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原位ZA27基复合材料的制备及性能研究

姚宏博  
【摘要】: 本文选用ZA27合金为基体,以铝硅合金为硅相载体,与纯锌熔体混熔制备了Sip/ZA27复合材料;在稳定混熔工艺的基础上,研究了使用P+RE复合变质以及添加K_2ZrF_6对其微观组织和综合性能的影响。结合材料的力学性能、磨损性能、热膨胀性能,分析了增强相的作用机制。 将Al-20wt%Si合金加热到850℃处理30min,可以使其凝固组织中初生硅相平均尺寸从100μm减小到25μm,辅以0.1wt%的P元素变质,可使初生硅相平均尺寸继续减小至10μm。RE元素的加入,对初生硅相形貌影响不大,但可以变质组织中的共晶硅。在P+RE复合变质Al-20wt%Si合金熔体的基础上,将纯锌熔体与其混熔,并控制浇注温度高于700℃,获得了硅相颗粒体积分数易于控制、尺寸细小、分布均匀的Sip/ZA27复合材料。 使用K_2ZrF_6粉末与Al-20wt%Si合金熔体进行反应,得到含有Al_3Zr相和硅相的铝合金熔体。再依照Sip/ZA27复合材料制备工艺进行混熔,可以得到含有颗粒状硅相和板条状Al_3Zr相的(Al_3Zr+Sip)/ZA27复合材料。由于Al_3Zr可以作为初生α相的异质晶核,Zr元素还可以阻碍初生相的长大,因此使得复合材料中锌铝合金基体得到细化。 室温拉伸实验结果表明,硅相同时起到第二相的强化作用以及脆性相的弱化作用。当硅含量小于9vol%时,强化作用处于主导地位;随着硅含量的继续增加,硅相逐渐粗化,致使材料受力面积减小,弱化作用显著,抗拉强度下降。复合材料的伸长率因为硅相的加入急剧降低。硅含量大于9vol%之后,伸长率趋向于零。(Al_3Zr+Sip)/ZA27复合材料的抗拉强度和伸长率变化规律与Si_p/zA27复合材料一致,不同的是,在相应的Si体积分数下,板条状Al_3Zr相的生成对基体造成一定割裂作用,复合材料抗拉强度稍微降低,但锆盐的加入又细化了锌铝合金基体,伸长率则有所增加。 复合材料的硬度随着硅含量的增加而增大,这是由于硅相的存在增强了测试时对压头的承载能力。硅含量为12vol%时,硬度达到152HBS,比ZA27基体合金提高了29%。(Al_3Zr+Sip)/ZA27复合材料由于Al_3Zr硬质相的加入,比Sip/ZA27复合材料硬度值稍大。复合材料的磨损性能优于基体合金。但是,复合材料的耐磨性随增强体的增加不呈单一增加趋势,当硅相含量为12vol%和14vol%时,复合材料的高温抗磨损性能(100℃)大大提高,与室温抗磨损性能基本相同。对复合材料进行20-300℃温度范围的热膨胀性能测试。结果表明,由于增强相与基体热膨胀系数的差异,对基体合金的热膨胀产生抑制,极大地改善了基体的尺寸稳定性。


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