原位α-Al_2O_(3p)/ZL109复合材料的制备及挤压铸造研究

【摘要】：原位颗粒增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,耐热,耐腐蚀,线膨胀系数低,颗粒/铝基体界面结合性好等优势,在汽车、航空航天、电子器件等领域具有广阔的应用前景。然而,该类复合材料的现有制备方法尚存在原位颗粒的分散等技术问题需要解决,限制了其广泛应用。本文选用Al-SiO_2体系,利用熔体直接反应法,并借助电磁搅拌,成功制备了原位2μmα-Al_2O_(3p)/ZL109复合材料,并对其进行了挤压铸造成型。系统研究了复合材料的室温拉伸性能与高温拉伸性能、布氏硬度及线膨胀系数,探讨了相关机理,分析了线膨胀系数预测模型的准确性。热力学及动力学分析表明,Al-SiO_2反应为自发的放热反应过程,依赖Al、Si及O元素的扩散,分为接触反应、渗透反应、完全反应三个阶段。Al-SiO_2首先在755.8 ~oC反应生成亚稳态的γ-Al_2O_3,随后于1045.6 ~oC发生γ-Al_2O_3向稳定态α-Al_2O_3转变的过程。因SiO_2与γ-Al_2O_3、γ-Al_2O_3与α-Al_2O_3均存在密度差异,上述两过程均发生一定程度的体积收缩,但生成的α-Al_2O_3基本与加入的SiO_2粒径保持一致。借助半固态机械搅拌,将Al-SiO_2混合球磨粉加至A356熔体中,并反应生成α-Al_2O_3增强颗粒,随后补加Si、Cu、Ni和Mg元素配制ZL109合金基体,最终制备了不同体积分数的α-Al_2O_(3p)/ZL109复合材料。组织观察结果表明,随α-Al_2O_3颗粒体积分数增加,颗粒团聚现象及气孔缺陷加剧。在电流为250 A、频率为7.5 Hz、磁感应强度为0.039 T的电磁场条件下进一步处理10 min后,5 vol.%α-Al_2O_(3p)/ZL109复合材料中的颗粒团聚现象基本消除,α-Al_2O_3颗粒分散良好,但气孔缺陷未见明显改善。受凝固界面推移机制作用,α-Al_2O_3颗粒主要分布在α-Al晶界及共晶组织区域,并细化了α-Al晶粒。随α-Al_2O_3颗粒体积分数增加,细化效果逐步加强。重熔态5 vol.%α-Al_2O_(3p)/ZL109复合材料在浇注温度720 ~oC、压射比压80 MPa、压射速度0.1 m/s、保压时间6 s的挤压铸造条件下,其因半固态机械搅拌引起的气孔被完全消除,基体中α-Al相树枝晶和珊瑚状的共晶Si得到进一步细化,α-Al相明显呈现由树枝晶向等轴晶转变的趋势。挤压铸造对α-Al_2O_3颗粒的分散性无明显影响。室温拉伸试验表明,经80 MPa挤压铸造的重熔态5 vol.%α-Al_2O_(3p)/ZL109复合材料的T6态抗拉强度、延伸率和布氏硬度分别达到了347 MPa、3.69%和136 HB,与重熔重力铸造态相比,分别提高了21.3%、29.5%和20.9%;与挤压铸造态ZL109相比,分别提高了5.8%,降低了5.9%和提高了5.4%。高温拉伸试验表明,上述复合材料在150 ~oC、200 ~oC、250 ~oC、300 ~oC和350 ~oC的高温强度分别为336 MPa、280 MPa、228 MPa、168 MPa和99 MPa,均高于ZL109基体合金。α-Al_2O_3颗粒对强度的贡献率(K)在300 ~oC时获得最大值23.6%。线膨胀系数测试表明,经80 MPa挤压铸造的重熔5 vol.%α-Al_2O_(3p)/ZL109复合材料,T6热处理后,在30~400 ~oC的线膨胀系数均低于ZL109基体合金。在30 ~oC和400 ~oC,复合材料的线膨胀系数分别为13.99×10~(-6 o)C~(-1)和23.33×10~(-6 o)C~(-1),与ZL109基体合金相比分别降低了7.97%和3.79%。分析表明,Kerner模型用于预测α-Al_2O_(3p)/ZL109复合材料的线膨胀系数较为合理。