SiCAZ91復合材料的結構和工藝設計

1、SiC/AZ91復合材料的結構和工藝設計 復合材料是現代科學技術涌現的具有極大生命力的材料具有剛度高強度大的特點，而且可根據使用條件的要求進行設計和制造，以滿足特殊需求。鎂基復合材料因其密度小,且比鎂合金具有更高的比強度、比剛度、耐磨性和耐高溫性能,受到航空、航天、汽車機械及電子等高技術領域的重視.自20世紀八十年代至現在，鎂基復合材料已成為金屬基復合材料的研究熱點之一。在工業(yè)上廣泛應用強度大的耐磨材料，因此，在此設計一種以鎂為基體的耐磨性復合材料。一 選擇材料1.選擇基體鎂的密度為1.74g/cm3，約為鋁的2/3，鎂及鎂合金是常用的金屬及合金中密度最低的工程材料，是航空工業(yè)中應用較為廣泛的

2、有色金屬結構材料。鎂合金復合材料是同類金屬基復合材料中比強度和比模量最高的一種，同時具有較好的尺寸穩(wěn)定性，在某些介質中耐腐蝕性能優(yōu)異，還能承受較大沖擊震動負荷。鎂基復合材料要求基體組織細小、均勻,基體合金使用性能良好。根據鎂基復合材料的使用性能,對側重鑄造性能的鎂基復合材料可選擇不含 Zr的鑄造鎂合金為基體；重擠壓性能的則一般選用變形鎂合金.。這些基體鎂合金主要有鎂鋁鋅系(AZ31、AZ61、AZ91)、鎂鋅鋯系、鎂鋰系、鎂鋅銅系(ZC71)、鎂錳系、鎂稀鋯系、鎂釷鋯系和鎂釹銀系等。純鎂的強度較低,不適合作為基體.一般需要添加合金元素以合金化。主要合金素有Al、Mn、Zn、Li、Ag

3、、Zr、Th、Ni和稀土元素等.這些合金元素在鎂合金中具有固溶強化、沉淀強化細晶強化等作用,添加少量Al、Mn、Zn、Zr、Be等可以提高強度；Mn可提高耐蝕性; Zr可細化晶粒和提高抗熱裂傾向；稀土元素除具有類似Zr的作用外,還可以改善鑄造性能、焊接性能、耐熱性以及消除應力腐向；Li除可在很大程度上降低復合材料的密度外,還可以大大改善基體鎂合金的塑性。在此選擇基體為基體鎂合金AZ91。AZ91的成分，力學性能牌號合金類型化學組分（質量分數，%）力學性能MgAlZnMnZr狀態(tài)拉伸強(MPa)屈服強度（MPa）伸長率（%）AZ91變形余量7.29.00.20.82302453.02.

4、選擇增強體根據鎂基復合材料的使用性能、基體鎂合金的種類和成分來選擇所需的顆粒增強體. 要求增強體與基體物理、化學相容性好,應盡量避免增強體與基體合金之間的有害界面反應,并使其與基體潤濕性良好,載荷承受能力強等。碳化硅具有高比強度、高比模量、高溫抗氧化性、優(yōu)異的耐燒蝕性、耐熱沖性和一些特殊功能。與金屬的反應性小，潤濕性好，始于做金屬基復合材料的增強纖維。SiC的硬度高,耐磨性能好,并具有抗熱沖擊、抗氧化等性能.。鎂沒有穩(wěn)定的碳化物, SiC在鎂中熱力學上是穩(wěn)定的,因此, SiC常用作鎂基復合材料的增強相,并且來源廣泛,價格便宜,用其作為增強顆粒制備鎂基復合材料具有工

5、業(yè)化生產前景。因此選擇碳化硅顆粒作為增強體。 3.二者的相容性、潤濕性和界面反應鎂對碳化硅的潤濕性良好，兩者的相容性好。鎂沒有穩(wěn)定碳化物，碳化硅在鎂中熱力學上是穩(wěn)定的。鎂和碳化硅存在界面反映，生成金屬間化合物，產物降低固液界面能，有利于潤濕。一 工藝流程1.工藝流程（1）采用高壓鑄造法制造復合材料把SiC顆粒的預成形體加熱到680度，放入鑄型內將鎂基加熱到融化狀態(tài)，澆鑄到鑄型內用壓頭加壓金屬液壓入預成形體的間隙內，直到凝固 為了防止金屬氧化、燃燒,用熔劑覆蓋和氬氣進行保護使增強顆粒的間隙增大為了防止金屬基被氧化使金屬基克服毛細作用摩擦阻力，并促使溶液對增強體的潤濕而滲入預制件的空隙形

6、成復合材料（2）為增強材料的性能，還可以對鑄造好的材料進行局部重熔將材料加熱到600度左右，保溫30min60min，然后水淬。2.工藝參數 基體：AZ91碳化硅含量：20%碳化硅顆粒：15µm預制件預熱溫度：680 熔體溫度：700壓力大?。?0100Pa3.此工藝制造的復合材料的優(yōu)點 由于金屬是處在熔融狀態(tài)與纖維壓力復合，金屬與纖維的結合十分牢固。制出的復合材料便于二次加工。由于高壓的作用于，可促進熔體對增強材料的潤濕，增強材料不需要表面預處理，熔體與增強材料在高溫下接觸時間段，不必擔心發(fā)生嚴重的界面反應。二 預期材料的性能由表一看出，碳化硅顆粒的引入，是復合材料的拉伸強度屈服強

7、度以及模量大幅度提升，降低了熱脹系數和伸長率。 增強顆粒的大小也會影響材料的力學性能。表一 壓鑄SiC/AZ91的室溫拉伸性能SiC體積分數%屈服強度MPa拉伸強度MPa彈性模量GPa伸長率%0157.5198.837.82.06.7186.923146.22.79.4191.123147.62.311.5196228.947.61.615.1207.9235.953.91.119.6212.223157.40.725.4231.724565.10.7由于材料進行進行局部重熔，預測得到金屬的性能如下：此材料的屈服強度、拉伸強度都很大，所以材料的耐磨性、耐沖擊性、耐蝕性都很強，可應用于制造油泵的泵殼體，止推板，安全閥等零部件。三對復合材料研究的展望（1）研究基體合金與增強體類型的較佳匹配,得到所需性能的鎂基復合材料。（2）當前鎂基復合材料的研究多集中于制備方法、組織和性能的分析,應進一步加強鎂基復合材料基礎理論的研究。（3）在基體內原位生成的高硬度高彈性模量增強顆粒具有表面無污染,與基體相容性良好,界面結合強度高等傳統(tǒng)復合工藝無法比