AL-Si/SiC复合材料显微结构与性能研究

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Al/SiC复合材料具有优异的综合性能,是新型结构材料研究工作的热点。本文目的是在材料微观组织结构、断裂方式及增强方法上作比较深入的研究,探索材料显微结构与力学性能的关系,为此类材料的设计、制造提供实验依据。  本文采用液相交换法制备了不同硅含量的Al-Si/SiC复合材料。实验采用X射线衍射仪(XRD)与能谱仪(EDS)分析样品的物相成分;用光学显微镜(OM)结合扫描电子显微镜(SEM)表征材料的组织形貌;测试了各样品的密度、维氏硬度、弯曲模量等性能;研究了样品在空气中腐蚀粉末的物相与组织形貌。  物相分析与显微组织表征结果显示,Al-Si/SiC复合材料由SiC、Al、Si三相组成,含Si较少的样品中存在Al4C3。SiC大多为3-20μm颗粒,通过定量分析,本文发现SiC颗粒分布均匀性与Si含量无关,在选区面积远大于颗粒尺寸时,可以认为SiC颗粒分布均匀。另外,硅容易在SiC颗粒表面形核、生长,最终形成小片连通状,将若干个SiC颗粒连接,构成Si-SiC结构。这种结构的尺寸随Si含量增加而增大,最大达到700μm,造成Si-SiC在宏观尺度的分布不均匀。  原料合金中硅含量对Al-Si/SiC复合材料的性能产生不同程度的影响。随Si含量的增加,Al-Si/SiC复合材料的硬度、弹性模量逐渐增大,断裂韧性随之减小,而抗弯强度先增后减,最大达到621MPa。Al-Si/SiC复合材料中,Si含量对Al-SiC界面结合方式产生影响,初晶硅的形成增加材料宏观性能的不均匀性,基体合金中次生相硅的存在改变基体的性能。弹性模量受硅含量、分布影响较大。Al-SiC界面反应、大尺寸Si-SiC的形成都会对Al-Si/SiC复合材料强度产生不利影响。断裂韧性与界面结合状况、基体合金性能、Si-SiC尺寸相关,最高达到9.22MPam1/2。断口形貌分析表明,此类复合材料的韧化是各种韧化机制(包括桥连增韧、裂纹偏转与微裂纹增韧)协同作用的结果。同时,研究了Al-Si/SiC复合材料腐蚀机理,结果表明,发生腐蚀的复合材料样品在制备过程中SiC与Al界面反应产生碳化铝,腐蚀由界面反应产物碳化铝在空气中水解引起。
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