多元氧化物与铝原位反应生成铝基复合材料的组织和性能

摘要

针对活塞用铝硅合金ZL109工况条件差，高温性能不稳定的问题，本文通过向熔融态ZL109合金中添加Fe2O3-CuO-CrO3/Al混合压块，采用传统铸造工艺制备了活塞用Al2O3p/ZL109复合材料。系统研究了Al与Fe2O3、CuO、CrO3之间的反应热力学和Al2O3p/ZL109复合材料的制备工艺，探索了不同稀释剂Al含量对反应的产物及其分布的影响，对复合材料的组织和性能进行分析和测试，取得的结果如下:
　　 Al与Fe2O3、CuO、CrO3呈现一个反应梯度，混合压块烧结试验证明，Al与三种氧化物的反应顺序为Fe2O3＞CuO＞CrO3，反应的产物为Al2O3粒子和不同的金属间化合物，压块中的粉末配比、压块密度、反应的烧结温度、保温时间对反应产物都有影响。利用液态原位反应工艺制备的Al2O3p/ZL109复合材料中，Al2O3粒子尺寸细小，在基体中分布均匀，与基体界面结合干净，结合力强;Fe、Cu、Cr元素的加入使得ZL109进一步合金化。通过选取合理的制备工艺，有望获得良好的活塞用铝基复合材料。
　　 研究表明， ZL109加热到820℃-870℃熔炼，在780℃下加入混合压块，当混合压块中Al含量为30wt％时，原位反应在ZL109中进行的比较充分，得到的Al2O3p/ZL109复合材料组织均匀，力学性能较好。Mg可作为反应的诱导剂，可减少反应诱导时间，当Mg含量为3wt％时，反应诱导时间为1s左右。SEM观察表明，复合材料中的Al2O3分布均匀，在ZL109中弥散分布;反应生成的金属间化合物在基体中形成热稳定好的硬质颗粒。TEM观察表明，生成的Al2O3粒子形状近似椭圆形，尺寸在0.1μm左右。
　　 当Al2O3p/ZL109复合材料中Fe、Cu、Cr元素含量分别达到0.656wt％、1.407wt％、0.1419wt％时，复合材料硬度比基体合金提高了1.9％，室温抗磨性提高了2.93％，300℃下的摩擦系数降低了28.6％，在300℃下保温半小时后的拉伸强度最高可达178MPa，平均高温拉伸强度提高了7.9％，较好的解决了ZL109高温性能不稳定的问题。虽然复合材料的室温拉伸强度有所下降，但其综合性能优异，较好的满足了活塞的使用要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 颗粒增强铝基复合材料研究进展

1．2．1 活塞用铝基复合材料的研究现状

1．2．2 活塞用铝基复合材料的增强相粒子

1．3 Al2O3p／Al复合材料的研究进展

1．3．1 Al2O3p／Al复合材料的特点

1．3．2 Al2O3p／Al复合材料的制备工艺

1．3．3 原位制备Al2O3／Al复合材料的国内外研究现状

1．4 选题意义和研究内容

1．4．1 选题意义

1．4．2 研究内容

第二章 方案设计与试验方法

2．1 方案设计

2．1．1 基体与增强体的选择

2．1．2 制备工艺和反应添加物的选择

2．1．3 试验的技术路线

2．2 试验用原材料及方法

2．2．1 试验用原材料

2．2．2 差热分析试验和烧结试验

2．2．3 复合材料的制备

2．2．4 复合材料的组织观察

2．2．5 复合材料的性能分析

第三章 Al2O3p／Al复合材料的反应热力学及制备工艺研究

3．1 铝热反应热力学分析

3．2 制备Al2O3／Al复合材料的影响因素

3．2．1 预制体压块烧结法制备复合材料的温度

3．2．2 氧化物含量对复合材料宏观烧结形貌的影响

3．2．3 粉末烧结法制备复合材料的烧结产物

3．3 Al2O3p／Al复合材料的制备工艺参数

3．3．1 稀释剂Al的影响

3．3．2 预制体压块紧密度的影响

3．3．3 反应诱导剂Mg的影响

3．4 本章小结

第四章 原位反应法制备Al2O3p／Al复合材料的微观组织

4．1 预制体原位反应制备Al2O3p／Al复合材料的微观组织

4．1．1 预制体烧结法制备复合材料的微观组织

4．1．2 熔体加热预制体法制备复合材料的微观组织

4．2 热爆法制备Al2O3p／Al复合材料的微观组织

4．2．1 Al2O3p／Al复合材料的金相显微组织

4．2．2 原位生成增强粒子的微观形貌及其在基体中的分布

4．3 热爆法制备复合材微观组织形成机理

4．3．1 Al2O3粒子在铝熔体中的运动和分布

4．3．2 Al2O3粒子在铝熔体凝固前沿的行为

4．4 本章小结

第五章 Al2O3p／ZL109复合材料的性能分析

5．1 Al2O3p／ZL109复合材料的硬度和体积稳定性

5．1．1 Al2o3p／ZL109复合材料的硬度

5．1．2 Al2o3p／ZL109复合材料的体积稳定性

5．2 Al2O3p／ZL109复合材料的拉伸强度

5．2．1 不同温度下Al2o3p／ZL109复合材料的拉伸强度

5．2．2 Al2o3p／ZL109复合材料的拉伸断口形貌观察

5．3 Al2O3p／ZL109复合材料的耐磨性

5．3．1 Al2O3p／ZL109复合材料的室温耐磨性和高温摩擦系数

5．3．2 Al2O3p／ZL109复合材料的摩擦断口形貌观察

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文