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AZ91D镁合金—漂珠复合材料的制备及性能

黄志求  
【摘要】:镁基复合材料具有高的比强度和比刚度,可以改善镁合金的耐热和耐磨损性能,是汽车、电子工业及航空航天领域中最有希望采用的一种复合材料。镁基复合材料的成本主要取决于增强相和制备工艺,针对不同工作条件的要求,研发高性能、低成本、易规模化生产的镁基复合材料仍是当前研究的主要任务。研究表明,采用廉价的增强相是降低镁基复合材料成本的最有效途径,因此,寻找成本更低的增强相制备颗粒增强镁基复合材料,使之满足不同工况的使用需求,具有重要的实用价值。本文采用搅熔铸造法,以资源丰富、成本低廉的粉煤灰漂珠为添加物,开发了一种新型的AZ91D镁合金-粉煤灰漂珠复合材料,并对其开展了室温准静态、动态和高温压缩变形行为以及摩擦磨损性能的研究。采用光学显微镜、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等方法,研究了铸态复合材料的显微组织和界面结构;同时,以漂珠为反应物,通过调控制备工艺,原位制备出内生Mg2Si/AZ91D复合材料。 在研究过程中,设计了用于镁合金熔体浇注的底注式低碳钢模具,有效地节省了镁合金原料,避免了在试样浇注过程中因熔体保护不好而出现氧化的情况,使试样制备简便易行。 本文主要研究内容和研究结果如下: (1)计算了AZ91D镁合金-漂珠体系中各组元之间可能发生的反应的吉布斯自由能,建立了该体系反应的动力学模型,导出了漂珠在基体中沉降的速度方程。通过调控制备工艺参数,成功制得了漂珠/AZ91D复合材料,得到了有关参数对体系反应动力学的影响规律。 (2)系统地研究了在半固态温度区间内,搅拌温度、时间和速度对漂珠/AZ91D复合材料组织的影响,获得了制备该复合材料的最佳工艺;研究了该复合材料的密度和热膨胀系数等物理性能以及硬度和拉伸强度等力学性能。结果表明:随着漂珠质量分数的增加,漂珠/AZ91D复合材料的密度增大、热膨胀系数降低;漂珠粒径越小,复合材料的热膨胀系数越小。随着漂珠质量分数的增加,漂珠/AZ91D复合材料的布氏硬度增加,当漂珠质量分数超过12wt.%时,复合材料布氏硬度开始下降。漂珠/AZ91D复合材料的拉伸断裂强度因漂珠的加入而降低,它的屈服强度随漂珠的粒径减小和质量分数的增加而提高,但其延伸率表现出与屈服强度相反的趋势。复合材料的弹性模量因漂珠质量分数的增加而提高。 (3)利用MTS810-22M试验机和分离式Hopkinson压杆系统研究了漂珠/AZ91D复合材料在准静态和动态条件下的压缩性能,获得了复合材料在准静态条件下和高应变率下的压缩力学性能的变化规律。在本试验条件下,漂珠/AZ91D复合材料的室温准静态压缩断裂强度高于基体,增加漂珠的质量分数或减小漂珠的粒径或降低应变率均能提高复合材料的室温准静态压缩强度。室温动态压缩试验表明,漂珠/AZ91D复合材料具有显著的应变率效应和小尺寸效应,即复合材料的动态压缩强度随应变率的增加及漂珠粒径的减小而增大。复合材料室温准静态压缩和动态压缩断口均为脆性断口。 (4)利用Instron-5500热模拟试验机研究了漂珠/AZ91D复合材料的高温压缩变形行为。采用幂指数方程计算得到其变形激活能的最小值为199.33kJ/mol、最大值为292.45kJ/mol。显微组织观察表明,低应变率较高温度下,复合材料发生了较充分的再结晶转变,而且再结晶晶粒的尺寸也随应变率增加而变大。高应变率下,在漂珠周围与基体中产生大量的条带状组织和孪晶,条带状组织由许多再结晶晶粒组成。透射电镜(TEM)证实了复合材料经高温压缩变形后发生动态再结晶和形成较高的位错密度。 (5)研究了漂珠/AZ91D复合材料在干摩擦磨损条件下的磨损行为,获得了载荷、时间等外部试验参数以及漂珠含量等内部因素对复合材料摩擦磨损行为的影响规律。结果表明:漂珠/AZ91D复合材料的摩擦磨损表面存在大量的平行沟槽,表现为犁沟特征。在低载荷时复合材料的磨损方式以磨粒磨损为主;而在高载荷时,复合材料的磨损机制转变为以粘着、氧化磨损为主。 (6)在较高温度下对AZ91D-漂珠熔体进行长时间等温,并采用分离浇注的方法,原位制备出Mg2Si/AZ91D复合材料。探索了AZ91D-漂珠熔体等温温度、等温时间、熔体搅拌时间及固溶处理等因素对Mg2Si形貌的影响。Mg2Si/AZ91D复合材料经固溶处理后,抗拉强度显著提高,最高达到184MPa。挤压态Mg2Si/AZ91D复合材料的抗拉强度为302MPa,比铸态(123MPa)提高了2.45倍。铸态Mg2Si/AZ91D复合材料具有较高的高温拉伸强度,在200oC下,抗拉强度为132MPa,比基体提高了约24%。铸态、固溶处理以及高温拉伸条件下,Mg2Si/AZ91D复合材料的拉伸断口均表现为脆性断裂方式,挤压态Mg2Si/AZ91D复合材料拉伸断口表现为韧性断裂方式。


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