不同颗粒增强方式下铝基复合材料性能的研究

摘要

颗粒增强铝基复合材料已经在航空航天、半导体封装、汽车以及日常生活中得到了广泛的应用。目前,应用最为广泛的SiCp增强铝基复合材料大都采用外加法制备获得,这种复合材料由于颗粒较大并且颗粒与基体润湿性差,从而影响增强效果。于是,人们开始寻找其他优秀的增强相颗粒及制备工艺,科研工作者们发现TiB2颗粒具有优秀的力学及物理性能,而且其可以通过化学反应在铝基体中原位生成,原位自生的颗粒尺寸细小,与基体结合良好。本论文主要研究在增强相颗粒含量相近的情况下,对原位TiB2颗粒增强铝基复合材料与外加法制备的SiC颗粒增强铝基复合材料进行微观组织及力学与其他物理性能的比较并讨论原位合成复合材料的优势。本论文通过混合盐法成功原位合成7wt%TiB2颗粒增强A356铝合金复合材料。原位生成的TiB2颗粒大多呈六棱柱状,平均尺寸在300nm左右,在复合材料中大致均匀分布,晶粒呈细小等轴状或菊花状,明显比基体合金中要细小。而与之对比的是通过搅拌铸造法制备的SiCp/A356复合材料,其颗粒尺寸在15μm左右,许多颗粒带有尖棱角。7%TiB2/A356抗拉强度达到362.5MPa,弹性模量达到81.2GPa,相比基体合金分别提高了12.4%与21.6%,但塑性降低。搅拌铸造制备的SiCp/A356同样增强效果明显,且塑性下降更加明显。通过分析7%TiB2/A356与8%SiCp/A356复合材料的温度-阻尼谱线,可以得到以下结论：两种复合材料阻尼性能都随温度的上升而提高,并且在低频下能够获得更高的阻尼性能；在相同的频率和温度下,复合材料与基体合金阻尼性能比较的结果：7%TiB2/A356>；8%SiCp/A356>；A356,颗粒的引入使合金阻尼性能提高的原因主要是复合材料加工过程中产生的大量位错成为内耗源,而7%TiB2/A356阻尼性能比8%SiCp/A356优秀的原因是原位自生的TiB2颗粒较细小以及其晶粒细化效果,产生了更多的界面与晶界阻尼。本文同时在实验的基础上讨论了复合材料阻尼性能变化趋势：1增加颗粒含量可以提高阻尼性能；2铸态下复合材料阻尼性能比T6态更高；3挤压变形后也能获得更高的阻尼性能。本文还研究了7%TiB2/A356与8%SiCp/A356在室温下的磨损性能,发现8%SiCp/A356在整个载荷区间内,磨损率略有上升,稳定在3~6×10-6mm2,耐磨性能最好；7%TiB2/A356耐磨性能次之,磨损率也随载荷增加而增加,在载荷100N时有小幅突变；两种复合材料的耐磨性能都比基体合金A356优秀,同时也明显好于40Cr。随着摩擦终转轴速度从370rpm上升到550rpm,8%SiCp/A356的磨损率略有下降,而7%TiB2/A356则上升。分析磨损表面可知,8%SiCp/A356复合材料在低载荷下以粘着磨损机制为主,在高载荷下以粘着磨损与磨粒磨损为主,并且磨损表面容易形成机械混合层从而降低磨损量,并且在转速增加后有利于机械混合层的形成；7%TiB2/A356在低载荷下以粘着磨损为主,在高载荷下以粘着磨损与表面疲劳引起的剥层磨损为主,在转速增加后,还要考虑氧化磨损的因素。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 颗粒铝基复合材料的制备方法

1.2.1 铸造法

1.2.2 粉末冶金法

1.2.3 喷射沉积法

1.2.4 原位复合法

1.3 颗粒铝基复合材料的研究概况

1.4 颗粒铝基复合材料的应用

1.5 主要研究内容和意义

1.5.1 研究的目的及意义

1.5.2 研究内容

第二章 实验材料制备及实验方法

2.1 实验原材料

2.2 实验设备

2.3 复合材料的制备

2.3.1 原位自生TiB2 增强铝基复合材料的制备

2.3.2 外加颗粒SiC 增强铝基复合材料的制备

2.3.3 热处理工艺

2.4 组织结构观察与分析

2.4.1 显微组织观察

2.4.2 成分分析

2.4.3 物相分析

2.4.4 扫描电镜（SEM）分析

2.5 拉伸性能测试

2.6 阻尼性能测试

2.7 磨损性能测试

2.8 宏观硬度测试

2.9 本章小结

第三章 复合材料的微观组织及拉伸性能

3.1 复合材料的凝固组织

3.1.1 原位反应的热力学分析

3.1.2 原位TiB2/A356 复合材料的成分及相组成

3.1.3 原位TiB2/A356 复合材料的微观组织

3.1.4 搅拌铸造法制备SiCp/A356 复合材料的相组成及微观组织

3.2 复合材料的力学性能

3.2.1 制备材料的拉伸性能

3.2.2 复合材料的强化机制

3.2.3 复合材料断口分析

3.3 本章小结

第四章 复合材料的阻尼性能

4.1 材料的阻尼性能(内耗)、量度及测试方法

4.1.1 材料阻尼性能(内耗)的物理本质

4.1.2 材料阻尼(内耗)性能的表征和量度

4.1.3 金属材料阻尼性能的测试方法和技术

4.2 金属基复合材料的阻尼性能和阻尼机制

4.2.1 金属基复合材料的阻尼性能

4.2.2 金属基复合材料的阻尼机制

4.3 复合材料阻尼性能实验结果与讨论

4.3.1 复合材料阻尼性能的温度特性及频率特性

4.3.2 复合材料与基体合金阻尼性能的比较

4.3.3 颗粒含量对复合材料阻尼性能的影响

4.3.4 热处理状态对复合材料阻尼性能的影响

4.3.5 变形对复合材料阻尼性能的影响

4.4 本章小结

第五章 复合材料的磨损性能

5.1 摩擦磨损概述

5.1.1 摩擦理论

5.1.2 磨损理论

5.1.3 磨损机制

5.2 复合材料磨损性能实验结果与讨论

5.2.1 实验材料及实验方法

5.2.2 复合材料的硬度

5.2.3 载荷对复合材料磨损性能的影响

5.2.4 转动速度对复合材料磨损性能的影响

5.2.5 磨损表面形貌及能谱分析

5.2.6 磨屑分析

5.2.7 复合材料的磨损机制

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文