Al-SiO-TiO体系原位合成颗粒增强A356基复合材料的制备及其性能

摘要

颗粒增强铝基复合材料具有密度低、高比强度、耐磨、耐高温以及良好的尺寸稳定性等优点，在航空航天、电子和汽车制造等行业中具有广阔的应用前景。
　　 本课题以A356为基体合金，以Al-SiO2-TiO2为反应体系，采用熔体原位反应法，制备了(Al2O3+Al3Ti)p/Al复合材料。利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、差热扫描量热分析仪(DSC)等现代分析手段分析了复合材料的凝固组织，并探讨了Al-SiO2-TiO2体系的反应动力学以及影响颗粒大小和分布的因素，研究了对熔体反应过程施加脉冲磁场对复合材料的微观组织的影响，测试复合材料的硬度和拉伸性能。
　　 根据热力学计算，Al-SiO2-TiO2体系的反应是自发进行的放热反应。只要加热到一定温度，就会引发反应，而反应放出的反应热将会导致体系温度上升，更有利于反应的进行。当温度升高到816℃时，出现一较小放热峰，对应着Al-SiO2-TiO2体系反应中新相的生成，但反应未完全。直到920℃-950℃时反应完全，最终反应合成以Al-Si合金为基体，Al2O3、Al3Ti颗粒为增强体的复合材料。对熔体反应过程施以电磁脉冲影响可使增强相变得细小，平均粒径为5μm，从而改善材料的微观形貌，提高材料的力学性能。
　　 实验结果表明，Al-SiO2-TiO2体系制备复合材料的最佳工艺参数为：起始反应温度为920℃左右、反应时间25min、反应物SiO2、TiO2加入量10wt％。X-射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析表明：Al-SiO2-TiO2体系原位反应生成的颗粒增强相为Al2O3、Al3Ti和初生Si，且颗粒尺寸细小，弥散分布于基体中，初生Si的尺寸为20μm左右，Al2O3、Al3Ti的尺寸在5μm左右。
　　 力学性能测试表明：反应合成的(Al2O3+Al3Ti)p/Al复合材料，与A356合金相比硬度有较大的提高，抗拉强度略有提高，伸长率则略有下降。氧化物粉末加入量为铝熔体的10wt％时，复合材料的硬度为119HV，较A356提高21.4％；抗拉强度为287MPa，较A356提高9.5％；伸长率为3.7％，较A356合金下降11.9％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1选题意义

1.1.1颗粒增强铝基复合材料概况

1.1.2制备工艺

1.1.3应用现状与发展前景

1.1.4目前研究中存在主要问题

1.2氧化物原位反应制备A12O3/Al复合材料的研究

1.2.1氧化物原位反应制备铝基复合材料的原理与反应模式

1.2.2氧化物原位反应制备铝基复合材料的国内外研究现状

1.3本文研究的研究意义及主要内容

1.3.1研究意义

1.3.2研究内容

第二章 反应体系的选择和实验方法

2.1反应体系的设计

2.1.1增强体的选取

2.1.2基体的选取

2.2反应过程研究

2.2.1试验原材料和设备

2.2.2反应与浇注温度的选择

2.2.3复合材料制备的方案

2.2.4制备复合材料的工艺流程

2.3主要分析方法

2.3.1差热分析

2.3.2金相组织观察

2.3.3 X射线衍射分析

2.3.4 SEM及电子探针分析

第三章 实验结果与分析讨论

3.1反应热力学分析

3.2反应过程和反应产物分析

3.2.1 DSC分析

3.2.2 XRD分析

3.2.3 EDS分析

3.2.4 SEM线扫描分析

3.2.5 Al-SiO2-TiO2反应体系制备复合材料形貌分析

3.3化学反应动力学分析

3.3.1化学反应动力学机制

3.3.2反应动力学过程

3.4本章小结

第四章 脉冲磁场下合成A356基复合材料

4.1脉冲磁场原理、装置及磁场强度的测量

4.2脉冲磁场下A356基复合材料的微观组织

4.2.1脉冲磁场作用下A356基体合金的微观组织

4.2.2脉冲磁场作用下A356-SiO2-TiO2体系复合材料

4.3脉冲磁场强度对复合材料微观组织的影响

4.4脉冲磁场作用时间对复合材料微观组织的影响

4.5脉冲磁场的作用机理

4.5.1对熔体的电磁振荡和电磁搅拌作用

4.5.2对颗粒的不同力作用

4.6本章小结

第五章 复合材料的力学性能

5.1力学性能测试

5.1.1硬度测试

5.1.2拉伸性能测试

5.2复合材料拉伸断口分析

5.3复合材料的强化机理

5.3.1弥散强化

5.3.2位错强化

5.3.3细晶强化

5.4本章小结

第六章 主要结论与展望

参考文献

致谢

在读学位期间发表的论文