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原位TiCp增强镁基复合材料制备及其性能研究

曹玮  
【摘要】: 随着能源紧缺及环境污染问题的日益突出,汽车工业对高效率,低排放和轻量化的要求逐渐提高。镁合金的开发和应用顺应了汽车节能和环保的趋势,越来越引起人们的关注,但是镁合金的耐热性能较差限制了其在汽车工业上的广泛应用。本文的研究工作主要是针对上述问题进行,运用材料复合化思路和原位制备方法,探索研制耐热性能改善,弹性模量提高,强度提高和阻尼性能优良的结构功能一体化的原位合成镁基复合材料。相对于其它金属基复合材料(如铝基,钛基,铁基和铜基等)的研究发展水平,原位合成镁基复合材料的研究处于初步阶段。因此,研究镁基复合材料的原位反应体系,制备工艺,微观结构和力学性能,阻尼性能以及耐热性能等之间的内在关系,对研制和开发综合性能优越的镁基复合材料及其在汽车工业上的应用具有重要的指导意义。 本文首先对原位反应的热力学研究表明,Mg-Al-Ti-C体系可以发生原位反应生成TiC增强颗粒。利用Miedema模型结合Wilson方程,计算并预测了常用合金元素或稀土元素会对Mg-Al-Ti-C体系的原位反应的影响规律。根据计算结果,选用汽车工业上常用的AZ91D作为基体合金,合金中的Zn和Mn等元素,有利于原位反应产物TiC的生成,同时有利于抑制TiAl3中间相的形成。 对原位反应的实验研究表明,原位反应形成TiC增强镁基复合材料的过程为:Al先通过Al-Ti反应形成TiAl3金属间化合物,同时释放出大量热量,进一步引发了TiAl3和C以及Ti和C之间反应形成热力学上更稳定的TiC。预制块中的Al不但能够参与原位反应,降低原位反应的温度,使TiC颗粒尺寸减小,同时Al也可以作为稀释剂,有利于TiC颗粒在Mg熔体中的扩散和均匀分布。原位制备的TiC颗粒增强的镁基复合材料,颗粒细小且分布均匀,颗粒附近存在高密度的位错,颗粒与镁基体界面清洁,结合紧密,这些均对提高镁基复合材料的力学性能有利。 对TiC/AZ91D镁基复合材料的室温力学性能研究表明,原位合成的TiC增强体的引入,使复合材料的室温拉伸强度和压缩强度均有了提高。与基体合金相比,TiC颗粒增强镁基复合材料的室温拉伸强度提高了约20-26%,弹性模量提高了3-11%。复合材料的强化机理主要归结为细晶强化和位错强化的综合作用。复合材料的失效主要是由颗粒与基体界面处的脱粘和基体的断裂引起。 镁合金作为汽车零件主要受螺栓等压应力作用,常见使用温度在25-200°C之间,对以上工况条件下AZ91D镁合金和TiC/AZ91D镁基复合材料的压缩实验研究表明,AZ91D镁合金断裂区域和安全区域的分界线Z=8×1014s-1。TiC/AZ91D镁基复合材料的分界线Z值经计算为Z=5×1013s-1。与AZ91D镁合金相比,TiC/AZ91D镁基复合材料需要更低的Z值,即更高的温度和更低的应变速率以避免材料发生断裂。 通过研究镁合金常见变形温度(250-400°C)和常见应变速率(10-3-8s-1)下TiC/AZ91D镁基复合材料的压缩变形行为,构建出TiC/AZ91D镁基复合材料的热加工图。热加工图能预测的加工性能良好区域和加工非稳区,为判定材料的最佳热加工条件和失稳区域,制定合理的热加工工艺提供理论和实践依据。 本文进一步研究了原位颗粒增强镁基复合材料的阻尼性能。复合材料的阻尼性能优于基体合金,并且复合材料的阻尼性能随增强体体积分数的增加而提高。在室温时,增强颗粒附近存在高密度的位错,有利于复合材料的室温阻尼性能提高。高温时,增强体与镁基体界面强度随温度的升高而降低,在一定应力作用下,通过晶界滑移,界面滑移等方式消耗振动能量,从而提高高温阻尼性能。 最后,本文建立了螺栓载荷保持(Bolt Load Retention,BLR)评价系统,模拟镁合金及复合材料作为汽车零件在螺栓预紧力作用下高温长时间服役的实际工况。AZ91D镁合金及TiC/AZ91D镁基复合材料的BLR行为测试结果表明,随着温度和载荷的增加,镁合金及其复合材料的螺栓剩余载荷比例减少,但是预载荷的增加仍然有利于残余载荷的增大。在本文测试范围内,镁基复合材料在不同温度和载荷下的BLR性能均优于镁基体合金,且随温度提高镁基复合材料BLR性能有较大改善。通过研究归纳的剩余载荷比例的等值线可以用来表示温度和初始载荷对剩余载荷百分数的综合影响。等值线图的建立为镁合金零件的工程设计提供理论依据。


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