AlO-SiO/AZ91D复合材料的界面结构、时效特性和摩擦磨损性能研究

摘要

自上世纪八十年代以来，金属基复合材料以其高的比强度、比刚度一度受到人们青睐，但除了日本的丰田汽车公司将．Al<,2>O<,3>短纤维增强铝合金基复合材料大量应用到汽车缸体活塞上以外，金属基复合材料在民品上的应用一直不太乐观，原因之一就是成本偏高。本文选用价格低廉的晶化硅酸铝短纤维作为增强体，采用挤压浸渗法成功地制备了AZ91D镁基复合材料，并重点研究了这一新复合材料体系中的界面反应及界面反应产物，研究了这一新体系复合材料和AZ91D基体合金的时效特性及其在干磨条件下的摩擦磨损性能。 采用挤压浸渗法制备AZ91D镁基复合材料的关键，是保证预制体有足够的强度。本文经过试验对比遴选，首次选用中性(偏)磷酸铝作为粘结剂，首次选用木炭粉作预制体的填充剂，并首次采用干混+湿混的混配料方法制作晶化的硅酸铝短纤维预制体，达到了预期目的。在制备复合材料过程中，使用CO<,2>+SF<,6>混合气体并结合自制熔剂(覆盖剂)对镁合金进行保护熔炼，挤压浸渗时，模具预热温度为550℃、预制体预热温度为650℃，并在700～760℃的浇铸温度下，成功地制备出了硅酸铝短纤维增强的AZ91D复合材料。其中，700℃的浇铸温度是在结合复合材料的界面厚度和复合材料力学性能基础上通过优化得到的，因为浇铸温度的高与低直接影响到复合材料的界面反应及界面层的厚度，并最终影响到复合材料的力学性能。当然，复合材料的界面厚度还与增强纤维表面粘结剂的厚度有关。这一点，在制作预制体时就考虑到了，即在保证预制体有足够强度的前提下尽量降低粘结剂用量，优化后将粘结剂的用量控制在1.5-2.2％。 在增强纤维和基体合金确定之后，复合材料的力学性能最终决定于界面反应和界面结构。本文通过XRD对复合材料界面相进行检测、通过SEM对复合材料断口进行观察，并结合热力学分析，比较准确地预测了复合材料的界面反应，还通过TEM和HREM对复合材料的界面结构进行了观察，并找到了预测的反应产物。研究表明，在挤压浸渗过程中，熔融镁合金首先与增强纤维表面的A1PO<,4>粘结剂反应，生成MgO颗粒和单质P；然后，单质P继续与Mg反应生成具有简单单斜结构的MgP<,4>；当纤维局部表面的A1PO<,4>粘结剂被消耗完后，此处纤维表层的非晶态和晶态的SiO<,2>即开始与熔融镁合金中的Mg和Al继续反应，生成MgAl<,2>O<,4>和具有简单正交结构的Mg<,2>Si。所以，复合材料界面上的反应产物主要有MgO、MgP<,4>、MgAl<,2>O<,4>和MgaSi。对硅酸铝短纤维增强．AZ91D复合材料进行时效处理，旨在弄清这一新复合材料体系的时效规律。作为对比，本文将AZ91D基体合金与该复合材料在同一条件下进行了时效处理。结果发现，在这两种材料的时效曲线上都出现了三个时效峰，但复合材料的三个时效峰相对基体合金提前出现了，这当然是由于增强纤维的原因。同时还发现，就复合材料本身来说，改变增强纤维的体积分数也不能改变这一“三峰”的趋势，但随着体积分数的增大，时效曲线向上平移，而且，时效对复合材料硬度(强度)的影响变大。通过XRD和TEM分析，本文认为，这种“三峰”现象可能与时效过程中四类不同形态的β-Mg<,17>Al<,12>沉淀相的不同析出形式(位置)和不同析出时间等有关。 相对于基体合金，复合材料具有优良的耐磨性能。作为新复合材料体系的硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料，其在干磨条件下的摩擦磨损性能也与AZ91D基体合金一起在本文得到了研究。试验在MM200型摩擦磨损试验机上进行，用感量为0.1mg的光电分析天平称量失重，并用SEM观察试样摩擦面形貌，尽管有一些试验误差，但其摩擦磨损规律却清晰可见。首先，在相同干磨条件下，载荷、滑动速度以及体积分数对复合材料磨损率的影响是交互式的。其次，AZ91D基体合金与该复合材料的磨损机制不同：前者以氧化磨损、磨粒磨损和粘着磨损为主，后者以三体磨粒磨损和剥层磨损为主。 总之，硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料是一种低成本、高比强度、高比刚度的金属基复合材料，具有较好的民品市场应用前景。其制备工艺简单，界面结构容易控制，时效效应比较明显，这对复合材料力学性能的提高是有利的。但是，现在，可能由于原材料原因，其力学性能尚不够稳定；另外，对某些试验现象，如时效硬化曲线上的“三峰

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1非连续增强金属基复合材料的应用现状及发展前景

1.1.1非连续增强金属基复合材料的力学性能

1.1.2非连续增强铝基复合材料的应用现状

1.1.3非连续增强镁基复合材料的应用现状

1.1.4非连续增强金属基复合材料的发展前景

1.2非连续增强镁基复合材料的制备工艺研究现状

1.2.1液体浸渗法

1.2.2粉末冶金法

1.2.3液态金属搅拌铸造法

1.2.4反应生成法

1.2.5共喷沉积法

1.3金属基复合材料的润湿性研究

1.3.1改善润湿性的方法

1.3.2镁基复合材料的润湿性

1.4金属基复合材料的界面研究

1.4.1镁基复合材料的界面结构和界面反应

1.4.2金属基复合材料界面优化及界面反应控制途径

1.5金属基复合材料时效特性研究现状

1.6金属基复合材料的摩擦磨损研究

1.7非连续增强金属基复合材料面临的问题

1.8本文的研究目的及内容

第二章硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的制备

2.1引言

2.2预制体的制作

2.1.1硅酸铝纤维的晶化处理

2.1.2粘结剂的选择

2.1.3填充剂的选择

2.1.4预制体制作工艺

2.3 Al2O3-SiO2(sf)/AZ91D复合材料的制备

2.3.1 AZ91D的熔化

2.3.2 Al2O3-SiO2(sf)/AZ91D复合材料的挤压浸渗

2.4本章小结

第三章硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的界面反应和界面微观结构

3.1引言

3.2硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的界面反应及热力学分析

3.2.1 XRD衍射分析及界面反应

3.2.2 SEM扫描观察

3.3硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的界面微观结构

3.4硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的界面结构优化

3.5本章小结

第四章硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的时效特性

4.1引言

4.2实验材料及方法

4.3实验结果及分析

4.3.1硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的时效硬化曲线

4.3.2 AZ91D镁合金时效相的析出规律

4.3.3硅酸铝短纤维增强镁基复合材料时效相的析出规律

4.3.4复合材料体积分数对时效曲线的影响

4.4讨论

4.5本章小结

第五章硅酸铝短纤维增强AZ91D复合材料的摩擦磨损性能

5.1引言

5.2实验材料及方法

5.3试验结果及分析

5.3.1干磨条件下滑动距离对试样质量损失的影响

5.3.2干磨条件下滑动速度对试样磨损率的影响

5.3.3干磨条件下外加载荷对试样磨损率的影响

5.3.4干磨条件下体积分数对试样磨损率的影响

5.3.5湿态摩擦磨损

5.4本章小结

参考文献

全文总结及展望

本论文创新点

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见