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挤压铸造Mullite短纤维M124F铝基复合材料.pdf

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上传者: lcyo 2013-01-31 评分1 评论0 下载0 收藏10 阅读量219 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《挤压铸造Mullite短纤维M124F铝基复合材料pdf》,可适用于个人文书领域,主题内容包含复合材料年中国压铸、挤压铸造、半固态加工学术年会专刊挤压铸造Mullite短纤维/MF铝基复合材料张海涛吴申庆余式昌(.安徽工程科技学院.东南大学)符等。

——复合材料——2005年中国压铸、挤压铸造、半固态加工学术年会专刊 挤压铸造Mullite短纤维/M124F铝基复合材料 张海涛12吴申庆2余式昌2 (1.安徽工程科技学院;2.东南大学) 摘要(用挤压铸造工艺制备了莫来石(mullite)短纤维增强马勒124合金(M124F)铝合金基复合材料。研究了其从常规室 温到400高温的拉伸性能,以及热膨胀性能和硬度;体积分数为17%的莫来石(mullite)短纤维增的复合材料,在300高 温强度比其他增强相复合材料提高15%以上。通过对拉伸断口的SEM观察,分析了复合材料的失效机制,裂纹源主要生成 于增强纤维与基体的复合界面上0 关键词挤压铸造;莫来石(mIlllite)短纤维;铝基复合材料 中图分类号18331;1G146文献标志码 A 陶瓷短纤维增强铝基复合材料是目前最热门的高 新材料之一。从1983年丰田公司报道采用A1203短纤 维增强铝基复合材料活塞投入应用以来,已有很大的发 展H。j。东南大学和一汽集团,德国马勒(南京)活塞制 造公司等单位合作,研究开发出几种型号的屿03短纤 维增强铝基复合材料活塞,已生产复合材料活塞30多 万件,使我国成为少数几个将铝基复合材料应用达到工 业化生产的国家之一心J。 复合材料的性能取决于基体材料与增强相,在陶瓷 短纤维增强的铝合金中,增强短纤维的应用经历了晶 须、驰03短纤维及硅酸铝短纤维等阶段【6~8J,随着制备 技术的突破性进步,晶态Mullite短纤维由于具有优异 的高温性能,相对经济的价格,正在成为新的首选复合 增强相,以引起复合材料领域进行深入的研究旧J。 1 复合材料的制备与性能测试 1.1材料制备 莫来石(Mullite)纤维原料采用浙江某厂生产轻质 耐材散棉。它由莫来石微晶体构成,集晶体材料和纤维 材料特性于一体,有极好的耐热稳定性,熔点达 l 840。成分组成见表1。 表1莫来石(MIlllite)短纤维成分组成 首先对陶瓷纤维棉进行预处理,使其成为长径比为 50~150的短纤维,并去处纤维中的渣球及粗纤维(见 图1a),然后加入一定比例的粘结剂在模具中成型,制 成的预制件再经过干燥,高温烧结等工序,成为具有一 定形状、硬度具有网络状结构的多孑L预制件(见图1b、 图lc)。 基体为M124F铝合金,系共晶铝硅铜镁镍(L。一 E;)系铸造合金,其成分见表2。 采用挤压铸造的方法制造复合材料,将预制件预热 后置人型腔定位,然后浇注铝合金上模下压,合金液在 压力下浸渗到纤维形成的三维孔隙中,经过保压凝固, 即制成所需形状。 收稿日期:2005—06—18 第一作者简介:张海涛,男,1961年出生,副教授,安徽工程科技学院机械系,东南大学访问学者,安徽省芜湖市(241000),电话:0553—5206309,E—nmil: kejia88818@siIla.嗍 失去热源,并且散热条件改善的结果。这造成了图7中 挤压中后期挤压筒内在高度方向上由下而上温度降低 的分布特点。 4结论 采用数值模拟与试验研究相结合的方法,研究了液固 挤压复合材料棒材模具温度场,得到了模具温度随时问的 变化曲线。结果表明,在浸渗保压和挤压过程中,挤压筒 各处温度变化的总趋势是先升后降,在同一高度上,内侧 比外侧温度变化更为剧烈;成形模温度的变化趋势是先升 后降并再次升高,且上部内侧比下部外侧的温度变化要 大,挤压后期各部位温度分布逐渐趋于一致。为优化模具 设计和保证工艺过捌J顷利进行提供了理论依据。 参考文献 1 HuL,hloSJ,HuoWeta1.Developn蜘tofme‰IlIliqueofB咖sionDirec卜 lyFoⅡ册面gIIlfi】t瑚畸0n五DrⅡ1eM粕ukt面ngofMetal一Ⅱ哦ri)【Con聊Dsites.J.0f MateIialsProce%ing1kllIlolo舒,1995,(49):287~294 2罗守靖,田文彤,李金平.21世纪最具发展前景的近静成形技术一半 固态加工.特种铸造及有色合金压铸专刊,2001:175~180 3 “HJ,QiLH,}I叽HMeta1.NeuIalNetwoIkM0dding锄d0ptiIIli豫ti0f SeIIli—solidE柚nlsion矗”AluII】im吼Ma证xC伽田x堪ites.J0llmalofMateddIsnD. ce幽g7Ik}IIlology.2004,151(1—3):126~132 4 QiLH,IjHJ,CuiPLeta1.F0m五ngoflu)esaIldBarsofAluII】ina/LYl2 cor叩0sitbyIjquidExImsionP100ess.7Ihnctions0fNonf缸DusMetalss0一 ciety0fchina,2003,13(4):803~808 5齐乐华,余泽茂,史忠科等.复合材料半固态成形多路实时数据采集系 统.计算机工程,2003,29(15):48—50 6林柏年主编. 金属热态成形传输原理.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版 社,2000. (编辑:张正贺) 01 万方数据 2005年中国压铸、挤压铸造、半固态加工学术年会专刊 (a)Muuite短纤维原料sEM照片(b)制成的多孔预制件 (c)预制件的sEM照片 图1 Mullite短纤维原料SEM照片多孔预制件及其SEM照片 表2基体M124F铝合金成分 % 材料的Mullite短纤维体积分数为17%。热处理状 态为rI’6,即加热到500保温3h固溶处理后水淬,随 后再于200C保温6h时效,出炉后空冷。 1.2性能测试 采用标准试样拉伸方法分别测试了纯复合材料强 度和包含增强区与未增强区结合面在内的界面材料强 度。所谓增强区和未增强区的概念,缘于复合材料的应 用工况,这种复合材料在铝合金活塞中一般作为局部镶 嵌而起增强作用,必然存在局部复合材料与未增强区合 金基体材料的界面结构。本文将其称为增强区/未增强 区结合界面,包含增强区/未增强区结合界面材料的拉 伸试样,截取于基体与复合材料的连接部位进行加工。 拉伸试验采用电子高温拉伸试验机,每组测试3个 试样,测试温度从室温到400的高温。热膨胀系数的 测定采用顶杆膨胀仪,石英玻璃顶杆的修正值为o.5 10“/K[12]。加载49N对复合材料进行维氏硬度测量。 2试验结果与分析 2.1抗拉强度 2.1.1复合材料抗拉强度 图2为2种试样随温度升高的拉伸强度变化,可以 看到随着温度的升高强度明显降低。但复合材料在 300时的极限强度仍在228MPa,比基体合金提高近 50%。 已开发了不同短纤维增强的复合材料[6娟,10j,Mul. 1ite短纤维增强铝硅合金复合材料是氧化铝、硅酸铝、 Mullite等3种短纤维增强铝硅合金复合材料中高温性 能最好的。与氧化铝、硅酸铝短纤维增强铝硅合金复合 材料比较,Mullite短纤维增强铝硅合金复合材料其300 高温抗拉强度提高了15%以上(见图3)。 94 2.1.2增强区/未增强区界面的强度 界面材料拉伸试样取于基体与复合材料的连接部 位进行加工。抗拉强度见图2。试验中观察到,无论室 温或是高温,这种试样的断面均发生在复合材料与基体 合金的结合界面处,这说明两种材料的物理结合界面其 强度均小于单纯基体合金材料和单纯复合材料的抗拉 强度。 306 日255 星 釜204 轺 辗153 0 100 200 300 400 t/ 图2复合材料及其与基体界面的抗拉强度 图3不同增强相铝基复合材料的强度比较 分析这一有规律的破断现象,可以推断出复合材料 的微观断裂裂纹主要是起源于增强相与基体的复合界 面上。由于复合材料制造工艺使短纤维增强相在基体 合金中是随机分布的,在随机分布的增强相结构中,按 结合界面的方位与拉伸载荷方位的关系可以将其分为 3种类型,即界面与载荷或平行、或垂直、或成一定的角 度。那些与基体形成了和施加载荷作用相互垂直的复 万方数据 ——挤压铸造Mullite短纤维/M124F铝基复合材料张海涛等—— 合界面形成了复合材料强度最弱的结合面,在正应力的 拉动下必然起先开裂。因为它们的正拉伸强度比基体 合金和复合材料中增强体与基体形成的非垂直施加载 荷的复合界面的非正拉伸强度都要低,这种界面处是产 生裂纹源的一个重要区位,后面的断口SEM观察分析 也可得出这一结论。 从工程意义上,对于镶嵌结构局部增强的铝合金活 塞的制造和使用,这个复合界面的性能是一个重要的性 能约束指标。高镍奥氏体铸铁镶圈局部增强铝合金活 塞形成的两部分材料的结合界面强度一般不到70 MPa,而采用氧化铝短纤维增强的zLl09复合材料在 300也仅保持137MPa【4|,本研究的Mullite短纤维增 强铝硅合金复合材料与基体材料的界面强度在300 时仍达到174MPa,与氧化铝短纤维增强的zLl09复合 材料相比又提高了27%,具有很好的工程意义和较高 的工程价值。 2.2拉伸断口扫描分析 图4a为复合材料室温拉伸断口。断口宏观面平 坦,局部高铝区细小韧窝与硅相解理区及复合界面脱粘 的混合断面。基体合金室温拉伸一般是断面中脆性硅 相在断裂时充当裂纹源1|,使相邻的a.灿相产生剧烈 的局部塑性变形,裂纹逐渐由此向a—m相扩展,连接相 邻的硅相而形成宏观断裂。在复合材料的断裂过程中, 裂纹源的形成虽然也有脆性硅相的贡献,但正如上面分 析,主要的裂纹是形成在与施加载荷相垂直的复合界面 处。随着该薄弱界面处的裂纹形成与扩展,在断面上形 成以裂纹源为起点的准解理“撕裂棱”,图中发亮的这些 撕裂棱的汇交处是最后断裂区,断裂发展的逆过程可以 (a)室温拉伸断口 (b)300qC高温拉伸断口 图4复合材料拉伸断口 看到,山脊一样的撕裂棱主要起源于薄弱的复合界面 处。在断面上还可以看到许多二次裂纹,大多位于硅相 基底内。大量的二次裂纹说明,硅相基体的断裂强度也 高于薄弱复合界面的强度。 在断口上还能看到,纤维有被扭裂的情形(见图4a 箭头处)。这一点说明基体中的纤维可能在局部有“大 范围”的扭动,也说明局部某些复合界面产生分离的严 重程度。 图4b为复合材料在300高温拉伸断口。在高 温断口上没有发现很多的二次裂纹,这意味着高温下相 对于硅相,铝基合金已经降低了其强度。其解理特征已 经减弱,已无山脊现象。 2.3硬度 基体合金与复合材料在T6条件下的维氏硬度测试 结果,复合材料Hv为142,基体合金Hv为120。提高 近20%。而随着强度与硬度的同时提高,复合材料的 综合性能也是可取的。 3 结论 (1)Mullite短纤维/M124F铝复合材料的高温强度 较高,在300时的极限强度仍在228MPa。 (2)复合材料与基体合金的界面强度300时仍 达174MPa,具有较高的高温性能。 (3)复合材料硬度高于基体合金,这将相应地提高 其耐磨损性能。 参考文献 1 1)叩ornotoT.SEA。I&h.Paper1983N0830252 2李军.陶瓷纤维增强铝基复合材料在发动机活塞上的应用,2003,24 (3):1~3 3周彼德.铸造技术,1992. 4周彼德.铸造,1991. 5朱秀荣.复合材料在发动机活塞上的应用概况.特种铸造及有色合金, 1993(4):15~18 6 wuSQ,weizS,TjongSC.1heMech锄ical锄dTheⅡIlalE礤蚰sionBehavior of锄址一SiAUovC伽啦0siteRei妇edwitllPotassi啪Tit粕afeWhisker.C叫1. p惦itesSci即ceaIld‰0lo盱,2000,60:2873~2880 7 Ca0GH,WuSQ,ljuJM.We铲麟istaIlceMechalli锄0f肌A112SiA】10v ReinfbrcedwitIlAl戚nosilicaieShonFibers.俐“ogyIntem撕onal,1999,32: 72l~724 8 WuSQ,wangHz,1:iongSC.Mech枷calandwearBe}洲orofAl-sim— loyMetal-m晡xcⅧpositeReirlkedwitIlAluIninili咖e胁er.co呷0sites scienceandTkllIlolo舒,1996,56:126l—l270 9龙剑平.特种铸造及有色合金,2004. 10王汝耀.国外内燃机铝活塞金相组织及断口分析.北京:机械工业出 版社,1990. 11关振铎.无机材料物理性能.北京:清华大学出版社,1992. (编辑:刘卫) 95 万方数据 挤压铸造Mullite短纤维/M124F铝基复合材料 作者: 张海涛, 吴申庆, 余式昌, Zhang Haitao, Wu Shenqing, Yu Shichang 作者单位: 张海涛,Zhang Haitao(安徽工程科技学院;东南大学), 吴申庆,余式昌,Wu Shenqing,Yu Shichang(东南大学) 刊名: 特种铸造及有色合金 英文刊名: SPECIAL CASTING & NONFERROUS ALLOYS 年,卷(期): 2005,(z1) 引用次数: 0次 参考文献(11条) 1.Donomoto T SEA Tech 2.李军 陶瓷纤维增强铝基复合材料在发动机活塞上的应用 2003(3) 3.周彼德 查看详情 1992 4.周彼德 查看详情 1991 5.朱秀荣 复合材料在发动机活塞上的应用概况 1993(4) 6.Wu S Q.Wei Z S.Tjong S C The Mechanical and Thermal Expansion Behavior of an Al-Si Alloy Composite Reinforced with Potassium Titanate Whisker 2000 7.Cao G H.Wu S Q.Liu J M Wear-resistance Mechanism of an Al 12Si Alloy Reinforced with Aluminosilicate Short Fibers 1999 8.Wu S Q.Wang H Z.Tjong S C Mechanical and Wear Behavior of an Al-Si Alloy Metal-matrix Composite Reinforced with Aluminosilicate Fiber 1996 9.龙剑平 查看详情 2004 10.王汝耀 国外内燃机铝活塞金相组织及断口分析 1990 11.关振铎 无机材料物理性能 1992 相似文献(7条) 1.会议论文 张海涛.吴申庆.余式昌 挤压铸造Mullite短纤维/M124F铝基复合材料 2005 用挤压铸造工艺制备了莫来石(mullite)短纤维增强马勒124合金(M124F)铝合金基复合材料.研究了其从常规室温到400高温的拉伸性能,以及热膨 胀性能和硬度;体积分数为17的莫来石(mullite)短纤维增的复合材料,在300高温强度比其他增强相复合材料提高15以上.通过对拉伸断口的SEM观 察,分析了复合材料的失效机制,裂纹源主要生成于增强纤维与基体的复合界面上. 2.期刊论文 张先菊.廖乃馒.李伟.范洪远.沈保罗 铸造莫来石短纤维/Al-4.5Cu复合材料界面微结构的研究 -铸造 技术2004,25(9) 用挤压铸造方法制备Mullite/Al-4.5Cu复合材料.用透射电镜(TEM)观察了淬火态及时效态复合材料的微观结构.结果表明:莫来石(Mullite)短纤维组 织致密但分布不均;淬火态复合材料界面附近基体一侧存在高密度位错;Mullite/Al-4.5Cu复合材料有界面反应发生,生成CuAl2O4;时效态复合材料界面处 还存在明显的无析出物带. 3.学位论文 陈彩霞 莫来石短纤维增强铝基复合材料的性能和界面研究 2007 本文采用挤压铸造工艺制备了莫来石(Mullite)短纤维和氧化铝(Alumina)短纤维增强铝基复合材料,研究了Mullite<,f>/M124F复合材料、 Alumina<,f>/M124F复合材料以及M124F铝合金三种材料的抗拉强度、硬度、热膨胀系数以及热循环行为等性能,同时还采用光学显微镜、扫描电镜、透 射电镜等仪器对材料的金相组织、界面结构和断口组织进行了研究和分析。 试验结果表明:加入了陶瓷纤维,复合材料相对于M124F铝合金,其硬 度和拉伸强度都有显著的提高,热膨胀系数明显减少,同时热循环残余应变以及应变滞后环宽度等有所降低;而Mullite纤维和Alumina纤维增强的效果 相当,在高温时两种复合材料的强度差异减少,Mullite<,f>/M124F复合材料的热膨胀系数比Alumina<,f>/M124F复合材料的略大。随着温度升高,热膨 胀系数差值减少。两种复合材料的界面结构类似,在纤维/基体界面上都没有发现反应产物,估计是基体材料中含有接近共晶成分的Si,导致反应无法向 右进行。 通过试验测得的性能数据发现Mullite<,f>/M124F复合材料和Alumina<,f>/M124F复合材料性能几乎相当,针对目前市场上莫来石短纤维 价格低于氧化铝短纤维,可以得出莫来石短纤维替代氧化铝短纤维作为金属基复合材料的增强物是完全可行的。 4.期刊论文 李伟.范洪远.龙剑平.沈保罗.高升吉.涂铭旌 延缓与加速Al-Cu合金时效析出反应的研究 -稀有金属材 料与工程2003,32(10) 研究了溶质原子浓度、Si晶体第二相、残余形变、外加莫来石(Mullite)短纤维及其交互作用,对二元Al-Cu合金时效析出行为的影响.试验材料采用 挤压铸造方法制备,复合材料中纤维体积分数为18%.实验结果表明:随溶质原子浓度的升高,Al-Cu二元合金中GP,θ"和θ′相的析出都得到了相应加快 ;Si含量超过一定值后,随Si含量增加,Al-Cu-Si合金中GP区形成受到抑制,而θ"和θ′相的析出得到加快;形变对GP区的抑制和对θ″,θ′和θ相的加速 析出具有十分明显的作用;纤维本身除对GP区抑制和对θ",θ′相的析出加速外,还会与溶质原子、合金元素或第二相以及残余形变交互作用,使GP区被抑 制,而θ",θ′甚至θ相被加速析出等现象进一步加强.用位错理论能较好地解释析出反应延缓与加速的微观机理. 5.期刊论文 李伟.龙剑平.张先菊.沈保罗.高升吉.涂铭旌 残余形变对莫来石短纤维/Al-4.5Cu复合材料及其基体合 金时效析出行为的影响 -复合材料学报2003,20(1) 用挤压铸造法制备莫来石(mullite)短纤维/Al-4.5Cu复合材料及其基体合金.用硬度测试(HB)、差示扫描量热仪(DSC)和透射电镜(TEM),研究固溶淬 火后残余形变(0 %,12.5 %,25 %,34.4%)和纤维对复合材料及其基体合金时效析出行为的影响.结果表明:形变对Al-4.5Cu合金的时效析出过程具有十分明 显的加速作用,随着形变度增加,时效加速作用进一步加强;莫来石短纤维对Al-4.5Cu合金的时效析出过程具有加速作用;纤维和形变同时存在时,复合材料 的时效析出过程还会进一步加快.但是,形变或/和纤维抑制了Al-4.5Cu合金中GP区的形成. 6.期刊论文 龙剑平.李伟.曾英.LONG Jianping.LI Wei.ZENG Ying Mullite/Al-4.5Cu复合材料中莫来石纤维及界 面反应产物研究 -热加工工艺2008,37(8) 用挤压铸造方法制备莫来石(Mullite)短纤维增强Al-4.5Cu复合材料;用X射线衍射仪(XRD)和分析透射电镜(ATEM)对复合材料中纤维的微观结构、复 合材料界面及界面反应产物的结构特征、化学组成进行了研究.结果表明,莫来石短纤维由大小不等的小晶粒组成,晶型为正交晶系;复合材料界面存在断 续分布的CuAl2O4尖晶石结构的界面反应产物. 7.学位论文 张先菊 Mullite/Al合金复合材料界面微结构及微成分研究 2004 该文在详细综述国内外非连续增强铝基复合材料界面研究进展的基础上,用挤压铸造方法制备莫来石(Mullite)短纤维增强铝基复合材料,采用扫描电 子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM,含高分辨透射电子显微镜HRTEM和分析透射电子显微镜ATEM,二者都附有EDS功能)、X射线衍射仪(XRD)等现代材料 分析测试方法,研究了Mullite纤维的微观结构和Mullite/Al-Cu、Mulllite/Al-Cu-Mg以及Mullite/Al-Cu-Si复合材料的界面微观结构及微区成分.研究结 果表明:1.Mullite/Al合金复合材料中的莫来石纤维由大小不等、位向不同的众多3Al<,2>O<,3>2SiO<,2>单晶体组合而成,组织致密但分布不均,个别单 晶结晶粗大,形状呈球形或哑铃形,纤维表面存在一断续分布的SiO2膜层.2.Mullite/Al-Cu复合材料的凝固过程为非平衡结晶,θ(Al<,2>Cu)相容易在纤维 表面及α相晶间偏析.3.铸态Mullite/Al-Cu-Mg复合材料的凝固组织中,纤维表面及α相晶间存在非平衡结晶的S(Al<,2>CuMg)相和θ(CuAl<,2>)相.淬火 态复合材料界面附近基体一侧中存在高密度位错.Mullite/Al-Cu-Mg复合材料在挤压铸造时容易发生纤维与基体合金间的界面反应,生成 MgAl<,2>O<,4>.4.铸态Mullite/Al-Cu-Si复合材料凝固组织中,纤维表面及α相晶间容易发生游离Si晶体和θ(CuAl<,2>)相的偏聚. 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_tzzzjyshj2005z1036.aspx 下载时间:2010年2月8日

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