SiC颗粒增强AL-13SI-Cu-Mg基复合材料制备与持久性能研究

摘要

SiC颗粒增强铝基复合材料具有高比强度，高刚度，耐疲劳，耐磨损，热膨胀系数低，优良的尺寸稳定性，较强的可设计性等优点，在汽车工业、航空航天、电子、军工、体育等许多领域得到广泛的应用。国内外对于SiC颗粒增强铝基复合材料展开了大量研究，取得了一些重要应用成果，但是材料性能方面无法满足大功率柴油机活塞的使用要求，并且制备工艺方面仍然达不到大规模的工业生产需要。
　　为了提高铝活塞合金综合力学性能，以满足高功率柴油发动机对活塞材料的要求。本文设计将10μm SiC颗粒加入到Al-13 Si-Cu-Mg合金中，通过粉末冶金法与搅拌铸造法相结合制备SiC颗粒增强铝基复合材料，解决了微小增强体SiC颗粒难以加入到铝合金中的问题，通过高剪切搅拌解决SiC颗粒在铝合金中的分布不均匀问题，并运用SEM、TEM对制备的复合材料进行SiC颗粒/Al界面分析。
　　为了分析活塞合金在高温高压条件下组织性能的变化，建立铝合金微观组织与宏观性能关系模型。本文重点对活塞合金在350℃进行持久试验，分析性能变化规律，并采用OM、SEM、TEM分析活塞合金组织演变规律。
　　SiC颗粒增强铝基复合材料制备中，首先采用粉末冶金法制备含SiC颗粒预制块，然后采用高剪切搅拌法，将SiC颗粒以预制块方式加入铝合金溶液中，调整搅拌温度、时间、SiC颗粒含量，确定在转速6000r/min条件下2％SiCP，700℃下搅拌5min，SiC颗粒在基体中分布均匀。并通过SEM、TEM、HRTEM进行界面分析，表明SiC颗粒增强Al-13Si-Cu-Mg基复合材料界面类型分为非晶层界面和干净界面，其中非晶层界面占大多数，且非晶层界面与界面上镁元素的富集和杂质相的形成有关。
　　活塞合金350℃持久试验结果表明，当外加载荷为90MPa时试样直接断裂，随着外加载荷的恒定减小，持久寿命增长，当外加载荷降到30MPa时持久寿命延长至102h。通过TEM分析可知持久拉伸过程中富铜相θ

目录

摘要

1 绪论

1．1 铝合金概述

1．1．1 铝及铝合金

1．1．2 铸造铝合金分类

1．2 铝基复合材料

1．2．1 铝基复合材料及主要类型

1．2．2 铝基复合材料的发展

1．3 SiC颗粒增强铝基复合材料

1．3．1 SiC增强锅基复合材料制备技术

1．3．2 SiC增强铝基复合材料的力学性能

1．4 机械搅拌法制备碳化硅增强铝基复合材料关键技术

1．4．1 碳化硅颗粒与基体合金的润湿问题

1．4．2 碳化硅颗粒与铝合金基体的界面反应问题

1．4．3 复合材料制备过程中搅拌器的腐蚀等问题

1．4．4 碳化硅颗粒在铝合金基体中的分布均匀性问题

1．5 目前国内外铝基复合材料高温持久性能状况

1．5．1 合金持久强度测试方法

1．5．2 国内外热持久研究现状

1．6 课题背景及主要研究内容

1．6．1 课题背景

1．6．2 选题的目的及意义

1．6．3 主要研究内容

2．实验过程和方法

2．1 实验方案

2．2 试验材料及设备

2．2．1 试验材料

2．2．2 实验设备

2．3 试验方法

2．3．1 SiC颗粒高温焙烧

2．3．2 粉末冶金制备含SiC的预制块

2．3．3 合金的熔炼

2．3．4 热持久试验

2．4 测试分析方法

2．4．1 布氏硬度测定

2．4．2 X射线衍射物相分析

2．4．3 显微组织分析

3 粉末冶金法制备含SiC颗粒预制块

3．1 SiC颗粒高温焙烧

3．1．1 氧化热力学分析

3．1．2 SiC颗粒高温焙烧工艺

3．1．3 SiC颗粒粒度、表面形貌分析

3．2 粉末冶金法制备含SiC颗粒预制块

3．2．1 球磨转速对SiC颗粒分布均匀性的影响

3．2．2 球磨时间对SiC颗粒分布均匀性的影响

3．2．3 大小球质量比例对SiC颗粒分布均匀性的影响

3．3 含SiC颗粒预制块孔隙率及硬度测定

3．3．1 含SiC颗粒预制块孔隙率测定

3．3．2 含SiC颗粒预制块硬度测定

3．4 本章小结

4 高剪切搅拌SiC颗粒增强铝基复合材料的制备工艺研究

4．1 高剪切搅拌装置设计与水力模拟

4．1．1 高剪切搅拌装置装配图

4．1．2 液态金属调节原理

4．1．3 水力模拟实验确定搅拌参数

4．2 搅拌工艺对SiC颗粒分布均匀性的影响

4．2．1 SiC颗粒加入方式对分布均匀性的影响

4．2．2 搅拌温度对SiC颗粒分布均匀性的影响

4．2．3 搅拌时间对SiC颗粒分布均匀性的影响

4．2．4 SiC颗粒含量对分布均匀性的影响

4．3 搅拌工艺对SiCp增强铝基复合材料硬度的影响

4．4 SiC颗粒增强铝基复合材料界面研究

4．4．1 界面线描扫元素含量变化

4．4．2 SiC颗粒与基体界面透射分析

4．4．3 复合材料的SiCp／Al界面HRTEM分析

4．5 本章小结

5．铝基复合材料高温持久性能研究

5．1 350℃恒定载荷下持久寿命测定

5．2 持久试样光学金相显微组织分析

5．3 持久试样扫描断口分析

5．4 活塞合金不同载荷持久后TEM分析

5．5 本章小结

6 结论

参考文献

致谢

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