Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd镁基复合材料的制备工艺及其组织性能

摘要

随着世界性的能源危机和环境污染问题的日益严重，采用镁合金代替汽车用铝合金甚至钢铁材料以降低汽车的自身重量来减少能耗已经成为一种必然趋势。镁合金具有较高的强度、比刚度，是当前常见工程材料中质量最轻的金属材料。而加入稀土元素和增强体Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd复合材料的具有比一般镁合金更加优异的耐高温性能和力学性能，在汽车、航天等领域具有较广泛的应用前景。 本文采用无压浸渗法制备Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd复合材料试样，并对其进行了半固态致密化处理。采用OM(金相显微镜)、SEM(扫描电镜)、XRD(X射线衍射仪)和EDS(能谱分析)等检测分析手段，研究了稀土元素Nd和Gd对复合材料的显微组织、相组成、硬度的影响，对Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd复合材料进行高温压缩性能测试，分析了稀土元素、增强体和温度对Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd复合材料压缩性能的影响，对Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd复合材料进行摩擦磨损性能测试，分析了温度对Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd复合材料的摩擦磨损性能的影响，得出如下结论: (1)经过半固态致密化处理后的Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd，其组织中Al2O3短纤维没有明显的取向性，基体致密，无显微孔洞。同时，半固态致密化处理还使得复合材料中树技状α-Mg相变为了细小的球状相，提高了复合材料材料的硬度和抗压缩性能。 (2)适量稀土元素Gd和Nd的加入不仅使复合材料α-Mg显著细化，还可使?-Mg17Al12相变得细小、弥散，同时稀土元素的加入生成了高熔点Al2Nd相和Al2Gd相，使Mg2Si相由粗大多边形状变为细小短杆状及点状分布于晶界处。复合材料的硬度比基体合金提高了70.1%。 (3)在恒定应变速率下，Mg-6Al合金和Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd复合材料高温压缩的抗压强度随温度（从100℃升到300℃）的升高而减小，合金抗压强度从295.4MPa降到了103.3MPa，复合材料抗压强度从382.1MPa降到了152.8MPa。相同温度下Al2O3/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd复合材料的抗压强度均高于Mg-6Al合金，提高量均在28%以上。 (4)在室温(25℃)条件下，随着载荷的增加，复合材料的摩擦系数呈现出持镁增加的趋势，磨损率随载荷增加而增加。当载荷为100N、150N与200N时，摩擦系数分别为0.06、0.11和0.15，磨损率分别为0.058g/h、0.077g/h和0.155g/h，复合材料的失效形式以磨料磨损为主；在150℃条件下，随载荷增加，摩擦系数磨损率逐渐趋于平稳。当载荷为100N、150N与200N时，摩擦系数分别为0.10、0.13和0.21，磨损率分别为0.102g/h、0.173g/h和0.178g/h，复合材料的失效形式以氧化磨损主；在高温(250℃)条件下，摩擦系数与磨损率也呈现出与室温相似的趋势。当载荷为100N、150N与200N时，摩擦系数分别为0.16、0.18及0.36，磨损率分别为0.16g/h、0.24g/h和0.20g/h。复合材料的失效方式转变为以粘着磨损为主。

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1.绪论

1.1镁及镁合金概述

1.2稀土镁合金的种类

1.2.1轻稀土镁合金

1.2.2中稀土镁合金

1.2.3重稀土镁合金

1.3镁基复合材料的分类

1.3.1纤维增强镁基复合材料

1.3.2晶须、颗粒增强镁基复合材料

1.4镁基复合材料的制备方法

1.4.1 半固态搅拌铸造法

1.4.2 原位自生增强体法

1.4.3 熔融浸渗法

1.5镁基复合材料的摩擦磨损性能

1.6本课题的研究目的及研究意义

1.7本课题的主要研究内容

2.1纤维预制体的制备

2.2.1成分设计

2.2.2合金熔炼与浇注

2.3复合材料的无压浸渗工艺

2.4复合材料的半固态致密化

2.5.1 组织观察及分析

2.5.2维氏硬度测试

2.5.3压缩强度测定

2.5.4 磨损性能测试

2.6技术路线

2.7本章小结

Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd镁基复合材料微观组织及其硬度

3.1铸态合金的显微组织

3.2复合材料的组织分布及相分析

3.3铸态合金和复合材料的硬度

3.4稀土元素对复合材料硬度的影响

3.5本章小结

4.Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd镁基复合材料的压缩性能

4.1复合材料的室温压缩强度

4.2复合材料的高温压缩强度

4.3复合材料的强化机理分析

4.4本章小结

Al2O3f/Mg-6Al-0.5Nd-1Gd镁基复合材料摩擦磨损性能

5.1复合材料的室温摩擦磨损性能

5.2复合材料的高温摩擦磨损性能

5.3温度对摩擦磨损性能的影响

5.4本章小结

6 结论

致谢

参考文献

在校期间发表论文及专利