高能超声作用下熔体反应合成ZrB2p/Al复合材料的研究

摘要

本文以Al-10wt%Zr和Al-3wt%B合金为原料,采用熔体直接反应法,在高能超声作用下成功地制备了ZrB2/Al复合材料。利用X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)等现代分析和测试手段,研究了复合材料的相组成、显微组织,测试其力学性能,并探讨了高能超声对原位反应动力学过程的影响。
　　 结果表明:不加超声时熔体直接反应生成的颗粒为ZrB2,尺寸在1～20μm之间,形态呈块状和板条状,且明显团聚在一起。经高能超声处理后,复合材料组织中出现了多边形的纳米ZrB2颗粒,分布更加均匀,主要是由于超声处理熔体时所产生的空化效应和声流效应的综合作用。
　　 对原位反应热力学及动力学机制进行研究,结果表明:Al-Zr-B体系能在熔体中自发反应合成ZrB2颗粒。原位反应主要按熔化.扩散.反应.再扩散机制进行。高能超声能够显著加快化学反应的进程。
　　 对超声工艺对原位复合材料显微组织影响的研究表明:在3min以内,随着超声功率的增大,超声作用时间的增加,复合材料中的ZrB2颗粒更细,分布也更加均匀。但当超声作用时间为4min时,反而出现颗粒团聚。在其它条件相同的情况之下,间歇作用效果较连续作用效果好。
　　 复合材料力学性能实验结果表明:施加高能超声场后,复合材料的抗拉强度σb、屈服强度σs和伸长率δ较未施加高能超声场时均有显著提高,分别达到了94MPa、81MPa和14.5%,较未施加高能超声场的复合材料分别提高了10.6%、15.7%和16.0%。复合材料的室温拉伸断口形貌表现出明显的韧窝断裂特征。