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SiC_p/AZ91D复合材料真空气压浸渗机理及界面结构研究

作　者: 李含建
导　师: 余欢
学　校: 南昌航空大学
专　业: 材料加工工程
关键词: SiC_p/AZ91D复合材料真空气压浸渗 SiC陶瓷多孔层浸渗行为界面结构
分类号: TB331
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

镁基复合材料由于陶瓷颗粒的加入使其在保持镁合金轻质特点的基础上,还具有高强度、高模量、优异的阻尼减振性能及低的热膨胀系数,是继铝基复合材料之后,成为轻量化、高性能结构材料中的又一有力竞争者,在航空航天、国防、汽车及电子等领域的应用具有极大潜力,已成为目前国际上轻量化结构材料开发的热点之一。本文以AZ91D镁合金为基体,分别以颗粒粒径尺寸为11、14、21、33、47μm的碳化硅颗粒为增强相,采用真空气压浸渗法制备了SiCp/AZ91D复合材料。研究了真空及大气压力条件下SiC陶瓷多孔层对镁熔体的阻燃保护机理,利用电极触点测试法对真空气压浸渗下镁合金熔体在SiC预制体中的浸渗形态、浸渗速度变化规律进行了研究,并对SiCp/ AZ91D复合材料的显微组织和界面结构进行了研究。得到的主要结论如下:1、在AZ91D熔体真空及大气压力浸渗过程中,采用SiC陶瓷多孔层可以有效地抑制镁的挥发和燃烧,起到了阻燃保护作用,实现了无污染镁熔体阻燃保护;同时,还有效地消除了传统的镁基复合材料浸渗制备中容易存在的夹杂、气孔等缺陷。另外,还发现陶瓷多孔层的特征参数(多孔层等效孔径大小及其层高)对镁阻燃效果和氧化烧损有着重要的影响;表现为,SiC陶瓷多孔层的孔径越小、层高越高,其阻燃保护效果越好;在镁熔体浸渗温度973K、浸渗时间120min和浸渗压力300KPa的条件下,在SiC陶瓷多孔层的孔径大小为5.28μm,层高20mm,镁的烧损率为11.5%;相比RJ-2熔剂覆盖保护,镁的烧损率要低,并解决了RJ-2熔剂保护中熔剂夹杂的难题。2、SiC预制体的等效孔径大小是影响镁熔体的浸渗速度主要因素,且浸渗速度与预制体的孔径大小成正比;预制体等效孔径尺寸de=8.30μm为平均浸渗速度的临界尺寸,当预制体等效孔径尺寸de<8.30μm时,平均浸渗速度增大趋势较为平缓;当预制体等效孔径de>8.30μm时,平均浸渗速率急剧增大;镁熔体浸渗SiC预制体属于小雷诺数流动。在浸渗温度为973K、浸渗时间为120min和浸渗压力为300KPa的实验条件下,镁熔体对五组预制体浸渗时的雷诺数Re分别为:9、18、48、83、748。可见,SiC预制体的等效孔径为2.77μm时属于层流态,其余均属于紊流态。真空气压浸渗下镁合金熔体在SiC预制体中的流动浸渗方式是镁熔体以分层浸渗的方式进行,先发生附壁效应,镁合金熔体快速沿模具外壁包覆预制体;随后镁合金熔体优先填充浸渗预制体中的较大孔隙,即分别将预制体分割成多个未浸渗区域;最后,镁合金熔体在压力作用下缓慢从四周向中心的方式对小孔隙进行浸渗,并最终完成对预制体的完全浸渗。3、显微组织和界面结构研究发现:复合材料组织致密、增强相颗粒的分布均匀,颗粒的形貌完整,无明显孔洞及夹杂等铸造缺陷;对采用真空气压浸渗法制备的SiC颗粒增强AZ91D复合材料在透射电子显微镜下观察发现,其界面平直、界面结合良好,基体与颗粒之间无化学反应,但存在着大小、形状不等的析出物,经电子衍射和EDS能谱分析为Mg2Zn11、MgO相;并给出了Mg2Zn11相颗粒与SiC之间存在的晶体学取向关系为:(0 12 )SiC /(/021)Mg2Zn11,[ 221]SiC //[124]Mg2Zn11;在近界面区域也有Mg2Zn11、MgO相存在,并且与镁基体存在一定的晶体学位向关系:Mg2Zn11相与Mg的位相关系为(1 1 1)Mg /(/520)Mg2Zn11,[ 781]Mg //[258]Mg2Zn11;MgO与Mg的位相关系为( 2 06) Mg /(/044)MgO,[ 040]Mg //[011]MgO;同时,在SiC/Mg复合材料界面区域附近存在着高密度位错和位错缠结。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-21
  1.1 颗粒增强镁基复合材料发展概况  10-16
    1.1.1 镁基复合材料的常用基体和增强相  10-11
    1.1.2 镁基复合材料制备方法概述  11-13
    1.1.3 镁合金熔炼保护方法概况  13-16
    1.1.4 镁基复合材料的应用  16
  1.2 熔体流动浸渗行为的研究现状  16-18
  1.3 镁基复合材料的微观组织和界面结构  18-20
    1.3.1 镁基复合材料的微观组织  18-19
    1.3.2 镁基复合材料界面结构  19-20
  1.4 研究的目的和意义  20-21
第二章实验内容和方法  21-32
  2.1 实验内容  21
  2.2 实验方法  21-28
    2.2.1 预制体及复合材料制备  21-23
    2.2.2 镁熔体烧损率的测试  23
    2.2.3 复合材料平均浸渗速度和浸渗形态测试与表征  23-26
    2.2.4 复合材料致密度测试  26-28
    2.2.5 微观组织和界面结构分析  28
  2.3 实验材料  28
  2.4 实验设备以及测试仪器  28-32
    2.4.1 真空气压设备  29-30
    2.4.2 电极触点测试设备  30-32
第三章镁熔体SiC 陶瓷多孔层阻燃保护机理  32-40
  3.1 引言  32
  3.2 镁合金烧损率和预制体等效孔径  32-34
    3.2.1 镁合金烧损率  32-33
    3.2.2 预制体的等效孔径  33-34
  3.3 SiC 多孔层的等效孔径大小对镁合金烧损率的影响  34
  3.4 SiC 多孔层的高度对镁合金烧损率的影响  34-35
  3.5 有效浸渗时间对镁合金烧损率的影响  35-36
  3.6 阻燃保护机理分析  36-38
    3.6.1 阻燃保护机理  36-37
    3.6.2 保护效果分析  37-38
  3.7 小结  38-40
第四章 SiC_p/Mg 复合材料熔体流动浸渗行为  40-51
  4.1 引言  40
  4.2 镁熔体平均浸渗速度  40-41
  4.3 镁熔体流动浸渗形态  41-45
    4.3.1 浸渗形态示意图  41-43
    4.3.2 浸渗形态的判断  43-45
  4.4 熔体浸渗机理  45-50
    4.4.1 浸渗热力学  45-47
    4.4.2 颗粒多孔体的临界压力  47-50
  4.5 小结  50-51
第五章 SiC_p/Mg 复合材料的微观组织和界面结构  51-59
  5.1 引言  51
  5.2 SiC_p/Mg 复合材料致密度  51-52
  5.3 SiC/Mg 复合材料微观组织  52-54
  5.4 SiC/Mg 复合材料界面结构  54-57
    5.4.1 复合材料界面区域附近的位错  54-55
    5.4.2 复合材料界面区域附近的析出相  55-57
  5.5 小结  57-59
第六章结论  59-61
参考文献  61-65
攻读硕士期间发表论文  65-66
致谢  66-67

SiC_p/AZ91D复合材料真空气压浸渗机理及界面结构研究

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