喷射沉积SiC/Al-Fe-V-Si复合材料大尺寸板材成形及其致密化机理的研究

SiC颗粒增强耐热铝合金复合材料大尺寸板材在航空航天上有着广泛的应用前景，但其制备一直是国内外材料界的难题。申请者通过多层喷射沉积制备复合材料坯料，再采用楔形压制工艺预致密板坯，改善坯料的成形性能，然后通过多道次热轧制备组织均匀细小、力学性能优良的大尺寸复合材料板材。本项目主要是对大尺寸多孔板坯在楔形压制以及后续的轧制过程中的孔隙变形、颗粒流动与变形、氧化膜破碎及分散、金属流向和塑性变形规律、致密化的机理进行深入研究；优化喷射沉积工艺参数，制备组织均匀细小、性能良好的沉积板坯；优化楔压成形和轧制的工艺参数及楔形压头尺寸与形状，制备出组织均匀细小、力学性能优良的大尺寸致密板材；对制得的大尺寸板材的显微组织和力学性能进行深入研究。项目意义重大，可完善和发展多孔性复合材料板坯的变形规律和致密化机理的理论，可用于航空航天急需的大尺寸耐热铝合金基复合材料板材的制备，也可用于其它大尺寸复合材料的制备。

采用喷射沉积工艺制备了SiCP/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料板坯，并通过楔形压制后多道次热轧制备了复合材料板材。研究了多层喷射沉积工艺制备SiCP/ Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料时雾化以及沉积工艺参数对沉积坯状态的影响，并研究了工艺参数对SiC颗粒捕获的影响。结果表明，液流直径大、雾化气体压力小、喷射高度小会导致沉积坯组织恶化，反之则造成收得率低、致密度低。雾化器扫描不均匀则会造成沉积坯形状不均匀，且会因为热量集中导致显微组织恶化。SiC颗粒输送压力的提高有利于SiC颗粒的捕获以及颗粒的均匀分布。因此，通过多层喷射沉积制备SiCP/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si的优化工艺参数：液流直径为3.6mm，雾化气体压力为0.8MPa，喷射高度为200mm， SiC 颗粒输送压力为0.5MPa。研究了板坯在楔形压制和轧制过程中孔洞、SiC分布、弥散粒子的变化和SiC-Al界面，并通过X射线衍射和能谱分析了板坯材在致密化过程中的物相。综合实验和有限元模拟研究了多孔板材在楔形压制时的工艺参数和压制过程中的密度分布、应力分布、流变行为以及楔形压制的致密化机理和规律。结果表明，楔形压制工艺能有效致密喷射沉积板坯，且能使SiC颗粒均匀分布；板坯经多480℃下道次楔形压制和多道次轧制后，弥散粒子依然保持在60～150nm，未见明显长大，且未向Al13Fe4等平衡相转变，SiC-Al界面处存在一平直的宽度在3nm～5nm的过渡层，界面干净并且没有缺陷，纳米过渡层可以提高界面润湿性； 楔形压制后再轧制的板材在拉伸过程中呈总体上的SiC颗粒限制下的韧性断裂机制，SiC-Al界面强度随拉伸温度的升高而降低，当拉伸温度低于200℃，SiC颗粒被拔断为主要裂纹源，当拉伸温度高于200℃时，SiC-Al界面脱粘为主要裂纹源。道次压下量为10～15％时且板坯一端与钢模之间保留10mm间隙有利于板坯的楔形压制；压制过程中板坯表层致密度和应力较高，中心层致密度和应力较低，随着变形程度增加趋于均匀；预变形区域材料由上向下流动，板坯厚度减小，主压区材料以沿长度方向流动为主，板坯长度增加；喷射沉积铝基复合材料板坯楔形压制遵循平面应变条件下多孔金属塑性变形致密化的致密化机理，压制初期，板坯实际相对密度高于理论计算值，当真应变ε超过0.55时，由于SiC颗粒聚集和破碎导致孔