低熔体温度下高强超声辅助原位颗粒增强Al基复合材料的制备研究

摘要

原位颗粒增强Al-MMCs因其具有高比强度、比模量，良好的耐磨性、高温稳定性等优异的综合性能，在航空航天和汽车等工业中具有广阔的应用前景。原位合成技术与搅拌铸造工艺的结合，提高了生产效率，并且可制备形状复杂的铸件。因此，此工艺得到广泛的关注。
　　 然而，传统的机械搅拌铸造工艺制备原位颗粒增强Al-MMCs中，常常伴随增强颗粒团聚和高气孔率等问题，严重影响到材料的力学性能。此外，以Al-Ti-C（Ti-C）和Al-Ti-B(Ti-B)体系为反应物时，基体中还经常出现大尺寸长杆状（或针状）的Al3Ti颗粒，其会严重削弱材料的力学性能。因此，有效解决上述问题，是提高此类材料性能的关键。
　　 此外，传统工艺制备原位颗粒增强Al-MMCs过程中，普遍存在Al熔体温度过高的问题。高熔体温度会带来高制造成本、熔体内合金元素（如Mg、Zn等）烧损和熔体吸气、氧化等问题，给制备过程带来种种不便。以原位TiCp/Al和原位Al3Tip/Al复合材料为例，其制备过程中相应的最低Al熔体温度分别为900℃和950℃。
　　 为了优化原位颗粒增强Al-MMCs的制备工艺及其微观组织，本论文中引入了高强超声处理。在熔体内，高强超声场会产生诸如空化、声流效应等非线性作用。其被广泛用于金属熔体的净化、除气、晶粒细化以及颗粒增强金属基复合材料的制备。高强超声辅助原位合成技术，是一种新型的颗粒增强Al-MMCs复合材料的制备技术。其基本原理是利用超声振动影响原位反应进程以及优化复合材料的微观组织。
　　 本论文主要探讨以下两个方面的内容:原位颗粒增强Al-MMCs的微观组织的优化和低熔体温度下制备原位TiCp/Al和原位Al3Tip/Al复合材料。首先采用重熔超声处理实验，研究了高强超声对原位颗粒增强Al-MMCs微观组织的影响。其次，分别以Al-Ti-C体系、Ti-C体系和Ti粉为反应物，采用高强超声辅助工艺，探索在较低熔体温度下制备原位TiCp/Al、(Al3Ti+TiC)p/Al和Al3Tip/Al复合材料。
　　 以Al-Ti-B和Ti-C为反应物，采用传统机械搅拌铸造工艺制备的原位 TiB2p/Al-12Si-4Cu和TiCpAl-12Si复合材料基体内存在增强颗粒团聚和大尺寸长杆状Al3Ti颗粒等问题，且其气孔率较高。将上述两种复合材料在850℃下进行重熔超声处理。研究发现，在高强超声作用下，颗粒团聚基本消失，增强颗粒均匀地分散在基体中;Al3Ti颗粒从大尺寸的长杆状结构转变为粒径小于10μm的块状结构，其从有害的增强相转化为有益的增强相。并且，随着增强颗粒体积分数的提高，Al3Ti颗粒在超声场内更易被破碎;复合材料的气孔率小于1.0％，较原始试样明显降低。因此，高强超声可以明显优化原位颗粒增强Al-MMCs的微观组织。
　　 以Al-Ti-C为反应物，通过对其坯体的快速预热处理，在750℃的Al熔体内原位生成TiC颗粒。熔体温度较传统工艺降低了至少150℃。原位生成的TiC颗粒为球形，并且其粒径小于2μm，其中大部分为亚微米粒径。原位生成的Al3Ti颗粒含量极少。本论文中就快速预热处理的作用做了详细讨论。通过此工艺实现了液相Al和固相Ti之间的反应扩散。因此，坯体在短时间内可积聚大量热量。此外，高强超声作用下，基体内的增强颗粒分布均匀，不存在颗粒团聚;Al3Ti颗粒为粒径小于10μm的块状结构;材料的气孔率仅为0.86％。其微观组织明显优于机械搅拌试样。
　　 以Ti-C混合粉末为反应物，将其直接加入到温度为850℃的Al熔体中，同时引入高强超声。高强超声的作用主要有分散熔体内原位生成的增强颗粒，并对熔体进行除气处理。研究表明，原位生成的Al3Ti颗粒为块状结构，其尺寸小于10μm，大部分尺寸介于2-7μm之间。原位生成的TiC颗粒尺寸为亚微米粒径。在高强超声作用下，基体中的颗粒团聚和氧化物夹杂可以有效消除;复合材料的气孔率小于1％。通过对比，其微观组织要明显优于机械搅拌试样。
　　 以Ti粉为反应物，将其加入到低温度的Al熔体中，通过Ti粉和Al熔体的直接反应，原位生成小粒径块状Al3Ti颗粒。本论文中，提出了扩散反应-剥离模型用于解释原位Al3Ti颗粒的生成机理。研究表明:Al3Ti颗粒尺寸与Al熔体温度密切相关。其随温度的升高而增大:当熔体温度为730℃时，Al3Ti颗粒的尺寸介于1-6μm之间，当熔体温度为780℃时，Al3Ti颗粒尺寸介于1-10μm。并且，熔体温度越低，高强超声对熔体反应的影响越明显。熔体温度为730℃时，超声处理试样中Al3Ti颗粒粒径在2-3μm的比例最大，而无超声处理试样则为3-4μm比例最多;当熔体温度为780℃时，超声处理试样中的Al3Ti颗粒的尺寸分布和无超声处理试样中的几乎一致。因此，高强超声对熔体反应的影响不明显。
　　 以原位Al3Tip/Al复合材料研究为基础，在780℃的熔体温度下，以Ti粉为反应物，利用高强超声辅助熔体直接反应法制备出原位Al3Tip/A356复合材料。研究表明，A356熔体中的Si元素会降低Al3Ti晶粒的生长速度。原位Al3Ti颗粒可以明显改变α-Al晶粒的形貌尺寸。T6热处理后，随着Al3Ti颗粒含量的增加，A356中α-Al从典型的柱状枝晶结构转变为等轴枝晶结构。当Al3Ti质量分数为5％时，基体中α-Al呈等轴枝晶结构，其直径介于100-150μm之间;当Al3Ti质量分数为10％时，基体中的α-Al枝晶被进一步球化，其为近似球形的等轴枝晶结构，直径介于50-100μm之间。原位Al3Ti颗粒可以明显改善A356的力学性能，其布氏硬度和拉伸性能都明显提高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 原位颗粒增强Al基复合材料的研究现状

1．2．1 原位颗粒增强Al基复合材料的形成机理与优势

1．2．2 原位颗粒增强Al基复合材料的制备工艺

1．2．3 原位合成铸造工艺存在的主要问题

1．3 高强超声辅助制备技术

1．3．1 高强超声的特点和效应

1．3．2 高强超声在材料制备中的应用

1．3．3 高强超声在颗粒增强金属基复合材料中的应用

1．4 课题的研究意义及主要内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 主要内容

第二章 基于原位颗粒增强Al基复合材料的重熔超声处理研究

2．1 引言

2．2 实验过程

2．2．1 实验原料

2．2．2 重熔超声处理试样的制备

2．2．3 试样处理与表征

2．3 超声效应的产生

2．4 原位TiB2p／Al-12Si-4Cu复合材料重熔超声处理结果与讨论

2．4．1 原始试样微观组织与分析

2．4．2 重熔超声处理试样微观组织与分析

2．5 原位TiCp／Al-12Si复合材料重熔超声处理结果与讨论

2．5．1 原始试样微观组织与分析

2．5．2 重熔超声处理试样微观组织与分析

2．6 本章小结

第三章 基于超声辅助原位TiCp／Al复合材料的制备研究

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 实验原料及其处理

3．2．2 复合材料的制备

3．2．3 试样处理与表征

3．3 采用快速预热和超声辅助制备复合材料结果与讨论

3．3．1 试样的物相分析

3．3．2 试样的微观组织分析

3．3．3 试样的显微硬度测试

3．3．4 高强超声作用分析

3．4 Al-Ti-C坯体快速预热处理作用研究

3．4．1 Al-Ti-C粉末DTA测试

3．4．2 快速预热处理中Al-Ti-C坯体温度随时间的变化

3．4．3 快速预热处理中Al-Ti-C坯体成分的演变

3．4．4 Al-Ti-C坯体快速预热处理的热力学研究

3．4．5 Al-Ti-C坯体快速预热处理的动力学研究

3．5 超声辅助法制备复合材料结果与讨论

3．5．1 机械搅拌试样结果与分析

3．5．2 超声试样结果与分析

3．5．3 原位Al3Ti和TiC颗粒的生成

3．5．4 高强超声作用研究

3．6 本章小结

第四章 基于超声辅助原位Al3Tip／Al复合材料的制备研究

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 实验原料

4．2．2 试样制备

4．2．3 试样处理与表征

4．3 试样结果与讨论

4．3．1 试样的物相分析

4．3．2 试样的微观组织

4．3．2 块状小尺寸Al3Ti颗粒的形成机制

4．3．3 原位Al3Ti颗粒尺寸的影响因素

4．3．4 熔体反应进程动力学影响因素

4．4 本章小结

第五章 超声辅助原位Al3Tip／A356复合材料的微观组织和性能

5．1 引言

5．2 实验过程

5．2．1 实验原料

5．2．1 原位Al3Ti-A356复合材料的制备

5．2．2 拉伸试样的制备

5．2．3 试样的性能测试

5．2．4 试样的微观组织表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 CS5试样的微观组织

5．3．2 CS10试样的微观组织

5．3．3 试样的金相显微组织分析

5．3．4 试样的力学性能

5．4 本章小结

第六章 全文总结

6．1 主要结论

6．2 研究展望

创新点

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果及所获奖励

致谢