高硅铝合金及颗粒增强铝基复合材料组织性能的探究

采用真空热压烧结工艺制备Al-30Si合金、30%Sip/Al、30%SiCp/2024Al、30%SiCp/6061Al(均为体积分数)复合材料,测定其热膨胀系数及力学性能。利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)对其微观组织结构及断口形貌进行表征,探究了高硅铝合金及颗粒增强铝基复合材料的组织与性能,分析了材料的断裂机制。结果表明:SiCp/2024Al复合材料中SiC颗粒分布均匀,组织致密,综合性能好,热膨胀系数(CTE)为13.69×10-6/K,硬度达到134 HB,极限抗拉强度达353 MPa。SiCp/6061Al复合材料中SiC颗粒分布较均匀,界面结合较好,组织不够致密,有少许孔隙,性能较好。SiCp/6061Al和SiCp/2024Al复合材料的断裂方式都是界面基体的撕裂结合SiC颗粒的断裂。Sip/Al复合材料中Si颗粒分布较均匀,断裂方式为界面脱开,性能较差。Al-30Si合金在烧结过程中形成大量板条状的Si相,性能最差,断裂方式以合金撕裂为主。     

碳化硅体积分数对SiCp/Al-30Si复合材料组织与性能的影响

采用真空热压烧结法制备SiC颗粒体积分数分别为20%、25%和30%的SiCp/Al-30Si复合材料。利用扫描电镜对复合材料的微观组织进行表征,并检测其力学性能及物理性能,运用Turner、Kerner理论模型对材料的热膨胀系数进行计算,分析碳化硅体积分数对SiCp/Al-30Si复合材料组织及性能的影响。研究结果表明:随SiC含量的增加,复合材料的组织中会出现SiC颗粒的团聚,使材料的致密度及抗拉强度下降,在50～100℃之间的热膨胀系数降低,其平均值与Kerner模型计算值很接近。     

伪半固态触变成形制备SiCp/Al电子封装材料的组织与性能

采用伪半固态触变成形工艺制备了40%、56%和63%三种不同SiC体积分数颗粒增强Al基电子封装材料,并借助光学显微镜和扫描电镜分析了材料中Al和SiC的形态分布及其断口形貌,测定了材料的密度、致密度、热导率、热膨胀系数、抗压强度和抗弯强度.结果表明,通过伪半固态触变成形工艺可制备出的不同SiC体积分数Al基电子封装材料,其致密度高,热膨胀系数可控,材料中Al基体相互连接构成网状,SiC颗粒均匀镶嵌分布于Al基体中.随着SiC颗粒体积分数的增加,电子封装材料密度和室温下的热导率稍有增加,热膨胀系数逐渐减小,室温下的抗压强度和抗弯强度逐渐增加.SiC/Al电子封装材料的断裂方式为SiC的脆性断裂,同时伴随着Al基体的韧性断裂.      

颗粒尺寸对15%SiC_p/2009Al复合材料断裂韧性的影响

采用粉末冶金+挤压工艺制备了含不同粒径SiC颗粒(3.5, 5.0, 10.0和15.0μm)的15%SiC_p/2009A1复合材料挤压棒材,利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和万能试验机研究了SiC颗粒尺寸对15%SiC_p/2009Al复合材料力学性能的影响。结果表明, SiC颗粒尺寸对复合材料强度和韧性的影响效果十分显著。随着SiC颗粒从3.5μm增大至15μm,复合材料的强度逐渐减小,而延伸率则逐渐增大。SiC颗粒尺寸为5.0μm时,复合材料的强度和塑性最佳,抗拉强度(R_m)、屈服强度(R_(p0.2))分别为582, 382 MPa,延伸率(A)为10%,断裂韧性(K_(IC))为33.7 MPa·m~(1/2)。SiC颗粒尺寸为3.5μm时,复合材料的断裂以SiC颗粒周围的铝基体韧性撕裂为主, SiC颗粒尺寸超过5.0μm时,复合材料断裂方式为SiC颗粒周围的铝基体韧性撕裂和SiC颗粒脆性断裂的共同作用,由于SiC-Al界面结合较好,未发现SiC-Al界面脱粘的失效形式。     

不同粒径的SiC体积配比对SiC_p/Al基复合材料显微组织和拉伸性能的影响

为了研究不同粒径的Si C体积配比对SiC_p/Al基复合材料显微组织及拉伸性能的影响,采用高压扭转法(High-pressure torsion,HPT)将3.5μm(小)、7.0μm(大)SiC颗粒体积比分别为4∶1、1∶1、1∶4的SiC颗粒和纯Al粉末混合物制备成10%SiC_p/Al基复合材料(体积分数)。用金相显微镜、万能试验机、扫描电镜等分析2种粒径的Si C体积比对SiC_p/Al基复合材料显微组织和拉伸性能的影响。结果表明,随扭转半径增大,各试样的SiC颗粒分布更加均匀,颗粒团聚、偏聚现象减少,其中小、大SiC颗粒体积比为1∶1的试样性能最优,伸长率、相对密度最高,分别达到14.3%和99.1%,拉伸断裂形式为塑性断裂。     

粉体粒径级配比对粉末冶金SiC_p/6061Al复合材料组织与性能的影响

选择不同粒径的6061Al粉末和SiC颗粒,采用真空热压法制备含35%SiC体积分数的SiCp/6061Al复合材料,研究不同级配比对复合材料显微组织和抗拉强度的影响。结果表明:复合粉末的粒径级配比可影响复合材料的微观组织和力学性能;当增强体颗粒粒径为15μm时,随基体6061粉末与SiC颗粒粒径比降低,SiC颗粒在复合材料中的分布越来越均匀,抗拉强度提高;当基体6061Al粒径为10μm时,随SiC颗粒粒径减小,复合材料微观组织的均匀性降低,但抗拉强度提高。并建立了理想的复合粉末颗粒分布模型,模型的理论计算结果与Slipenyuk公式计算结果接近。     

颗粒体积分数对高压扭转的SiCp/Al基复合材料拉伸性能影响

基于高压扭转法制备SiCp/Al基复合材料,采用金相显微镜、室温拉伸性能测试实验并结合断口扫描电镜观察,研究颗粒体积分数对SiCp/Al基复合材料的显微组织和拉伸性能的影响.结果表明:SiC颗粒体积分数越大,剪切应变量越小,SiC颗粒分布越不均匀,团聚越严重.试样抗拉强度和屈服强度随SiC颗粒体积分数的增加而增加,但塑性降低.拉伸断口韧窝尺寸大小不一.高压扭转的SiCp/Al基复合材料断裂属于韧性断裂与脆性断裂混合模式,但随着SiC体积分数越小,材料断口的韧窝和撕裂棱越多,韧性断裂特征变得更为显著.     

SiC含量对SiC/6061 Al基复合材料性能的影响

采用粉末冶金法制备了三种SiC体积分数分别为25％、30％、35％的SiC/6061 Al基复合材料.利用金相显微镜观察材料的显微组织,检测材料的物理性能和力学性能,运用Turner、Kerner理论模型对复合材料的热膨胀系数进行分析,研究SiC含量对复合材料组织和性能的影响.结果表明:随着SiC含量的增加,增强体出现团聚倾向,复合材料的致密度和热膨胀系数均降低;复合材料的抗拉强度随着SiC的增多先增大后降低,成非线性关系.     

粉末冶金制备SiC/6061Al复合材料的显微组织和力学性能研究

采用粉末冶金法制备了体积分数为35%的SiC_p/6061Al基复合材料,研究了复合材料的显微组织和基体与增强体颗粒界面对复合材料力学性能的影响。结果表明:SiC颗粒在基体中分布均匀,基体与增强体之间的界面结合情况较好,复合材料致密度高,抗拉强度较高。     

冷热循环对粉末冶金SiCp/Al复合材料力学性能的影响

采用粉末冶金制备了15％（体积分数）SiCp/Al复合材料，研究了不同冷热循环工艺对复合材料力学性能的影响。结果表明，上限温度在175℃以下的冷热循环对复合材料的屈服强度和抗拉强度影响不大，当上限温度达到200℃后复合材料的屈服强度提高了80MPa，抗拉强度则基本不变。复合材料的屈服强度的提高主要是由于材料在冷热循环的高温过程中基体中的G．P区转变成了过渡相口”。断口观察表明，经过不同冷热循环工艺处理后，复合材料的断裂形式大致相同，即除了基体断裂外，还存在SiC颗粒开裂的情况。冷热循环对复合材料的延伸率影响不明显。     

12%SiCp/Al复合材料制备工艺及力学性能研究

对碳化硅颗粒进行表面氧化酸洗处理，采用粉末冶金加热挤压工艺制备了12％SiCp／Al（体积分数）复合材料。利用金相显微镜和电镜对微观组织进行了观测，拉伸试验测试复合材料的力学性能。试验结果表明：SiC颗粒在铝基体中分布比较均匀；T6热处理条件下12％SiCp／Al复合材料的屈服强度和抗拉强度分别约为472．4MPa、525．7MPa，伸长率为6．5％，弹性模量为92．7GPa。     

SiC颗粒增强铝基复合材料的制备工艺和性能研究

采用粉末冶金法制备SiCp/6061Al复合材料,研究热压温度、球磨工艺参数和SiC颗粒(SiCp)体积分数对SiC颗粒增强铝基复合材料性能的影响,测试其力学性能及物理性能,用扫描电镜对材料的微观组织和断口进行观察。结果表明:540℃是较适合的热压温度;随着SiCp含量的增加,复合材料的致密度、热膨胀系数下降,抗拉强度先提高后迅速降低。     

粉末热挤压SiC_p/2024铝基复合材料的显微组织和力学性能

利用粉末热挤压工艺制备SiCp/2024铝基复合材料,研究所制备复合材料的挤压态和热处理态的显微组织及力学性能,分析复合材料的断口形貌和断裂类型。结果表明:大部分SiC颗粒和析出的大量细小第二相粒子均匀地分布在基体合金中,部分区域的SiC颗粒存在轻微团聚现象,晶粒沿挤压方向被显著拉长,刚性的SiC颗粒长轴平行于挤压方向分布,形成热加工纤维组织。对复合材料进行T6(490℃固溶75 min+170℃时效8 h)热处理后,复合材料的晶粒比较细小,抗拉强度达470 MPa,主要的析出强化相为S′(Al2CuMg)。挤压比的提高有利于提高SiC颗粒和基体合金的界面结合强度。粉末热挤压法制备的SiCp/2024铝基复合材料热处理后的断裂方式主要有3种:SiC颗粒断裂、SiC颗粒与基体合金的剥离和基体合金的韧性断裂,该复合材料的断裂机制为韧性断裂和脆性断裂共存的混合断裂。     

高性能SiCp/Al电子封装壳体的近终成形

用粒度为63μm和14μm的SiC粉末为原料,在注射温度和注射压力分别为160℃和70 MPa、粉末装载量(体积分数)为63%的条件下,获得SiCp注射坯,经过溶剂脱脂和真空热脱脂以及1 100℃/7 h的真空预烧结后,在1 000℃、N2气氛下进行Al合金熔渗,制备高体积分数63%SiCp/Al复合材料电子封装壳体。研究表明,熔渗组织均匀、致密,SiC颗粒均匀分布在Al基体中。熔渗时需要严格控制熔渗时间,熔渗时间超过10 min后会导致坯体被Al合金熔体过度熔渗,从而在复合材料表面产生Al合金层,时间越长,Al层厚度逐渐增加。最终制得的高体积分数63%SiCp/Al复合材料封装壳体的尺寸精度优于0.3%,其热物理性能优异,热膨胀系数和热导率分别为7.2×10-6K-1和180 W/m·K,密度为3.00 g/cm3,能够满足电子封装材料性能的要求。     

半固态粉末轧制法制备SiC_p/AA2024复合带材的显微组织与力学性能

以组合雾化法制备的2024铝合金粉末和SiC颗粒为原材料,采用半固态粉末轧制法,在575~635℃温度下制备10%SiC_p/AA2024复合带材,研究粉末加热温度对带材显微组织与力学性能的影响,并与相同条件下制备的AA2024铝合金带材进行对比。结果表明:升高粉末加热温度可促进AA2024粉末变形或破碎,所得10%SiC_p/AA2024复合带材具有半固态特征的球状或近球状显微组织。与AA2024合金带材相比,SiC_p/AA2024复合带材的基体晶粒更加细小。SiC颗粒与液相Al没有发生显著的界面反应,未生成对体系有害的Al4C3物质。SiC_p/AA2024复合带材和AA2024合金带材的屈服强度、抗拉强度及伸长率都随粉末加热温度适当升高而提高,SiC_p/AA2024带材的屈服强度和抗拉强度分别在366~412 MPa和425~514 MPa之间,均明显高于AA2024合金带材,伸长率为3.1%~4.9%,断裂方式主要为脆性断裂。AA2024带材的屈服强度在265~348 MPa范围内,抗拉强度为362~423 MPa,拉伸断裂方式随加热温度升高由脆性断裂向韧性断裂转变。     

热处理及SiC颗粒尺寸对15%SiC_p/6061Al复合材料性能的影响

采用粉末冶金法制备了体积分数15%的、不同粒度SiC颗粒增强的6061Al基复合材料,研究了固溶-时效热处理工艺对复合材料屈服强度、抗拉强度、延伸率的影响规律,确定了最佳热处理工艺参数,揭示了Si C颗粒(SiC_p)粒度变化对复合材料力学性能的影响规律,研究表明:随SiC_p粒度的增加,SiC_p/6061Al基复合材料的弹性模量基本不受影响;但复合材料的屈服强度、抗拉强度逐渐降低,延伸率、断面收缩率先增大后减小。当SiC_p粒度增加到10μm时,复合材料屈服强度、抗拉强度出现明显下降,同时复合材料延伸率和断面收缩率由提高变为降低,其原因是复合材料断裂失效机制由基体撕裂控制转变为增强颗粒开裂与基体撕裂共同控制。拉伸断口扫描电镜(SEM)分析表明,随着SiC_p粒度的增加,SiC_p/6061Al复合材料中出现颗粒开裂并且数量逐渐增加。     

高体积分数SiC_P/Al复合材料断裂性能及其机理研究

对高体积分数SiCP/Al复合材料的硬度、抗拉强度及断裂韧性进行了实验研究。结果表明,随SiC颗粒体积分数的增加,该复合材料的维氏硬度为单调增大;而抗拉强度和断裂韧性均呈先升后降的变化规律,并在体积分数为55%时达到最大值。     

陶瓷颗粒增强粉末冶金Fe-2Cu-0.6C复合材料的微观结构和力学性能

采用传统粉末冶金压制/烧结技术，经600 MPa压制、1140℃烧结制备了陶瓷颗粒增强（SiC、TiC及TiB₂陶瓷颗粒，质量分数0~1.6%）Fe-2Cu-0.6C低合金钢复合材料，对三种复合材料的微观结构和力学性能进行了研究。结果表明:在烧结过程中，SiC与TiB₂颗粒与基体发生反应，故而与基体界面结合良好；当添加质量分数为1.6%的SiC颗粒时，复合材料烧结后的布氏硬度与抗拉强度分别比基体提高了35.9%、69.4%；添加质量分数为1.2%的TiB₂颗粒时，复合材料相对密度比基体提高了5.3%，其烧结硬度、抗拉强度与基体相比分别提高了77.9%、72.6%；由于烧结过程中TiC颗粒不与基体发生反应，故而添加TiC颗粒对复合材料的布氏硬度、抗拉强度影响不大。     

Al/Si复合材料的制备及热力学特性的研究

研究了高增强相含量Al/Si复合材料压力熔渗法制备工艺,复合材料内的自由孔隙和硅颗粒的分布均匀,同时研究了Al/Si复合材料的特性和断裂行为,通过金相组织分析和断口观察表明,复合材料的断裂行为主要是由于硅颗粒的脆裂性而引起的,并且由此向材料内部延伸最后导致复合材料断裂失效;特别研究了复合材料在高精度热机械分析仪下的热膨胀行为,实验得出Al/Si复合材料的平均线性热膨胀系数在(8～10)×10-6/℃范围内,并随着硅含量的增加而降低;实验基于Turner的模型进行,实验测得Al/Si复合材料的热膨胀系数与理论计算值的存在差别,这是由于理论模型没有考虑材料制备过程中粉末形状,粒度、第二相颗粒不可避免的不均匀分布,孔隙度以及剪切应力对热膨胀性能的影响,其结果与预测相符合.     

固溶温度及SiC含量对粉末冶金SiC/Al-Mg基复合材料组织与性能的影响

以SiC颗粒为增强体,Al-Mg-Cu-Fe-Sn合金作为基体合金,采用真空热压再热挤压的方法制备SiC/Al-Mg基复合材料,然后进行固溶和时效热处理,通过扫描电镜观察热压与挤压态材料的形貌,测试时效态材料的维氏硬度、拉伸性能,并进行电化学腐蚀实验,研究固溶温度及SiC颗粒含量(体积分数,下同)对该复合材料的显微组织与性能的影响。结果表明:随SiC颗粒含量增加,SiC/Al-Mg其复合材料的抗拉强度明显提高,材料在拉伸过程中的Serration现象减弱,10%SiC/Al-Mg基复合材料的屈服强度从基体合金的57 MPa提高到246 MPa,而伸长率从23.5%降低到6.0%。随固溶处理温度从400℃升高到570℃,材料的硬度先升高后降低,在固溶温度为500℃时,10%SiC/Al-Mg基复合材料的硬度HV达到92。粉末冶金SiC/Al-Mg基复合材料的腐蚀行为除了受SiC含量影响外,还与固溶温度有关。