Ti3SiC2/Al-Mg复合材料的制备及组织性能研究

摘要

随着技术的不断迅速发展，传统的材料远远不能满足要求，综合性能良好的金属基复合材料应运而生。尤其是铝基复合材料集高比强度、高比模量、高比刚度等优点，引起了世界各国研究者的关注。三元过渡层状化合物Ti3SiC2是新型润滑组元，不但具备常用外加颗粒的性能特征，同时可与石墨相媲美的摩擦性能。 本文首先通过短时低温的SPS烧结工艺制备了界面纯净的致密Ti3SiC2/Al-Mg复合材料块体，通过不同温度下等温热处理的方法研究了增强体颗粒与基体之间的界面反应，探讨了界面反应对材料摩擦学性能的影响，然后，在得到界面反应温度及界面反应对性能影响规律的基础上，选择Al-4Mg作为基体，5w.t.%Ti3SiC2作为增强相，通过半固态搅拌法制备了Ti3SiC2/Al-Mg复合材料铸锭，评价了坯锭的成分、组织和性能均匀性，最后，通过等温压缩试验研究了坯锭的热变形能力，得到了材料的热激活能和本构方程。主要的研究工作及结果如下： （1）低温短时SPS烧结方法可以获得界面纯净的致密Ti3SiC2/Al-Mg复合材料块体，物相组成主要为Ti3SiC2和Al相，维氏硬度达到78.2。材料块体在600℃等温热处理，Ti3SiC2和Al-Mg基体之间发生明显的界面反应，界面反应产物主要为Mg2Si和Al4C3，当温度为550℃和500℃时，长时保温条件下也未发现明显的界面反应特征。 （2）界面反应及基体成分对材料的摩擦学性能影响显著。随着基体Mg元素含量的提高，摩擦系数和磨损量均降低，Mg元素含量为4 w.t.%时，复合材料块体的摩擦系数达到为0.122，而界面反应的发生明显提高摩擦系数和磨损量。 （3）半固态搅拌铸造法可以制备成分、组织和性能均匀的Ti3SiC2/Al-Mg复合材料铸锭。铸锭头尾部晶粒形貌、大小基本一致，尺寸均在60μm左右，第二相颗粒主要为Ti3SiC2、Al4C3、Mg2Si和TiC相，颗粒在铸锭不同位置的分布、尺寸、形貌相近，主要分布在晶界处，一些尺寸较小和外形圆整的大尺寸颗粒大量分布于基体晶粒内部。铸锭的各位置的密度、硬度和电导率等性能差异较小，相比于Al-4Mg二元合金，复合材料硬度上升了60.8%，抗拉强度提高了41.7%，摩擦系数增大了5.3倍。 （4）采用热模拟方法，研究Ti3SiC2/Al-4Mg复合材料的压缩变形行为。Ti3SiC2/Al-4Mg复合材料的高温变形可以用双曲线正弦函数表示。通过计算可以得到热激活能为Q=218.66 KJ/mol，本构方程如下：ε=66.7798×[sinh(0.048)]1.9704exp(-218.66×103/8.314T)。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 金属基复合材料的发展及分类

1.3 MAX相结构及性能特征

1.4 MAX/金属基复合材料的摩擦性能的研究现状

1.5 MAX/金属基复合材料的界面反应研究进展

1.6 本课题研究主要内容及意义

1.7 本论文课题支撑项目

第二章 试验方案与研究方法

2.1 试验技术路线

2.2 试验材料和成分设计

2.3 试验设备

2.4 试验方法

2.5 复合材料组织与性能表征

第三章 SPS法制备Ti3SiC2/Al-Mg复合材料

3.1 复合材料的物相分析

3.2 复合材料的金相组织分析

3.3 复合材料界面反应的物相分析

3.4 复合材料性能分析

3.5 本章小结

第四章 Ti3SiC2/Al-Mg复合材料摩擦磨损行为的研究

4.1 基体成分影响

4.2 载荷的影响

4.3 界面反应产物的影响

4.4 润滑机理的讨论

4.5 本章小结

第五章 半固态机械搅拌法制备Ti3SiC2/Al-4Mg复合材料

5.1 成分和试验工艺设计

5.2 Ti3SiC2/Al-4Mg复合材料的物相与组织分析

5.3 复合材料的性能

5.4 真应力-真应变曲线

5.5 热变形激活能的计算及本构方程的建立

5.6 复合材料组织分析

5.7 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果