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陶瓷颗粒增强钢基复合材料/钢三维互穿网络结构材料的制备及性能初探

赵馨月  
【摘要】:常规增强颗粒均匀分散复合材料(MMCs)中陶瓷颗粒与金属基体界面结合处是裂纹容易萌生扩展的地方,在受到强冲击磨损时容易出现复合材料的碎裂、脱落甚至是材料的局部剥落,表现出较差的耐磨性,对MMCs进行空间结构韧化被证明是一种有效提高其塑性、韧性的措施,是解决其耐强冲击磨损工况的关键。由于空间结构预制体的制备及其尺寸形状的精确控制比较困难,因此目前相关研究较少,本文采用3D打印+压力浸渍技术制备了陶瓷颗粒增强钢基复合材料(MMCs)/钢三维互穿网络复合材料(3D-MMCs/steel)重点探索了复合材料的组分设计(ZTA增强颗粒、40Cr钢基材、PLA熔融沉积式3D打印材料)、结构设计(正方堆砌结构、球堆砌结构)以及相关制备流程,利用扫描电镜、金相显微镜、能谱仪、维氏硬度计等设备研究了材料的显微组织和硬度。研究了4 wt.%水玻璃、5 wt.%磷酸二氢铝制备的3D-MMCs/steel复合材料的弯曲性能、冲击磨料磨损性能并与常规增强颗粒均匀分散复合材料做对比。制备的3D-MMCs/steel复合材料MMCs区、纯基体区互穿双连续结构:MMCs区ZTA陶瓷颗粒分散均匀,MMCs区ZTA/钢界面无明显粘结剂残留,属于机械结合。3D-MMCs/steel复合材料热处理后,MMCs区裂纹萌生扩展至纯基体区,然后终止。含4wt.%水玻璃正方堆砌3D-MMCs/steel复合材料、球堆砌3D-MMCs/steel复合材料三点弯曲应力-应变曲线均呈台阶式下降,表现为明显的假塑性。正方堆砌3D-MMCs/steel复合材料弯曲强度较常规增强颗粒均匀分散复合材料增加了74.03%,达到652.91 MPa;挠度提高了60.10%。球堆砌3D-MMCs/steel复合材料弯曲强度较常规增强颗粒均匀分散复合材料增加了31.03%,达到491.61 MPa;扰度提高了135.96%。含5wt.%磷酸二氢铝的正方堆砌3D-MMCs/steel复合材料、球堆砌3D-MMCs/steel复合材料三点弯曲应力-应变曲线并没有出现台阶式微锯齿下降,而是与常规增强颗粒均匀分散复合材料的应力-应变曲线类似。含4wt.%水玻璃、5wt.%磷酸二氢铝的正方堆砌、球堆砌3D-MMCs/steel复合材料三点弯曲断面,均为MMCs区连续、纯基体区离散面,说明MMCs区连续、纯基体区离散面是3D-MMCs/steel复合材料薄弱面。在冲击磨料磨损工况下,4wt.%水玻璃制备的球堆砌3D-MMCs/steel复合材料的体积磨损率比增强颗粒均匀分散复合材料减少了31.24%,MMCs区连续、纯基体区离散面比MMCs区离散、纯基体区连续面耐磨。


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