SiC颗粒增强Al基复合材料中有害界面反应的控制

对有害界面化学反应的控制 ,是当前SiC颗粒增强Al基复合材料研究中的主要问题之一。本文对近年来国内外研究工作者 ,通过添加Si元素及对SiC颗粒进行表面处理来控制SiC Al之间有害界面反应的研究进展进行了评述     

常规铸造工艺条件下SiCp/Al-Si复合材料中的界面反应

采用搅拌复合法制备了10%SiC／Al—5Si—Mg，10%SiC／Al—7Si—Mg(体积分数)复合材料，研究了在常规铸造工艺条件下重熔后复合材料中的界面反应。通过透射电镜和能谱分析可知，SiC界面基本上都是单一的SiC／Al及SiC／Si界面，部分界面上有MgAl2O4颗粒相形成，由于基体合金中Si的存在，生成Al2C3的有害界面化学反应得到了抑制。对不同文献中抑制Al4C3产生所需临界Si含量实验测定结果的差异进行了分析。     

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的无压浸渗反应机理探讨

为探讨SiCp/Al复合材料无压浸渗反应机理,利用XPS鉴定了SiC预制体浸渗前沿界面上的反应产物结构,采用HRTEM研究了SiCp/Al基复合材料的界面结构。结果表明,浸渗与未浸渗部分之间的界面上存在MgO,Al2O3和ZnO诸化合物,没有发现氮的化合物,在SiC相与铝相的界面上仅存在MgAl2O4相,MgAl2O4相几乎连续地包敷在SiC颗粒上,这表明,高温下SiC与熔Al合金接触后,SiC颗粒表面上的SiO2与Al,Mg,Zn诸元素发生了放热反应,从而降低了表面张力,提高了湿润性,促进了自发浸渗。     

碳化硅颗粒增强铝基复合材料的无压浸透反应机理探讨

为探讨SiCp/Al基复合材料无压浸渗反应机理,利用XPS鉴定了SiC预制体浸渗前沿界面上的反应产物结构.采用HRTEM研究了SiCp/Al基复合材料的界面结构.结果表明,浸渗与未浸渗部分之间的界面上存在MgO.Al2O3和ZnO诸化合物,没有发现氮的化合物.在SiC相与铝相的界面上仅存在MgAl2O4相,MgAl2O4相几乎连续地包敷在SiC颗粒上.这表明,高温下SiC与熔Al合金接触后,SiC颗粒表面上的SiO2与Al,Mg,Zn诸元素发生了放热反应,从而降低了表面张力,提高了湿润性.促进了自发浸渗.     

辅助电磁场作用下的铝基复合材料钎焊接头界面微观组织及其分析

采用Zn-Al钎料,以铝基复合材料SiC/A356为研究对象,对该材料辅助电磁场作用下的钎焊工艺及其接头界面微观行为进行了探索性的研究。试图通过电磁场效应,控制液固界面处强化相的推斥/吞没行为,并对不同交变方波电流峰值作用下的接头微观组织进行分析。研究结果表明,在磁场强度为0.5T,交变电流频率为100Hz,电流峰值为70A时SiC强化颗粒的行为得到了有效的控制,避免了SiC强化相颗粒在界面处的偏聚行为,获得了SiC强化相颗粒在钎缝中均匀分布的铝基复合材料钎焊接头。     

SiCw／Al—12Ti复合材料裂纹扩展的SEM原位观察

利用带缺口三点弯曲试样，原位观察了SiC品须含量不同的Al－12Ti基复合材料的裂纹扩展过程结果表明，随SiCw增加，裂纹由优先治Al3Ti颗粒／Al界面萌生与扩展转变成在Al3Tip内部和靠近SiCw端部的SiCw／Al界面萌生与扩展SiCw／Al-12Ti的强化机制以SiCw的桥接、拔出和诱导裂纹偏转强化为主，同时，SiCw与Al3Tip起到较好的互补强化作用     

轻微界面反应对SiCP/6061Al复合材料弹性模量的影响

本文首次提出控制压铸SiC_P/6061Al 复合材料中轻微界面反应的方法, 并就反应的机理及其对材料弹性模量的影响规律和机制进行了研究。结果表明: 界面反应物为离散分布的小颗粒状MgAl₂O₄, 反应中氧的主要来源为原始态SiC 颗粒表面残留的SiO₂薄层; 该种反应物的存在有利于材料弹性模量的提高。      

无压浸渗制备的SiC/Al复合材料的微观组织研究

利用SRD,OM,SEM,TEM等微观结构分析手段,对无压浸渗制备的SiCp/Al复合材料的微观结构进行了研究。结果表明,SiCp/Al复合材料中存在SiC,Al,MgAl2O4,Si和Mgi2Si诸相。在组织中没有粗大的铝硅共晶体针条,铝基体被众多SiC颗粒分割,成为细小的连续的空间网络。在铝基体中分布着Si相及Mg2Si相。透射电子显微镜高分辨像表明,在SiC与铝合金的界面上存在镁铝尖晶石（MgAl2O4）相,没有出现Al4C3相。     

Ti对SiCp/Al等离子弧焊焊缝组织的影响

对铝基复合材料进行等离子弧焊接,高温下基体Al与增强相SiC之间发生有害界面反应,生成脆性相Al4C3,严重降低焊接接头的力学性能．采用钛合金作为填充材料,对SiCp／6061Al进行原位合金化焊接,并将离子气由单一的Ar气变为以一定比例混合的N2＋Ar的混合气体,着重研究了合金化填充材料Ti对焊缝显微组织的影响．研究结果表明：合金化填充材料Ti的添加改善了基体与增强相间的润湿性,在一定程度上抑制了基体舢与增强相SiC之间界面反应的发生,抑制了脆性相Al4C3的生成,并获碍以TiN、MN为二次增强相均匀分布的焊缝显微组织,保证了焊接接头的力学性能．     

高体积分数SiCp/Al复合材料的微观组织与导热性能

选用两种粒径的SiC颗粒,采用挤压铸造方法制备了体积分数为70％的SiCp／LD11（Al-12％Si）复合材料,研究了材料的微观组织和导热性能．研究表明：复合材料组织均匀、致密;SiC—Al界面干净,而基体中的Si相分别存在从铝中直接析出和依附SiC颗粒表面生长这两种分布形态;复合材料导热性能优异,其导热率大于基体LD11铝合金的导热率．     

热处理过程中SiCP/2024Al复合材料的热应力分析

为研究热处理过程中SiCP/2024Al复合材料的热应力的变化规律,及热处理工艺对SiCP/2024Al复合材料热残余应力的影响,利用Marc有限元软件对淬火和冷热循环热处理过程中的SiCP/2024Al复合材料的热应力进行了数值模拟.研究结果表明:热处理过程中,颗粒和基体的界面附近会产生很大的热应力场,并且在SiC颗粒的尖角处产生热应力集中;经淬火处理后的SiCP/2024Al复合材料的热残余应力与基体的屈服强度接近,但经过冷热循环处理后的SiCP/2024Al复合材料中的热残余应力明显降低.     

SiC_P/Al基复合材料在等径角挤扭变形中的界面原子扩散行为

为了研究金属基复合材料在剧烈塑性变形(SPD)过程中增强颗粒与金属基体的界面连接机制,通过等径角挤扭(ECAP-T)工艺在较低温度下制备块状10wt%SiCP/Al基复合材料,并对经过1、2和4道次ECAP-T变形的SiC颗粒与纯Al之间的界面反应以及元素扩散进行了研究。通过TEM和XPS研究了界面和元素扩散,结果表明:即使在较低的外界制备温度下,Al和SiC颗粒表面的SiO2层也能够发生反应,形成主要由Al2O3组成的界面层。相比理论计算值,ECAP-T变形可以将Al的扩散系数提高约1016倍,增强扩散的原因主要是ECAP-T变形促使界面温度升高,且在铝基体内产生空位、位错和晶界等高密度晶格缺陷。     

高导热金属基复合材料的热物理性能

分别采用无压浸渗、气压浸渗、内氧化技术制备了高导热Al/SiC、Al/C、Cu/Al2O3复合材料.研究了增强相和界面对这三种复合材料的热导率和热膨胀系数的影响,并对这些性能进行了理论分析和数值模拟.当颗粒尺寸与界面层厚度之比固定时,颗粒尺寸对Al/SiC复合材料热导率影响很小,但界面热导率对其影响很大;Al/SiC复合材料的CTE随温度的升高而增加,随SiO2层厚度的增加而减小;碳纤维中混杂3%SiC颗粒有利于改善纤维的分布,降低Al/C复合材料的缺陷,并提高其热导率;压力加工增加了Cu/Al2O3的致密度,也提高了其热导率;可用Schapery和Kerner模型计算复合材料的热膨胀系数,用Hasselman-Johnson模型计算热导率.     

Al合金无压熔渗多孔SiC预成形坯体的组织变化及机理EI北大核心

高体积分数SiCp/Al复合材料可以通过Al合金无压熔渗SiC多孔预成形坯体实现其近净形成形。本文通过观察无压熔渗过程中相关的显微组织变化,研究Al合金在SiC多孔坯体中的熔渗行为及机理。研究结果表明:实现Al合金对SiC预成形坯无压自发熔渗的关键是合金中必须存在Mg元素,并且须在氮气氛中进行;正是利用合金中Mg与氮气氛的相互反应在SiC颗粒的表面生成Mg3N2,并通过Mg3N2与Al的反应帮助Al合金顺利熔渗到SiC孔隙中去。     

铝基钎料在SiC及SiC_p/6061复合材料上的润湿性研究

对多种铝基钎料在SiC、6 0 6 1及SiCp 6 0 6 1复合材料上进行了润湿性试验。结果表明 :炉中钎焊时 ,钎料与钎剂的成分、加热温度与保温时间、钎料与钎剂熔化温度的匹配等是影响铝基钎料润湿性的主要因素 ;真空钎焊时 ,镁含量不同的各种含镁Al 2 8Cu 5Si钎料在Al基复合材料连接的温度范围内都不能润湿SiC陶瓷表面 ;配合QJ2 0 1钎剂 ,Al 2 8Cu 5Si 2Mg钎料对 15 %SiCp 6 0 6 1Al复合材料具有良好的润湿性 ,但对 30 %SiCp 6 0 6 1Al复合材料却润湿不良 ;在加钎剂的情况下 ,钎料中的镁反而对在铝合金及铝基复合材料上的润湿性有不利影响 ;在Al 2 8Cu 5Si 2Mg钎料和 15 %SiCp 6 0 6 1Al复合材料的钎焊界面处存在SiC颗粒的偏聚现象     

以自蔓延高温合成SiC颗粒为增强体的光学/仪表级铝基复合材料

尝试采用自蔓延高温合成（SHS）、具有近球特征且表面粗糙的新型SiC颗粒,以替代传统的角状磨料级SiC颗粒,作为光学/仪表级的高体分SiCp/Al复合材料的增强体。研究结果表明：与传统角状SiC颗粒相比,SHS-SiC颗粒的无棱角,近球形几何特征,使其附近铝基体中的应力集中程度显著降低,进而使材料的强度包括表征尺寸稳定性的微屈服强度明显提高：SHS-SiC颗粒所特有的粗糙表面形貌,使SiC-Al之间的界面结合通过机械镶嵌机制得到了进一步的增强,跨越界面的载荷传递效率进一步提高,并表现为复合材料的弹性模量有所提高。     

碳化硅颗粒和晶须增强铝锂基复合材料

综述了近年来碳化硅颗粒(SiCp)和碳化硅晶须(SiCw)增强铝基复合材料的发展,尤其是铝锂基复合材料的发展。SiC/Al复合材料的制造方法有铸造法、粉末冶金法、溅射沉积法等。碳化硅和铝的界面结合良好,由于碳化硅和铝的热膨胀系数相差六倍,因而在生产及热处理过程中收缩差所产生的错配应变会在基体中产生大量位错。人们认为,高密度的位错是SiC/Al强化的主要因素。     

金属基复合材料界面反应控制研究进展

金属基复合材料可以通过基体合金成分改变、增强体的形态和种类选择及工艺控制等要素获得不同的材料特性,因而具有很强的可设计性。在金属基复合材料性能设计中,界面状态的控制是核心内容。归纳了作者近几年在金属基复合材料界面控制研究方面的研究工作,包括利用工艺技术方法控制Cf/Al有害界面反应,获得TiB2/Al自润滑界面;利用基体合金化方法控制SiC/Al和Cf/Al有害界面反应,获得W/Cu固溶体界面等方面的理论与实践。研究表明,采用材料制备工艺和基体合金化等方法控制界面反应热力学和动力学过程可以实现抑制有害界面产生及获得有益界面,而且是十分简捷、有效和低成本的方法。     

原始SiC颗粒表面及SiCP/Al复合材料界面化学状态的研究

本文采用X射线光电子谱(XPS)和俄歇能谱技术(AES)对原始SiC颗粒表面和粉末冶金法制备的SiC_P/Al复合材料界面的化学状态进行了研究.结果表明:原始SiC颗粒表面主要存在SiC、SiO₂、游离C、吸附氧、Fe₂O₃等;SiC_P/Al复合材料界面存在Mg偏聚和氧元素.由热力学分析可知,Mg元素能够向界面偏聚,并可能与界面处的氧反应生成MgO.     

挤压铸造法制备可变形SiCP/Al复合材料的组织与性能

通过在SiC颗粒预制块中加入铝粉的方法制备了颗粒含量可控的SiC颗粒预制块,并用挤压铸造法制备了可变形SiC_P/Al复合材料。通过对颗粒体积含量为25%的SiC_P/Al复合材料进行热挤压变形,研究了挤压变形的可行性及其对复合材料组织与性能的影响规律。实验结果表明,用本文中提出的新工艺制备的25vol%SiC_P/Al复合材料可以成功地进行挤压比为25∶1的热挤压变形,并且热挤压变形可以明显提高复合材料的强度、刚度和塑性。