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Al-Zr-O-B体系反应生成颗粒增强复合材料的组织结构与性能研究

朱延山  
【摘要】:本文开发了Al-Zr-O-B原位反应新体系,研究了熔体反应技术并成功制备了(Al_3Zr+Al_2O_3+ZrB_2)p/Al和(Al_3Zr+Al_2O_3+ZrB_2)p/Al-4Cu新型复合材料:利用扫描电镜、电子探针、X-射线衍射仪、差热分析仪等现代分析手段分析了该复合材料的凝固组织,并探讨了Al-Zr-O-B复合材料的反应热力学和动力学以及影响颗粒大小和分布的因素;研究了复合材料的力学性能和耐磨性能,分析了复合材料的断裂行为、强化机制和磨损机制。 实验结果表明Al-Zr(CO_3)2-H_3BO_3体系制备复合材料的最佳工艺参数为:起始反应温度850±20℃、反应时间25min、反应物加入量20wt%(质量分数)。X-射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析表明:Al-Zr(CO_3)2-H_3BO_3体系原位反应生成的颗粒增强相为Al_3Zr、Al_2O_3和ZrB_2,且颗粒尺寸细小,弥散分布于基体中。在原位反应过程中,对熔体施加电磁场,可使合成颗粒更细化、圆整。 对Al-Zr(CO_3)2-H_3BO_3反应体系制备复合材料的反应热力学和动力学进行研究,结果表明:Al-Zr(CO_3)2-H_3BO_3体系在铝熔体中能自发进行反应合成Al_2O_3、Al_3Zr和ZrB_2颗粒,反应按反应-破裂-扩散机制进行,并建立了反应动力学模型。对其进行定性分析表明:温度越高,反应物的浓度越高,反应的速度越快。 复合材料的力学性能测试研究表明:Al-Zr-O-B系熔体反应法合成的(Al_3Zr+Al_2O_3+ZrB_2)p/Al和(Al_3Zr+Al_2O_3+ZrB_2)p/Al-4Cu复合材料,其抗拉强度和屈服强度较基体显著提高,当反应物加入量为铝熔体的20wt%时,(Al_3Zr+Al_2O_3+ZrB_2)p/Al复合材料的强度为:σb=152.3MPa,σs=112.3MPa,较基体纯Al分别提高95.2%和167.3%;(Al_3Zr+Al_2O_3+ZrB_2)p/Al-4Cu复合材料的力学性能为:σb=393.9MPa,σs=316.7MPa,较基体Al-4Cu合金分别提高了72%和53%。该复合材料经T6处理后,其抗拉强度和屈服强度比热处理前分别提高了11.2%和23%。 对(Al_3Zr+Al_2O_3+ZrB_2)p/Al和(Al_3Zr+Al_2O_3+ZrB_2)p/Al-4Cu复合材料的拉伸断裂形貌及其机理进行了分析,结果表明:内生Al_3Zr、Al_2O_3和ZrB_2复合材料的增强机制主要有Orowan强化、共格强化和位错强化。 Al-Zr-O-B系复合材料干滑动磨损试验研究表明:(Al_3Zr+Al_2O_3+ZrB_2)p颗粒增强的复合材料随颗粒体积分数的增加它们的耐磨性均显著提高,且随着载荷的增大,耐磨性提高的幅度更大。磨损表面及亚表面的SEM表明,基体Al-4Cu合金主要表现为粘着磨损,(ZrB_2+Al_3Zr+Al_2O_3)p/Al-4Cu复合材料主要表现为磨


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