Al-Si熔体中Al4C3原位反应生成SiCp的研究

摘要

目前工业上广泛采用外加法制备SiCp增强铝基复合材料，而外加法具有界面易被污染、界面能较高、基体和增强相粒子结合不好等缺点，限制了其力学性能的提升，使得其应用受到了许多局限。原位合成法制备的SiCp与基体结合紧密，无界面污染，且分布弥散，不易发生偏析，能够有效解决外加法的缺陷，因此原位合成SiCp增强铝基复合材料具有重要的应用前景，受到了人们越来越多的关注。由于碳在铝熔体中的溶解度极低，导致了铝熔体中原位合成SiCp存在极大的困难，目前相关的研究鲜见报道，基于此，本文提出了一种Al-Si熔体中原位合成SiCp的制备工艺并对其机理进行了研究，根据这种制备工艺制备出了SiCp增强铝基复合材料，并对其力学性能进行了分析测试。
　　本文利用高倍视频显微镜(HSVM)、X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)等测试手段，对Al4C3粒子在Al-Si熔体中的反应机制与原位合成SiCp的方法进行了系统研究。一方面研究了Al4C3粒子在Al-Si熔体中原位反应合成SiCp的工艺参数，另一方面研究了该反应的机制，初步建立了反应模型。同时利用该反应原位合成了SiCp增强Al-18Si复合材料，对其力学性能进行了分析测试。
　　本文的主要研究工作如下:
　　(1)含Al4C3粒子的Al-5C合金的制备及反应规律研究
　　通过熔体反应法制备出了含有Al4C3粒子的Al-5C合金。通过调整工艺参数，可以实现对Al4C3粒子形貌尺寸的调控。在较长的球磨时间(16h)、较低的反应温度(750℃)和较短的保温时间(0.5h)条件下，制备的Al-5C合金中Al4C3粒子的尺寸较小(一般小于5μm)，形貌为细小的板片状;在较短的球磨时间(8h)、较高的反应温度(850℃)和较长的保温时间(3h)条件下，制备的Al-5C合金中Al4C3粒子尺寸较大，为10-30μm，形貌为细长的板条状。
　　(2)Al4C3粒子在Al-Si熔体中的原位反应合成SiCp的反应机制研究
　　通过熔体反应法在Al-Si熔体中原位合成了SiCp。研究表明，Si原子可在Al-Si熔体中诱导Al4C3粒子发生原位反应，最终产物为SiCp。Si浓度是影响反应能否进行的关键因素。当Si浓度较高(≥25wt.％)时，反应可以充分进行，最终产物为SiCp;当Si浓度低于25％时，反应进行不充分，除生成少量SiCp外，还生成Al4SiC4过渡相;当Si浓度较低(≤13％)时，反应无法进行，Al4C3-粒子无法发生反应。
　　对反应机制进行了研究，发现该反应是由主导原子（Si原子）扩散引发的渐进式演变过程。主导原子（Si原子）能够向Al4C3粒子中扩散，并能诱导其发生原位反应，形成中间过渡相Al4SiC4，中间过程经历多次原子掺杂与原位反应，最终原位合成SiCp。
　　(3)原位合成SiCp增强Al-Si基复合材料的制备
　　提出一种原位合成SiCp增强Al-Si基复合材料的制备新工艺，并对工艺参数进行了优化。研究发现，与传统外加法制备SiCp增强Al-Si基复合材料的工艺相比，本文所提出的制备工艺简便。研究发现，保温时间对复合材料中SiCp的尺寸分布有重要影响。通过控制保温时间和温度，可以实现对生成SiCp数量和尺寸的调控。
　　(4)原位合成SiCp增强Al-Si基复合材料的力学性能研究
　　使用HB3000C电子布氏硬度计、NetzschDIL402C热膨胀测量仪和MM200型磨损试验机对未增强的Al-18Si合金以及制备的SiCp增强Al-18Si复合材料的布氏硬度、热膨胀系数和耐磨性等进行了比较，发现与未增强合金相比，复合材料的布氏硬度提高了18.2％，热膨胀系数降低了33.5％，耐磨性提升了45.2％。