楠朱士泽王东肖伯律马宗义中国科学院金属研究所、师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国科学技术大学、材料科学与工程学院沈阳110016

利用粉末冶金法制备了含15%SiC(体积分数)的SiC/Al-7.5Zn-2.8Mg-1.7Cu(质量分数,%)复合材料及其合金,对比了复合材料及其合金的硬度、电导率和力学性能随时效时间延长的变化规律,并提出了适用于SiC/Al-Zn-Mg-Cu复合材料的T6时效热处理... 详细信息

利用粉末冶金法制备了含15%SiC(体积分数)的SiC/Al-7.5Zn-2.8Mg-1.7Cu(质量分数,%)复合材料及其合金,对比了复合材料及其合金的硬度、电导率和力学性能随时效时间延长的变化规律,并提出了适用于SiC/Al-Zn-Mg-Cu复合材料的T6时效热处理工艺。利用TEM和HRTEM技术,对不同时效状态下的纳米析出相进行了定量分析。结果表明,SiC颗粒对复合材料的时效过程具有明显的促进作用,相同人工时效工艺处理后,复合材料中析出相尺寸更大、密度更低。复合材料提前14 h达到硬度最大值(238 HV),且比未增强合金的硬度最大值高29 HV。复合材料晶界处无析出带(PFZ)宽度与未增强合金相似,但粗大的第二相明显增多,这些晶界相和界面反应产物的形成均可消耗合金元素,降低晶内沉淀相的密度。HRTEM结果表明,SiC颗粒没有改变Al-Zn-Mg-Cu合金的时效析出序列,仍为过饱和固溶体(SSS)-GP区-η'-η相,其中过渡相η'是T6态复合材料的主要强化相。

关键词：粉末冶金金属基复合材料时效行为析出相力学性能

聚苯胺/碳螺旋纤维复合材料的合成及其电容特性研究

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材料研究学报 2016年第3期30卷 186-191页

作者：朱士泽唐国霞王健卢娟朱亚波中国矿业大学材料科学与工程学院徐州221116

通过微乳聚合法合成了聚苯胺/螺旋碳纤维(PANI/CMCs)复合材料。通过扫描电子显微镜和红外光谱对复合材料进行表征,发现PANI与CMCs之间有化学键合作用,且PANI的包覆使得CMCs表面变粗糙;当氯仿与反应体系体积比为1∶24时,PANI的包覆量大,... 详细信息

通过微乳聚合法合成了聚苯胺/螺旋碳纤维(PANI/CMCs)复合材料。通过扫描电子显微镜和红外光谱对复合材料进行表征,发现PANI与CMCs之间有化学键合作用,且PANI的包覆使得CMCs表面变粗糙;当氯仿与反应体系体积比为1∶24时,PANI的包覆量大,嫁接状况好。通过恒流充放电法和循环伏安法对材料的电容性能进行表征,发现复合材料的比电容量达134.8 F·g-1,750次恒流充放电循环后比电容保持率达63.3%,比电容量及循环稳定性均明显优于CMCs或PANI本身。

关键词：复合材料螺旋碳纤维聚苯胺微乳聚合电容性能

Cu含量对SiC/Al-Mg-Si-Cu复合材料自然时效负面效应的影响

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金属学报 2021年第7期57卷 928-936页

作者：朱士泽王东王全兆肖伯律马宗义中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心沈阳110016 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

通过硬度测试、DSC分析及TEM观测研究了Cu含量对17%SiC(体积分数)颗粒增强Al-1.2Mg-0.6Six Cu(x=0、0.2、0.6、1.0、1.2,质量分数,%)复合材料自然时效负面效应的影响规律,并与未增强合金进行了比较。结果表明,与不含Cu的情况相比,添加C... 详细信息

通过硬度测试、DSC分析及TEM观测研究了Cu含量对17%SiC(体积分数)颗粒增强Al-1.2Mg-0.6Six Cu(x=0、0.2、0.6、1.0、1.2,质量分数,%)复合材料自然时效负面效应的影响规律,并与未增强合金进行了比较。结果表明,与不含Cu的情况相比,添加Cu可以减小复合材料及铝合金在直接人工时效态和先自然时效后人工时效态的硬度差值(ΔH)。其原因在于Cu可以促进人工时效时β"相析出,并形成稳定性良好的L相(一种含Cu纳米相,不易粗化)。然而,Cu会加剧自然时效团簇形成,这些团簇难以在人工时效时转变成析出相,不利于人工时效硬化。因此,Cu对于抑制自然时效的负面效应既存在有利影响,也存在不利影响,表现为ΔH随Cu含量增加产生波动变化。此外,随Cu含量增加,Cu抑制自然时效负面效应的作用在复合材料和合金中表现出不同的规律。与不含Cu的样品相比,复合材料中添加0.2%Cu即可显著降低ΔH,但在铝合金中Cu需增加至0.6%才出现明显效果。这种差异主要源自2方面原因:其一,在铝合金中添加0.2%Cu即会明显促进自然时效团簇的形成;而复合材料中界面及位错湮灭了空位,故0.2%Cu对自然时效团簇析出行为的影响不大;其二,复合材料中添加0.2%Cu便可形成L相,但合金中却不会。

关键词：金属基复合材料 Al-Mg-Si-(Cu)合金自然时效人工时效负面效应