D0I:10.13374/i.i8sn1001-t53.2010.08.011 第32卷第9期 北京科技大学学报 Vol 32 No 9 2010年9月 Journal of Un iversity of Science and Technology Beijing Sp2010 高体积分数S℃pA复合材料杯形件高温反挤压成形 曾莉)任学平”卢尚文)崔岩) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室，北京100095 摘要将无压浸渗制备出的高体积分数SC印A愎合材料，通过高温反挤压方式成形杯形件·研究了在高温反挤压过程中 复合材料的流变规律，利用扫描电镜(SM)观察分析了高温反挤压参数对杯形件组织的影响，结果表明：在基体熔点以上，高 体积分数SCpA复合材料呈黏流体状态，颗粒与基体形成固液混合体；高体积分数SC即A1复合材料高温反挤压变形后， 基体仍保持连续，S汇颗粒在压力作用下发生转动、重排，部分颗粒破碎，颗粒分布均匀性较好：当变形温度较低、挤压速度较 大时，颗粒易破碎，SCA复合材料杯形件内部颗粒尺寸不均匀，杯形件内角处颗粒尺寸较小：当变形温度较高，挤压速度较 小时，杯形件内部颗粒尺寸均匀· 关键词碳化硅；铝；金属基复合材料：反挤压：挤压成形 分类号TB331 H igh-tem perature backw ard extrusion fom ing of alm inum m atrix com posite cup-shaped parts w ith high volum e fraction of SCp ZENG L,REN Xueping,LU Shang wen,CUI Yan 1)School ofMaterials Science and Engineering University of Science and Technobgy Beijing Beijng 100083 China 2)Defence-melted Science and Technobgy Key Labomtory of Advanced Canposites Beijng nstitte of AemonauticalMaterials Beijng 100095.China ABSTRACT An alm inum matrix canposite with high vohme fraction of SCp was prepared by pressureless infiltration Cup"shaped parts were made of the SCp/AI composite by using high temperature backwand extnusion The flow stress behav ior of the SCp/AI com- posite during hot backwand extnusion was investigated The effects of hot backwand extrusion parameters on the m icrostmucture of the SCp/A l camposite were observed and analyzed by SEM.The results show that at temperatures above the melting point of alm inum ma- trix the SCp/Al camnposite is a viscous fluid SC particles and alm inum matrix fom into a solid-lquid m ixture W hen the SCp/Al composite is backwand extruded at high temperature alm inum matrix remains continuous butSC particles roll over and rearrange un- der pressure sme particles break and the particle distrbution unifom ity is good As the defomation temperature is lwer and the ex- tnusion speed is rapider SC particles are easy to break the intemal particle size distrbution ofSCp/AI composite cup"shaped parts is nonunifom.and the particle size is smaller in the intemal angle position of cup"shaped parts The particle size unifom ly distributes at a higher temperature and a smaller extnusion speed KEY W ORDS silicon cabile alm mnum:metalmatrix composites backward extnusion:extnusion molling A356铝合金是美国牌号的多元Al Si Mg系合 高体积分数SCpA1复合材料作为一种新型电 金，具有铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热裂 子封装材料，具有热膨胀系数小、导热性能好、密度 倾向小等优点，经过变质和热处理后，具有良好的力 小、比刚度高、比模量高和比强度高等优异性 学性能、物理性能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性 能8)，近年来已经广泛应用于航空航天、汽车电子 能，在飞机、轮船和汽车等领域高速度和轻量化中得 和自动工程技术等领域[6).采用无压浸渗新工艺 到广泛应用1) 制备的高体积分数SCpA1复合材料具有低密度、 收稿日期：2009-12-08 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(N。2007AA03Z544) 作者简介：曾莉(1982)，女，博士研究生：任学平(1957-)，男，教授，博士，Email rxp33@mater ust ed:cm
第 32卷 第 9期 2010年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．32Ｎｏ．9 Ｓｅｐ．2010 高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料杯形件高温反挤压成形 曾 莉 1） 任学平 1） 卢尚文 1） 崔 岩 2） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京 100083 2） 北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室北京 100095 摘 要 将无压浸渗制备出的高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料通过高温反挤压方式成形杯形件．研究了在高温反挤压过程中 复合材料的流变规律利用扫描电镜 （ＳＥＭ）观察分析了高温反挤压参数对杯形件组织的影响．结果表明：在基体熔点以上高 体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料呈黏流体状态颗粒与基体形成固--液混合体；高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料高温反挤压变形后 基体仍保持连续ＳｉＣ颗粒在压力作用下发生转动、重排部分颗粒破碎颗粒分布均匀性较好；当变形温度较低、挤压速度较 大时颗粒易破碎ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料杯形件内部颗粒尺寸不均匀杯形件内角处颗粒尺寸较小；当变形温度较高、挤压速度较 小时杯形件内部颗粒尺寸均匀． 关键词 碳化硅；铝；金属基复合材料；反挤压；挤压成形 分类号 ＴＢ331 Ｈｉｇｈ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂａｃｋｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎｆｏｒｍｉｎｇｏｆａｌｕｍｉｎｕｍ ｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｕｐ-ｓｈａｐｅｄｐａｒｔｓｗｉｔｈｈｉｇｈｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＳｉＣｐ ＺＥＮＧＬｉ 1）ＲＥＮＸｕｅ-ｐｉｎｇ 1）ＬＵＳｈａｎｇ-ｗｅｎ 1）ＣＵＩＹａｎ 2） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） Ｄｅｆｅｎｃｅ-ｒｅｌａｔｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓＢｅｉｊｉｎｇ100095Ｃｈｉｎａ ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＡｎａｌｕｍｉｎｕｍｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｉｔｈｈｉｇｈｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆＳｉＣｐｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｐｒｅｓｓｕｒｅｌｅｓｓｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ．Ｃｕｐ-ｓｈａｐｅｄ ｐａｒｔｓｗｅｒｅｍａｄｅｏｆｔｈｅＳｉＣｐ／Ａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｙｕｓｉｎｇｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂａｃｋｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎ．ＴｈｅｆｌｏｗｓｔｒｅｓｓｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｈｅＳｉＣｐ／Ａｌｃｏｍ- ｐｏｓｉｔｅｄｕｒｉｎｇｈｏｔｂａｃｋｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｈｏｔｂａｃｋｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅ ＳｉＣｐ／ＡｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｂｙＳＥＭ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔａｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓａｂｏｖｅｔｈｅｍｅｌｔｉｎｇｐｏｉｎｔｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｍａ- ｔｒｉｘｔｈｅＳｉＣｐ／ＡｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓａｖｉｓｃｏｕｓｆｌｕｉｄＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄａｌｕｍｉｎｕｍｍａｔｒｉｘｆｏｒｍｉｎｔｏａｓｏｌｉｄ-ｌｉｑｕｉｄｍｉｘｔｕｒｅ．ＷｈｅｎｔｈｅＳｉＣｐ／Ａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｉｓｂａｃｋｗａｒｄｅｘｔｒｕｄｅｄａｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｌｕｍｉｎｕｍｍａｔｒｉｘｒｅｍａｉｎｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｂｕｔＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓｒｏｌｌｏｖｅｒａｎｄｒｅａｒｒａｎｇｅｕｎ- ｄｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｓｏｍｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｂｒｅａｋａｎｄｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｉｓｇｏｏｄ．Ａｓｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｌｏｗｅｒａｎｄｔｈｅｅｘ- ｔｒｕｓｉｏｎｓｐｅｅｄｉｓｒａｐｉｄｅｒＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｓａｒｅｅａｓｙｔｏｂｒｅａｋｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＳｉＣｐ／Ａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｕｐ-ｓｈａｐｅｄｐａｒｔｓｉｓ ｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍａｎｄｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｉｓｓｍａｌｌｅｒｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌａｎｇｌｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｃｕｐ-ｓｈａｐｅｄｐａｒｔｓ．Ｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｕｎｉｆｏｒｍｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｓａｔ ａｈｉｇｈｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄａｓｍａｌｌｅｒｅｘｔｒｕｓｉｏｎｓｐｅｅｄ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ；ａｌｕｍｉｎｕｍ；ｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｂａｃｋｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎ；ｅｘｔｒｕｓｉｏｎｍｏｌｄｉｎｇ 收稿日期：2009--12--08 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目 （Ｎｏ．2007ＡＡ03Ｚ544） 作者简介：曾 莉 （1982— ）女博士研究生；任学平 （1957— ）男教授博士Ｅ-ｍａｉｌ：ｒｘｐ33＠ｍａｔｅｒ．ｕｓｔｂ．ｅｄｕ．ｃｎ Ａ356铝合金是美国牌号的多元 Ａｌ--Ｓｉ--Ｍｇ系合 金具有铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热裂 倾向小等优点经过变质和热处理后具有良好的力 学性能、物理性能、耐腐蚀性能和较好的机械加工性 能在飞机、轮船和汽车等领域高速度和轻量化中得 到广泛应用 ［1--2］． 高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料作为一种新型电 子封装材料具有热膨胀系数小、导热性能好、密度 小、比 刚 度 高、比 模 量 高 和 比 强 度 高 等 优 异 性 能 ［3--5］近年来已经广泛应用于航空航天、汽车电子 和自动工程技术等领域 ［6--8］．采用无压浸渗新工艺 制备的高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料具有低密度、 DOI :10．13374／j．issn1001—053x．2010．09．011
第9期 曾莉等：高体积分数SCpA复合材料杯形件高温反挤压成形 .1187. 高杨氏模量、低热膨胀系数和高热导率的优点，因此 系统自动控制，并采集载荷、位移等数据 其具有卓越的热控功能和独特的防共振能力， 试样经切割、打磨和抛光，侵蚀液采用%的硝 高体积分数SCpA1复合材料复杂零件的成形 酸乙醇，侵蚀时间为20s利用SEM观察复合材料 大多数都需要进行二次变形加工，较高的陶瓷含量 杯形件的组织形貌， 使其热成形和冷加工变得十分困难，无压浸渗法显 然是可获得高体积分数SCpA1复合材料的成本最 2结果与分析 低的有效手段，但是，该方法主要解决了材料的复 2.1高温反挤压流变规律 合、制备问题，在很多情况下只能在完成复合过程之 图2为SCp/A1复合材料高温反挤压的位移- 后通过热成形或冷加工来获得尺寸更为精确、表面 载荷曲线.SCp/A1复合材料在基体熔点以上时呈 质量更好的零部件[).因此，研究复合材料高温 黏流体状态，具有良好的成形性能.颗粒与基体形 反挤压成形意义重大，国内外学者对$C颗粒增强 成固液混合体 铝基复合材料的研究很多，但对于高体积分数 先 ①800℃/4.5 mm-min' SCp/A复合材料高温反挤压成形的研究却很 ②850℃/0.9 mm.min1 少3-151 ③900℃/0.45 mm.min ①3② 本文通过高温反挤压方式成形高体积分数 SCpA复合材料杯形件，重点研究了反挤压温度 和挤压速度对高体积分数SCp/A1复合材料杯形件 20 成形性能和组织的影响，为高体积分数SCp/A1复 10 合材料复杂零件的精确成形提供基础. 0 1.5 3.04.56.07.59.0 1试验材料及方案 位移mm 坯料采用无压浸渗法制备出高体积分数SC印/ 图2SC即A复合材料高温反挤压的位移载荷曲线 A1复合材料，基体为A356铝合金，复合材料经过 Fig 2 Displacemnent-force curves of the SCp/Al camposite by hot backwan extnision 机械加工，制成中20mm×15mm的试样 高温反挤压试验在万能材料试验机上进行，采 在复合材料高温反挤压过程的变形初期，复合 用自制石英加热圈进行温度控制，自制保温钢套和 材料的流变规律近似于流体，变形抗力非常低，载荷 冲头采用耐热合金制成，试验装置如图1所示， 随位移的增加而无明显增大（图2中的I阶段）随 着变形的继续进行，复合材料流变规律进入第Ⅱ阶 段，颗粒在压力作用下发生转动、破碎和重排 (图3)，颗粒与基体协调变形，变形抗力随变形量的 —2 增加而缓慢增大·当变形达到一定程度后，颗粒转 -3 动阻力增大，颗粒与基体的协调变形能力变差，因此 ● 随着变形量的增加，变形抗力迅速上升（图2中的 -5 Ⅲ阶段) 0 一冲头：2加热圈：子模具一试样；5一模具b 图1高温反挤压模具示意图 Fig 1 Diagnmmatic sketch of a hot backwand extnusion mol 加热速度为10℃·mm,保温时间为30min 最大变形载荷为40kN.变形温度分别为800850 和900℃，挤压速度分别为4.5、0.9和0.45mm 100m min. 试样反挤压变形后进行水淬处理，以保留变形 图3受压破碎的SC颗粒 后的组织，温度、位移和速度等变形条件由计算机 Fis 3 Cmshed SiC particle under pressure
第 9期 曾 莉等： 高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料杯形件高温反挤压成形 高杨氏模量、低热膨胀系数和高热导率的优点因此 其具有卓越的热控功能和独特的防共振能力． 高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料复杂零件的成形 大多数都需要进行二次变形加工．较高的陶瓷含量 使其热成形和冷加工变得十分困难无压浸渗法显 然是可获得高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料的成本最 低的有效手段．但是该方法主要解决了材料的复 合、制备问题在很多情况下只能在完成复合过程之 后通过热成形或冷加工来获得尺寸更为精确、表面 质量更好的零部件 ［9--12］．因此研究复合材料高温 反挤压成形意义重大．国内外学者对 ＳｉＣ颗粒增强 铝基复合材料的研究很多但对于高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料高温反挤压成 形 的 研 究 却 很 少 ［13--15］． 本文通过高温反挤压方式成形高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料杯形件．重点研究了反挤压温度 和挤压速度对高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料杯形件 成形性能和组织的影响为高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复 合材料复杂零件的精确成形提供基础． 1 试验材料及方案 坯料采用无压浸渗法制备出高体积分数 ＳｉＣｐ／ Ａｌ复合材料．基体为 Ａ356铝合金．复合材料经过 机械加工制成 ●20ｍｍ×15ｍｍ的试样． 高温反挤压试验在万能材料试验机上进行．采 用自制石英加热圈进行温度控制自制保温钢套和 冲头采用耐热合金制成试验装置如图 1所示． 1—冲头；2—加热圈；3—模具 ａ；4—试样；5—模具 ｂ 图 1 高温反挤压模具示意图 Ｆｉｇ．1 Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃｓｋｅｔｃｈｏｆａｈｏｔｂａｃｋｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎｍｏｌｄ 加热速度为 10℃·ｍｉｎ —1保温时间为 30ｍｉｎ 最大变形载荷为 40ｋＮ．变形温度分别为 800、850 和 900℃挤压速度分别为 4∙5、0∙9和 0∙45ｍｍ· ｍｉｎ —1． 试样反挤压变形后进行水淬处理以保留变形 后的组织．温度、位移和速度等变形条件由计算机 系统自动控制并采集载荷、位移等数据． 试样经切割、打磨和抛光侵蚀液采用 5％的硝 酸--乙醇侵蚀时间为20ｓ．利用 ＳＥＭ观察复合材料 杯形件的组织形貌． 2 结果与分析 2∙1 高温反挤压流变规律 图 2为 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料高温反挤压的位移-- 载荷曲线．ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料在基体熔点以上时呈 黏流体状态具有良好的成形性能．颗粒与基体形 成固--液混合体． 图 2 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料高温反挤压的位移--载荷曲线 Ｆｉｇ．2 Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ-ｆｏｒｃｅｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅＳｉＣｐ／Ａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｙｈｏｔ ｂａｃｋｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎ 在复合材料高温反挤压过程的变形初期复合 材料的流变规律近似于流体变形抗力非常低载荷 随位移的增加而无明显增大 （图 2中的Ⅰ阶段 ）．随 着变形的继续进行复合材料流变规律进入第Ⅱ阶 段颗 粒 在 压 力 作 用 下 发 生 转 动、破 碎 和 重 排 （图 3）颗粒与基体协调变形变形抗力随变形量的 增加而缓慢增大．当变形达到一定程度后颗粒转 动阻力增大颗粒与基体的协调变形能力变差因此 随着变形量的增加变形抗力迅速上升 （图 2中的 Ⅲ阶段 ）． 图 3 受压破碎的 ＳｉＣ颗粒 Ｆｉｇ．3 ＣｒｕｓｈｅｄＳｉＣｐａｒｔｉｃｌｅｕｎｄｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ ·1187·
,1188 北京科技大学学报 第32卷 由图2中曲线①、②可以看出，当变形温度较 (a (b) 低，挤压速度较大(800℃4.5 mm.min、850℃/ 0.9mmmn)时，变形抗力随着变形温度的升高 和挤压速度的减小而降低，这是由于变形温度的升 高和挤压速度的减小使复合材料的成形性增加，同 时，反挤压变形的初始阶段对应的变形量增加，进而 提高了杯形件的成形极限，图2中虚线为曲线②对 图4sCpA复合材料杯形件.(a)800CA.5 mmm in;(b) 应的变形条件下，复合材料的成形极限 900℃0.45mmmn-1 由图2中的曲线③可以看出，当变形温度较高、 Fig 4 SCp/AI composite cup shaped parts (a)800C 4.5mm* 挤压速度较小(900℃0.45 mmm in)时，复合材 mn;(b)900℃力.45 mmm in1 料的变形抗力高于曲线②，这是由于此条件下的复 合材料成形性较好，基体与颗粒之间的摩擦力较小， 挤压变形初期，基体在压力作用下先变形，并且从挤 压口处挤出，使复合材料的颗粒含量相对提高，颗粒 之间的摩擦力增加，导致变形抗力相对较高. 2.2组织分析 高体积分数SCpA1复合材料高温反挤压变形 后的组织特性受高温变形参数控制，图4为不同变 形温度和挤压速度条件下反挤压成形的杯形件.从 图5反挤压后杯形件组织区域示意图 图中可以看出，变形温度和挤压速度对杯形件的成 Fig5 D iagnmmatic sketch of cup"shaped part m icmostnicture aras 形影响很大， after backwand extrusion 由图4可以看出，SCpA1复合材料通过反挤 (1)变形温度低、挤压速度大时杯形件的组织 压方式，在适当的变形条件下(800℃4.5mm· 特征 min),可成形表面质量较好的杯形件. 研究发现在反挤压参数为800℃4.5mm· 2.2.1杯形件内部组织 mn和850℃/0.9mmmn'的条件下，反挤压成 图5为反挤压后杯形件组织区域示意图，其 形的杯形件内部组织分布规律相同，因此以800℃/ 中，I区为杯形件挤出壁，Ⅱ区为杯形件内角，Ⅲ、V 4.5mmmn条件为例. 区为变形死区， 图6为SCp/A1复合材料在800℃4.5mm· 100μm 图6800℃A.5mmmn-时颗粒分布情况 Fig 6 Particle distribution at 800C /.5mmmn
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 由图 2中曲线①、②可以看出当变形温度较 低、挤压速度较大 （800℃／4∙5ｍｍ·ｍｉｎ —1、850℃／ 0∙9ｍｍ·ｍｉｎ —1 ）时变形抗力随着变形温度的升高 和挤压速度的减小而降低．这是由于变形温度的升 高和挤压速度的减小使复合材料的成形性增加．同 时反挤压变形的初始阶段对应的变形量增加进而 提高了杯形件的成形极限．图 2中虚线为曲线②对 应的变形条件下复合材料的成形极限． 由图 2中的曲线③可以看出当变形温度较高、 挤压速度较小 （900℃／0∙45ｍｍ·ｍｉｎ —1 ）时复合材 料的变形抗力高于曲线②．这是由于此条件下的复 合材料成形性较好基体与颗粒之间的摩擦力较小 挤压变形初期基体在压力作用下先变形并且从挤 压口处挤出使复合材料的颗粒含量相对提高颗粒 之间的摩擦力增加导致变形抗力相对较高． 2∙2 组织分析 高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料高温反挤压变形 后的组织特性受高温变形参数控制．图 4为不同变 形温度和挤压速度条件下反挤压成形的杯形件．从 图中可以看出变形温度和挤压速度对杯形件的成 形影响很大． 图 6 800℃／4∙5ｍｍ·ｍｉｎ—1时颗粒分布情况 Ｆｉｇ．6 Ｐａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｔ800℃／4∙5ｍｍ·ｍｉｎ—1 由图 4可以看出ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料通过反挤 压方式在适当的变形条件下 （800℃／4∙5ｍｍ· ｍｉｎ —1 ）可成形表面质量较好的杯形件． 2∙2∙1 杯形件内部组织 图 5为反挤压后杯形件组织区域示意图．其 中Ⅰ区为杯形件挤出壁Ⅱ区为杯形件内角Ⅲ、Ⅳ 区为变形死区． 图 4 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料杯形件．（ａ）800℃／4∙5ｍｍ·ｍｉｎ—1；（ｂ） 900℃／0∙45ｍｍ·ｍｉｎ—1 Ｆｉｇ．4 ＳｉＣｐ／Ａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｕｐ-ｓｈａｐｅｄｐａｒｔｓ：（ａ） 800℃／4∙5ｍｍ· ｍｉｎ—1；（ｂ）900℃／0∙45ｍｍ·ｍｉｎ—1 图 5 反挤压后杯形件组织区域示意图 Ｆｉｇ．5 Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃｓｋｅｔｃｈｏｆｃｕｐ-ｓｈａｐｅｄｐａｒｔｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｒｅａｓ ａｆｔｅｒｂａｃｋｗａｒｄｅｘｔｒｕｓｉｏｎ （1） 变形温度低、挤压速度大时杯形件的组织 特征． 研究发现在反挤压参数为 800℃／4∙5ｍｍ· ｍｉｎ —1和 850℃／0∙9ｍｍ·ｍｉｎ —1的条件下反挤压成 形的杯形件内部组织分布规律相同因此以 800℃／ 4∙5ｍｍ·ｍｉｎ —1条件为例． 图 6为 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料在 800℃／4∙5ｍｍ· ·1188·
第9期 曾莉等：高体积分数SCpA复合材料杯形件高温反挤压成形 .1189 mn的条件下进行反挤压成形后，杯形件各区域组 度为800℃、挤压速度为4.5mmmn的条件下， 织的颗粒分布情况，由图6可以看出，在变形温度 反挤压的复合材料颗粒大小不均匀，I区的颗粒 为800℃、挤压速度为4.5mmmm的条件下，反挤 较大，Ⅲ、N区的颗粒略小.这是由于该区域复合 压后的SCp/AI复合材料颗粒分布均匀性较好，说 材料的变形量较小，颗粒发生转动、破碎的程度 明在反挤压过程中，复合材料具有一定的成形性，颗 小.这与单一金属反挤压情况类似.Ⅱ区的颗粒 粒能够随基体一起协调变形 较小是因为当变形温度较低、应变速率较高时，复 图7为SCp/A1复合材料在800℃4.5mm· 合材料颗粒与基体协调变形的能力较差，在杯形 mn的条件下进行反挤压成形后，杯形件各区域 件内角处的复合材料变形量大，使颗粒破碎，尺寸 组织的颗粒大小情况，由图7可以看出，在变形温 减小. )um 100um 100m 图7800℃A.5mmmm-时颗粒大小情况 Fig 7 Particle size at 800C A.5mm.m in (2)变形温度高、挤压速度小时杯形件的组织n的条件下进行反挤压成形后，杯形件各区域组 特征 织的颗粒分布情况，由图8可以看出，在变形温度 图8为SCp/A1复合材料在900℃0.45mm· 为900℃、挤压速度为0.45 mm*min的条件下，反 00m 图8900℃0.45mmmm-时颗粒分布情况 Fig 8 Particle distribution at 900C /0.45mm.min
第 9期 曾 莉等： 高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料杯形件高温反挤压成形 ｍｉｎ —1的条件下进行反挤压成形后杯形件各区域组 织的颗粒分布情况．由图 6可以看出在变形温度 为 800℃、挤压速度为4∙5ｍｍ·ｍｉｎ —1的条件下反挤 压后的 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料颗粒分布均匀性较好说 明在反挤压过程中复合材料具有一定的成形性颗 粒能够随基体一起协调变形． 图 7为 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料在 800℃／4∙5ｍｍ· ｍｉｎ —1的条件下进行反挤压成形后杯形件各区域 组织的颗粒大小情况．由图 7可以看出在变形温 度为 800℃、挤压速度为 4∙5ｍｍ·ｍｉｎ —1的条件下 反挤压的复合材料颗粒大小不均匀．Ⅰ区的颗粒 较大Ⅲ、Ⅳ区的颗粒略小．这是由于该区域复合 材料的变形量较小颗粒发生转动、破碎的程度 小．这与单一金属反挤压情况类似．Ⅱ区的颗粒 较小是因为当变形温度较低、应变速率较高时复 合材料颗粒与基体协调变形的能力较差在杯形 件内角处的复合材料变形量大使颗粒破碎尺寸 减小． 图 7 800℃／4∙5ｍｍ·ｍｉｎ—1时颗粒大小情况 Ｆｉｇ．7 Ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅａｔ800℃／4∙5ｍｍ·ｍｉｎ—1 图 8 900℃／0∙45ｍｍ·ｍｉｎ—1时颗粒分布情况 Ｆｉｇ．8 Ｐａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｔ900℃／0∙45ｍｍ·ｍｉｎ—1 （2） 变形温度高、挤压速度小时杯形件的组织 特征． 图 8为 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料在 900℃／0∙45ｍｍ· ｍｉｎ —1的条件下进行反挤压成形后杯形件各区域组 织的颗粒分布情况．由图 8可以看出在变形温度 为 900℃、挤压速度为 0∙45ｍｍ·ｍｉｎ —1的条件下反 ·1189·
,1190 北京科技大学学报 第32卷 挤压后的复合材料在I区的组织存在金属基体区， 织的颗粒大小情况，由图9看出，在900℃、挤压速 这是由于在较高的变形温度和较小的挤压速度下， 度为0.45 mm'min的条件下，反挤压后的复合材 复合材料基体的流动性高于颗粒，在挤压上升的过 料内部各位置的颗粒大小比较均匀，这是由于复合 程中优先于颗粒流动，导致此处的颗粒较少，易出现 材料在较高的变形温度和较小的挤压速度下，复合 无颗粒的金属基体区， 材料的成形性较好，颗粒受力均匀，颗粒随基体协调 图9为SCpA1复合材料在900℃0.45mm· 变形的能力很强， mn的条件下进行反挤压成形后，杯形件各区域组 100m 专M100m 图9900℃0.45 mm'm in时颗粒大小情况 Fig9 Particle size at 900C .45mm*min1 2.2.2高温反挤压参数对组织的影响 挤压速度的影响较大.图10为SCpA1复合材料在 研究发现，高体积分数SCpA1复合材料高温 不同变形条件下反挤压成形后，杯形件内角Ⅱ区的 反挤压成形的杯形件内部Ⅱ区的组织受变形温度和 组织情况.由图10(a)和图10(b)河以看出，在较低 100um 100m 1004m 图10杯形件Ⅱ区组织的SM图.(a)800℃A.5 mm'm in-:(b)850℃b.9mmmn-1:(c)900℃力.45 mm-m in-1 Fg10 SEM inages of cup shaped parts in AreaⅡ：(a)800℃A.5 mm'min；(b)850C力.9 mmmin-；(c)900'C.45 mm-m i-1
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 挤压后的复合材料在Ⅰ区的组织存在金属基体区． 这是由于在较高的变形温度和较小的挤压速度下 复合材料基体的流动性高于颗粒在挤压上升的过 程中优先于颗粒流动导致此处的颗粒较少易出现 无颗粒的金属基体区． 图 9为 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料在 900℃／0∙45ｍｍ· ｍｉｎ —1的条件下进行反挤压成形后杯形件各区域组 织的颗粒大小情况．由图 9看出在 900℃、挤压速 度为 0∙45ｍｍ·ｍｉｎ —1的条件下反挤压后的复合材 料内部各位置的颗粒大小比较均匀．这是由于复合 材料在较高的变形温度和较小的挤压速度下复合 材料的成形性较好颗粒受力均匀颗粒随基体协调 变形的能力很强． 图 9 900℃／0∙45ｍｍ·ｍｉｎ—1时颗粒大小情况 Ｆｉｇ．9 Ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅａｔ900℃／0∙45ｍｍ·ｍｉｎ—1 图 10 杯形件Ⅱ区组织的 ＳＥＭ图．（ａ）800℃／4∙5ｍｍ·ｍｉｎ—1；（ｂ）850℃／0∙9ｍｍ·ｍｉｎ—1；（ｃ）900℃／0∙45ｍｍ·ｍｉｎ—1 Ｆｉｇ．10 ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｃｕｐ-ｓｈａｐｅｄｐａｒｔｓｉｎＡｒｅａⅡ：（ａ）800℃／4∙5ｍｍ·ｍｉｎ—1；（ｂ）850℃／0∙9ｍｍ·ｍｉｎ—1；（ｃ）900℃／0∙45ｍｍ·ｍｉｎ—1 2∙2∙2 高温反挤压参数对组织的影响 研究发现高体积分数 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料高温 反挤压成形的杯形件内部Ⅱ区的组织受变形温度和 挤压速度的影响较大．图10为 ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料在 不同变形条件下反挤压成形后杯形件内角Ⅱ区的 组织情况．由图10（ａ）和图10（ｂ）可以看出在较低 ·1190·