高能超声对SiCp/Al复合材料颗粒偏聚及界面反应的调控过程与作用机理

The problems in the preparation of particle reinforced aluminum matrix composites mainly includes poor mobility of particles, uneven dispersion, easy suspension and segregation, poor particle interface wettability, difficult interface reaction and interface morphology control, high porosity and so on, which seriously affects the forming quality and comprehensive performance of the composites. To solve the problems, the project intends to select Al-Mg and Al-Cu alloy as matrix and SiC particles as reinforcements by adopting a technology of treating melt with ultrasonic to improve the forming quality of microstructure and properties of aluminum matrix composites. The oscillation behavior and motion law of suspended particles as well as the interaction among different media(particle, bubble and melt) in composites melt under different parameters are systematically studied to confirm the best matching relation of parameters. The relationship among micro-interface morphology, micro-structure and macroscopic mechanical properties of the composites is discussed. The dynamic equation of bubble and the interface wetting model are established. The interface reaction law and its strengthening mechanism of the particles are revealed by numerical simulation and experimental demonstration. Meanwhile, the specification of treating melt with ultrasonic based on the material quality is formulated and high strength homogeneous SiCp/Al composites is successfully prepared. This provides the principle guidance for applying the ultrasonic energy field to precisely controlling the formation of microstructure and properties in SiCp/Al composites.

颗粒增强型铝基复合材料制造备中主要存在颗粒流动性差、弥散不均匀、易悬浮偏聚；颗粒界面润湿性不佳，界面反应与界面形态调控困难、组织的孔隙高等问题，严重影响复合材料的成形质量与综合性能。针对这些难题，项目拟以Al-Mg、Al-Cu合金为基体，SiC颗粒为增强体，采用超声波处理熔体技术提升铝基复材的成形成性质量，系统研究不同参数超声能场调控下复合材料熔体中悬浮颗粒的振荡行为、运动规律、不同介质（颗粒、气泡、熔体）之间的相互作用关系，确定最佳参数匹配关系。探讨复材的微观界面形态、组织结构与其宏观力学性能的关联规律。建立气泡动力学方程与界面润湿模型，通过数值模拟与实验论证揭示颗粒的界面反应规律及强化机理。同时，制定基于复材质量要求的超声波处理熔体工艺规范，成功制备高强、均质的SiCp/Al复合材料，为实现超声能场对SiCp/Al复合材料精准控形控性提供原理指导。

SiCp/Al复合材料具有高强度、高硬度与高耐磨性等诸多优点，广泛应用于航空航天装备领域。针对材料成形时颗粒流动性差、弥散不均匀、易悬浮偏聚；颗粒界面润湿性不佳，界面反应与界面形态调控困难、组织孔隙高等问题，本项目在拌铸造工艺的基础上引入了高强超声处理技术，研究了不同工艺条件对复材熔体流动性、颗粒运动行为的影响规律与机制，探究了材料力学性能和耐磨性能之间的关系。同时，利用制备的复合材料在某航天装备主轴进行了试用和验证。项目的主要研究内容和结论如下： .(1)分析了SiC颗粒进入铝熔体的动力学条件和颗粒团聚缺陷形成的原因。结果表明SiC颗粒自发进入铝熔体的临界尺寸为69.5μm，欲使小于临界尺寸的 SiC颗粒自发进入铝熔体，必须采用减小颗粒润湿角或外场做功。范德华力是引发SiC颗粒团聚的主要原因，采用颗粒预处理、半固态搅拌、超声处理等工艺手段可以改善复合材料中的团聚缺陷。 .(2)在复合材料重熔的过程中引入超声场，研究超声对颗粒运动、团聚、气孔等缺陷的影响规律与作用机理。研究发现超声空化作用形成的初始半径为1μm 和100μm的空化泡能产生的压强分别为 15300MPa和7860MPa，此压力能够有效破碎颗粒团聚，改善SiC颗粒在基体中的分布，同时去除气孔和疏松等缺陷；另外在一定的超声振幅下，颗粒的均匀性并不是随着超声作用时间的延长而呈线性变化，超声机械效应产生的驻波场对颗粒会产生偏聚作用。.(3) 开展了颗粒预处理、半固态搅拌、超声辅助处理工艺研究，确定了一组合理的工艺参数。在此工艺条件下，SiC颗粒在基体中分布均匀、无团聚、气孔和疏松等缺陷，形成了理想的颗粒分布和界面结合，并在界面处形成了MgAl2O4和MgO等强化相，提高了复合材料的力学性能和耐磨性能，说明SiCp/Al复合材料组织的颗粒均匀性变化和性能变化具有协调一致性。 .(4)试制了制造SiCp/7085复合材料旋转主轴，实现减重约 33.3%，结构尺寸减小20%，性能及指标满足设计要求。.项目的研究工作及成果提升SiCp/Al复合材料制备质量，对推动复合应用具有重要理论与工程意义。