(Al-Si)-Al-Ti混合粉末冷压块部分重熔过程中的组织演变

摘要

颗粒增强铝基复合材料因其优越的综合力学性能，广泛用于航空航天、先进武器、汽车及电子工业。本文提出一种Al3Ti@Ti壳-芯结构粒子增强Al基复合材料，以期材料具有较高的抗拉强度同时还具有与基体相当的塑韧性。结合粉末冶金技术及触变成形技术提出一种集制备与成形于一体的新技术-粉末混合触变成形技术，利用此技术制备Al3Ti@Ti壳-芯结构增强Al基复合材料。本文主要研究了部分重熔对(Al-Si)-Al-Ti混合粉末冷压块部分重熔过程的组织演变。与此同时，通过点滴实验对Al与Ti间反应的动力学进行了研究。目的是为了后期触变成形奠定基础。
　　研究结果表明：Al-Si、纯Al、纯Ti混合粉末冷压块在595℃加热30 min可以获得细小、类球形初生相?-Al颗粒均匀悬浮于液相中的理想半固态组织，且固液两相达到动态平衡(液相分数为45 vol.％)。组织演变可以分为四个阶段：Al-Si粉末中 Si相由中心向粉末边缘的迁移和纯Al粉末的合金化，使两种粉末演变为?-Al颗粒；液相在?-Al颗粒边缘形成并逐渐增加，形成连续的、包裹与?-Al颗粒的液相薄膜；液相分数的增加及?-Al相颗粒的快速粗化；?-Al相颗粒的最终粗化。随着部分重熔温度的升高，除液相分数增加外，初生相颗粒尺寸增大至65?m。最终确定595℃为理想的部分重熔温度，不仅可以获得理想液相率45 vol.%,其颗粒尺寸为55?m。
　　在595℃部分重熔过程中，Ti粉颗粒与基体中Al元素发生化学反应。首先在其边缘形成一锯齿状金属间化合物壳层，随后壳层增厚，形成致密壳层。对于一定尺寸的Ti粉末当壳层达到一定厚度时，由于生成物体积的膨胀产生应力使其破裂，从Ti颗粒表层脱落。随后又形成一致密层，再破碎、脱落，如此往复，直至Ti颗粒全部反应，形成细小化合物颗粒的聚集体。在595℃加热30 min可以获得致密化合物壳层包裹Ti芯的壳-芯结构的增强体粒子。纳米压痕仪测试结果显示，壳-芯结构粒子的化合物壳层与Ti芯的微观硬度分别为6.97GPa，1.22GPa，即为壳硬芯软的粒子。随着部分重熔温度的升高，化学反应速率增加导致反应层厚度增加并且随着厚度的增加致密壳层也发生了破裂。
　　XRD物相分析表明，在595℃加热30 min时壳层主要为?2相((AlxSi1-x)2Ti)及少量的(Al,Si)3Ti相构成；加热120 min时则为(Al,Si)3Ti相。即随着加热时间的延长，反应产物由?2相逐渐向(Al,Si)3Ti相转变。部分重熔温度较低时(590℃下加热30 min)反应产物为?1(Al5Si12Ti7)，随着温度的升高(595℃)转变为?2相及少量(Al,Si)3Ti相，温度的继续升高时，?2相逐渐减少，(Al,Si)3Ti相逐渐增多，即随着温度的升高，壳层相组成的变化为?1??2?(Al,Si)3Ti。
　　点滴实验模拟研究结果表明：金属间化合物生长为界面控制的线性生长方式且生长呈液相/化合物、化合物/Ti双向生长，生长活化能为374 kJ/mo l。

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附表索引

第1章 绪 论

1. 1 引言

1. 2 颗粒增强铝基复合材料的制备方法

1.3 Al3Tip/Al 基复合材料研究现状及意义

1. 4 关于壳-芯结构粒子增强复合材料研究现状

1. 5 本文研究的主要内容及技术路线

第2章 (Al-Si)-Al-Ti混合粉末冷压块在部分重熔过程中的组织演变

2. 1 引言

2. 2 实验材料与方法

2. 3 实验结果及讨论

2. 4 本章小结

第3章 部分重熔温度对( Al-Si )-Al-Ti混合粉末冷压块半固态组织演变的影响

3. 1 引言

3. 2 实验材料与方法

3. 3 实验结果与讨论

3. 4 本章小结

第4章 反应层厚度随温度与时间的变化研究

4. 1 前言

4. 2 实验材料与方法

4. 3 实验结果与讨论

4. 4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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