碳化硼颗粒增强铝基复合材料热处理过程中多相多尺度组织结构的演变规律及强韧化机理

AA7075-B4C composites have been widely studied in the field of materials with high specific strength, however, this type of composites show limited plasticity at ambient temperature. The multi-modal design are able to enhance the plasticity/toughness of Al-based metal matrix composites without sacrifice of the strength, but for the heat treatable AA7075-B4C composites, the scientific puzzle of the multi-modal structural evolution and strengthening-toughening mechanisms during heat treatment processing is still unclear. Based on the multi-modal design of the local grain growth caused by the thermal stability difference, the coarse grains are able to distribute uniformly in the nanocrystalline/ultra-fined grains via Powder Metallurgy. This project is going to study the influence of heat treatment on the spatial distribution of multi-scaled Al grains by creating the three-dimensional MC Potts model; to study the formation and distribution of the precipitates in multi-scaled Al grain interior during aging; to establish the correlation of the heat treatment processing, multi-modal structure and comprehensive mechanical properties; to clarify the synergetic strengthening-toughening mechanisms by combination of two phases Mori-Tanaka modal and back-stress strengthening. The expected research results can provide the AA7075-B4C composite with theoretical basis including the optimization of the heat treatment processing, and controllable structure design.

AA7075-B4C复合材料一直是高比强度材料领域的研究热点，但其室温塑性较差，在保证材料强度的基础上通过多尺度结构设计有望提高铝基复合材料的塑性/韧性，然而，针对可热处理强化AA7075-B4C复合材料，其热处理(固溶-时效处理)过程中多相多尺度组织结构的演变规律及其强韧化机理尚不明确。本项目基于热稳定性差异诱导部分晶粒长大的多尺度结构设计方法，采用粉末冶金实现粗晶粒在纳米/超细晶基体中的均匀分布。构建三维MC Potts模型研究热处理对不同尺度Al晶粒空间分布的影响规律，研究时效阶段不同尺度Al晶粒内纳米析出相的形成与分布规律，建立热处理工艺-多相多尺度结构-综合力学性能的内在关联，基于Mori-Tanaka两“相”模型，结合背应力强化理论阐明多相多尺度组织结构的协同强韧化机理。预期研究成果将为AA7075-B4C复合材料的热处理工艺参数优化和可控结构设计提供理论指导。

高比强度材料在航空航天、武器装备和汽车制造等领域应用广泛，本项目以可热处理强化AA7075-B4C复合材料为研究对象，针对其室温塑性较差的不足，提出基于热稳定性差异诱导部分晶粒长大的多尺度结构设计方法。首先，通过低温球磨与电场辅助烧结实现多相多尺度AA7075-B4C复合材料的制备，通过烧结温度、保温时间等工艺参数优化，得到烧结工艺与致密度、晶粒尺寸等之间的内在关联，研究了B4C颗粒尺寸对Al晶粒长大的抑制作用效果；其次，研究了热处理过程中多相多尺度结构与相界面结构的演变规律，明确了热处理工艺-多相多尺度结构-综合力学性能的内在关联；最后，研究了粗晶粒种类与含量对多相多尺度AA7075-B4C复合材料力学性能与断裂行为的影响，基于Mori-Tanaka两“相”模型建立了多相多尺度AA7075-B4C复合材料的强度贡献计算模型，阐明了其断裂失效行为与强韧化机理。研究结果表明：低温球磨实现了纳米B4C颗粒的均匀弥散分布，纳米B4C强化效果显著并能有效抑制烧结与热处理过程中纳米Al晶粒的长大，优化烧结工艺为烧结温度-500 oC，升温速率-100 oC/min，保温时间-5 min，烧结压力-80 MPa，该条件下纳米B4C富集区域Al晶粒无明显长大，无纳米B4C区域部分Al晶粒发生明显长大，局部形成粗晶粒或超细晶粒，实现了基于热稳定性差异诱导部分晶粒长大的多尺度结构设计目标。热处理后不同尺度的Al晶粒内均发现纳米析出相，包括GP区和η'相，Al-B4C界面与跨尺度界面发现元素偏析，局部区域形成无析出相区域。多相多尺度AA7075-B4C复合材料的压缩强度与压缩屈服强度可达817±32MPa和933±32MPa并兼具一定塑性，基于Mori-Tanaka两“相”模型对其强度贡献进行计算，理论屈服强度与实际屈服强度相差较小。粗晶粒能有效阻碍裂纹的扩展，断面形貌以变形产生的“叶脉状”结构为主，粗晶粒在复合材料中均匀分布有利于强度保持与塑性提升。