SiCAZ91復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)講課教案

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。SiCAZ91復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)-SiC/AZ91復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)復(fù)合材料是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)涌現(xiàn)的具有極大生命力的材料具有剛度高強(qiáng)度大的特點(diǎn)，而且可根據(jù)使用條件的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以滿(mǎn)足特殊需求。鎂基復(fù)合材料因其密度小,且比鎂合金具有更高的比強(qiáng)度、比剛度、耐磨性和耐高溫性能,受到航空、航天、汽車(chē)機(jī)械及電子等高技術(shù)領(lǐng)域的重視.自20世紀(jì)八十年代至現(xiàn)在，鎂基復(fù)合材料已成為金屬基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)之一。在工業(yè)上廣泛應(yīng)用強(qiáng)度大的耐磨材料，因此，在此設(shè)計(jì)一種以鎂為基體的耐磨性復(fù)合材料。選擇材料1.選擇

2、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(yīng)用較為廣泛的有色金屬結(jié)構(gòu)材料。鎂合金復(fù)合材料是同類(lèi)金屬基復(fù)合材料中比強(qiáng)度和比模量最高的一種，同時(shí)具有較好的尺寸穩(wěn)定性，在某些介質(zhì)中耐腐蝕性能優(yōu)異，還能承受較大沖擊震動(dòng)負(fù)荷。鎂基復(fù)合材料要求基體組織細(xì)小、均勻,基體合金使用性能良好。根據(jù)鎂基復(fù)合材料的使用性能,對(duì)側(cè)重鑄造性能的鎂基復(fù)合材料可選擇不含Zr的鑄造鎂合金為基體；重?cái)D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

3、鎂釹銀系等。純鎂的強(qiáng)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、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(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化等作用,添加少量Al、Mn、Zn、Zr、Be等可以提高強(qiáng)度；Mn可提高耐蝕性;Zr可細(xì)化晶粒和提高抗熱裂傾向；稀土元素除具有類(lèi)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(yīng)力腐向；Li除可在很大程度上降低復(fù)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(xué)性能牌號(hào)合金類(lèi)型化學(xué)組分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）力學(xué)性能MgAlZnMnZr狀態(tài)拉伸強(qiáng)

4、(MPa)屈服強(qiáng)度（MPa）伸長(zhǎng)率（%）AZ91變形余量7.29.00.20.82302453.02.選擇增強(qiáng)體根據(jù)鎂基復(fù)合材料的使用性能、基體鎂合金的種類(lèi)和成分來(lái)選擇所需的顆粒增強(qiáng)體.要求增強(qiáng)體與基體物理、化學(xué)相容性好,應(yīng)盡量避免增強(qiáng)體與基體合金之間的有害界面反應(yīng),并使其與基體潤(rùn)濕性良好,載荷承受能力強(qiáng)等。碳化硅具有高比強(qiáng)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(yīng)性小，潤(rùn)濕性好，始于做金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)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(méi)有穩(wěn)定的碳化物,SiC在鎂中熱力學(xué)上是穩(wěn)定的,因此,SiC常用作鎂基復(fù)合材料的增強(qiáng)

5、相,并且來(lái)源廣泛,價(jià)格便宜,用其作為增強(qiáng)顆粒制備鎂基復(fù)合材料具有工業(yè)化生產(chǎn)前景。因此選擇碳化硅顆粒作為增強(qiáng)體。3.二者的相容性、潤(rùn)濕性和界面反應(yīng)鎂對(duì)碳化硅的潤(rùn)濕性良好，兩者的相容性好。鎂沒(méi)有穩(wěn)定碳化物，碳化硅在鎂中熱力學(xué)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(chǎn)物降低固液界面能，有利于潤(rùn)濕。工藝流程1.工藝流程（1）采用高壓鑄造法制造復(fù)合材料把SiC顆粒的預(yù)成形體加熱到680度，放入鑄型內(nèi)將鎂基加熱到融化狀態(tài)，澆鑄到鑄型內(nèi)用壓頭加壓金屬液壓入預(yù)成形體的間隙內(nèi)，直到凝固為了防止金屬氧化、燃燒,用熔劑覆蓋和氬氣進(jìn)行保護(hù)使增強(qiáng)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(xì)作用摩擦阻

6、力，并促使溶液對(duì)增強(qiáng)體的潤(rùn)濕而滲入預(yù)制件的空隙形成復(fù)合材料（2）為增強(qiáng)材料的性能，還可以對(duì)鑄造好的材料進(jìn)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(shù)基體：AZ91碳化硅含量：20%碳化硅顆粒：15m預(yù)制件預(yù)熱溫度：680熔體溫度：700壓力大?。?0100Pa3.此工藝制造的復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)由于金屬是處在熔融狀態(tài)與纖維壓力復(fù)合，金屬與纖維的結(jié)合十分牢固。制出的復(fù)合材料便于二次加工。由于高壓的作用于，可促進(jìn)熔體對(duì)增強(qiáng)材料的潤(rùn)濕，增強(qiáng)材料不需要表面預(yù)處理，熔體與增強(qiáng)材料在高溫下接觸時(shí)間段，不必?fù)?dān)心發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)。預(yù)期材料的性能由表一看出，碳化硅顆粒的引入，

7、是復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度屈服強(qiáng)度以及模量大幅度提升，降低了熱脹系數(shù)和伸長(zhǎng)率。增強(qiáng)顆粒的大小也會(huì)影響材料的力學(xué)性能。表一壓鑄SiC/AZ91的室溫拉伸性能SiC體積分?jǐn)?shù)%屈服強(qiáng)度MPa拉伸強(qiáng)度MPa彈性模量GPa伸長(zhǎng)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(jìn)行進(jìn)行局部重熔，預(yù)測(cè)得到金屬的性能如下：此材料的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度都很大，所以材料的耐磨性、耐沖擊性、耐蝕性都很強(qiáng)，可應(yīng)用于制造油泵的泵殼體，止推板，安全閥等零部件。三對(duì)復(fù)合材料研究的展望（1）研究基體合金與增強(qiáng)體類(lèi)型的較佳匹配,得到所需性能的鎂基復(fù)合材料。（2）當(dāng)前鎂基復(fù)合材料的研究多集中于制備方法、組織和性能的分析,應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)鎂基復(fù)合材料基礎(chǔ)理論的研究。（3）在基體內(nèi)原位生成的高硬度高彈性模量增強(qiáng)顆粒具有表面無(wú)污染,與基體相容性良好,界面結(jié)合強(qiáng)度高等傳統(tǒng)復(fù)合工藝無(wú)