高频脉冲电流改性SiC/Al复合材料微裂纹愈合机制及组织性能

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28598

材料工程与机械制造

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高频脉冲电流改性SiC/Al复合材料微裂纹愈合机制及组织性能

刘瑞峰¹(), 孙晓哲¹, 李文辉¹, 王显², 闫杰²

^1.太原理工大学航空航天学院，晋中　030600
^2.太原理工大学材料科学与工程学院，太原　030024

收稿日期:2023-02-22 修回日期:2023-03-20 接受日期:2023-03-27 出版日期:2023-04-10 发布日期:2023-04-07
通讯作者: 刘瑞峰 E-mail:liuruifeng@tyut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52205405);山西省基础研究计划(20210302124653);太原理工大学校基金(2022QN151);山西省高等学校科技创新项目(2021L068)

Microcrack healing mechanism and microstructure properties of SiC/Al composites modified by high frequency pulse current

Ruifeng LIU¹(), Xiaozhe SUN¹, Wenhui LI¹, Xian WANG², Jie YAN²

^1.College of Aeronautics and Astronautics，Taiyuan University of Technology，Jinzhong 　030600，China
^2.College of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 　030024，China

Received:2023-02-22 Revised:2023-03-20 Accepted:2023-03-27 Online:2023-04-10 Published:2023-04-07
Contact: Ruifeng LIU E-mail:liuruifeng@tyut.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52205405);Fundamental Research Program of Shanxi Province(20210302124653);Taiyuan University of Technology School Foundation(2022QN151);Science and Technology Innovation Program of Higher Education Institutions in Shanxi Province(2021L068)

摘要/Abstract

摘要：

采用高频脉冲电流技术改性处理轧制态SiC/Al复合材料。首先利用扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射仪（EBSD）对不同状态下复合材料的微观组织进行了观察分析，研究了高频脉冲电流作用下微裂纹的动态愈合机制。然后，对复合材料的微纳力学性能及拉伸性能进行了测试。结果表明，高频脉冲电流有效促进了轧制态复合材料发生静态再结晶，使基体晶粒由2.47 μm细化至2.02 μm，再结晶体积分数由7.43%提高至39.73%，择优取向明显减弱。钻孔-冷轧法预制的微裂纹尖端在高频脉冲电流作用下产生了局部高温，并在压应力的作用下实现了部分愈合。高频脉冲电流处理后，复合材料的拉伸强度和伸长率由347 MPa和12.23%优化至475 MPa和21.65%。研究为拓宽SiC/Al复合材料在航空领域的应用范围奠定了相关理论及实践基础。

关键词: SiC/Al复合材料, 高频脉冲电流, 晶粒细化, 微裂纹愈合, 再结晶

Abstract:

High-frequency pulsed current technique was employed to modify the microstructure and performance of as-rolled SiC/Al composites. The microstructure of the composites in different states was observed and analyzed by Scanning Elcetron Microscopy （SEM） and Electron Back-Scattered Diffraction （EBSD）. The dynamic healing mechanism of microcrack under high frequency pulse current was investigated. Finally， the micro-nano mechanical properties and tensile properties of the composites were tested. Results show that the high frequency pulse current can effectively promote the static recrystallization of the as-rolled composite.Grain size was refined from 2.47 μm to 2.02 μm， and recrystallization ratio increased from 7.34% to 39.73%， which results in the weakening of the preference orientation. Micro-crack tips prefabricated by the drilling and cold rolling method were partially healed under the action of high temperature and pressure stress induced by high frequency pulse current. Tensile strength and elongation of the as-rolled composites were optimized from 347 MPa and 12.23% to 475 MPa and 21.65% after high frequency pulse current treatment. This research laid the theoretical and practical foundation for the expansion of SiC/Al composites in aviation field.

Key words: SiC/Al composite, high frequency pulse current, grain refinement, microcrack healing, recrystallization

中图分类号:

V261.3

刘瑞峰, 孙晓哲, 李文辉, 王显, 闫杰. 高频脉冲电流改性SiC/Al复合材料微裂纹愈合机制及组织性能[J]. 航空学报, 2023, 44(22): 428598-428598.

Ruifeng LIU, Xiaozhe SUN, Wenhui LI, Xian WANG, Jie YAN. Microcrack healing mechanism and microstructure properties of SiC/Al composites modified by high frequency pulse current[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(22): 428598-428598.

图/表 14

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参考文献 32

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

复合材料状态	再结晶比例/%	亚结构比例/%	变形晶粒比例/%	平均晶粒尺寸/μm	KAM值
轧制态	7.43	5.33	87.24	2.47	4.51
5 kHz电流处理态	16.51	6.24	77.25	2.80	4.37
10 kHz电流处理态	39.73	7.33	52.94	2.04	3.82
15 kHz电流处理态	20.74	7.63	71.63	2.75	3.48

温度/℃	密度/（kg∙m^-3）	电阻率/（10^-8 Ω∙m）	热导率/（W∙m^-1∙K^-1）	线膨胀系数/（10^-5 K^-1）	弹性模量/GPa	泊松比
25	2 811.2	3.45	121.10	2.30	71.1	0.33
100	2 796.5	4.62	129.40	2.46	65.2	0.33
200	2 775.6	5.80	138.60	2.67	56.3	0.33
300	2 753.4	7.00	146.60	2.88	38.0	0.33
400	2 729.8	8.14	154.10	3.10	31.5	0.33
500	2 704.9	9.32	160.50	3.33	25.0	0.33
600	2 630.0	0.11	131.60	3.95	24.0	0.33
700	2 477.9	0.12	83.86	5.11	22.5	0.33

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Microcrack healing mechanism and microstructure properties of SiC/Al composites modified by high frequency pulse current

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