專利名稱：SiCw/Al復合材料液－固兩相區(qū)溫度成型方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種晶須增強鋁基復合材料高溫成型的方法，主要應用于晶須增強鋁基復合材料構(gòu)件的成型。
背景技術：
SiC晶須增強鋁(SiCw/Al)復合材料是二十世紀60年代發(fā)展起來的一種非連續(xù)增強金屬基復合材料，其特點是比強度和比模量高，優(yōu)良的抗疲勞性能、減震性能、耐磨性能和可二次加工等。SiCw/Al復合材料目前正作為航空航天材料逐漸實用化。美國和日本已將這種材料列為21世紀新材料開發(fā)的重點項目。
SiCw/Al復合材料的組成是在軟的基體上分布著硬的陶瓷相。這種材料可切削加工，但刀具磨損嚴重是復合材料零件價格較高的原因之一。而且有些零件不僅形狀復雜，還有很高的尺寸要求，這對于機械加工難以實現(xiàn)。因而一定程度上限制了復合材料的廣泛應用。對SiCw/Al復合材料采用塑性變形成型加工是解決這個問題的有效途徑之一。
超塑成型具有以下優(yōu)點材料塑性高，變形抗力小，可以一次精密成形，不留機械加工余量或僅留微小余量，因此不僅可以提高生產(chǎn)率，而且可以大大節(jié)省材料消耗，降低生產(chǎn)成本。成型零件質(zhì)量好，超塑成型的零件不存在由于形變硬化引起的回彈導致的零件成型后的變形，故零件尺寸穩(wěn)定。但是，傳統(tǒng)超塑成型的應變速率多在10-5～10-3s-1，這很不利于零件的批量生產(chǎn)。早在1984年，Nieh等人首次在金屬基復合材料中實現(xiàn)了300％的拉伸超塑性，并且應變速率高達0.33S-1。在隨后的十幾年里國際上又有大量文章報道了多種非連續(xù)增強鋁基復合材料的高應變速率超塑性(HighStrain Rate Superplasticity簡稱HSRS)，這可望為金屬基復合材料提供一個有效的近終形成型方法。
在基體合金固相線溫度附近采用拉伸變形方式研究金屬基復合材料尤其是鋁基復合材料高速超塑性的文章較多，但在相似變形條件下對晶須增強鋁基復合材料壓縮變形的研究在國內(nèi)外報道很少，在材料的實際成型過程(如擠壓、軋制)，材料往往受壓應力。高溫壓縮變形是材料所有高溫變形方式中最為簡單的一種，但是由壓縮變形所獲得分析結(jié)果對復雜的熱加工變形的理解和控制仍然是可以借鑒的。研究結(jié)果表明，在純固相區(qū)溫度變形，SiCw/Al復合材料的壓縮極限變形量約為60％左右，結(jié)果不夠理想。而在液—固兩相區(qū)變形，由于變形溫度較高，復合材料內(nèi)的應力集中較小。并且此時復合材料內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了微量液相，微量液相的存在一方面有利于緩解應力集中，另一方面，可以起到潤滑劑的作用，對于復合材料內(nèi)部晶粒之間的滑移和界面的滑移很有幫助。因此對于SiCw/Al復合材料來說，液—固兩相區(qū)溫度變形要優(yōu)于純固相狀態(tài)的變形，但是一直以來，人們不知道在什么樣的條件下可以得到極佳性能的成型產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對現(xiàn)在對SiCw/Al復合材料在液—固兩相區(qū)變形過程中，人們不知道控制什么樣的工藝參數(shù)才可以得到極佳性能的變形產(chǎn)品，從而存在生產(chǎn)率難以提高、材料消耗大、生產(chǎn)成本高、成型零件質(zhì)量不好和零件尺寸不穩(wěn)定的問題，本發(fā)明針對上述問題提供一種可以得到極佳性能的變形產(chǎn)品的SiCw/Al復合材料液—固兩相區(qū)溫度成型方法，該方法為一種選擇性發(fā)明。一種SiCw/Al復合材料液—固兩相區(qū)溫度成型方法，它是將SiCw/Al復合材料進行高溫壓縮，控制壓縮過程的溫度為575℃～585℃，應變速率為0.3s-1～0.5s-1。本發(fā)明針對SiCw/Al復合材料構(gòu)件的成型，不但順利的成型出復合材料構(gòu)件，更重要的是保證了成型后的SiCw/Al復合材料仍然保持了優(yōu)異的性能。拉伸變形雖然可以取得比較大的延伸率，也就是說變形量雖然很大，但是變形以后復合材料內(nèi)部充滿了孔洞，材料的性能很差。因此本發(fā)明選用了壓縮變形的方式。結(jié)果表明在液—固兩相區(qū)溫度壓縮變形，SiCw/Al復合材料取得了理想的研究結(jié)果，SiCw/Al復合材料的極限壓下量達83％，壓縮變形后復合材料的室溫抗拉強度達492MPa，利于推廣應用。


圖1是SiCw/Al復合材料和Al合金在應變速率為0.37s-1時、溫度為540℃時壓縮變形真應力-真應變曲線示意圖，圖2是SiCw/Al復合材料和Al合金在應變速率為0.37s-1時、溫度為580℃時壓縮變形真應力-真應變曲線示意圖，圖3是SiCw/Al復合材料和Al合金在應變速率為0.37s1時、溫度為620℃時壓縮變形真應力-真應變曲線示意圖，圖4是壓縮變形溫度對變形后SiCw/Al復合材料和鋁合金抗拉強度的影響對比曲線示意圖，圖5是SiCw/Al復合材料在應變速率為0.37s-1、溫度為540℃條件下壓縮變形后宏觀形貌照片，圖6是鋁合金在應變速率為0.37s-1、溫度為540℃條件下壓縮變形后宏觀形貌照片，圖7是SiCw/Al復合材料在應變速率為0.37s-1、溫度為580℃條件下壓縮變形后宏觀形貌照片，圖8是鋁合金在應變速率為0.37s-1、溫度為580℃條件下壓縮變形后宏觀形貌照片，圖9是SiCw/Al復合材料在應變速率為0.37s-1、溫度為620℃條件下壓縮變形后宏觀形貌照片，圖10是鋁合金在應變速率為0.37s-1、溫度為620℃條件下壓縮變形后宏觀形貌照片。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式采用擠壓鑄造的方法制備了SiCw/AL復合材料。然后采用示差掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetry，簡稱DSC)測定復合材料的液-固兩相區(qū)溫度，從而為后續(xù)的液—固兩相區(qū)溫度壓縮提供依據(jù)。在復合材料的固相線溫度附近選取幾個變形溫度，同時選取復合材料的應變速率。加熱速率10℃/分鐘時測得復合材料固相線溫度為580℃，變形溫度取300℃、400℃、500℃、540℃、580℃和620℃。應變速率選取0.016s-1、0.064s-1、0.094s-1、0.12s-1、0.138s-1、0.37s-1、0.56s-1和1.0s-1。用復合材料的基體合金同時作了對比。復合材料和鋁合金540℃、580℃和620℃的壓縮變形真應力—真變曲線分別如圖1、圖2、圖3所示。可以看出，SiCw/Al復合材料和基體合金的變形抗力很低，尤其是在液-固兩相區(qū)溫度，不超過30MPa，非常適合成型。
圖4是壓縮變形溫度對變形后SiCw/Al復合材料和鋁合金抗拉強度的影響對比曲線示意圖，由圖可見，在變形溫度為575℃～585℃，應變速率為0.3s-1～0.5s-1時，抗拉強度達到最大值492MPa。
具體實施方式
二本實施方式的變形實驗在Gleeble1500熱模擬實驗機上進行，采用對壓縮試樣20vol.％SiCw/LD2直接通電的加熱方式。壓縮試樣20vol.％SiCw/LD2為圓柱狀，直徑和高度之比為2∶3。本實驗旨在通過研究采用擠壓鑄造法制備的SiCw/Al復合材料不同變形溫度和不同應變速率的高溫壓縮變形行為，不同變形條件下復合材料壓縮極限變形量(壓縮試驗時試樣表面開始出現(xiàn)裂紋時試樣在高度方向上的減小量)和變形后宏觀形貌，同時結(jié)合復合材料壓縮變形后的組織和性能變化規(guī)律，綜合歸納出SiCw/Al復合材料液—固兩相區(qū)的最佳成型工藝參數(shù)。經(jīng)實際試驗，20vol.％SiCw/LD2復合材料在不同變形溫度、不同應變速率下極限壓縮變形量的具體數(shù)值，如表1所示。該材料在固相線溫度附近壓縮極限變形量較大，尤其是應變速率為0.37s-1時，極限壓縮變形量達到了83％。
表120vol.％SiCw/LD2復合材料不同應變速率變形壓縮極限變形量

圖5～圖10是20vol.％SiCw/LD2復合材料和鋁合金在應變速率為0.37s-1和不同的變形溫度條件下壓縮變形后宏觀形貌的對比照片，可以看出，復合材料在變形溫度為580℃，應變速率為0.37s-1變形后宏觀形貌較好。
具體實施方式
三本實施方式是發(fā)明人所做的不同體積分數(shù)復合材料液—固兩相區(qū)壓縮變形的性能，如表2所示表2不同體積分數(shù)復合材料液—固兩相區(qū)壓縮變形數(shù)據(jù)

可以看出，SiCw/Al復合材料液—固兩相區(qū)溫度的最佳成型工藝為變形溫度575℃～585℃，應變速率為0.3s-1～0.5s-1。此時復合材料的極限壓下量達83％，壓縮變形后復合材料的室溫抗拉強度達492MPa。
權(quán)利要求
1.一種SiCw/Al復合材料液-固兩相區(qū)溫度成型方法，它是將SiCw/Al復合材料進行高溫壓縮，其特征在于控制壓縮過程的溫度為575℃～585℃，應變速率為0.3s-1～0.5s-1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiCw/Al復合材料液-固兩相區(qū)溫度成型方法，其特征在于控制壓縮過程的溫度為580℃，應變速率為0.37s-1。
全文摘要
SiCw/Al復合材料液—固兩相區(qū)溫度成型方法，涉及一種晶須增強鋁基復合材料高溫成型的方法。現(xiàn)在，對于SiCw/Al復合材料來說，液—固兩相區(qū)溫度變形要優(yōu)于純固相狀態(tài)的變形，但是一直以來，人們不知道在什么樣的條件下可以得到極佳性能的成型產(chǎn)品。本發(fā)明提供一種可以得到極佳性能的變形產(chǎn)品的SiCw/Al復合材料液—固兩相區(qū)溫度成型方法，該方法為一種選擇性發(fā)明，它是將SiCw/Al復合材料進行高溫壓縮，控制壓縮過程的溫度為575℃～585℃，應變速率為0.3s
文檔編號C22F1/043GK1710141SQ200510010039
公開日2005年12月21日 申請日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月27日
發(fā)明者王桂松, 耿林, 李愛濱 申請人:哈爾濱工業(yè)大學