XD反应合成AlO-TiC/Al复合材料的热力学及动力学过程的研究

摘要

本文选用Al-TiO2-C体系，用XD反应合成工艺制备了Al2O3p-TiCp/Al增强铝基复合材料。用光学显微镜、SEM、TEM、XRD、DTA和DSC等分析手段，系统研究了合金配方、球磨工艺、预处理和烧结工艺对XD合成反应的温度特征和Al2O3p-TiCp/Al复合材料的显微组织的影响，研究了XD合成反应的热力学和动力学过程。 首先，应用热力学的基本定律，分析了Al-TiO2-C体系中可能发生的物理化学反应和形成的增强相，计算了增强相的形成自由焓变化和反应的绝热温度。结果表明，Al-TiO2-C体系的合成反应伴随着剧烈的放热效应，在反应层形成高温冶金微区；当稀释剂铝含量为50wt％，初始反应温度为1173K时，其绝热温度高达2272K；绝热温度随稀释剂含量的增加和初始反应温度的减小而降低；增强相TiC和Al3Ti的生成自由焓变有一个临界温度Ttr,当体系温度高于这一临界温度时，TiC的生成自由焓变低于Al3Ti，有利于TiC的形成，反之有利于Al3Ti的生成；随体系中稀释剂铝含量的增加，临界温度随之升高，而绝热温度降低，不利于TiC的形成。因此，选择适宜的合金成分和足够高的初始反应温度有利于合成Al2O3p-TiCp/Al复合材料。 然后，基于多相反应的宏观动力学理论分析了XD反应的动力学过程，讨论了反应剂的尺寸和高温冶金微区的形成对合成反应的影响。研究表明，固体颗粒完全反应的时间与反应粒子的尺寸呈抛物线关系变化，粒子的尺寸越小，反应完成的时间越短，反应越剧烈；XD反应过程由于剧烈的放热效应在反应区形成高温冶金微区，同时在反应区与未反应区和周围的液态金属之间产生很大的温度梯度；大的温度梯度在未反应固体内部产生热应力，当该热应力大于当时固体反应剂的极限强度时，会导致未反应固体的破裂，由此加速反应进程；同时大温度梯度引起周围熔体的自然对流和热冲击波，强化了反应层附近熔体中的传质，也加快反应的进程。 根据热力学和动力学分析的结果，提出了影响复合材料组织的主要工艺参数为：合金配方、球磨工艺和烧结工艺，并进行了系统的工艺性试验，研究了工艺参数对XD合成反应温度特征和合成的Al2O3-TiC/Al复合材料显微组织的影响。通过工艺试验，确定了一套制备高质量Al2O3-TiC/Al反应自生复合材料的工艺路线和参数：合金配方：C∶TiO2=1，稀释铝50-70wt％；球磨工艺：球料比10∶1，转速200rpm，球磨时间大于4小时；预紧实压力：130-280MPa；烧结工艺：670℃/30min+800℃-900℃/30min。 鉴于高能球磨对XD合成反应的过程及自生复合材料的组织性能有很大的影响，本文比较系统地研究了球磨工艺对(Al+TiO2+C)混合粉末的形貌尺寸、元素分布、反应温度特征和复合材料的组织的影响规律。影响复合粉末粒度变化和成分均匀化的因素有球料比、球磨速度和球磨时间，高的球料比和球磨速度以及足够长的球磨时间都有利于复合粉末的微细化和均匀化，进而有利于XD合成反应的快速和完全进行。 XD反应合成的复合材料的宏观组织具有层片状特征，层内组织比较致密，层间组织比较疏松，有合成相的聚集和较多的孔隙缺陷。原位形成的增强体主要为Al2O3p和TiCp，增强体的尺寸为0.1-5μm，主要分布在层间，少量分布在层内。 随着粉末球磨时间的增加，Al2O3p-TiCp/Al复合材料摩擦系数有增大的趋势，而摩擦系数随载荷的变化趋于平缓，说明高能球磨能够改变材料的摩擦性能。随稀释铝含量的增加，摩擦系数的没有明显变化，而磨损量却增加了，磨损增加的原因是复合材料中增强相体积分数的相对降低，在摩擦的过程中起到承载作用的硬质点减少所致。Al2O3p-TiCp/Al复合材料的主要磨损机制为磨粒磨损和微断裂磨损。

目录

文摘

英文文摘

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本论文主要创新点

第一章绪论

第二章实验用材料及方法

第三章TiO2-Al-C体系XD合成反应热力学分析

第四章TiO2-AI-C体系XD合成反应的动力学研究

第五章Al2O3p-TiCp/Al复合材料XD合成反应的工艺研究

第六章高能球磨对反应合成Al2O3p-TiCp/Al复合材料的反应温度特征和组织的影响

第七章复合材料的组织和摩擦磨损性能

第八章结论

参考文献

致谢

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