粉末冶金法原位合成γ-Al2O3W/Al复合材料及力学性能

摘要

铝基复合材料由于其轻质高强的特点，被广泛应用于交通运输、航空航天等领域。目前能够作为铝基复合材料增强相的有颗粒、纤维、碳纳米片、晶须等。晶须能够在提高复合材料强度的同时较好保持基体的塑性，使铝基复合材料的综合力学性能得到提高。γ-Al2O3与铝均为面心立方结构，是铝基复合材料的理想增强相。原位合成法因能获得更加干净的界面和分布更加均匀的增强相，而受到广泛关注。 本论文以纯铝粉、硼酸（或氧化硼）粉末为原料，通过低能球磨处理，采用冷压-烧结-热挤压和真空热压烧结-热挤压两种工艺，在纯铝基体中原位合成γ-Al2O3晶须。揭示了铝基体中晶须生长的热力学条件；讨论了冷压-烧结-热挤压工艺下，球磨参数对晶须生长的影响；对原位合成的晶须与Al基体的界面结合进行了分析；探讨了不同硼酸含量对复合材料力学性能的影响，并确定了两种制备工艺下的最佳成分配比。 结果表明，采用低能球磨-冷压-烧结-热挤压工艺能够在铝基体中原位合成界面结合良好且分散均匀的γ-Al2O3晶须，其直径为5-50 nm，长径比为10-20，在铝基体中相互搭接成网状骨架。当晶须的理论含量为10 wt%时，获得最优的力学性能。抗拉强度达到217 MPa，比基体提高了60.7%，延伸率仍保持在11.0%。 采用真空热压烧结-热挤压工艺能够在铝基体中原位合成形貌更加完美的γ-Al2O3晶须，其直径为20-500 nm，长径比为10-20。当γ-Al2O3晶须含量为15 wt%时，抗拉强度为261 MPa，比基体提高了89.1%，延伸率保持在10.1%。此时复合材料的耐磨损性能达到最优，磨损宽度仅为纯铝试样的30.4%。 原位生长的γ-Al2O3晶须与铝基体界面结合良好。由于原位生长的优势，晶须与铝基体的界面为半共格关系，其错配度仅为 0.69%，且界面平整、干净、无杂质。是原位合成的γ-Al2O3晶须能有效增强铝基体的重要原因之一。 热挤压工艺使复合材料的致密性更好，使复合材料的力学性能显著提高。这是由于在挤压过程中，发生动态再结晶，形成更多细小晶粒，增大了材料的位错密度，充分发挥了位错强化作用，同时使γ-Al2O3晶须沿挤压方向分布，使基体与增强相间的载荷传递能力得以提高。

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