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工艺参数对粉末触变成形Ti@(Al-Si-Ti)p/A356复合材料组织及性能的影响

工艺参数对粉末触变成形Ti@(Al-Si-Ti)p/A356复合材料组织及性能...

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作者：秦贺兰州理工大学

学位级别：硕士

为了提高粒子增强Al基复合材料的韧性,并且克服其相关生产工艺中的技术问题,本文提出了一种新型的原位自生Ti@(Al-Si-Ti)芯-壳结构粒子增强Al基复合材料(Ti@(Al-Si-Ti)/A l)及其制备技术—粉末触变成形。本文通过研究触变成形过程中重... 详细信息

为了提高粒子增强Al基复合材料的韧性,并且克服其相关生产工艺中的技术问题,本文提出了一种新型的原位自生Ti@(Al-Si-Ti)芯-壳结构粒子增强Al基复合材料(Ti@(Al-Si-Ti)/A l)及其制备技术—粉末触变成形。本文通过研究触变成形过程中重熔时间、重熔温度、模具温度对基体微观组织、增强相粒子的微观结构以及复合材料力学性能的影响,探究出最佳的工艺参数。通过原位拉伸试验观察裂纹的扩展来研究Ti@(Al-Si-Ti)芯-壳结构粒子的增强增韧机理,同时提出了一种微观力学强化模型来预测此种类型复合材料的屈服强度。研究结果表明:随着在半固态温度600℃部分重熔时间的增加,由于Ti@(Al-Si-Ti)芯-壳结构粒子壳层厚度和基体微观组织致密度的增加,复合材料的拉伸性能增加,断裂方式由沿晶转变为沿晶和穿晶的混合断裂机制。但是当重熔时间超过50 min后,由于壳层的破裂、脱落以及t1相向(Al,Si)Ti相的转变,复合材料拉伸性能开始降低。当重熔时间超过9 0 m i n,由于越来越多壳层脱落,更多的细小(Al,Si)Ti粒子更为均匀的分布存在基体中,使之对基体的强化作用再次加强,抗拉强度和屈服强度又开始增加,但是由于脆性的(Al,Si)Ti相的增加以及初生α-A l颗粒的持续粗化,使复合材料延伸率持续降低。重熔50min后获得的Ti@(Al-Si-Ti)可以通过Ti芯和基体的良好的塑性变形,释放裂纹尖端的应力集中,使裂纹尖端发生钝化,使裂纹扩展受到抑制,并且在Ti芯内形成许多细小的裂纹,将裂纹尖端分解为多个不同的扩展方向,使裂纹扩展受到抑制,从而使复合材料拥有良好的韧性。通过考虑晶粒细化、热错配强化、几何必须位错强化、固溶强化以及壳层厚度的增加,经过修正的MSL模型能够很好地预测重熔35 min到50 min后获得的Ti@(Al-Si-Ti)/A 3 5 6复合材料的强度。随重熔温度的升高,由于液相对材料原始孔洞的充填能力及对触变成形过程中凝固收缩补缩能力的增强,加上Ti@(Al-Si-Ti)致密壳层厚度的增加,使复合材料的力学性能先增加,但是当温度超过600℃,随着液相的进一步增加,触变成形过程中凝固行为接近于全液体的凝固行为,导致组织致密度下降,同时因壳层的破裂、脱落,Ti@(Al-Si-Ti)的强化作用降低,使复合材料的拉伸性能降低,尤其是延伸率下降趋势明显。在模具温度较低时,由于较快的凝固速率,在二次凝固组织中容易产生缩松缺陷,使外加载荷无法有效的传递到芯-壳结构增强体,材料的力学性能较低,随着模具温度的升高,组织的致密度和均匀性得到了很大的改善,力学性能得到了很大的提升。但是当模具温度超过250℃,由于二次初生相的依附长大,初生相颗粒逐渐形成固相骨架,使包裹的液相在凝固过程中得不到补缩,容易形成缩松而成为复合材料的弱点,使材料力学性能降低。当重熔温度为600℃,重熔时间为50 min,模具温度为200℃时,触变成形获得的Ti@(Al-Si-Ti)/A 3 5 6复合材料拥有最佳的综合力学性能:抗拉强度,屈服强度和延伸率分别为:373 MPa,268 MPa,8.3%,与重熔180 min后获得的单一的(Al,Si)Ti p/A 3 5 6复合材料相比,在延伸率提高了167.8%的同时,而抗拉强度和屈服强度分别只降低了2.1%和3.5%。

关键词： Ti@(Al-Si-Ti)p/A356复合材料芯-壳结构增强粒子粉末触变成形工艺参数微观组织力学性能

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Ti-Al-2024Al混合粉末冷压块部分重熔过程中的组织演变

Ti-Al-2024Al混合粉末冷压块部分重熔过程中的组织演变

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作者：秦亚红兰州理工大学

学位级别：硕士

本文提出了一种新型的原位自生芯-壳结构粒子Ti@AlTi增强的Al基复合材料及其制备技术—粉末混合触变成形。该新型复合材料有望克服现有粒子增强铝基复合材料质脆的问题,该技术综合了粉末冶金技术和触变成形技术的优点。先以粉末冶金法... 详细信息

本文提出了一种新型的原位自生芯-壳结构粒子Ti@AlTi增强的Al基复合材料及其制备技术—粉末混合触变成形。该新型复合材料有望克服现有粒子增强铝基复合材料质脆的问题,该技术综合了粉末冶金技术和触变成形技术的优点。先以粉末冶金法的混粉和压实步骤获得混合粉末冷压制块,然后利用触变成形的部分重熔和成形步骤,最终获得复合材料零部件。部分重熔过程不仅可以获得触变成形所需半固态组织,而且通过原位反应得到Ti@AlTi芯-壳结构的增强体粒子。本文以Ti-Al-2024Al混合粉末冷压块为研究对象,研究了Ti-Al-2024Al混合粉末冷压块在部分重熔过程中的组织演变,同时通过点滴实验模拟了Ti与Al之间的反应,目的是为后期触变成形奠定理论基础。研究结果表明:Ti-Al-2024Al混合粉末冷压块在640℃加热60min之后,可获得细小、近球状初生相颗粒均匀悬浮于液相中的理想的半固态组织。部分重熔过程中的微观组织演变可以分为四个阶段:2024Al粉末中共晶组织的溶解导致的粉末内部晶粒的快速粗化(0min);球状初生相颗粒的形成和颗粒间的液相薄膜的形成(5min5min),一个球状粉末演变成一个初生相颗粒;粉末部分熔化导致液相率增加和为了减小固液界面能而发生的初生相颗粒的轻微粗化(15min5min);初生相颗粒的缓慢粗化(25min。过低或过高的重熔温度都不能获得理想的半固态组织,结合基体合金在不同温度重熔60min的组织演变情况,640℃为最佳的半固态重熔温度。组织中的孔隙数量随着加热时间的变化情况也分为三个阶段:部分重熔初期(05min),组织中的液相率低,由元素扩散系数不同引起的Kirkendall效应占主导地位,导致孔隙数量随加热的延长而迅速增加。重熔中期(150min),试样温度上升,粉末部分熔化,组织中液相率增加,液相对孔隙的填充作用逐渐占主导地位,导致孔隙数量随加热时间的延长而降低。重熔后期(30min以后),相变引起孔隙数量增加占主导:Ti转变成AlTi,体积膨胀,颗粒之间的斥力增加,导致组织中的孔隙数量迅速增加。组织中孔隙数量随温度的变化情况表明:随着部分重熔温度的升高,组织中的液相增加,液相对孔隙的填充作用远大于Kirkendall效应。从而使孔隙数量随重熔温度的升高而不断减小。随着加热时间的延长,在液相填充和减小固-气界面能的驱动下,组织中孔隙的形状逐渐趋于圆整,孔隙的尺寸也逐渐减小。在640℃下加热150min Ti粉颗粒与Al熔体反应形成一种由金属间化合物AlTi致密层包裹Ti芯的壳-芯的芯-壳结构粒子-Ti@AlTi。随着加热时间的延长,AlTi反应层沿Ti粉末的径向生长,厚度逐渐增加。对于一定尺寸的Ti粉末而言,当AlTi反应层达到一定厚度时,在Kirkendall效应、相变引起的体积变化和AlTi脆性本质三者的综合作用下,孔洞和裂纹会在AlTi反应层中形成,导致AlTi相的破碎和剥落。接着又形成一致密层,随后又破裂、剥离,如此反复直至Ti粉颗粒反应完。当加热至210min以后,Ti颗粒几乎全部反应完全,形成中间致密外层疏松的AlTi颗粒聚集体。AlTi反应层的厚度随加热时间呈抛物线规律增长,其关系式可表述为88.0(28)(35)1.0 tx。经计算,由TTiAli3?相变引起的体积膨胀大约为261%,因体积膨胀在反应层中引起的应力大小可由(7) 计算得到。AlTi反应层的厚度随部分重熔温度的升高呈线性增长。点滴实验结果表明:AlTi反应层是双向生长的,但向Ti板一侧的推进速度要小于往Al一侧推进的速度,原因是由于Ti原子通过AlTi向Al熔体中的扩散速率要大于Al原子通过AlTi向Ti板中的扩散速率。通过统计和分析可知,粉末压块和点滴实验中反应层厚度随时间的二次拟合关系式分别为:17.021.443.02tt X(10)(10)-(28)b,06.***.112.02tt X(10)(10)-(28)a,表明混合粉末压块实验中Al-Ti的反应速率快,这是由于在粉末压块实验中,Ti颗粒与Al液的接触面积要大于点滴实验中Ti板与Al液的接触面积。此外,点滴实验中在反应开始阶段,反应层的生长以原子扩散为主,在反应后期,由原子扩散转为晶间扩散,反应速率逐渐减缓。点滴实验中AlTi反应层厚度随温度呈线性增长。

关键词： Al基复合材料粉末触变成形 Al3Ti相组织演变部分重熔芯-壳结构增强粒子

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