原位制備顆粒增強鋁基復(fù)合材料的組織控制和性能研究.pdf

1、原位制備顆粒增強鋁基復(fù)合材料是復(fù)合材料研究領(lǐng)域的熱點，前期研究集中在開發(fā)不同的原位合成工藝和體系。如何通過過程優(yōu)化來控制顆粒在基體中的形貌和分布特征對促進復(fù)合材料發(fā)展非常關(guān)鍵，所以通過優(yōu)化原位合成體系、制備和成型工藝來控制復(fù)合材料的組織和性能具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。論文的研究基于兩個學(xué)術(shù)思想：一是對原位合成的復(fù)合材料實現(xiàn)組織控制，包括顆粒種類、形貌、尺寸和分布以及基體晶粒度和硅相等，為復(fù)合材料的實踐應(yīng)用提供有章可循的理論依據(jù)；二是

2、挖掘電磁技術(shù)在復(fù)合材料制備領(lǐng)域的應(yīng)用，在優(yōu)化復(fù)合材料組織的同時，體現(xiàn)電磁技術(shù)在復(fù)合材料制備中的優(yōu)越性和前景。 首先用Al-Zr(CO3)2組元通過熔體直接反應(yīng)法原位合成了Al-Zr-O系顆粒增強鋁基復(fù)合材料，顆粒強化相是A12O3和A13Zr；用AL-Zr(CO3)2-KBF4組元和Al-Zr(CO3)2-H38O3組元合成了Al-Zr-O-B系復(fù)合材料，顆粒強化相是A12O3、A13Zr和ZrB2，顆粒粒度2～3um。

3、 為了促使顆粒細化和在基體中彌散分布，通過外加電磁場來控制復(fù)合材料組織。用電磁攪拌法原位合成(A12O3+A13ZrI)p/Al復(fù)合材料，當(dāng)磁感應(yīng)強度0.025T時，顆粒在基體中彌散均勻分布，且尺寸細化，粒度1～2um。原因是切向電磁力造成熔體渦流，反應(yīng)物顆粒更易進入鋁液，增加了反應(yīng)物之間的接觸幾率，電磁力加大了體系的混合對流運動，提高了傳熱傳質(zhì)和物質(zhì)擴散速度，并促進增強顆粒在鋁基體中的彌散均勻分布。并且當(dāng)B值為0.04T時，電磁攪拌力

4、增大，在離心作用下制備出顆粒分布呈現(xiàn)梯度特征的(A12O3+A13Zr)p/Al復(fù)合材料。 高頻磁場疊加低頻正弦調(diào)制信號后可產(chǎn)生高頻正弦調(diào)制磁場，當(dāng)高頻電流30A，外加正弦波信號頻率10Hz，電壓幅值7V時，磁感應(yīng)強度為0.029T，系統(tǒng)研究了線圈內(nèi)磁場分布規(guī)律。調(diào)制磁場產(chǎn)生的擾動、攪拌、振蕩等效應(yīng)，改善了固液相體系鋁熱反應(yīng)的動力學(xué)條件，合成復(fù)合材料中顆粒體積分數(shù)成倍增加，顆粒細化至1～2um，且在基體中均勻彌散分布。磁化學(xué)分析

5、認為熔體接收了磁場能量，改善了原位反應(yīng)體系的熵增和能量狀態(tài)，促進了原位反應(yīng)的進行。 制備好的復(fù)合材料熔體如果采用金屬模成型，存在氣孔和縮松等澆注缺陷，而采用“擠壓鑄造”成型可提高組織致密度并細化基體晶粒，顆粒形貌沒有明顯變化，適于生產(chǎn)復(fù)合材料鑄件。為了大規(guī)模生產(chǎn)鑄錠，進行熔體的“半連鑄”和“一半連鑄電磁攪拌”成型，澆注溫度710～720，拉坯速度9cm/min，冷卻水量為0.8t/h，顆粒特征沒有大的變化，但分布均勻化程度提高。

6、并當(dāng)電磁攪拌磁感應(yīng)強度0.025T時，基體晶粒度細化，出現(xiàn)大面積等軸晶，硅相形貌隨攪拌強度增加由片狀初晶硅向針狀、細棒狀共晶硅轉(zhuǎn)變。又采用“高頻電磁連鑄”改善“半連鑄電磁攪拌”鑄錠表面質(zhì)量，選用特制閉路水冷割縫結(jié)晶器，實現(xiàn)了鑄錠與結(jié)晶器之間的軟接觸。當(dāng)線圈內(nèi)電流80A時，鑄錠表面光潔，無明顯褶皺；高頻方波調(diào)幅磁場的鑄錠表面存在周期性振痕，調(diào)幅波頻率越高，振痕的間隔就越小。 基于合成成型工藝的研究結(jié)論，提出復(fù)合材料的“聯(lián)合電磁制備

7、”概念，即熔煉過程中施加低頻磁場，連鑄過程中施加低頻高頻磁場的復(fù)合材料鑄錠制備方法，充分利用電磁場在復(fù)合材料制備中的優(yōu)越性。凝固組織觀察發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料中顆粒彌散均勻分布，粒度在1～2um，適于工業(yè)規(guī)模制備高性能高表面質(zhì)量的復(fù)合材料鑄錠。 對于基體合金、15vol％(AL2O3+Al3Zr)p/A356復(fù)合材料熔體金屬模成型、擠壓鑄造、半連鑄電磁攪拌以及聯(lián)合電磁連鑄時制備的復(fù)合材料抗拉強度分別為184.6、263.2、345.7、

8、355.8、340.6MPa，相應(yīng)的延伸率分別為7.1％、4.7％、15.1％、14.2％、10.1％。斷裂機制多是脆性和塑性混合斷裂。材料耐磨性研究結(jié)果顯示，并非反應(yīng)物加入量越多，復(fù)合材料的耐磨性越好，因為顆粒在其中起到支撐減磨和脫落后加劇磨損的雙重效應(yīng)。對于(A12O3+Al3Zr)p/A356復(fù)合材料的最佳顆粒理論體積分數(shù)值是10％。 本次研究外延了原位制備復(fù)合材料的體系內(nèi)容，并拓展了電磁技術(shù)在材料制備中的應(yīng)用領(lǐng)域，將電磁