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sicp/al基复合材料相界面润湿性及结合能的模拟研究

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SiCp/Al基复合材料相界面润湿性及结合能的模拟研究

作者：刘博西安工业大学

学位级别：硕士

碳化硅颗粒增强铝基复合材料(sicp/al基复合材料),因其具有优异的物理化学性能,在航空航天、交通工具制造、先进武器研发与制造、精密电子元件制造、电子封装领域等展现出极为广阔的应用前景。sicp/al基复合材料界面的结合强度是影响其... 详细信息

碳化硅颗粒增强铝基复合材料(sicp/al基复合材料),因其具有优异的物理化学性能,在航空航天、交通工具制造、先进武器研发与制造、精密电子元件制造、电子封装领域等展现出极为广阔的应用前景。sicp/al基复合材料界面的结合强度是影响其物理化学性能的重要因素,本文从微观角度出发,研究基体材料al与增强体颗粒SiC的界面结合情况与润湿性,探究合金元素(Ni、Cu)掺杂的情况下对基体材料al在增强体颗粒SiC表面润湿行为和界面结合性能的影响。主要研究内容包括:(1)从原子尺度出发,通过选择不同的密度关联泛函、截断能、k点,优化金属元素al、Ni、Cu和增强体颗粒SiC的晶胞结构模型。选择表面结构最稳定、表面能最低的al(Cu、Ni)(111)面与SiC(0001)-b面相互结合。确定SiC(0001)-b/al(111)-Top为最稳定结合位向。通过计算截断能与分离功确定,在SiC(0001)-b/al(111)结合良好时,拉伸后断裂优先发生于SiC/al中的al基体内部的近界面位置,且在理想情况下可能出现SiC表面附着一层较薄的al层的情况。通过润湿行为发现al在SiC(0001)-b表面润湿性良好,润湿角均小于90°,与实验测定结果相一致。(2)考虑到al与SiC界面接触时生成alC和al C杂质相,构建al/alC和al/al C界面结合模型以及润湿模型,发现al在al/alC(和al/al C)表面的润湿角约为56°大于al在SiC(0001)-b-Si表面的润湿角50°,说明al在SiC(0001)-b表面润湿性较好,同时说明杂质相alC和al C的存在阻碍了al在SiC表面的润湿。结合SiC/al模型拉伸后电荷分布图中电荷的状态,说明杂质相的存在不会降低al与SiC的结合性能,结合强度的主要影响因素为al材料本身的强度。(3)掺入Ni元素后,会在高温下发生界面反应,形成alNi中间层,研究al在alNi中间层表面的润湿情况,计算出alNi中间层的引入使得润湿角明显减小,其中al Ni为中间层时,结合势能差最大,说明al Ni对润湿性的增加效果最好。alNi中间介质层的加入后,拉伸断裂位置依然在al基体内部,说明alNi中间介质层不会降低界面结合能力。(4)掺杂Cu元素后,形成alCu中间层,对比al/alCu与al/SiC表面的润湿情况,al在alCu表面的润湿角明显较小,同时al在al Cu表面的润湿性最好,在对al/alCu体系进行拉伸后,断裂位置依然在al内部。Cu掺杂后,对界面的影响与Ni相似,但是,因为Cu本身的熔点较低且al与Cu形成金属间化合物所需要的反应温度远低于al与Ni形成金属间化合物的温度,因此掺杂Cu的生产成本低于掺杂Ni,而al与Ni形成金属间化合物的熔点较高,此体系适合温度较高的工况环境。

关键词： sicp/al基复合材料掺杂润湿性结合能

热处理过程中sicp/2024al基复合材料的微观组织演变

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材料热处理学报 2015年第3期36卷 8-14页

作者：柳培王爱琴郝世明谢敬佩河南科技大学材料科学与工程学院河南洛阳471023 河南科技大学有色金属共性技术河南省协同创新中心河南洛阳471023 河南科技大学物理工程学院河南洛阳471023

采用真空热压烧结工艺在580℃下制备了35%(体积分数)sicp/2024铝基复合材料,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、能谱(EDS)、高分辨透射电镜(HRTEM)对复合材料热处理过程中微观组织进行了表征,研究了热压烧结后复合材料的析出相的微观... 详细信息

采用真空热压烧结工艺在580℃下制备了35%(体积分数)sicp/2024铝基复合材料,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、能谱(EDS)、高分辨透射电镜(HRTEM)对复合材料热处理过程中微观组织进行了表征,研究了热压烧结后复合材料的析出相的微观结构以及析出相在热处理过程的演变规律。结果表明,热压烧结后复合材料中存在许多粗大析出相颗粒,包括al4Cu9,al2Cu,al18Mg3Mn2,al5Cu6Mg2和al7Cu2Fe。随着固溶温度的提高,粗大析出相颗粒逐渐回溶到al基体中,当固溶温度达到510℃时,粗大析出相颗粒几乎全部回溶到基体中,但还存在少量的难溶相。复合材料经510℃固溶2 h+190℃时效9 h后,除了少量的难溶相,许多圆盘状纳米析出相al2Cu和棒针状纳米析出相al2Cu Mg弥散分布于基体中且与基体的界面为错配度较小的半共格界面,圆盘状纳米析出相的直径为50~200 nm,棒针状纳米析出相长度为100~150 nm。

关键词： sicp/al基复合材料粉末冶金热处理微观组织

等离子弧焊接sicp/al基复合材料焊缝“原位”合金化分析

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焊接学报 2005年第12期26卷 13-16页

作者：雷玉成袁为进朱飞包旭东江苏大学材料科学与工程学院江苏镇江212013

采用等离子弧焊焊接sicp/al基复合材料,以Ar+N2为离子气,并以Ti作为合金化填充材料,研究了焊缝“原位”合金化元素Ti对焊缝显微组织的影响。结果表明,采用焊缝原位合金化方法焊接SiC颗粒增强铝基复合材料(sicp/al MMCs),可以有效抑制焊... 详细信息

采用等离子弧焊焊接sicp/al基复合材料,以Ar+N2为离子气,并以Ti作为合金化填充材料,研究了焊缝“原位”合金化元素Ti对焊缝显微组织的影响。结果表明,采用焊缝原位合金化方法焊接SiC颗粒增强铝基复合材料(sicp/al MMCs),可以有效抑制焊缝中针状脆性相al4C3的形成,并且由于Ti的加入,改善了增强相和al基体之间的润湿性,形成了稳定的熔池,得到以均匀分布的TiN、alN等为增强相的新型铝基复合材料焊缝,焊接性能得到有效提高。同时还研究了Ti的添加量对焊缝显微组织的影响,结果发现,随着Ti含量的增加,焊缝中还生成如Ti5Si3等新的增强相。焊缝“原位”合金化等离子弧焊接是焊接sicp/al基复合材料的一种新方法。

关键词： sicp/al基复合材料等离子弧焊接焊缝“原位”合金化

sicp/al基复合材料界面结合的第一性原理分析

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西安工业大学学报 2022年第3期42卷 223-229页

作者：杨申欢刘翠霞刘孟宇杨浩邦西安工业大学材料与化工学院西安710021

为了探究金属/陶瓷界面原子之间的相互作用,文中采用第一性原理计算方法研究sicp/al基复合材料低指数晶面的表面能,分析了Si和C端界面的形成焓、结合强度、断裂韧性、布居数以及界面成键类型,比较了顶位和桥位界面结合情况,分析了界面... 详细信息

为了探究金属/陶瓷界面原子之间的相互作用,文中采用第一性原理计算方法研究sicp/al基复合材料低指数晶面的表面能,分析了Si和C端界面的形成焓、结合强度、断裂韧性、布居数以及界面成键类型,比较了顶位和桥位界面结合情况,分析了界面成键规律。研究结果表明:al C端顶位结合强度最高,界面形成焓值最小,断裂韧性最大,确定al C端顶位为最稳定的结合方式;al C顶位界面的C Si共价键强度最高;al C端顶位界面的结合键表现出离子键和共价键的特性;并且在接近sicp的al基体中出现了强度比较高的金属键;而在al C端桥位界面、al Si端顶位界面中界面的结合键表现出共价键的特性;al Si端桥位界面的结合键更表现出金属键的特性。

关键词： sicp/al基复合材料第一性原理界面结合界面成键类型

sicp/2024al基复合材料的界面行为

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电子显微学报 2014年第4期33卷 306-312页

作者：柳培王爱琴郝世明谢敬佩河南科技大学材料科学与工程学院河南洛阳471023 河南科技大学物理工程学院河南洛阳471023

采用真空热压烧结工艺在580℃下制备了35%(体积分数)sicp/2024铝基复合材料,利用透射电镜(TEM)、能谱(EDS)、高分辨透射电镜(HRTEM)对复合材料中SiC/al,合金相/al的界面结构进行了表征,研究了增强体SiC和基体al以及热处理前后合金相与基... 详细信息

采用真空热压烧结工艺在580℃下制备了35%(体积分数)sicp/2024铝基复合材料,利用透射电镜(TEM)、能谱(EDS)、高分辨透射电镜(HRTEM)对复合材料中SiC/al,合金相/al的界面结构进行了表征,研究了增强体SiC和基体al以及热处理前后合金相与基体al的界面类型,取向结合机制。结果表明,SiC/al界面清晰平滑,无界面反应物和颗粒溶解现象,也无空洞缺陷。SiC/al界面类型包括非晶层界面和干净界面。干净界面中SiC和al之间没有固定或优先的取向关系,取向结合机制为紧密的原子匹配形成的半共格界面。热压烧结所得复合材料中的合金相以al4Cu9为主,与基体al的界面为不共格界面,热处理后,合金相al2Cu弥散分布于基体中,与基体al的界面为错配度较小的半共格界面。

关键词： sicp/al基复合材料 HREM 界面位向关系

等离子弧焊接sicp/6061al基复合材料工艺与合金化机理研究

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等离子弧焊接SiCp/6061Al基复合材料工艺与合金化机理研究

作者：胡文祥江苏大学

学位级别：硕士

SiC颗粒增强铝基复合材料(简称sicp/al基复合材料)具有比强度高、比模量高、膨胀系数低、耐磨性良好等优异的综合性能,在航天、航空结构件、发动机耐热和耐磨部件等方面有着广阔的应用前景。然而由于sicp/al基复合材料的特殊组织结构导... 详细信息

SiC颗粒增强铝基复合材料(简称sicp/al基复合材料)具有比强度高、比模量高、膨胀系数低、耐磨性良好等优异的综合性能,在航天、航空结构件、发动机耐热和耐磨部件等方面有着广阔的应用前景。然而由于sicp/al基复合材料的特殊组织结构导致其焊接性很差,难以形成高强度焊接接头,成为该种材料走向实用化的严重障碍,因此铝基复合材料的焊接技术是其走向工业化必须解决的问题。本文以sicp/6061al MMCs为研究对象,采用添加药芯焊丝的方式对其进行等离子弧(以Ar+N2为离子气、Ar为保护气)焊接。借助于金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射分析仪、能谱仪及透射电子显微镜等微观分析手段,研究了不同成分药芯焊丝对焊接接头组织与性能的影响,并对焊接熔池内大片状al3Ti的形成机理以及细化工艺进行了系统的分析。基于Ti元素在焊接sicp/6061al MMCs时的作用,本试验研制了sicp/6061al MMCs熔化焊接专用富Ti药芯焊丝。药芯焊丝以其药粉易调节,制作工艺简单等优点,为sicp/6061al MMCs的焊接性能的研究提供了有利的条件。本文选用了Ti-Si-al、Ti-Mg-al和Ti-Si-Mg-al三种不同成分的药芯焊丝分别对sicp/6061al MMCs进行焊接试验。在填加Ti-Si-al和Ti-Mg-al两种药芯焊丝的试验中,焊丝内部Ti元素的成分比例为固定值,通过改变Si和Mg的成分比例,分别对sicp/6061al MMCs进行焊接试验,进而分析出Si和Mg对焊缝性能的影响。在对前面试验结果分析的基础上制作Ti-Si-Mg-al药芯焊丝,对sicp/6061al MMCs进行焊接试验,并对试验结果进行分析。试验结果表明填加15Ti-5Si-5Mg-al药芯焊丝等离子弧焊接sicp/6061al MMCs的焊接接头强度最高,其最高值为267Mpa达到母材强度的83.4%。焊接熔池内适当的Ti元素能够抑制脆生相al4C3的生成,但是过多的Ti元素会导致焊缝内部形成大片状的al3Ti相,降低焊缝性能。本试验通过对焊缝内部大片状al3Ti相微观形貌从200倍至50000倍的逐次放大观察,结合对al3Ti颗粒形成机理的研究,分析得知焊缝内部大片状al3Ti相是由细小棒状al3Ti颗粒聚集而成。通过提高熔池液态金属运动的剧烈程度和改善熔池内部合金元素的比例等方式可以抑制细小棒状al3Ti颗粒的聚集,从而达到消除大片状al3Ti相,提高焊接接头性能的目的。

关键词： sicp/al基复合材料等离子弧焊接药芯焊丝 al3Ti相

sicp/6061al基复合材料等离子弧原位焊接工艺与合金化机理研究

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SiCp/6061Al基复合材料等离子弧原位焊接工艺与合金化机理研究

作者：李贤江苏大学

学位级别：硕士

SiC颗粒增强铝金属基复合材料(简称sicp／al基复合材料)具有比强度高、比模量高、膨胀系数低、耐磨性良好等优异的综合性能，在航天、航空结构件、发动机耐热和耐磨部件等方面有着广阔的应用前景，成为当今金属基复合材料发展与研究的... 详细信息

SiC颗粒增强铝金属基复合材料(简称sicp／al基复合材料)具有比强度高、比模量高、膨胀系数低、耐磨性良好等优异的综合性能，在航天、航空结构件、发动机耐热和耐磨部件等方面有着广阔的应用前景，成为当今金属基复合材料发展与研究的主流．然而由于sicp／al基复合材料的特殊组织结构导致其焊接性很差，难以形成高强度焊接接头，成为该种材料走向实用化的严重障碍，因此系统研究铝基复合材料焊接性已迫在眉睫。本文以sicp／6061al基复合材料为研究对象，采用等离子弧焊接方法(以Ar+N为离子气、Ar为保护气)对其焊接工艺及合金化机理进行了系统的研究。利用金相显微镜扫描电镜及X射线衍射分析仪等微观分析手段研究了复合材料等离子弧焊接接头微观组织及成分变化，利用硬度试验和拉伸试验研究了等离子弧焊焊接接头的力学性能。研究发现，不加填充材料等离子弧焊接sicp／6061al基复合材料时，焊缝中生成了大量脆性相alC，此外，焊缝中还存在较多孔洞、气孔、未熔合等缺陷，从而降低了接头的强度和综合性能。填加0.8mm钛片进行等离子弧原位焊接，不仅抑制了脆性相的形成，而且在焊缝中形成了TiN、TiC等新的增强相，从而保证了焊接接头的性能。力学性能试验表明，不加填充材料焊接时，试样拉伸强度仅为母材强度的31.24％，而加0.8mm厚钛片焊接时，试样强度则达到了母材强度的50.89％。对断口进行分析表明，断口主要表现为混合型脆性断口。以Ti-Si、Ti-Mg、Ti-Cu混合粉末作为填充物质对sicp／6061al复合材料进行等离子弧原位焊接，试验结果表明，填充Ti-Cu进行等离子弧原位焊接时形成的接头不理想，有针状脆性相alC和alCu生成，且有大量气孔存在，严重影响了焊缝接头的性能。但采用Ti-Si、Ti-Mg进行等离子弧原位焊接时接头组织致密，结合较好，未发现大量针状物质生成，从而有效地提高了接头的力学性能。试验中分别采用Ti-Si、Ti-Mg和Ti-Cu三种混合粉末所获得的强度依次为232.3MPa、204.7MPa和187.5MPa。在等离子气中加入氮气，分析了加入的氮气对焊缝成形、焊缝组织和性能的影响。结果表明，随氮气体积含量增大，焊缝熔深也相应增大。填加氮气还改善了熔池中的热循环状态和冶金反应，生成了TiN、alN等新的增强相，有效地抑制了脆性相的生成，改善了焊接接头的性能。力学性能试验表明，采用Ar+N作为离子气进行焊接时，焊缝硬度和强度都有提高。当N体积含量约占15％时拉伸强度达到最大值233.5MPa。

关键词： sicp/al基复合材料等离子弧焊接焊缝“原位”合金化显微组织

HPT法制备多粒径sicp/al基复合材料及组织性能研究

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HPT法制备多粒径SiCp/Al基复合材料及组织性能研究

作者：贺鹏合肥工业大学

学位级别：硕士

与单一金属材料相比,颗粒增强金属基复合材料具有比强度高、耐磨性好、热膨胀系数低等优点,而且可以在较宽的范围内进行设计。针对sicp/al基复合材料的传统制备技术存在颗粒团聚、孔隙率较高、界面反应剧烈等缺陷,本文采用HPT法制备sicp... 详细信息

与单一金属材料相比,颗粒增强金属基复合材料具有比强度高、耐磨性好、热膨胀系数低等优点,而且可以在较宽的范围内进行设计。针对sicp/al基复合材料的传统制备技术存在颗粒团聚、孔隙率较高、界面反应剧烈等缺陷,本文采用HPT法制备sicp/al基复合材料。HPT法具有低温、快速、高压、多圈的成形优势,这样可以显著降低铝基体的氧化及界面反应、提高材料致密度、均匀颗粒分布。本文通过观察sicp/al基复合材料的显微组织,并对颗粒的数目、粒径及百分比进行测量,研究HPT法对sicp/al基复合材料的颗粒断裂的影响;制备多粒径sicp/al基复合材料研究粒径配比、体积配比对sicp/al基复合材料组织性能的影响;建立二维sicp/al基复合材料有限元模型研究颗粒分布、颗粒破碎、体积配比对sicp/al基复合材料力学性能的影响。随着扭转半径增大,颗粒断裂现象越严重,颗粒棱角钝化更加明显,颗粒数目增加,粒径减小;随着SiC颗粒体积分数的增加,这种趋势会强化;颗粒断裂现象是高压扭转法制备颗粒增强金属基复合材料的固有属性。体积配比一定大颗粒粒径变化时,加入第二种粒径的颗粒有助于改善颗粒团聚,提高材料致密度;粒径配比一定体积配比变化时,具有良好粒径分布宽的试样强化效果较好;多粒径配比时,加入粒径种类较多的试样抗拉强度较好、塑性较差;HPT法制备的纯铝试样的综合力学性能明显优于工业纯铝,说明HPT法可以较好地固结粉体材料。通过有限元模拟发现,在SiC颗粒与铝基体的界面完全结合,铝基体不存在杂质、空洞等缺陷的条件下,颗粒分布越均匀,颗粒发生破碎,体积配比一定小颗粒占优时,sicp/al基复合材料的综合性能更佳。

关键词：高压扭转法 sicp/al基复合材料颗粒破碎多粒径体积配比

sicp/al基复合材料表面Ni-P镀层的制备工艺与性能研究

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SiCp/Al基复合材料表面Ni-P镀层的制备工艺与性能研究

作者：李卓西安工业大学

学位级别：硕士

新型碳化硅颗粒增强铝基（sicp/al）复合材料具有热膨胀系数低、质量轻、热导率高等优点,被看作是一种很有前途的空间轻量化反射镜材料,但由于SiC颗粒的存在,导致材料内部组织结构不均匀,从而影响材料的耐蚀、耐磨和抛光等性能。激光选... 详细信息

新型碳化硅颗粒增强铝基（sicp/al）复合材料具有热膨胀系数低、质量轻、热导率高等优点,被看作是一种很有前途的空间轻量化反射镜材料,但由于SiC颗粒的存在,导致材料内部组织结构不均匀,从而影响材料的耐蚀、耐磨和抛光等性能。激光选区熔化（SLM）成形技术是近年来最为先进的增材制造技术之一,通过SLM成形的sicp/al基复合材料已广泛应用于国防、航空、航天等领域,但通过此技术成形的sicp/al基复合材料硬度较低、耐磨、耐蚀性较差。本文以激光选区熔化（SLM）技术成形的sicp/al基复合材料为基体,采用化学镀的方法在其表面制备了 Ni-P合金镀层,并采用单因素法和正交试验对Ni-P合金镀层的工艺配方进行了优化;通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、热机械分析（TMA）、显微维氏硬度、划痕测试、电化学工作站等表征方法,研究了镀膜工艺和热处理温度对镀层形貌、厚度、结构、硬度、结合强度、热膨胀系数和耐蚀性的影响规律。主要研究结论如下:（1）获得了镀液pH、温度、化学镀时间对镀层表面形貌、沉积速率、磷含量和硬度的影响规律。随着pH和温度的升高,Ni-P镀层的沉积速率加快,磷含量降低;随着施镀时间的延长,镀层表面的镍磷颗粒逐渐增加,当基体表面完全被覆盖后,颗粒开始聚集、生长、融合,最终呈明显的胞状形貌;当施镀时间继续延长,胞状组织逐渐变大,镀层逐渐加厚,其硬度呈现先增大后趋于稳定的趋势。（2）优化出了 sicp/al基复合材料表面厚Ni-P合金镀层的制备工艺。发现采用NiSO4·6H2O（25g/L）、NaH2PO2（30g/L）、C3H6O3（10g/L）、C6H8O7（10g/L）、NaAc（20g/L）、NaF（1g/L）和C4H2O3（1g/L）的镀液成分,将温度控制在88±1℃、pH值控制在4.5±0.1时,可获得表面致密且连续,厚度达到134μm的非晶态高磷镀层;镀层的结合强度为66.9N、硬度（685HV）是sicp/al复合材料基底的3倍。（3）揭示了 Ni-P镀层热膨胀系数随加热温度和热处理温度的变化规律。镀层的热膨胀系数在室温到100℃范围内近似为一个定值,镀态、200℃和400℃热处理态镀层的热膨胀系数分别为14.3×10-6/℃、13.5×10-6/℃、12.4×10-6/℃;温度超过100℃后,镀层的热膨胀系数随温度的升高而逐渐降低。（4）阐明了热处理温度对镀层表面形貌、结构、结合强度、硬度和耐蚀性的影响规律。当温度从100℃升高至400℃,镀层表面的胞状物减小,边界模糊并趋于平整;随温度的升高,Ni-P镀层会发生由从非晶态向晶态的转变,300℃时,镀层完全转变为晶态;镀层硬度和结合强度随热处理温度的升高而增大,400℃时,其结合强度为78.9N,硬度达到最大值（1000HV）;200℃热处理后的镀层极化曲线的钝化区间最宽,交流阻抗最大,耐蚀性优异,400℃热处理后钝化区间最窄,交流阻抗最小,耐蚀性最差。

关键词： sicp/al基复合材料激光选区熔化化学镀镍磷镀层沉积速率耐磨性