SiCAZ91复合材料的结构和工艺设计讲课教案

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。SiCAZ91复合材料的结构和工艺设计-SiC/AZ91复合材料的结构和工艺设计复合材料是现代科学技术涌现的具有极大生命力的材料具有刚度高强度大的特点，而且可根据使用条件的要求进行设计和制造，以满足特殊需求。镁基复合材料因其密度小,且比镁合金具有更高的比强度、比刚度、耐磨性和耐高温性能,受到航空、航天、汽车机械及电子等高技术领域的重视.自20世纪八十年代至现在，镁基复合材料已成为金属基复合材料的研究热点之一。在工业上广泛应用强度大的耐磨材料，因此，在此设计一种以镁为基体的耐磨性复合材料。选择材料1.选择

2、基体镁的密度为1.74g/cm3，约为铝的2/3，镁及镁合金是常用的金属及合金中密度最低的工程材料，是航空工业中应用较为广泛的有色金属结构材料。镁合金复合材料是同类金属基复合材料中比强度和比模量最高的一种，同时具有较好的尺寸稳定性，在某些介质中耐腐蚀性能优异，还能承受较大冲击震动负荷。镁基复合材料要求基体组织细小、均匀,基体合金使用性能良好。根据镁基复合材料的使用性能,对侧重铸造性能的镁基复合材料可选择不含Zr的铸造镁合金为基体；重挤压性能的则一般选用变形镁合金.。这些基体镁合金主要有镁铝锌系(AZ31、AZ61、AZ91)、镁锌锆系、镁锂系、镁锌铜系(ZC71)、镁锰系、镁稀锆系、镁钍锆系和

3、镁钕银系等。纯镁的强度较低,不适合作为基体.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.这些合金元素在镁合金中具有固溶强化、沉淀强化细晶强化等作用,添加少量Al、Mn、Zn、Zr、Be等可以提高强度；Mn可提高耐蚀性;Zr可细化晶粒和提高抗热裂倾向；稀土元素除具有类似Zr的作用外,还可以改善铸造性能、焊接性能、耐热性以及消除应力腐向；Li除可在很大程度上降低复合材料的密度外,还可以大大改善基体镁合金的塑性。在此选择基体为基体镁合金AZ91。AZ91的成分，力学性能牌号合金类型化学组分（质量分数，%）力学性能MgAlZnMnZr状态拉伸强

4、(MPa)屈服强度（MPa）伸长率（%）AZ91变形余量7.29.00.20.82302453.02.选择增强体根据镁基复合材料的使用性能、基体镁合金的种类和成分来选择所需的颗粒增强体.要求增强体与基体物理、化学相容性好,应尽量避免增强体与基体合金之间的有害界面反应,并使其与基体润湿性良好,载荷承受能力强等。碳化硅具有高比强度、高比模量、高温抗氧化性、优异的耐烧蚀性、耐热冲性和一些特殊功能。与金属的反应性小，润湿性好，始于做金属基复合材料的增强纤维。SiC的硬度高,耐磨性能好,并具有抗热冲击、抗氧化等性能.。镁没有稳定的碳化物,SiC在镁中热力学上是稳定的,因此,SiC常用作镁基复合材料的增强

5、相,并且来源广泛,价格便宜,用其作为增强颗粒制备镁基复合材料具有工业化生产前景。因此选择碳化硅颗粒作为增强体。3.二者的相容性、润湿性和界面反应镁对碳化硅的润湿性良好，两者的相容性好。镁没有稳定碳化物，碳化硅在镁中热力学上是稳定的。镁和碳化硅存在界面反映，生成金属间化合物，产物降低固液界面能，有利于润湿。工艺流程1.工艺流程（1）采用高压铸造法制造复合材料把SiC颗粒的预成形体加热到680度，放入铸型内将镁基加热到融化状态，浇铸到铸型内用压头加压金属液压入预成形体的间隙内，直到凝固为了防止金属氧化、燃烧,用熔剂覆盖和氩气进行保护使增强颗粒的间隙增大为了防止金属基被氧化使金属基克服毛细作用摩擦阻

6、力，并促使溶液对增强体的润湿而渗入预制件的空隙形成复合材料（2）为增强材料的性能，还可以对铸造好的材料进行局部重熔将材料加热到600度左右，保温30min60min，然后水淬。2.工艺参数基体：AZ91碳化硅含量：20%碳化硅颗粒：15m预制件预热温度：680熔体温度：700压力大小：70100Pa3.此工艺制造的复合材料的优点由于金属是处在熔融状态与纤维压力复合，金属与纤维的结合十分牢固。制出的复合材料便于二次加工。由于高压的作用于，可促进熔体对增强材料的润湿，增强材料不需要表面预处理，熔体与增强材料在高温下接触时间段，不必担心发生严重的界面反应。预期材料的性能由表一看出，碳化硅颗粒的引入，

7、是复合材料的拉伸强度屈服强度以及模量大幅度提升，降低了热胀系数和伸长率。增强颗粒的大小也会影响材料的力学性能。表一压铸SiC/AZ91的室温拉伸性能SiC体积分数%屈服强度MPa拉伸强度MPa弹性模量GPa伸长率%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由于材料进行进行局部重熔，预测得到金属的性能如下：此材料的屈服强度、拉伸强度都很大，所以材料的耐磨性、耐冲击性、耐蚀性都很强，可应用于制造油泵的泵壳体，止推板，安全阀等零部件。三对复合材料研究的展望（1）研究基体合金与增强体类型的较佳匹配,得到所需性能的镁基复合材料。（2）当前镁基复合材料的研究多集中于制备方法、组织和性能的分析,应进一步加强镁基复合材料基础理论的研究。（3）在基体内原位生成的高硬度高弹性模量增强颗粒具有表面无污染,与基体相容性良好,界面结合强度高等传统复合工艺无