【摘 要】
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SiC颗粒增强铝基复合材料具有弹性模量高、耐磨性好、尺寸稳定性高、比强度高等性能优点,在航空航天、汽车、体育器材等领域具有广泛的应用。为了分析并解决搅拌铸造法制备颗粒增强铝基复合材料中存在的问题,其中包括SiC颗粒不均匀分布、气孔率高、溶质元素偏析严重、晶粒粗大、颗粒和基体润湿性差等,从而为颗粒增强铝基复合材料的制备提供有效的理论指导。本文采用超声波辅助半固态搅拌铸造,以2024Al为基体,10μ
【基金项目】
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"国家自然科学基金"（批准号 51771128、51771129 和 52001223）； 山西省科技重大专项（批准号 20181101008）； 中国高等学校优秀创新团队计划； 山西省和中央政府指导地方科技发展专项资金项目（YDZX20191400002734）；
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SiC颗粒增强铝基复合材料具有弹性模量高、耐磨性好、尺寸稳定性高、比强度高等性能优点,在航空航天、汽车、体育器材等领域具有广泛的应用。为了分析并解决搅拌铸造法制备颗粒增强铝基复合材料中存在的问题,其中包括SiC颗粒不均匀分布、气孔率高、溶质元素偏析严重、晶粒粗大、颗粒和基体润湿性差等,从而为颗粒增强铝基复合材料的制备提供有效的理论指导。本文采用超声波辅助半固态搅拌铸造,以2024Al为基体,10μm SiC颗粒为增强体,制备出体积分数为0%、5%、10%、15%和20%的SiCp/2024Al复合材料,通过两步变形（挤压+轧制）的方法最终获得了厚度约为1 mm的SiCp/2024Al薄板。通过对SiCp/2024Al复合材料进行压力凝固实验,研究了不同模具温度、超声处理温度对铝基复合材料显微组织和力学性能的影响规律,成功制备出颗粒分布均匀、气孔率低和第二相分布均匀的SiCp/2024Al复合材料。对铸态SiCp/2024Al复合材料进行两步热变形,制备出不同体积分数的SiCp/2024Al复合材料薄板,研究了两步热变形（挤压+轧制）工艺对铸态复合材料显微组织和力学性能的影响规律。通过制备不同体积分数的SiCp/2024Al复合材料薄板,研究了SiCp的体积分数对SiCp/2024Al复合材料薄板显微组织和力学性能的影响。研究结果表明,超声辅助半固态搅拌铸造生产的10vol.%SiCp/2024Al复合材料具有良好的力学性能,极限抗拉强度最佳为297 MPa,延伸率为2.21%。在450℃模具温度下,SiCp/2024Al复合材料中的SiC颗粒存在明显的不均匀分布,颗粒贫瘠区的第二相存在网状分布,材料内部的气孔率高。随着模具温度从450℃升至550℃,复合材料内部的气孔率呈下降趋势,SiC颗粒分布均匀性提高,但第二相的偏析先减弱后增强。在500℃模具温度下,复合材料表现出最佳的力学性能。随着超声波处理温度的降低,从700℃至640℃的超声温度范围内,SiCp/2024Al复合材料中的SiC颗粒宏观分布不均匀性加剧。在高于2024Al液相线温度的超声处理下,随超声处理温度升高,铸件的气孔含量上升,SiCp/2024Al复合材料的力学性能下降。在低于2024Al液相线温度的超声处理下,降低超声处理温度,复合材料内部的气孔含量上升,第二相偏析严重,复合材料的力学性能下降。在670℃的超声处理温度下,SiCp/2024Al复合材料表现出最佳的力学性能。最佳的凝固工艺是模具温度接近2024Al固相线温度（500℃）,超声处理温度接近2024Al液相线温度（670℃）的工艺。在这种凝固工艺下,铸态SiCp/2024Al复合材料表现出:SiC均匀分布、气孔率低（0.2%）和第二相含量低（0.49%）。铸态复合材料经过两步热变形（挤压+轧制）后,铸态组织中的缺陷和挤压态试样的缺陷消失。两步热变形可以显著细化复合材料中铝基体的平均晶粒尺寸。挤压态复合材料中团聚的SiC颗粒阻碍了Cu Al2相的细化。两步热变形后,SiC颗粒和Cu Al2相尺寸下降,分布更加均匀。两步热变形改善了SiC颗粒与铝基体的界面结合强度。两步热变形后10vol.%SiCp/2024Al复合材料的极限拉伸强度和伸长率分别为489 MPa和10.42%。对不同颗粒含量的SiCp/2024Al复合材料板材进行显微组织和力学性能分析。研究发现:2024铝合金的平均晶粒尺寸为23.7μm,随SiCp含量的增加,复合材料的平均晶粒尺寸呈下降趋势,第二相的尺寸呈下降趋势,但第二相的含量没有发生变化。SiCp分布的均匀性随颗粒含量增加呈现先上升后下降的趋势,10vol.%SiCp/2024Al复合材料板材表现最优的颗粒分布。固溶处理和时效处理可以显著提高轧制态SiCp/2024Al复合材料的力学性能。时效处理后2024Al基体中有大量纳米级第二相析出。时效处理后,10vol.%SiCp/2024Al的屈服强度、极限抗拉强度和延伸率分别为391 MPa、514 MPa和7.2%。
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