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活塞用原位Al_2O_3颗粒增强铝基复合材料的制备及挤压铸造成型研究

张再磊  
【摘要】:活塞材料要求具有一定的高温强度、良好的耐磨性以及较小的热膨胀系数。本文针对此要求,采用熔体直接反应法结合半固态机械搅拌技术,以SiO2颗粒与铝合金熔体作为反应物,成功制备了活塞用原位Al_2O_3颗粒增强铝基复合材料,并对复合材料进行挤压铸造成型试验。分析了复合材料的相组成和微观组织,Al_2O_3颗粒尺寸、形貌以及在基体中的分布情况;测试了复合材料的室温拉伸性能、高温拉伸性能、硬度;研究了挤压铸造成型工艺对复合材料组织和性能的影响;讨论了复合材料的断裂方式和强化机理。平均尺寸为5μm、30μm的SiO2颗粒与Al合金熔体反应生成平均尺寸约为5μm、30μm的Al_2O_3颗粒,由此制备出活塞用原位Al_2O_3颗粒增强铝基复合材料。复合材料熔体温度为750℃时,对熔体施加10min超声,表面有裂痕的30μm Al_2O_3颗粒大部分破碎为小颗粒并逐渐分散开,但是仍有少量破碎的大颗粒未完全分散开;5μm的Al_2O_3颗粒在基体中呈弥散分布,与基体结合良好。Al_2O_3颗粒对复合材料基体中的α-Al树枝晶和共晶Si具有细化作用,共晶Si大部分变成粒状,少部分变成短棒状。挤压铸造复合材料铸件表面光滑平整,基体中原本粗大的树枝晶得到细化并趋于球化。当模具温度为250℃,挤压力为70MPa时,所得复合材料组织最好,Al_2O_3增强颗粒相对均匀地分布在基体中,颗粒形貌、尺寸与重力铸造相比未出现明显改变,孔洞等铸造缺陷明显减少。T6热处理后,复合材料中Si相球化,Al_2O_3颗粒形貌、尺寸、分布未有明显改变。室温拉伸试验表明,在70MPa挤压力下,5μm-Al_2O_3p/ZL109复合材料铸态和T6态抗拉强度分别为216MPa、305MPa,30μm-Al_2O_3p/ZL109复合材料铸态和T6态抗拉强度分别为204MPa、290MPa。5μm-Al_2O_3p/ZL109复合材料铸态和T6态抗拉强度均高于基体合金,30μm-Al_2O_3p/ZL109复合材料的抗拉强度均低于基体合金。高温拉伸试验表明,在70MPa挤压力下,5μm-Al_2O_3p/ZL109复合材料的高温抗拉强度均高于基体。基体和5μm-Al_2O_3p/ZL109复合材料的抗拉强度均随温度升高而逐渐降低,温度高于250℃时下降明显。在250℃、300℃、350℃时,5μm-Al_2O_3p/ZL109复合材料的抗拉强度分别为192MPa、132MPa、75MPa。5μm-Al_2O_3p/ZL109复合材料的断后伸长率低于基体合金,且温度越高差距越大。硬度测试表明,70MPa挤压力下,5μm-Al_2O_3p/ZL109复合材料铸态和T6态布氏硬度值(HBW)分别为110、136,30μm-Al_2O_3p/ZL109复合材料铸态和T6态布氏硬度值(HBW)分别为113、140,均高于基体合金ZL109。


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