高塑性硼酸铝晶须增强铝基复合材料的界面设计与热轧成形研究

For the purpose of breaking the technical bottleneck in rolling forming of whisker-reinforced aluminum matrix composites, a design of introducing interface phase of Sn with low melting point to Al18B4O33w/Al composite by whisker surface coating is put forward. The high-temperature plasticity of composite is expected to be significantly improved through the relaxation of interfacial stress concentration and alteration of stress distribution due to melting of Sn and lubricating function of liquid Sn. Based on the achievement of hot-rolling deformation of composites, the relationship between microstructure, texture，residual stress of composite and rolling condition and whisker coating will be studied，and then rolling deformation mechanism will be revealed. Furthermore, the tensile properties and thermal expansion behaviors will be measured and analysed, and the influence factors and mechanisms will be expatiated on. This study will provide an effective way to obtain rolled plate of Al18B4O33w/Al composite having excellent mechanical and thermal properties, which lays experimental and theoretical foundations for interface design, rolling forming, performance optimization and application of whisker-reinforced aluminum matrix composites. This study has an important significance on the plate processing of whisker-reinforced aluminum matrix composites and expansion application of whisker-reinforced aluminum matrix composites in military and civil fields.

为突破晶须增强铝基复合材料难轧制成形这一技术瓶颈，本项目以Al18B4O33w/Al复合材料为研究对象，通过晶须表面涂覆引入低熔点界面相Sn，利用高温下Sn的熔化松弛界面应力集中并调节应力分布，同时发挥液相Sn的润滑作用，大幅度改善复合材料的高温塑性。在实现复合材料热轧变形的基础上，研究复合材料的微观形貌、织构、残余应力与轧制条件及晶须涂覆之间的关系，揭示晶须增强铝基复合材料轧制变形机制。同时对复合材料拉伸性能和热膨胀行为进行测试与分析，阐明轧制复合材料力学性能和热膨胀性能的影响因素与机制，给出一种获得具有优异力学和热学性能的Al18B4O33w/Al复合材料轧板的有效途径，为晶须增强铝基复合材料界面设计、轧制成形、性能优化及推广应用奠定实验与理论基础。 本研究在晶须增强铝基复合材料的板材加工以及扩大晶须增强铝基复合材料在军事和民用领域的应用等方面具有重要意义。

硼酸铝晶须增强铝基复合材料因其具有高比强度和模量、低热膨胀系数、好的耐腐蚀性而成为一种具有广泛应用前景的复合材料。但由于塑形较低造成的二次成型加工困难成为其广泛应用一个瓶颈。. 本项目主要针对硼酸铝晶须增强铝基复合材料热塑性的提高进行界面设计，对复合材料的制备、热轧变形、结构、力学及热膨胀行为展开了研究。. 采用化学共沉淀方法对晶须表面进行SnO2涂覆，在复合材料压铸过程中，生成界面产物金属Sn。在热轧过程中，利用低熔点Sn的熔化松弛界面应力集中，协调晶须转动与基体变形，从而提高复合材料的热轧能力，在低至400℃的温度下，实现了70%轧制比的热轧变形。研究表明，复合材料的轧向拉伸性能最佳。. 对不同SnO2涂覆量的复合材料进行了热轧，研究表明界面产物Sn的含量对复合材料的微观结构和性能都有重要影响。随SnO2涂覆量的增加，复合材料铝基体中形成的D{4 4 11}<11 11 8>板织构逐渐发散向丝织构转化。拉伸性能先增加后减小，在1:30涂覆比时性能最佳，抗拉强度和屈服强度分别达到310MPa和279MPa。平均工程热膨胀系数最低可降至4.8×10-6℃-1，而热稳定性大大提高，这主要是由于金属Sn加速了热残余应力的松弛。. 对不同轧制比的复合材料进行研究表明，随轧制比的增加，晶须折断并沿轧向排列程度提高，铝基体中形成的立方织构{0 0 1}<1 0 0>和旋转立方织构{0 0 1}<1 1 0>转变为{1 0 0}<0 1 0>、{1 2 7}<1 3 1>、{2 1 7}<5 4 2>和{1 3 1}<3 2 3>板织构并向丝织构转化。在70%轧制比时，拉伸性能最佳，热膨胀系数最低。.对不同轧制温度复合材料的研究表明，随轧制温度增加，基体软化、动态再结晶、界面反应程度均提高，基体中{2 1 7}<5 4 2>、{1 3 1}<3 2 3>、{1 2 7}<1 3 1>和D{4 4 11}<11 11 8>板织构强度降低，并向丝织构转化。拉伸性能单调增加，而工程热膨胀系数下降。. 该项目研究提出的低熔点金属涂覆晶须的界面设计对于晶须增强金属基复合材料热塑性的提高有着实际应用价值，相关热轧变形机制、材料断裂机制以及热残余应力松弛机制等科学问题的研究对于复合材料的实际应用具有重要科学意义。