基于3D打印网络结构预制体的SiC/Al-Mg复合材料组织与性能(2)

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基于3D打印网络结构预制体的SiC/Al-Mg复合材料组织与性能(2)

时间：2022-07-31 21:23 来源：特种铸造作者：admin 阅读：次

图6浸渗温度910℃下SiC/Al复合材料SEM形貌及电子探针面扫描

（a）组织形貌（b）Al（c）C（d）Mg（e）Si（f）N（g）O

图7浸渗温度930℃下SiC/Al复合材料微观组织的电子探针面扫描

a）组织形貌（b）Al（c）C（d）Mg（e）Si（f）N（g）O

图8浸渗温度910℃下SiC/Al复合材料微观组织的电子探针面扫描

图9 SiC/Al复合材料的XRD图谱

SiC/Al-10Mg复合材料的抗压强度和硬度测试结果见表2。3D打印的SiC预制体网络框架对复合材料起到了明显的增强作用。

不同浸渗温度下复合材料以韧性撕裂的形式发生破坏，并有少量脆性断裂。没有看到明显的SiC挤出丝或者SiC颗粒，说明复合材料中不同部分之间的结合以及SiC/Al合金的界面结合良好，在压缩过程中复合材料主要发生塑性应变，在屈服极限下发生韧性断裂。在压缩过程中，裂纹主要在合金部分的第二相、复合壳层或者复合内芯中的微孔、SiC/Al合金界面处萌生，在裂纹发展过程中，可能会遇到复合壳层中的混合反应产物、SiC颗粒、Mg2Si相等，在破坏或者绕开时消耗能量，从而阻碍了裂纹的延展并提高了材料的性能。从图中可以看出，在930℃浸渗的试样中存在更少的微孔，在950℃浸渗的试样中不仅微孔多，而且由于反应过度形成更多脆性化合物导致了更多的脆性断裂。

（a）910℃ （b）930℃ （c）950℃

图10不同浸渗温度下SiC/Al-10Mg复合材料的断口形貌

图11为SiC/Al-10Mg复合材料的摩擦性能测试结果。可以发现，在前100s，少量微凸体与摩擦副表面摩擦接触过程中相互作用很不稳定，实际接触面积较小，接触应力大，这个过程中摩擦系数波动较大。随摩擦过程的进行以及前期的磨合，接触面积逐渐增大，相互作用达到稳定，变化浮动较小(≤0.1)，材料进入稳定滑动阶段，说明复合材料具有良好的耐磨稳定性。3种试样的摩擦因数曲线基本相同，约在0.2左右。在930℃浸渗的试样，在摩擦过程中摩擦系数比较稳定，波动最小，摩擦系数波动最大的为950℃下浸渗的试样。测取了复合材料的磨损体积并对其磨痕进行微观分析。浸渗温度为910、930和950℃下试样磨损率分别为4.13×10-7、3.37×10-7和5.03×10-7cm3/(N•m)，在930℃下浸渗的复合材料磨损率最小。图12为不同浸渗温度下SiC/Al-10Mg复合材料的磨痕。可以看出，复合材料的磨损表面显示出细微的划痕和分层特征，显示出该材料存在轻微的磨粒磨损和严重的粘着磨损。复合壳层和复合内芯相比于Al合金部分脆性较高，容易发生破坏而形成碎片剥落，因此在SiC复合材料区域出现了一些凹坑。浸渗温度为910℃的试样，虽然磨损面看起来比较平整，但是磨痕深度最大差值为227μm，说明磨损不均匀，这可能是前述分析中组织不均匀造成的；浸渗温度为930℃的试样，磨痕深度最大差值为156μm，犁沟深度较均匀，出现一些剥落凹坑，反映出组织中有更多的脆性反应产物；浸渗温度为950℃的试样，磨痕深度最大差值增大到185μm，且出现较多剥落凹坑，造成材料大量磨损，说明组织中大量脆性反应产物在摩擦时造成材料破坏，此时磨损量最大。

图11SiC/Al-10Mg复合材料的摩擦系数

（a）浸渗温度910℃

（b）浸渗温度930℃

（c）浸渗温度950℃

图12不同温度下SiC/Al-10Mg复合材料的磨痕

研究结论

（1）在910~950℃范围内，Al-10Mg合金可以完整浸渗3D打印SiC预制体的层级网络结构，制备的复合材料微观组织由互穿的1铝合金和“壳-芯”结构网络框架构成。
（2）SiC/Al-Mg复合材料的物相组成除了SiC和Al合金外，还有反应生成的Mg2Si、MgAl2O4和Si相等。
（3）浸渗温度的提高促进了反应的发生和组织的均匀，但是浸渗温度提高到950℃时，复合材料框架的壳层厚度较大，孔隙率过高，导致材料的力学性能和摩擦性能迅速降低。当浸渗温度为930℃时，SiC/Al-Mg复合材料综合性能最佳，抗压强度和维氏硬度（HV）达到425MPa和557，磨损率为3.37×10-7cm3/(N•m)。

参考文献

王琼,刘洪军.基于3D打印预制体的 SiC/AI-Mg复合材料组织与性能[J].特种铸造及有色合金,2022,42(5):614-620.

(责任编辑：admin)

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