搅拌反应合成AL-Fe金属间化合物强化铝基复合材料

摘要

本文首先回顾了外加颗粒增强铝基复合材料和反应合成强化物增强铝基原位复合材料的研究进展，指出当前铝基复合材料研究中存在的问题。对反应生成的原位铝基复合材料的研究表明，原位反应合成技术可以改善强化相与基体铝合金之间的润湿性，强化界面连接，提高材料的综合机械性能。由此，本课题首次采用了搅拌铸造技术，制备了Al3Fe(p)/Al与Al3Fe(p)+Al2O3(p)/Al复合材料，并对与新复合材料开发相关的内容进行了系统的研究。 对3Al(l)+Fe(s)→Al3Fe(s)和8Al(l)+Fe2O3(s)→Al2O3(s)+2Al3Fe(s)反应体系的热力学和动力学分析和计算表明，两种复合材料的制备在理论上是可行的。并指出了影响反应进行速度的主要因素是熔体中分散包裹的加入粉末团的尺寸大小、有无搅拌剪切力作用、反应进行时的熔体温度。其中，粉末团尺寸大小与彻底完成反应所需时间的关系最大，大尺寸粉末团将大大延长反应时间。氧化铁粉末由于极易团聚成大尺寸粉末团，不易分散细化，大大增加了其彻底反应所需的时间。试验也验证了对两种反应体系的热力学分析和动力学分析是正确的。 文中确定了有利于强化相和加入粉末极大程度分散化的专用搅拌设备，制定了搅拌铸造Al-Fe原位铝基复合材料的制备工艺。搅拌设备的特殊之处在于使用了振荡筛分散加入粉末和更换组合式搅拌器来提高对混合熔体的剪切效果，工艺的特别之处在于一定温度下的保温搅拌过程，这二者均能提高强化相在纯Al基体中的均匀分布。 根据搅拌动力学分析的结果，研究了搅拌过程中对金属间化合物Al3Fe强化相尺寸大小和分布均匀度的影响的因素，确定了搅拌设备和搅拌过程的几个重要参数，并对搅拌工艺进行了优化设计。在专用搅拌设备与优化设计后的搅拌方案共同作用下，能获得具有细小的强化相，且强化相粒子在熔体中分布均匀的半固态铝基原位复合材料浆料。 利用固-液反应合成技术和搅拌技术，并结合金属型激冷铸造工艺，制备出了Al3Fe粒子、Al3Fe粒子+Al2O3微粒强化的纯Al基原位复合材料。金相分析表明，Al3Fe粒子在Al+Fe复合材料中存在初晶和共晶态，共晶态均以细小针状或短线状分布，初晶态的形状与Fe粉加入量和保温搅拌温度有关。加入量少，保温搅拌温度在Al-Fe二元合金液相线以上，则形成的初晶Al3Fe呈短蠕虫状；Fe加入量大，保温温度在液相线以上，初晶Al3Fe以平面方式生长，复合材料中的初晶Al3Fe呈块状或粒状，尺寸较大(10μm以下)。Al+Fe2O3复合材料中，初晶Al3Fe均呈星状或菊花状，细小Al2O3粒子的先析出，使共晶Al3Fe呈点状，尺寸极小。由于得到的复合材料的强化相尺寸相对更小，分布更均匀，Al+Fe2O3复合材料表现出比Al+Fe复合材料更高的结构强度。 系统研究了增强相对Al基原位复合材料的力学性能的影响。Al-Fe复合材料的屈服强度和极限强度随颗粒体积分数的增大和颗粒尺寸的减小而增大。通过对不同的复合材料强化机理模型分析表明，强化相颗粒通过连续统一基体观点而承载外加载荷的作用十分有限；对于Al+Fe反应形成的复合材料，因为热错配引起的位错强化和细化纯铝基体晶粒强化是复合材料强度提高的主要原因；对于Al+Fe2O3原位复合材料，Al2O3微粒尺寸和共晶Al3Fe尺寸极小，Orowan强化机制、位错强化和细化基体晶粒强化共同作用，大大提高了材料的力学性能。 对Al-Fe复合材料的热稳定性试验结果表明，增强相颗粒在580℃以下能长时间保持尺寸的稳定性；而在580℃以上，稳定性降低，强化相粗化速度增大，并且Al3Fe颗粒的粗化速率随颗粒体积分数增大而增大。Al-Fe复合材料良好的热稳定性来源于Fe在Al中极低的固溶度、扩散速率和原位材料的低界面能。同时发现，长时间高温处理，Al3Fe有向更长花瓣的“菊花状”生长的趋势，并且“花瓣”最终趋向于分离。 对搅拌铸造Al-Fe原位铝基复合材料的综合分析表明，材料具有很低的综合成本和非常高的市场竞争潜力。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1铝基复合材料简介

1.2外加颗粒增强铝基复合材料的研究现状和存在的问题

1.2.1增强体的选择

1.2.2铝合金基体的选择

1.2.3复合工艺

1.2.4外加颗粒强化的铝基复合材料的性能

1.2.5应用情况和发展前景

1.2.6存在的问题

1.3原位合成铝基复合材料的研究现状

1.3.1复合工艺

1.3.2增强体

1.3.3原位铝基复合材料的性能

1.3.4研究应用现状和发展前景

1.3.5主要的研究难题

1.4选题依据和主要研究内容

1.4.1选题依据

1.4.2主要研究内容

2原位铝基复合材料的反应热力学与动力学研究

2.1化学反应体系和热力学分析

2.2反应的动力学机制

2.2.1 Fe/Al反应体系的动力学研究

2.2.2 Fe2O3/Al反应体系的动力学研究

2.3反应动力学验证

2.3.1试验过程

2.3.2结果分析

2.4反应热力学验证

2.4.1试样制备

2.4.2组织观察和成分测定

2.4.3结果及分析

2.5本章小结

3 材料制备工艺和实验方法

3.1复合材料试样的制备工艺

3.1.1试验材料和设备

3.1.2试样制备过程

3.2微观结构观察及组织成分分析

3.1.1金相组织观察

3.1.2 X射线衍射分析

3.1.3透射电镜观察

3.3力学性能测试

3.3.1拉伸强度测试

3.3.2硬度测试

3.4耐磨性能测试

3.5本章小结

4搅拌对材料晶粒组织和成分均匀性的影响

4.1引言

4.2搅拌的动力学机制

4.2.1搅拌加入粉末的动力学条件研究

4.2.2保温搅拌反应并均匀分散的动力学影响因素

4.3搅拌装置的确定

4.4搅拌参数的优化

4.5本章小结

5 Al-Fe原位复合材料的机械性能

5.1前言

5.2试样制备和测试

5.3性能测试结果

5.4屈服强度分析

5.4.1连续统一体机理

5.4.2位错强化机理

5.5弹性模量

5.6极限强度与延伸率

5.7本章小结

6复合材料热处理与稳定性研究

6.1前言

6.2试验过程

6.2.1材料制备

6.2.2均匀化退火工艺

6.2.3组织观察和性能分析

6.3实验结果和分析

6.3.1实验结果

6.3.2稳定性分析

6.3.3退火组织及性能分析

6.4本章小结

7搅拌反应合成Al3Fe强化铝基复合材料的应用

7.1前言

7.2铝基复合材料应用面临的主要困难

7.2.1综合成本因素

7.2.2可靠性及寿命因素

7.2.3资源消耗和环境污染因素

7.3搅拌铸造制备Al-Fe原位铝基复合材料的应用

7.3.1潜在优势

7.3.2面临的主要困难

7.3.3今后的研究重点和发展方向

7.4本章小结

8全文总结

致谢

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表的论文情况