TiAl3/2024Al复合材料的超声辅助原位反应制备与性能研究

摘要

通过与陶瓷颗粒、金属间化合物复合，可以得到性能更为优异的2024铝基复合材料。原位自生法引入iAl3颗粒，可以改善增强体与基体的结合界面，同时由于TiAl3具有较高的硬度、比强度、耐磨性和高温稳定性，也极适于作为2024铝合金的增强体材料。传统的机械搅拌原位自生法分散效果差、复合材料的气孔率和氧化物夹杂的含量高、容易生成长杆状脆性TiAl3相。基于以上情况，本文对超声辅助原位铸造制备TiAl3/2024Al复合材料的反应动力学过程和反应控制条件等了进行实验和理论分析，系统地研究了TiAl3/2024Al复合材料的制备过程。同时通过热变形模拟实验建立了8wt.%TiAl3/2024Al复合材料的本构方程和热加工图，并基于此对简单锻件成形进行了模拟和实验研究，为原位复合材料的成形提供了重要的理论基础。
　　本研究从反应热力学与动力学角度对原位铸造制备复合材料的反应过程进行探讨，并对超声反应过程进行试验研究，比较其与普通原位反应过程的区别。结果表明，在 Ti-Al固液原位铸造过程中，得到唯一产物为金属间化合物TiAl3。超声产生的局部高温高压打破了TiAl3生长过程中由于晶胞电子结构引起的(001)晶面的方向性生长，得到呈颗粒状分布在基体中的 TiAl3增强相。同时，超声作用下 Ti-Al固液原位复合过程的反应级数 n为0.86，是一非典型的扩散控制反应过程。通过超声辅助原位铸造的方法制备颗粒增强TiAl3/2024Al复合材料，研究表明反应温度、时间及 TiAl3比例分数的变化对复合材料的反应程度、微观组织都产生了极大的影响。835℃超声熔体处理15min后，添加的Ti颗粒才完全消耗，得到不含 Ti颗粒的 TiAl3/2024Al复合材料，但随时间的增加增强体颗粒发生长大。反应温度升高，反应程度得到提高，α-Al晶粒尺寸减小，组织均匀性得到改善，但温度过高基体金属将发生烧蚀，对合金组分和性能产生不利影响。增强体质量分数变化不影响基体组织和TiAl3颗粒形貌。TiAl3/2024Al复合材料的力学性能随制备参数的变化发生改变。当反应温度升高，TiAl3/2024复合材料硬度增大；随反应时间延长，TiAl3/2024复合材料硬度先增大后减小；随比例分数的增加，TiAl3/2024复合材料硬度增大。8wt.%TiAl3/2024Al复合材料的屈服强度和抗拉强度分别为446MPa和357MPa，比未引入 TiAl3颗粒的超声处理2024铝合金提高了约30%，TiAl3含量增加，屈服强度提高，但过量的 TiAl3颗粒会破坏基体材料的连续性，使材料的抗拉强度降低。本文通过对细晶强化机制、热错配位错强化机制、强化机制叠加效应及变形中的载荷分配进行探讨和计算，分析了复合材料屈服强度提高的原因并通过计算进行了理论验证。室温下TiAl3/2024Al复合材料具有良好的耐磨性。在高温摩擦磨损实验时，复合材料磨损率随温度的变化没有线性变化规律而是呈现出一定的复杂性。实验温度低于300℃时原位复合材料的磨损率随 TiAl3颗粒含量增加而增加，实验温度为300℃时，复合材料的磨损量有所下降。分析认为这种现象与 Al2O3氧化膜的形成、TiAl3颗粒对 Al2O3膜形成的阻碍作用以及TiAl3颗粒本身的抗氧化性有关，是一多元变量控制过程。通过热压缩模拟实验得到的8wt.%TiAl3/2024Al复合材料的本构方程进行杯形件高温模锻模拟，同时进行了8wt.%TiAl3/2024Al复合材料杯形件模锻成形实验。结果表明低应变区TiAl3颗粒对基体晶粒的变形影响不大，高应变区TiAl3颗粒极大的影响着材料的微观组织。成形温度越高，晶界沉淀相的细化程度越高且分布越均匀。随挤压变形致密化，复合材料硬度也相应提升。随模锻成形温度的提高，制件拉伸强度小幅提升。

目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 原位自生AMCs的研究现状

1.3 Ti-Al二元相图及金属间化合物

1.4超声辅助技术在铝合金中的应用

1.5课题意义与研究内容

第2章 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验方法

2.4 TiAl3/2024Al复合材料分析测试方法

第3章 超声Ti-Al固液反应过程研究

3.1 Ti-Al固液反应热力学

3.2 Ti-Al固液反应动力学

3.3超声作用下的Ti-Al固液反应

3.4 本章小结

第4章 TiAl3/2024Al复合材料的微观组织与力学性能

4.1 TiAl3/2024 Al复合材料的微观组织

4.2 TiAl3/2024Al复合材料的硬度

4.3 TiAl3/2024Al复合材料室温拉伸性能

4.4 TiAl3/2024Al复合材料的摩擦磨损特性

4.5 本章小结

第5章 TiAl3/2024Al复合材料的热压缩变形行为

5.1 TiAl3/2024Al复合材料热压缩变形微观组织分析

5.2 变形条件对流动应力的影响

5.3 TiAl3/2024Al复合材料本构模型

5.4 考虑应变的TiAl3/2024Al复合材料本构方程

5.5 TiAl3/2024Al复合材料热加工图

5.6 本章小结

第6章 TiAl3/2024Al复合材料高温模锻成形

6.1 杯形件模锻成形过程数值模拟

6.2 杯形件微观组织分析

6.3 杯形件的力学性能

6.4 本章小结

结论

创新点：

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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