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文檔簡介
1、本論文以三元層狀化合物Mn+1AXn陶瓷為增強相成功制備了新型高性能鋅鋁基復合材料,并對其制備工藝以及力學性能、摩擦磨損性能等應用基礎(chǔ)問題進行了深入的研究與分析。全文分六章分別闡述了鋅鋁基復合材料的研究背景與發(fā)展現(xiàn)狀、三元層狀陶瓷Ti3AlC2與鋅鋁合金ZA27的反應機理、Ti3AlC2/ZA27復合材料的制備及其基本性能的測試與分析、應用條件下Ti3AlC2/ZA27復合材料的摩擦磨損特性的測定及分析,以及不同Mn+1AXn增強相(T
2、i3AlC2、Ti3SiC2和Ti2SnC)對鋅鋁基復合材料組織與性能的影響。論文取得以下主要結(jié)論:
1、采用無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)以及無壓燒結(jié)-加壓致密化兩步燒結(jié)工藝制備了Ti3AlC2/ZA27復合材料。物相分析發(fā)現(xiàn),在本實驗條件下,燒結(jié)溫度低于800℃時,復合材料內(nèi)部無反應發(fā)生;而當燒結(jié)溫度達到870℃,且在鋅鋁合金液的促進作用下,Ti3AlC2顆粒與ZA27基體的界面處發(fā)生了微弱的化學反應,生成Al0.64Ti036、Ti
3、C和Al相,其反應式為:Ti3AlC2ZA27(l)→Al0.64Ti0.36+TiC+Al。
2、機械合金化球磨混料可大大降低Ti3AlC2顆粒增強相的尺寸,提高增強顆粒彌散強化的效果。微觀分析發(fā)現(xiàn)Ti3AlC2/ZA27復合材料中含有大量30~50nm的Ti3AlC2顆粒,這是其性能得以提高的重要因素之一。
3、燒結(jié)工藝對Ti3AlC2/ZA27復合材料的性能有很大影響。本實驗范圍內(nèi),無壓燒結(jié)工藝的最佳燒結(jié)制度為
4、:燒結(jié)溫度870℃,保溫時間2.5h;無壓燒結(jié)-加壓致密化兩步燒結(jié)工藝的最佳燒結(jié)制度為:燒結(jié)溫度870℃,保溫1h后降溫到500℃并施加30MPa的壓力,保溫保壓1.5h。綜合考慮材料的各項性能,兩步燒結(jié)法為制備Ti3AlC2/ZA27復合材料的最優(yōu)工藝。
4、增強相含量對Ti3AlC2/ZA27復合材料的性能影響顯著。對于兩步燒結(jié)工藝制備的Ti3AlC2/ZA27復合材料,在Ti3AlC2含量為10~40vol.%范圍內(nèi),隨
5、著Ti3AlC2含量增加,Ti3AlC2/ZA27復合材料的力學性能呈先升后降的趨勢,在Ti3AlC2含量為30vol.%時復合材料的拉伸強度、彎曲強度和維氏硬度均達到最大值,分別為335MPa,570MPa和1204MPa。
5、在ZA27合金中添加Ti3AlC2顆粒增強相能有效提高復合材料的摩擦磨損性能,降低摩擦過程中的溫升。隨著Ti3AlC2含量的增加,復合材料的摩擦系數(shù)先減小后增大,當Ti3AlC2含量為30vol.%
6、時,復合材料表現(xiàn)出最優(yōu)的摩擦學特性。在對磨材料為45#鋼,滑動速度為3m/s、法向壓強0.5MPa、油潤滑的實驗條件下,與ZA27基體相比,30vol.%Ti3AlC2/ZA27復合材料的摩擦系數(shù)降低了43%、磨損率降低了33%。對于同一組分的Ti3AlC2/ZA27復合材料,其摩擦系數(shù)隨法向壓強的增大呈下降趨勢,而磨損率隨法向壓強的增大呈上升趨勢,且相對于ZA27基體材料,Ti3AlC2/ZA27復合材料的摩擦系數(shù)對載荷波動的敏感性更
7、小,摩擦性能更穩(wěn)定。
6、三種Mn+1AXn增強相(Ti3AlC2、Ti3SiC2和Ti2SnC)對于提高鋅鋁合金的性能具有相似的作用,但由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性略有差異,因而對Mn+1AXn/ZA27復合材料的界面反應及其性能改善效果產(chǎn)生一定影響。對于兩步燒結(jié)法制備的30vol.%Mn+1AXn/ZA27復合材料,增強相Ti2SnC在燒結(jié)溫度870℃C下完全發(fā)生了反應,Ti3AlC2部分發(fā)生反應,而Ti3SiC2沒有發(fā)生反應。對比Z
8、A27基體材料及三種30vol.%Mn+1AXn/ZA27復合材料的力學性能發(fā)現(xiàn),Mn+1AXn相顆粒的加入使得ZA27合金的力學性能和摩擦磨損性能均得到明顯提高,三種復合材料中,Ti3AlC2/ZA27復合材料的力學性能和耐磨性最優(yōu),Ti2SnC/ZA27復合材料的力學性能最差,Ti3SiC2/ZA27復合材料的耐磨性最差。
本論文的主要創(chuàng)新成果如下:
1、選用與鋅鋁合金ZA27匹配性良好的Ti3AlC2為增強相,
9、首次研制出具有優(yōu)良力學性能和摩擦磨損性能的Ti3AlC2/ZA27復合材料,并對復合材料組分、制備方法及工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。
2、發(fā)現(xiàn)了Ti3AlC2增強相與ZA27之間存在1-2nm厚度的界面層,現(xiàn)象表明該界面層的存在與Ti3AlC2/ZA27復合材料力學性能的提高有直接關(guān)系。
3、探索了Ti3AlC2、Ti3SiC2和Ti2SnC三種Mn+1AXn相增強的ZA27復合材料微觀結(jié)構(gòu)及其力學性能的差異。研究表明,Ti
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