超声场下(TiB2+Al2O3)/A356复合材料的制备与凝固行为研究

摘要

原位反应制备的铝基复合材料性能优良，质量轻，对环境污染小具有良好的应用前景。本文以A356-Na2B4O7-K2TiF6-KBF4为反应体系通过熔体反应法成功制备了(Al2O3+TiB2)/A356颗粒增强复合材料。利用多种分析和测试方法，研究了(Al2O3+TiB2)/A356颗粒增强复合材料的微观组织、相组成以及内生颗粒的形貌、大小及分布特征等，测试了复合材料的力学性能;研究了凝固速度对复合材料组织拉伸性能和冲击性能的影响，并初步探讨了复合材料的强化机制。
　　实验结果表明:当K2TiF6、KBF4以及Na2B4O7三者物质的量比为3∶2.75∶1，反应温度为850℃，反应时间20min时制备出的复合材料只含两种颗粒增强相。经XRD、SEM、EDS分析确定两种增强颗粒分别为和Al2O3和TiB2。Al2O3颗粒为短棒状和椭球状，尺寸在0.5μm-1μm之间，分布比较均匀，TiB2呈六面体形和多边形状，尺寸在200nm左右，但颗粒有一定程度的团聚现象，聚集在α(Al)晶界处呈带状分布。复合材料微观组织α(Al)晶粒细化呈蔷薇状生长，同时细长的共晶硅尺寸减小到5μm左右。
　　在(Al2O3+TiB2)/A356颗粒增强复合材料的制备过程中施加超声，研究超声对颗粒在基体中的润湿性及分布的影响。结果表明:超声的声空化效应改善了颗粒与基体间的润湿条件，声流效应促使TiB2与Al2O3颗粒在溶体中均匀分散。随着超声作用时间增加，声空化和声流效应协同作用使内生颗粒分散程度明显提高，颗粒与基体润湿性显著改善，当超声功率为1.0kW，超声间歇作用时间为4min时，效果达到最佳，此时复合材料中颗粒形状主要为小块状，尺寸大约在0.5μm-1μm，与基体界面结合性好均匀分布于基体中。
　　研究了冷却速度对(TiB2+Al2O3)/A356复合材料凝固行为的影响。结果表明:随着冷却速度增大，一方面α(Al)二次晶间距进一步缩小向球形方向发展，共晶硅数量增多;另一方面复合材料熔体中的Al2O3颗粒异质形核作用被强化，且TiB2颗粒被凝固前沿捕获的数量增多，特别是当模具温度为-100℃时晶内颗粒明显增多。
　　对(TiB2+Al2O3)/A356复合材料进行了室温拉伸性能测试，研究表明:颗粒体积分数升高的同时复合材料的抗拉强度σb增大，而延伸率δ有降低趋势;当复合材料的颗粒理论体积分数达3％时，抗拉强度达到254MPa，较基体合金增长了15％，而延伸率为7.4％，比基体合金降低了8.6％;施加超声后随着超声作用时间的增加，复合材料的抗拉强度σb和伸长率δ均先增后减，当超声作用时间为4min时，复合材料的抗拉强度和延伸率分别达到284MPa和9.5％，与未施加超声作用的复合材料相比分别提高了11.8％和28.3％;冷却速度的加快复合材料的拉伸性能显著提高，抗拉强度σb最大为302MPa，提高了22.7％。延伸率δ最大为10.5％，提高了59％。
　　不同冷却速度时(TiB2+Al2O3)/A356颗粒增强复合材料的室温冲击韧性研究结果表明:随着冷却速度的增大复合材料的冲击韧性得到提高。在模具温度为-100℃时复合材料的冲击韧性最高，达到27.75J/cm2，与模具温度400℃时相比提高了2.5倍。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题意义

1．2 国内外铝基复合材料的研究进展

1．3 铝基复合材料的制备方法

1．4 超声场在复合材料制备中的应用

1．5 复合材料凝固行为的研究现状

1．5．1 冷却速度速对凝固行为的影响

1．5．2 增强颗粒对复合材料凝固行为的影响

1．6 铝基复合材料的应用

1．7 本课题研究的主要内容

第二章 Al-Ti-B-O体系的设计及研究方法

2．1 Al-Ti-B-O体系的设计

2．1．1 基体材料的选取

2．1．2 增强相的选择

2．1．3 反应物的选择

2．2 熔体反应法制备复合材料

2．3 超声发生装置

2．4 复合材料的组织结构分析

2．4．1 微观组织分析

2．4．2 X射线衍射分析

2．4．3 扫描电镜(SEM)及电子探针分析(EDS)

2．5 性能测试

2．5．1 复合材料室温力学性能测试

2．5．2 复合材料室温冲击性能测试

第三章 Al-Ti-B-O体系熔体反应法合成复合材料

3．1 引言

3．2 Al-Ti-B-O体系复合材料的制备

3．3 Al-Ti-B-O体系热力学分析

3．4 Al-Ti-B-O体系复合材料相组成及微观组织研究

3．4．1 Al-Ti-B-O体系复合材料相组成及优化

3．4．2 Al-Ti-B-O体系复合材料微观组织

3．4．3 颗粒体积分数对复合材料凝固组织的影响

3．5 本章小结

第四章 Al-Ti-B-O体系复合材料的工艺优化

4．1 引言

4．2 工艺参数对Al-Ti-B-O体系复合材料的微观组织的影响

4．2．1 反应温度对复合材料微观组织的影响

4．2．2 反应时间对复合材料微观组织的影响

4．3 高能超声对复合材料的影响规律

4．3．1 超声作用时间对复合材料微观组织的影响

4．3．2 超声作用机理

4．4 本章小结

第五章 冷却速度对Al-Ti-B-O体系复合材料凝固行为的影响

5．1 引言

5．2 不同冷却速度下试样的制备

5．2．1 复合材料试样的制备

5．2．2 A356合金试样的制备

5．3 冷却速度对复合材料微观组织的影响

5．4 冷却速度对基本材料微观组织的影响

5．5 冷却速度对复合材料凝固行为的影响

5．6 本章小结

第六章 (TiB2+Al2O3)／A356复合材料的力学性能

6．1 引言

6．2 复合材料的力学性能

6．2．1 A356合金复合前后室温拉伸性能

6．2．2 不同超声作用时间复合材料室温拉伸性能

6．2．3 不同冷却速度下复合材料室温拉伸性能

6．2．4 不同冷却速度下复合材料室温冲击性能

6．3 复合材料断口形貌

6．3．1 复合材料常温拉伸断口形貌

6．3．2 不同冷却速度下复合材料常温冲击断口形貌

6．4 (TiB2+Al2O3)／A356复合材料的强化机制

6．4．1 细晶强化

6．4．2 弥散强化

6．4．3 位错强化

6．5 本章小节

第七章 主要结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文