● 摘要
超高强铝合金具有较高的强度和韧性，是航空航天领域极具应用前景的结构材料，细化晶粒至纳米级及加入增强颗粒使其产生弥散强化可显著提高铝合金强度。球磨法设备简单，操作简便，是制备含增强颗粒纳米晶铝合金的最便捷的方法之一。本文采用气雾化法得到的2024铝合金粉末和Fe基非晶(FMG)粉末及碳化硼(B4C)粉末为原料，经高能球磨制备出铝合金超细晶粉体，采用真空热压法使粉体成型，再热挤出获得致密纳米晶块状材料。主要研究内容如下：对于纳米晶铝基合金粉末，研究了球磨时间、增强颗粒加入量、过程控制剂(PCA)及球磨转速等不同参数对其制备及性能方面的影响。利用X射线衍射 (XRD) 仪、激光粒度分析仪、扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)等对材料的组织结构、颗粒度及晶粒度进行了分析。结果表明，粉末颗粒度随球磨时间的增加先减小再增大，最后保持稳定；并且随增强颗粒含量的增多而稍有减小；球磨转速越高，颗粒度越小。而晶粒度随时间的增加先迅速减小，随后基本保持稳定；增强颗粒的加入会使其减小；球磨转速对其影响不大。球磨一定时间后，较硬的Fe基非晶增强颗粒被包裹进铝合金粉末内部，且分布较均匀。加入40wt.%FMG，球磨48h，转速为230rpm时，晶粒尺寸约为25nm。对于热成型的纳米晶体材料，利用XRD、SEM、TEM、显微硬度测试、室温压缩测试等手段对其进行组织结构及力学性能方面的检测，并对样品的微观结构与力学性能之间的关系进行深入探讨。研究发现热挤出块体中有纳米级Al2Cu相析出，且未加入增强颗粒的2024铝合金粉末热挤出后析出相较多。热挤出后材料晶粒尺寸有所增加，为70nm左右。热挤出块体材料中，铝基体的维氏显微硬度随球磨的进行及增强颗粒的加入而增加，最高可达到151。并不是球磨时间越长，加入增强颗粒越多，热挤出块体压缩强度越高，最优球磨工艺为加入10wt.%Fe基非晶颗粒，4wt.%PCA，球磨24h，球磨转速为230rpm，其压缩强度可达642MPa，远远高于原料2024铝合金。此外，本文对B4C作为增强颗粒的铝基合金做了初步研究，工艺流程不变。研究表明，热挤出过程中也有纳米级Al2Cu相析出。发现了三种B4C与铝基体的晶粒界面，并对其相应的增强机制做了分析。加入20wt.%B4C的铝基合金压缩强度达到了970MPa。