专利名称：SiCw/Al复合材料液－固两相区温度成型方法
技术领域：
本发明涉及一种晶须增强铝基复合材料高温成型的方法，主要应用于晶须增强铝基复合材料构件的成型。
背景技术：
SiC晶须增强铝(SiCw/Al)复合材料是二十世纪60年代发展起来的一种非连续增强金属基复合材料，其特点是比强度和比模量高，优良的抗疲劳性能、减震性能、耐磨性能和可二次加工等。SiCw/Al复合材料目前正作为航空航天材料逐渐实用化。美国和日本已将这种材料列为21世纪新材料开发的重点项目。
SiCw/Al复合材料的组成是在软的基体上分布着硬的陶瓷相。这种材料可切削加工，但刀具磨损严重是复合材料零件价格较高的原因之一。而且有些零件不仅形状复杂，还有很高的尺寸要求，这对于机械加工难以实现。因而一定程度上限制了复合材料的广泛应用。对SiCw/Al复合材料采用塑性变形成型加工是解决这个问题的有效途径之一。
超塑成型具有以下优点材料塑性高，变形抗力小，可以一次精密成形，不留机械加工余量或仅留微小余量，因此不仅可以提高生产率，而且可以大大节省材料消耗，降低生产成本。成型零件质量好，超塑成型的零件不存在由于形变硬化引起的回弹导致的零件成型后的变形，故零件尺寸稳定。但是，传统超塑成型的应变速率多在10-5～10-3s-1，这很不利于零件的批量生产。早在1984年，Nieh等人首次在金属基复合材料中实现了300％的拉伸超塑性，并且应变速率高达0.33S-1。在随后的十几年里国际上又有大量文章报道了多种非连续增强铝基复合材料的高应变速率超塑性(HighStrain Rate Superplasticity简称HSRS)，这可望为金属基复合材料提供一个有效的近终形成型方法。
在基体合金固相线温度附近采用拉伸变形方式研究金属基复合材料尤其是铝基复合材料高速超塑性的文章较多，但在相似变形条件下对晶须增强铝基复合材料压缩变形的研究在国内外报道很少，在材料的实际成型过程(如挤压、轧制)，材料往往受压应力。高温压缩变形是材料所有高温变形方式中最为简单的一种，但是由压缩变形所获得分析结果对复杂的热加工变形的理解和控制仍然是可以借鉴的。研究结果表明，在纯固相区温度变形，SiCw/Al复合材料的压缩极限变形量约为60％左右，结果不够理想。而在液—固两相区变形，由于变形温度较高，复合材料内的应力集中较小。并且此时复合材料内部已经出现了微量液相，微量液相的存在一方面有利于缓解应力集中，另一方面，可以起到润滑剂的作用，对于复合材料内部晶粒之间的滑移和界面的滑移很有帮助。因此对于SiCw/Al复合材料来说，液—固两相区温度变形要优于纯固相状态的变形，但是一直以来，人们不知道在什么样的条件下可以得到极佳性能的成型产品。
发明内容
本发明就是针对现在对SiCw/Al复合材料在液—固两相区变形过程中，人们不知道控制什么样的工艺参数才可以得到极佳性能的变形产品，从而存在生产率难以提高、材料消耗大、生产成本高、成型零件质量不好和零件尺寸不稳定的问题，本发明针对上述问题提供一种可以得到极佳性能的变形产品的SiCw/Al复合材料液—固两相区温度成型方法，该方法为一种选择性发明。一种SiCw/Al复合材料液—固两相区温度成型方法，它是将SiCw/Al复合材料进行高温压缩，控制压缩过程的温度为575℃～585℃，应变速率为0.3s-1～0.5s-1。本发明针对SiCw/Al复合材料构件的成型，不但顺利的成型出复合材料构件，更重要的是保证了成型后的SiCw/Al复合材料仍然保持了优异的性能。拉伸变形虽然可以取得比较大的延伸率，也就是说变形量虽然很大，但是变形以后复合材料内部充满了孔洞，材料的性能很差。因此本发明选用了压缩变形的方式。结果表明在液—固两相区温度压缩变形，SiCw/Al复合材料取得了理想的研究结果，SiCw/Al复合材料的极限压下量达83％，压缩变形后复合材料的室温抗拉强度达492MPa，利于推广应用。
图1是SiCw/Al复合材料和Al合金在应变速率为0.37s-1时、温度为540℃时压缩变形真应力-真应变曲线示意图，图2是SiCw/Al复合材料和Al合金在应变速率为0.37s-1时、温度为580℃时压缩变形真应力-真应变曲线示意图，图3是SiCw/Al复合材料和Al合金在应变速率为0.37s1时、温度为620℃时压缩变形真应力-真应变曲线示意图，图4是压缩变形温度对变形后SiCw/Al复合材料和铝合金抗拉强度的影响对比曲线示意图，图5是SiCw/Al复合材料在应变速率为0.37s-1、温度为540℃条件下压缩变形后宏观形貌照片，图6是铝合金在应变速率为0.37s-1、温度为540℃条件下压缩变形后宏观形貌照片，图7是SiCw/Al复合材料在应变速率为0.37s-1、温度为580℃条件下压缩变形后宏观形貌照片，图8是铝合金在应变速率为0.37s-1、温度为580℃条件下压缩变形后宏观形貌照片，图9是SiCw/Al复合材料在应变速率为0.37s-1、温度为620℃条件下压缩变形后宏观形貌照片，图10是铝合金在应变速率为0.37s-1、温度为620℃条件下压缩变形后宏观形貌照片。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式采用挤压铸造的方法制备了SiCw/AL复合材料。然后采用示差扫描量热仪(Differential Scanning Calorimetry，简称DSC)测定复合材料的液-固两相区温度，从而为后续的液—固两相区温度压缩提供依据。在复合材料的固相线温度附近选取几个变形温度，同时选取复合材料的应变速率。加热速率10℃/分钟时测得复合材料固相线温度为580℃，变形温度取300℃、400℃、500℃、540℃、580℃和620℃。应变速率选取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。用复合材料的基体合金同时作了对比。复合材料和铝合金540℃、580℃和620℃的压缩变形真应力—真变曲线分别如图1、图2、图3所示。可以看出，SiCw/Al复合材料和基体合金的变形抗力很低，尤其是在液-固两相区温度，不超过30MPa，非常适合成型。
图4是压缩变形温度对变形后SiCw/Al复合材料和铝合金抗拉强度的影响对比曲线示意图，由图可见，在变形温度为575℃～585℃，应变速率为0.3s-1～0.5s-1时，抗拉强度达到最大值492MPa。
具体实施方式
二本实施方式的变形实验在Gleeble1500热模拟实验机上进行，采用对压缩试样20vol.％SiCw/LD2直接通电的加热方式。压缩试样20vol.％SiCw/LD2为圆柱状，直径和高度之比为2∶3。本实验旨在通过研究采用挤压铸造法制备的SiCw/Al复合材料不同变形温度和不同应变速率的高温压缩变形行为，不同变形条件下复合材料压缩极限变形量(压缩试验时试样表面开始出现裂纹时试样在高度方向上的减小量)和变形后宏观形貌，同时结合复合材料压缩变形后的组织和性能变化规律，综合归纳出SiCw/Al复合材料液—固两相区的最佳成型工艺参数。经实际试验，20vol.％SiCw/LD2复合材料在不同变形温度、不同应变速率下极限压缩变形量的具体数值，如表1所示。该材料在固相线温度附近压缩极限变形量较大，尤其是应变速率为0.37s-1时，极限压缩变形量达到了83％。
表120vol.％SiCw/LD2复合材料不同应变速率变形压缩极限变形量
图5～图10是20vol.％SiCw/LD2复合材料和铝合金在应变速率为0.37s-1和不同的变形温度条件下压缩变形后宏观形貌的对比照片，可以看出，复合材料在变形温度为580℃，应变速率为0.37s-1变形后宏观形貌较好。
具体实施方式
三本实施方式是发明人所做的不同体积分数复合材料液—固两相区压缩变形的性能，如表2所示表2不同体积分数复合材料液—固两相区压缩变形数据
可以看出，SiCw/Al复合材料液—固两相区温度的最佳成型工艺为变形温度575℃～585℃，应变速率为0.3s-1～0.5s-1。此时复合材料的极限压下量达83％，压缩变形后复合材料的室温抗拉强度达492MPa。
权利要求
1.一种SiCw/Al复合材料液-固两相区温度成型方法，它是将SiCw/Al复合材料进行高温压缩，其特征在于控制压缩过程的温度为575℃～585℃，应变速率为0.3s-1～0.5s-1。
2.根据权利要求1所述的SiCw/Al复合材料液-固两相区温度成型方法，其特征在于控制压缩过程的温度为580℃，应变速率为0.37s-1。
全文摘要
SiCw/Al复合材料液—固两相区温度成型方法，涉及一种晶须增强铝基复合材料高温成型的方法。现在，对于SiCw/Al复合材料来说，液—固两相区温度变形要优于纯固相状态的变形，但是一直以来，人们不知道在什么样的条件下可以得到极佳性能的成型产品。本发明提供一种可以得到极佳性能的变形产品的SiCw/Al复合材料液—固两相区温度成型方法，该方法为一种选择性发明，它是将SiCw/Al复合材料进行高温压缩，控制压缩过程的温度为575℃～585℃，应变速率为0.3s
文档编号C22F1/043GK1710141SQ200510010039
公开日2005年12月21日 申请日期2005年5月27日 优先权日2005年5月27日
发明者王桂松, 耿林, 李爱滨 申请人:哈尔滨工业大学