2024al-gr-sicp复合材料耐热性能研究

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1、2024Al/Gr/SiCp复合材料耐热性能研究　　中图分类号：TG146.21文献标识码：A　　颗粒强化铝基复合材料具有密度小、比强度和比刚度高、弹性模量高和热膨胀系数低等优点，已在航空航天、交通领域得到非常广泛的应用[1].随着近年来航空航天工业的迅猛发展对材料提出了更高的要求，为了进一步提高飞行器的性能，开发混合颗粒强化铝基复合材料越来越受到人们的关注[2-4].混合颗粒强化铝基复合材料结合了不同增强相颗粒所带来的优势，使其具有多种独特的性能，例如SiC颗粒与石墨混合强化铝基复合材料不仅具有高弹性模量，还具有良好的耐磨性能和阻尼性能[5-8].2024Al合金属

2、于可热处理强化铝合金，耐热性也比较优异[9].通过在合金中复合添加SiC颗粒和片状石墨，可以进一步提高其模量和阻尼性能，这种混杂增强的2024Al/Gr/SiCp复合材料在航天飞行器支撑结构件上有重要的应用价值.然而，目前关于2024Al/Gr/SiCp复合材料耐热性能的报道很少.本文研究2024Al/Gr/SiCp复合材料的高温拉伸性能及长时间热暴露后的室温力学性能，同时对拉伸断口进行分析，探讨SiC颗粒和石墨对材料的耐热性能的影响.　　1实验方法　　实验所用的惰性气体雾化2024Al合金粉末、鳞片状石墨和SiC颗粒的形貌如图1所示.2024Al合金粉末的化学成分（

3、质量分数）为3.53%Cu，1.28%Mg，0.2%Fe，余量为Al.石墨和SiC颗粒的加入量分别为3%和10%（质量分数）　　采用真空热压粉末锭坯挤压成形法制备了2024Al，2024Al/3Gr，2024Al/3Gr/10SiCp3种复合材料板.采用的挤压温度为470℃，挤压比为22∶1，板材的截面尺寸为40mm×10mm.　　将挤压板材进行峰值时效处理后，分别在150℃，200℃，250℃和300℃热暴露不同时间，测量其硬度变化规律及室温拉伸性能.采用HBRVU187.5型布洛维光学硬度计进行布氏硬度测试，加载载荷为612.9N，保荷时间为30s，每个试样测试5

4、个点，舍去最大值和最小值后取平均值作为测量值.在Instron3369电子万能试验机上进行室温拉伸性能测试，拉伸速度为0.5mm/min，每种试样测量3个并取平均值作为测量值，拉伸试样断口形貌在HitachiS4800型场发射扫描电子显微镜（SEM）上进行观察.金相组织观察在CarlZeissAxioLabA1型光学显微镜上进行.　　2实验结果　　2.1微观组织　　图2为2024Al/Gr/SiCp复合材料分别在150℃，200℃和300℃热暴露48h后的金相组织.从图中可以看出，2024Al合金及复合材料在不同温度热暴露48h后，在材料的金相组织中没有观察到明显的变

5、化.2024Al合金粉末颗粒沿挤压方向被拉长，SiC颗粒及石墨均匀分布在基体中，且与基体具有良好的界面结合.比较图2（a），（d），（g）和图2（b），（e），（h）可以发现，随着热暴露温度的升高，基体合金的晶粒尺寸逐渐增大，这是因为高温下，基体合金中溶质原子的扩散速度加快，导致晶粒和第二相尺寸的增加.图2（c），（f），（i）为2024Al/3Gr/10SiC复合材料的金相组织，因SiC颗粒的加入且为挤压变形组织，在进行金相组织时无法腐蚀显现出明显的晶粒，但根据上述结果可以推断其晶粒尺寸变化趋势与基体合金大致相同.此外，复合材料增强相，尤其是硬质SiC颗粒的加入，会

6、阻碍热暴露时晶粒的长大.　　2.2硬度曲线　　图3为2024Al合金及其复合材料分别在150℃，200℃，250℃和300℃热暴露96h过程中的硬度值随时间延长的变化曲线.从图中可以看出，材料热暴露后的硬度均有所下降，且随着热暴露温度升高，材料硬度下降的幅度增大；在200℃时硬度下降的幅度最小，在300℃时硬度下降的幅度最大.这是因为热暴露温度越高，溶质原子扩散速度越快，第二相长大或粗化速度也越快，同时晶粒长大的趋势也越明显.在相同温度下，开始阶段材料的硬度下降比较明显，随着保温时间的延长，最后的硬度变化曲线处于平稳状态，几乎不发生改变.比较2024Al/3Gr/10

7、SiC复合材料与2024Al/3Gr复合材料的硬度曲线可见，加了SiC颗粒的复合材料硬度值下降幅度比未加SiC的材料的小.比较2024Al/3Gr复合材料与基体合金的硬度变化曲线发现，随着热暴露温度升高，2024Al/3Gr复合材料硬度下降幅度比2024Al合金基体在相同温度下硬度的下降幅度小.这是因为片状石墨和SiC颗粒与基体合金之间的热膨胀系数存在差异，淬火时会在基体合金中引入大量位错，对材料具有强化作用.　　从整体来看，在200℃及以下热暴露时，2024Al/Gr/SiCp复合材料的硬度性能曲线比较平稳.含SiC颗粒的复合材料耐热性能最好，含石