原位鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦加工制備、微觀組織和力學(xué)性能.pdf

1、攪拌摩擦加工(Friction stir processing，F(xiàn)SP)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型材料塑性加工制備技術(shù)，目前已在超細(xì)晶材料的制備、材料的微觀組織改性以及金屬基復(fù)合材料的合成制備等方面得到了應(yīng)用。本文選擇Al-Ti和Al-TiO2兩個(gè)鋁基復(fù)合材料常用的反應(yīng)體系為研究對(duì)象，通過(guò)真空熱壓和FSP制備原位復(fù)合材料，系統(tǒng)研究了FSP激活原位反應(yīng)的本質(zhì)原因和FSP過(guò)程中增強(qiáng)相的形成機(jī)制及制備工藝參數(shù)對(duì)原位復(fù)合材料組織和性能的影響。主

2、要開(kāi)展了以下方面的研究工作:
　　 研究了真空熱壓和FSP參數(shù)對(duì)Al-Ti系原位復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)性能的影響。在真空熱壓過(guò)程中，Ti與Al之間發(fā)生反應(yīng)擴(kuò)散生成Al3Ti。隨著熱壓溫度提高和熱壓保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，生成的Al3Ti數(shù)量增多。隨后的FSP不僅能夠激活A(yù)l-Ti反應(yīng)，而且細(xì)化了熱壓過(guò)程中形成的Al3Ti顆粒，導(dǎo)致Al3Ti在基體中的均勻分布。這些微觀組織的變化導(dǎo)致了原位復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度顯著提高。但拉伸強(qiáng)度隨FSP轉(zhuǎn)速

3、的變化趨勢(shì)卻依賴于熱壓過(guò)程中的Al-Ti反應(yīng)程度;對(duì)于熱壓中Al-Ti反應(yīng)未發(fā)生或部分發(fā)生的樣品，拉伸強(qiáng)度隨著FSP轉(zhuǎn)速的提高而提高;而對(duì)于熱壓中Al-Ti反應(yīng)完全發(fā)生的樣品，拉伸強(qiáng)度隨著FSP轉(zhuǎn)速的提高而降低。
　　 定量研究了退火和FSP過(guò)程中Al-Ti的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。退火和FSP過(guò)程中的Al-Ti反應(yīng)均可用經(jīng)驗(yàn)公式VAl3Ti=ktn來(lái)描述。Al-Ti反應(yīng)在525℃和550℃為擴(kuò)散控制，在575-650℃則為界面反應(yīng)控制。在

4、轉(zhuǎn)速為1000和2000rpm的FSP過(guò)程中的Al-Ti反應(yīng)均為界面反應(yīng)控制。相對(duì)于退火過(guò)程，F(xiàn)SP過(guò)程中Al-Ti反應(yīng)速率常數(shù)顯著增加，這主要是由于FSP過(guò)程中劇烈塑性變形降低了反應(yīng)激活能所致。有效溫度可以用來(lái)表征FSP對(duì)機(jī)械活化的貢獻(xiàn)，工具轉(zhuǎn)速為1000和2000rpm的FSP過(guò)程中反應(yīng)體系的有效溫度分別為710和716℃。
　　 研究了Cu或Mg添加對(duì)Al-Ti體系制備復(fù)合材料的微觀組織和力學(xué)性能的影響。在Al-Ti體系中

5、添加少量的Cu導(dǎo)致FSP過(guò)程中出現(xiàn)了少量的共晶液相，因此強(qiáng)化了Al-Ti反應(yīng)，生成了更多的Al3Ti顆粒。同時(shí)Cu與基體Al生成Al2Cu，Al2Cu在FSP過(guò)程中經(jīng)歷了溶解-再析出過(guò)程，而部分Cu則以固溶原子的形式保留在基體中。在Al-Ti體系中添加少量的Mg可以導(dǎo)致基體中生成具有細(xì)小孿晶片層的Ti2Mg3Al18顆粒，因而導(dǎo)致FSP樣品中增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增加。Cu和Mg的添加引入了更多的強(qiáng)化方式和增強(qiáng)相含量，因此導(dǎo)致原位復(fù)合材料室溫

6、強(qiáng)度的大幅度提高，但卻嚴(yán)重降低了材料的塑性。
　　 采用搭接率為50％的FSP搭接加工制備的大面積原位復(fù)合材料組織相對(duì)均勻，各道次之間并無(wú)明顯的過(guò)渡區(qū)，搭接加工過(guò)程中Al-Ti原位反應(yīng)程度與原位4道次基本相同。FSP搭接Al-Ti樣品加工區(qū)橫截面硬度分布均勻，拉伸性能也與原位4道次樣品接近。FSP搭接加工Al-Ti-Cu樣品的硬度隨著與第一道次距離的增加而逐漸增加，拉伸性能也低于原位4道次的樣品，這主要由于距離第1道次加工區(qū)較近

7、的材料經(jīng)歷了較多次數(shù)的熱循環(huán)，導(dǎo)致基體中Al2Cu數(shù)量增加，尺寸增大造成的。經(jīng)過(guò)固溶處理后，搭接加工Al-Ti-Cu樣品的硬度分布變得均勻，拉伸強(qiáng)度大幅度提高。
　　 研究了FSP過(guò)程中Al-TiO2系原位復(fù)合材料的反應(yīng)機(jī)制和增強(qiáng)相形成機(jī)制以及所制備原位復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制。FSP激活A(yù)l-TiO2反應(yīng)可歸因于FSP過(guò)程中劇烈的塑性變形導(dǎo)致的元素?cái)U(kuò)散加速以及機(jī)械活化作用。FSP過(guò)程中Al2O3和Al3Ti的形成機(jī)制分別為變形協(xié)助的

8、界面反應(yīng)和變形協(xié)助的溶解-析出機(jī)制。FSP復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制包括:載荷傳遞、晶粒細(xì)化強(qiáng)化和Orowan強(qiáng)化，其中Orowan強(qiáng)化對(duì)FSP復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大。
　　 系統(tǒng)研究了熱壓和FSP參數(shù)對(duì)Al-TiO2系原位復(fù)合材料組織和性能的影響。在溫度為500℃、保溫時(shí)間為5min的熱壓過(guò)程中，TiO2和Al未發(fā)生反應(yīng)。在熱壓溫度為550℃、保溫時(shí)間為50min的熱壓過(guò)程中，TiO2和Al發(fā)生部分反應(yīng)。在熱壓溫度為630℃、保溫

9、時(shí)間為240min的熱壓過(guò)程中，TiO2和Al完全反應(yīng)，生成粗大的、多邊形的Al3Ti和150nm左右的Al2O3。對(duì)于熱壓過(guò)程中未反應(yīng)和部分反應(yīng)的樣品，隨后的FSP激活了Al-TiO2反應(yīng)，生成了尺寸約為80nm的Al3Ti和Al2O3顆粒，拉伸性能相對(duì)于FSP純鋁也有較大的提高。對(duì)于熱壓中完全反應(yīng)的樣品，F(xiàn)SP將多邊形的Al3Ti變?yōu)闄E圓形，并使Al2O3和Al3Ti均勻分布于基體中。由于基體中的Al3Ti相對(duì)粗大，導(dǎo)致拉伸性能低于