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现代工业及日益紧缺的能源现状对结构材料提出了更高的要求。通过优化的制备工艺将密度低于铝合金,超硬及具有中子吸收特性的碳化硼(B4C)颗粒均匀分布于铝合金中可以制备高比性能、耐磨以及适应严酷工作环境的复合材料构件,在材料功能结构一体化及节约能源、环境保护方面有着重要的研究意义。而材料构件在实际中的使用往往与材料的焊接等加工性密切相关,如果焊接问题不解决,只能制备形状简单的结构件,从而抑制了轻质高强多功能金属基复合材料的应用范围,因此开展颗粒增强铝基复合材料的制备工艺与后续的焊接性研究对于拓宽铝基复合材料的应用具有重要的研究意义。本文针对航天航空及核工业应用潜力巨大的B4CP/Al基复合材料,通过工艺优化研究了搅拌铸造及粉末冶金制备工艺参数对B4CP/2024Al复合材料组织结构、力学性能的影响规律,确立了轻质高强B4CP/Al基复合材料稳定可行的制备工艺;对多种焊接工艺对复合材料焊接性及其组织与性能之间内在联系进行深入系统的研究,并通过X射线衍射分析,金相显微镜,扫描电镜,电子探针,透射电镜等分析手段系统全面的研究了复合材料组织演变、界面特性与性能之间的关系,主要研究结果表明:搅拌铸造法制备的B4CP/Al基复合材料拉伸强度通常低于基体合金强度,其原因在于,通过优化的搅拌铸造工艺能够实现增强体颗粒均匀分布于基体之中,但由于增强体B4CP颗粒与Al基体发生的界面反应造成复合材料强度及延伸率均低于基体合金。通过采用粉末冶金复合工艺,不仅可以避免增强体与基体的化学反应,同时可制备高性能B4CP/Al基复合材料。其中,经优化后粉末冶金工艺制备的10vol%B4CP/Al基复合材料,拉伸强度可达548.4MPa,延伸率为9.24%,其延伸率与基体合金延伸率接近;在延伸率高于4%条件下,24vol%B4CP/Al基复合材料强度可达626MPa。B4CP/Al基复合材料比强度、比模量明显高于传统结构材料(钢与钛合金),优于相同体积份数的SiCP/Al基复合材料(比强度和比模量分别高出20%和5%)。通过对相同体积分数的B4CP/Al基复合材料与SiCP/Al基复合材料微观组织及断裂特征研究发现,B4CP/Al基复合材料在拉伸变形过程中没有发现增强体的破裂或界面脱粘现象,其变形与断裂受基体韧窝的产生、扩展控制。而SiCP/Al基复合材料的断裂与SiC颗粒的破裂有密切关联。B4CP/Al基复合材料制备过程中,B4C颗粒表面氧化生成的B2O3与基体合金内Mg元素反应生成MgO,后者的形成促进界面结合,同时氧化后的B4C颗粒由尖角状变为圆滑状,缓解了界面处应力集中状况;而包含层错等晶体缺陷的SiC颗粒或与挤压态复合材料中与增强体颗粒尺寸相近的Al20Cu2Mn3颗粒,当应力水平超过一定程度时,造成颗粒破裂,导致复合材料失效。对粉末冶金法制备的B4CP/Al基复合材料进行钨极氩弧焊(Tungsten Inert Gas welding, TIG)研究时发现,焊道内存在大量的针状产物与焊接气孔是造成接头性能差的主要原因。通过对复合材料TIG焊前进行真空除气处理可以明显降低B4CP/Al基复合材料焊道内气孔数量,接头拉伸强度不足100MPa。针对TIG焊条件下B4C与Al存在较强化学反应趋势的特性,研究了在熔池内添加含钛铝合金Al-10Ti和高铜铝合金焊丝ER2319对形成的接头组织、力学性能及熔池行为的影响规律,发现焊道内添加Al-10Ti可以生成TiC覆盖于B4C表面,TiB颗粒弥散地分布于焊道之中,表面包裹TiC的B4C颗粒在焊道内部能够实现均匀的分布,最终所形成的接头拉伸强度可提高至234MPa。向复合材料焊道添加ER2319进行TIG焊后,所形成的接头室温拉伸强度为233.2MPa,均为未添加填充金属焊接接头强度的2.5倍以上。对添加ER2319焊丝的复合材料接头进行T6处理后进行拉伸发现,其抗拉强度可达370MPa,为焊前复合材料母材强度有效率的70%以上,是提高B4CP/Al基复合材料TIG焊焊接性的有效途径。通过进一步研究表明:TIG焊接过程中,利用填充金属优先与增强体颗粒发生作用诱发原位化学反应,可以在增强体表面形成保护层,该保护层的存在不仅抑制增强体不被熔融铝侵蚀产生有害针状产物,同时原位产生的保护层(如TiC)与Al液的润湿角降低至118°(700℃),而900℃下B4C与Al的润湿角仍然高达135°,从而改善焊后凝固组织,减少焊接气孔数目,促进增强体颗粒的均匀分布。由于激光焊接过程中复合材料的吸热机制不同于TIG焊,陶瓷B4C材料优先吸热并在铝液中分解产生B原子及C原子,在随后的凝固过程中分别与Al结合生成AlB12和Al4C3化合物。针对B4CP/Al基复合材料的焊接特性,通过选择不同材质的搅拌头研究了搅拌摩擦焊接技术(Friction Stir Welding,FSW)过程中复合材料接头形成规律及材料流动特性。H13钢材搅拌头对24vol%B4CP/Al基复合材料施焊后,在焊道表面形成类似撕裂的缺陷,焊道内产生隧道型缺陷,Lazy S线等焊接缺陷,上述缺陷的产生与FSW过程中搅拌头螺纹部分的剧烈磨损从而导致材料的不完全流动有关。GT35搅拌头工具基本可以实现对上述24vol%B4CP/Al基复合材料无缺陷对接。对上述接头截面增强体颗粒的分布进行研究发现,焊道两侧增强体分布相当均匀,无团聚现象发生。焊核中心晶粒尺寸1-2μm,为典型的再结晶组织。无缺陷FSW复合材料接头拉伸强度有效率均超过90%,其中10vol%B4CP/Al基复合材料接头强度511MPa,24vol%B4Cp/Al基复合材料接头强度575MPa,延伸率分别为9%和3.6%。接头拉伸断裂位置在热机影响区和热影响区之间,热影响区受到热循环作用促使Al20Cu2Mn3颗粒长大,致使热影响区成为接头薄弱环节。通过对复合材料/铝合金异种材料FSW对接,研究FSW过程中材料的流动规律,结果表明:复合材料与铝合金在焊核位置形成层状结构,与搅拌摩擦焊特殊的材料流动规律有关,对其截面观察后发现,位于后退侧的铝合金塑性较好,容易通过搅拌头的搅拌作用顺利回流到复合材料一侧与复合材料形成层状结构。同时,FSW焊后MMC/2024Al异种接头强度为278MPa,断裂位置为2024Al一侧。