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颗粒增强铝基复合材料的制备工艺及性能研究

刘伟国  
【摘要】:铝及铝合金作为应用最广泛的金属材料之一,在航空航天、汽车、建材等领域发挥着无可替代的作用;但随着各行业的发展,传统铝合金已逐渐不能满足对材料性能的需求。铝基复合材料既有重量轻,良好的导电导热性能,优异的耐蚀性与阻尼性能又能够根据需要进行成分设计以满足不同场合的应用需要。本文分别利用原位烧结法探索Al-TiO_2-B_2O_3体系反应机理和Al-Ti O_2-B_2O_3体系、Al-KBF_4-K_2TiF_6体系原位熔体反应法对颗粒增强铝基复合材料的制备工艺以及性能进行了对比与分析,得到以下结论:(1)原位烧结法中对粉料进行12h的球磨,在850℃并保温30min条件下烧结所得到的烧结块组织致密,基本不存在孔隙,Al_2O_3颗粒细小且均匀分布在基体中,尺寸约为1μm;少量TiAl_3颗粒以短棒状存在,长度也在1μm左右;TiB_2颗粒伴生在Al_2O_3颗粒周围,尺寸在纳米级别;AlB_2颗粒则较大,尺寸在4~8μm。不同体系的反应过程均分步进行,首先产生游离态元素[Ti]或[B],活性元素经过扩散与反应才能生成所需的增强颗粒;这种分步进行的过程受反应动力学支配,游离的活化原子浓度越高,温度越高,越容易突破动力学能障。其中Al-TiO_2-B_2O_3三元反应物体系由于有TiB_2相的生成,反应在更低的温度就开始进行,且进行得最为彻底,增强颗粒含量最多。(2)Al-TiO_2-B_2O_3体系原位熔体反应法中,改变预制块压制压力、加料顺序不能促进原位反应的发生,以铝箔包裹Al、TiO_2和B_2O_3粉末加入850℃熔体原位熔体反应能够发生并且可以改善生成的增强相与铝基体的润湿性,使少量增强颗粒能够进入到基体内部,但这种润湿性改善的状况并不是很明显。当铝粉加入量为3/5时,原位反应进行的最为剧烈,铝粉加入量为2/1时,原位反应进行的较为温和。(3)Al-KBF_4-K_2TiF_6体系的原位熔体反应工艺制备颗粒增强A356基复合材料过程中超声振动能最大限度的提升材料的抗拉强度和耐磨性,抗拉强度达到172MPa,比未经超声处理的A356复合材料强度提升20.3%;摩擦系数和磨损量最低,耐磨性最好。A356合金强度随TiB_2颗粒含量增加逐渐增加,当颗粒含量达到12%时抗拉强度达到最大值186MPa,较之于A356合金提高了30%。当增强相为TiB_2+Al_3Ti时,随着TiB_2+Al_3Ti总体含量的增加,复合材料强度呈先升高后降低而后再升高的趋势。当TiB_2+Al_3Ti含量在2%时材料强度达到最大值173MPa。不同增强颗粒种类TiB_2和TiB_2+Al_3Ti对比,TiB_2增强相对A356合金的性能提升效果优于TiB_2+Al_3Ti共同作用效果。材料的断裂形式均为准解理脆性断裂。随着基体内颗粒含量的增加,复合材料的磨损形式从氧化磨损和粘着磨损转向为磨粒磨损和氧化磨损。


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