连续碳化硅纤维增强钛基(SiCf/Ti)复合材料的制备技术及界面特性研究综述

连续碳化硅纤维(SiCf)由于具有比强度、比模量高,耐磨性、热稳定性好等性能优点,常作为增强体制备SiC纤维增强钛基复合材料。与钛合金基体相比,其具有密度更低、强度更高、疲劳蠕变性能大幅提升等优点,但横向性能却明显下降。因此,该类材料常被设计制作成单向增强性部件,广泛应用在航空航天等领域,如发动机的传动轴、整体叶环、盘类及风扇叶片等多种复合材料的结构件。碳化硅纤维增强钛基复合材料的性能主要由碳化硅纤维的性能、基体性能及纤维与基体之间的结合界面性能决定。目前批量生产的SiC纤维性能较差,界面结合状态与复合材料性能之间关系的研究开展较少,还不能为钛基复合材料构件设计提供足够的数据支持。因此,近年来研究者们主要从SiCf/Ti基复合材料力学行为的研究角度出发,探究不同基体及纤维类型、复合材料制备工艺方法、界面特性及产物对SiCf/Ti基复合材料界面结合力及破坏机制的影响,获得了大量有价值的数据,以期开发出成本低、产物稳定性好、可批量生产SiCf/Ti基复合材料的制造工艺方法。目前较为成熟的碳化硅纤维有英国DERA-Sigma公司提供的Sigma系列SiCf及美国Textron公司提供的SCS系列SiCf,后者强度最高达到6 200 MPa。SiCf/Ti基复合材料的制备工艺包括金属箔-纤维-金属箔工艺(FFF)、单层带工艺(MT)、基体-涂层纤维工艺(MCT)等,制备复合材料的工艺根据零部件的用途来定,FFF适用于制备板材等大尺寸构件,MCT适用于制备叶环、轴、管、叶片等复杂结构件。界面是增强体与基体之间的纽带和桥梁,界面结构设计、界面反应控制及反应产物均影响着界面的力学特性。在SiCf/Ti基复合材料的纤维和基体之间添加过渡层能够减缓它们之间的相互扩散及化学反应,过渡层选用反应层和惰性涂层组成的双层涂层较好。界面反应产物受涂层成分、基体组织、复合和热处理工艺、环境因素等的影响,增强纤维及基体性能、优选制备工艺、控制界面反应及产物有利于提高复合材料的力学性能。本文总结了连续SiC纤维(SiCf)增强钛基复合材料的应用研究现状,详述了SiCf/Ti基复合材料的钛合金基体材料、SiCf的种类及性能,SiCf与SiCf/Ti基复合材料的制备方法,分析了SiCf/Ti基复合材料界面结构设计及反应产物,阐明了界面力学特性与复合材料性能的关系,指出国内SiCf/Ti基复合材料发展的重点应放在高性能SiC纤维的研究与开发、界面层设计及界面与性能的关系以及复合材料分析检测手段三个方面,为SiCf/Ti基复合材料的制备及其今后的实际应用提供了参考。     

激光功率对PLC控制的SLM成形SiC增强铝基复合材料组织与性能的影响

目的 提升激光选区熔化成形(SLM)SiC增强铝基复合材料的力学性能。方法 以球形纳米SiC和类球形AlSi10Mg粉末为原料,采用球磨工艺和基于PLC控制的SLM技术制备了SiC增强铝基复合材料(SiC/AlSi10Mg),考察了激光功率对复合材料物相、显微组织和力学性能的影响。结果 复合粉末和激光功率为120~240 W的复合材料都主要含Al相和Si相;随着激光功率的增大,Al相择优结晶取向由(111)晶面转变到(200)晶面,在较高激光功率下,SLM成形试样中SiC熔化并与基体材料发生反应形成了Al4SiC4、Al4C3碳化物。在不同激光功率的SLM成形复合材料中都可见暗黑色α-Al基体和灰白色Al-Si共晶;随着激光功率增至210 W,Al-Si共晶组织逐渐碎片化并演变为网状,平均晶粒尺寸和小角度晶界体积分数逐渐增大。当激光功率从150 W增至240 W时,复合材料的纳米硬度和弹性模量先增后减,压缩强度逐渐减小,抗拉强度逐渐增大、断后伸长率先减后增而后又减小。结论 当激光功率为210 W时,SiC增强铝基复合材料具有良好的综合力学性能,这主要与组织均匀化、晶粒细化以及碳化物/基体界面结合改善等有关。     

碳化硅颗粒增强Al基复合材料的新型制备工艺

综述了碳化硅增强铝基复合材料的几种主要制备工艺,重点阐述了高能超声半固态复合法制备SiCp/Al复合材料.首先用渗流法制备SiC体积分数高的SiCp/Al预制块,进行SiC预分散,然后将预制块加入处于半固态温度条件下的铝合金熔体中,最后导入超声波进行搅拌.此法很好地改善了增强颗粒与基体之间的润湿性,使SiC在基体中均匀...     

碳化硅颗粒增强7A04铝基复合材料的腐蚀行为

碳化硅颗粒增强7A04(SiCp/7A04)铝基复合材料的应用环境及其腐蚀状况都较复杂.过去,对它的研究方法多样,依据不同,因而其腐蚀结论有异,甚至矛盾.为了研究SiCp/Al复合材料的耐蚀性,用电化学法和失重法研究了SiC颗粒含量和粒度对SiCp/7A04铝基复合材料及基体合金耐腐蚀性能的影响.结果表明,与基体合金相比,SiCp/7A04铝基复合材料耐蚀性下降,SiC含量高的复合材料腐蚀较快,SiC颗粒尺寸越大,复合材料耐蚀性越好;采用扫描电镜(SEM)观察腐蚀后的微观形貌表明,SiC颗粒破坏了基体表面氧化膜的完整性,促进了点蚀的形成,但其自身的稳定性又阻碍了蚀孔的长大.     

SiC颗粒增强铝基复合材料的纯铜中间层液相扩散焊

采用Cu箔中间层在Ar气氛保护、550℃条件下过渡液相扩散焊(TLP)焊接SiC颗粒(SiCp)增强Al基复合材料SiCp/ZL101和SiCp/Al(SiCp10vol％),对母材与焊接接头的微观组织、剪切强度、焊接接头剪切断面与断裂路径等进行分析.结果表明:在铸Al(ZL101)与纯Al(Al)基体中,分别通过共晶...     

球磨-转喷微注法制备纳米Al2O3颗粒/Al(7075)复合材料的组织及磨损特性

采用球磨-转喷微注相结合的新工艺制备纳米Al₂O₃颗粒(Al₂O_3p)/Al(7075)复合材料,设计一种转喷微注装置,该装置能将连续、微量的纳米Al₂O_3p注入到Al熔体中。观察纳米Al₂O₃增强相对Al(7075)基体合金材料微观组织的影响,并测试Al(7075)基体和纳米Al₂O_3p/Al(7075)复合材料的磨损特性。对纳米Al₂O_3p/Al(7075)复合材料和Al(7075)基体在不同载荷(15 N、25 N和35 N)下的磨损特性进行对比研究。结果表明:球磨-转喷微注法制备的纳米Al₂O_3p/Al(7075)复合材料晶粒较小,且增强相在基体中分布均匀且结合良好;随着载荷增大,纳米Al₂O_3p/Al(7075)复合材料磨损量的上升趋势慢于Al(7075)基体。载荷为35 N时,纳米Al₂O_3p/Al(7075)复合材料的磨损量较Al(7075)基体少,磨屑尺寸较小,其耐磨性能明显改善,这主要得益于纳米Al₂O_3p的支撑作用和材料的细晶强化作用。      

电磁离心铸造SiCP/Al复合材料励磁电压对不同粒度颗粒分布的影响

采用电磁离心铸造( EMCC) 工艺制备SiCP/ Al 复合材料, 实验了两种不同粒度的SiCP 颗粒增强Al 基体, 测定了不同励磁电压下颗粒在基体中的分布, 测试了不同粒度增强基体均匀分布的材料的硬度和耐磨性。结果发现电磁搅拌更容易使小粒度的颗粒分布均匀。励磁电压为100 V 时的颗粒分布比励磁电压为50 V 时的颗粒分布更均匀。均匀分布的小颗粒增强基体的复合材料的硬度和耐磨性有很大提高。      

(AIBO)w/Al复合材料制备工艺研究

为减少传统挤压铸造工艺制备金属基复合材料步骤,降低成本,用湿法制备了硼酸铝晶须预制件,并用液-固挤压法制备晶须含量为20%(体积分数)的硼酸铝晶须增强铝基复合材料((AlBO)w/Al).通过正交实验法对预制件及复合材料的制备工艺参数进行设计及筛选,并采用光学显微镜、扫描电镜等对制备的(AIBO)w/Al微观组织进行观察分析.得到预制件及复合材料制备的最佳工艺参数,发现硼酸铝晶须在基体铝合金中的分布较为均匀,与挤压铸造法相比,该方法可减少工序,降低成本.     

SiC颗粒增强6061Al基复合材料的动态拉伸性能Ⅰ应变硬化

利用拉伸split Hopkinson bar实验装置研究了SiCp/6061Al复合材料及其基体合金的动态拉伸性能及应变硬化行为。结果表明，与静态加载类似，在动态加载条件下，SiCp/6061Al复合材料的强度高于基体合金的强度，其断裂延伸率低于基体合金的断裂延伸率，在低应变动态拉伸时，复合材料的应变硬化指数高于Al合金材料的应变硬化指数，随着应变的增加，复合材料的应变硬化指数迅速下降，以至低于基体合金的应变硬化指数。     

采用非增强中间层电子束焊接SiCP/ Al

为解决SiC_P / Al 焊接成形问题,提出了采用非增强中间层的电子束焊新工艺。考察了非增强中间层对碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiC_P / Al) 电子束焊接成形、脆性相Al₄C₃生成及气孔的影响。研究表明, 采用富Si非增强中间层后, 焊接成形明显改善, 脆性相的形成也受到了抑制, 但气孔问题比较突出。讨论了工艺和材料因素对焊接缺陷和接头力学性能的影响, 由此获得SiC_P / Al 电子束焊的工艺要点。      

FABRICATION OF SiCp-AI COMPOSITE MATERIALS

Liquid phase fabrication methods for aluminum matrix composites reinforced with SiC whiskers, or SiC particles have been investigated and the mechanical properties of fabricated composites have been evaluated. Three kinds of liquid phase fabrication methods; hot extrusion, hot pressing and pressure infiltration, were studied. Commercial SiC whiskers and SiC powders of alpha type and beta type were used as the reinforcements for an aluminum matrix. Among the fabrication methods investigated, the best results were achieved by the pressure infiltration. The mechanical properties and the wear resistance of the fabricated composites were measured. The SiC whisker reinforced aluminum matrix composites have high strength, so that they can be used as high specific strength materials. The SiC particulate reinforced aluminum matrix composites are not strong as the SiC whisker reinforced composites. However, the SiC particulate reinforced aluminum matrix composites have a good potential for use as wear resistant material. The hardening effect of beta type particles on the aluminum matrix was larger than that of alpha type particles.     

SiC 颗粒增强铝基复合材料制备及机加性能研究

采用真空搅拌铸造法制备了20vol%SiC 颗粒增强A 356 基复合材料。SiC 颗粒在基体中分布均匀, 材料抗拉强度319M Pa, 弹性模量98. 9GPa, 延伸率1. 4%。采用聚晶金刚石-PCD 刀具, 在切削速度v= 30～ 40m/m in时, 复合材料对刀具损耗最小, 工件表面粗糙度良好。      

铝基复合材料的制备和组织分析

讨论在制备复合材料过程中颗粒与金属基体之间的润湿性，温度控制以及压力等因素对制备工艺的影响，并结合Al／Si复合材料压力熔渗法制备工艺，通过理论计算与实际实验相结合，确定了合理的制备工艺参数，采用该工艺参数制备的复合材料内部自由孔隙和硅颗粒的分布均匀，基体中的共晶组织可依附在颗粒表面形核生长；同时研究了Al／Si复合材料的特性和断裂行为，通过显微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。     

石墨添加对原位合成钛基复合材料高温力学性能的影响

利用钛与碳化硼及石墨之间的自蔓延高温合成反应经普通的熔铸工艺原位合成制备了不同摩尔比值TiB和TiC增强的钛基复合材料。测定了原位合成钛基复合材料的高温力学性能。结果表明:由于增强体的原位合成,复合材料的高温拉伸性能与基体合金比较有了明显的提高。高温拉伸断裂与温度有关,温度较低时,增强体断裂是材料失效的主要原因;而随着温度的提高,增强体与基体合金界面脱粘成为材料失效的主要原因。高温拉伸时裂纹容易在短纤维状增强体TiB的端面处形核与长大从而使增强体与基体合金脱粘导致材料失效,因此加入石墨形成更多的TiC粒子有利于提高复合材料的高温力学性能。     

高体积分数B4C/ZL101复合材料力学性能的研究

高体积分数颗粒增强金属基复合材料结合了陶瓷和金属的性能优势,具有轻质、高强、高模量的特点,是一种颇具应用前景的装甲材料,但此方面的报道研究较少。采用压力浸渗法制备了颗粒体积分数为50%、不同粒径的B4C/ZL101复合材料。结果表明,预制件温度为550℃、浸渗熔体温度为750℃时,采用压力浸渗可以得到颗粒分布均匀、致密度高的复合材料,组成相简单;复合材料的力学性能表明,B4C颗粒的粒径越小,复合材料的力学性能越好。当B4C颗粒粒径为3μm时,压缩强度、抗弯强度、布氏硬度分别可达1000MPa、640MPa、285HB。     

两种粒径颗粒混合增强铝基复合材料的导热性能

选用粒径为20μm 和60μm 的SiC 颗粒, 采用挤压铸造方法制备了基体分别为工业纯铝L2 、LD11(Al-12 %Si) 和AlSi20 (Al-(18～21) %Si) 的复合材料, 研究了材料的导热性能。在等比表面积的基础上, 提出了等效颗粒直径的概念, 解决了两种粒径颗粒混合增强铝基复合材料导热率的预测问题。结果表明, SiC_P/ Al 复合材料具有较为优异的导热率, 且LD11 基与AlSi20 基复合材料的导热率大于基体合金的导热率, 这与颗粒的等效直径大于临界粒径且颗粒导热率大于基体导热率有关;但复合材料的导热率随着基体中Si 含量的增加而降低。     

Al2O3f+Cf/ZL109混杂复合材料高温拉伸强度的理论分析

利用挤压铸造法制备了Al₂O_3f+C_f/ZL109短纤维混杂金属基复合材料,对该混杂复合材料的高温(300℃)强度性能进行了实验和理论分析。在综合考虑纤维长度变化规律、热应力诱发位错强化和纤维弥散硬化等因素对复合材料强度影响的基础上,对复合材料强度预测的混合律模型加以发展和修正,建立了Al₂O_3f+C_f/ZL109短纤维混杂复合材料的高温(300℃)强度预测模型。利用该模型得到的高温强度理论值所反映的规律与实验值所反映的规律吻合良好,该模型具有一定的正确性和实用性。      

Erosive wear behaviour of aluminium based composites

Al-MMCs reinforced with short fibres or particles of ceramics such as alumina, titanium diboride and silicon carbide result in composites of high specific strength and stiffness, suitable for advanced engineering applications such as in the aerospace and automotive industries. This paper studies the erosion wear behaviour of Al-based composites reinforced with alumina-fibre and in-situ TiB₂ particles using a water/SiC particles slurry jet. From the results of our experiment, the erosion resistance of reinforced Al-MMCs depends on that of the Al-alloy and the reinforcing ceramics, as well as on the bonding strength between the matrix and ceramic fibres or particles. Some design strategies to enhance the erosion resistance of Al-MMCs reinforced with short fibres and particles have been discussed.     

颗粒增强铝基复合材料阳极氧化与耐蚀性的研究

基体中加入与铝合金基体电位不同、高体积分数的碳化硅和石墨颗粒增强材料,可能导致材料的耐蚀性降低.采用盐雾腐蚀和硬质阳极氧化方法对4种喷射沉积制备的颗粒增强铝基复合材料和一种喷射沉积锭坯颗粒增强铝基复合材料的腐蚀行为及阳极氧化工艺进行了研究.结果表明,颗粒增强铝基复合材料具有较高的腐蚀率,腐蚀形态均为明显的点蚀;在适当阳极氧化工艺条件下,颗粒增强铝基复合材料表面可以制得优良耐蚀性的硬质阳极氧化膜.     

Al2O3颗粒增强纯铝基复合材料的研究

本文探讨了用粉末冶金法,采用常规的冶金加工设备和工艺,制造Al₂O₃颗粒增强纯铝基复合材料的可行性。研究了不同Al₂O₃体积含量复合材料的显微组织及力学性能。初步试验了二次热挤压变形对颗粒分布和对基体强化的影响。结果表明,Al₂O₃颗粒与纯铝粉混合,加压烧结制备的复合材料,组织致密,颗粒分布均匀,随Al₂O₃含量增加,复合材料强度、硬度及弹性模量大大提高,Al₂O₃含量小于10%时,塑性不降低。二次热挤压有助于提高颗粒分布的均匀性;并使基体显著强化。