高能超声半固态复合法制备SiC/ZL101复合材料的研究

摘要

SiCp/Al复合材料具有良好的耐磨性高、膨胀系数低、密度小、比强度和比模量高等优点，广泛用于航空航天、军事、汽车、电子、体育运动等工业领域。本文采用加压渗流法制备SiC/Al预制块与高能超声波搅拌法相结合的方法制备SiCp/ZL101复合材料，研究了这种方法制备复合材料的各工艺参数及控制方法，并对复合材料的微观组织、界面以及宏观及显微硬度、摩擦磨损性能等开展较为深入的研究。 (1)研究采用加压渗流法制备含高SiCp体积分数的SiCp/ZL101复合材料预制块的工艺，通过控制制备过程中SiCp颗粒的表面预处理方法、SiCp颗粒及模具的预热温度、合金液的浇注温度和渗流压力等工艺参数，制备出内在质量符合要求的复合材料预制块。通过工艺实验表明：当SiCp颗粒预热温度控制在580℃-620℃范围内，ZL101合金液浇注温度控制在700℃-720℃，施加1×105-3×105N/m2的渗流压力下制备出的SiCp/ZL101复合材料预制块结构均匀，组织致密，SiC颗粒分布均匀，SiC颗粒与铝基体之间的界面结合良好。通过浮力法测定并计算得到所制备的预制块ρ预=2.93g/cm3，复合材料预制块中SiC颗粒的体积分数为51％，SiC颗粒尺寸范围为80-120目。 (2)研究半固态条件下，用高能超声波搅拌加入预制块制备SiCp/ZL101复合材料的工艺及观察复合材料的微观组织。在半固态条件下，将含高SiCp颗粒体积分数的SiCp/ZL101预制块，按一定比列加入熔融的ZL101中，并导入高能超声波搅拌，制备出含不同SiCp体积分数的复合材料。研究了半固态处理温度和超声波工艺参数对复合材料微观组织的影响。结果表明：采用高能超声半固态复合方法可以制备出组织致密，SiC颗粒分布均匀的复合材料，并且可以在较大范围内调整增强颗粒体积分数，制备出增强颗粒体积分数为5％-20％的SiCp/ZL101复合材料。同时，高能超声处理可以显著改善增强颗粒与基体合金的润湿性，使SiC增强颗粒均匀分布在铝合金基体中。通过对复合材料微观组织观察和分析表明，基体合金组织致密，增强颗粒分布均匀，无明显的缩松和气孔等缺陷。另外，高能超声处理对铝合金基体组织微观形貌还具有很重要的改善作用，可以使初生的α相由发达的树枝晶形态转变为近球状的颗粒形态。 (3)随增强颗粒体积分数的增大，复合材料宏观微观硬度值增大。体积分数为5％-20％的SiCp/ZL101复合材料其平均布氏硬度由HB62.2上升至HB78.7，与基体相比，添加SiCp增强颗粒体积分数为20％的SiCp/ZL101复合材料的宏观硬度提高了近33％。 (4)对制备的含不同体积分数增强颗粒的SiCP/ZL101复合材料进行了摩擦磨损性能实验，研究复合材料的耐磨性及增强颗粒的含量对其耐磨性的影响，并且，采用扫描电镜对复合材料磨损表面的组织进行了观察和分析，探讨了碳化硅颗粒含量对复合材料耐磨性的影响和SiCP/ZL101复合材料的摩擦磨损机理。结果表明：随着SiCP含量的增加，复合材料的总磨损量与复合材料的摩擦因数呈相反的变化趋势，总磨损量不断降低而摩擦因数不断提高。SiCp/ZL101复合材料的磨损机理是微切削磨损、表层剥落，是磨粒磨损与氧化磨损及少量的粘着磨损的综合作用。

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致谢

第一章绪论

1.1金属基复合材料基本概念

1.2金属基复合材料的发展历程

1.3金属基复合材料的基本类型

1.3.1金属基复合材料的分类

1.4金属基复合材料的特点

1.5颗粒增强铝基复合材料的特点及发展

1.5.1颗粒增强铝基复合材料性能特点

1.5.2颗粒增强铝基复合材料应用

1.5.3颗粒增强铝基复合材料的制备技术

1.5.4 SiCp/ZL101复合材料制备技术中存在的问题

1.6本文的主要研究内容

第二章加压渗流法制备高SiCp体积分数SiCp/ZL101复合材料

2.1 引言

2.2实验材料和实验方法

2.2.1实验材料和加压渗流实验装置

2.2.2渗流法制备高SiCp颗粒体积分数SiCp/ZL101复合材料预制块的工艺

2.2.3 SiCp/ZL101复合材料中SiCp体积分数的测量与计算

2.3 实验结果与分析

2.3.1渗流参数对SiCp/ZL101复合材料性能的影响

2.3.2SiCp/ZL101复合材料的微观形态

2.4 讨论

2.4.1 影响SiCp/ZL101润湿的因素与分析

2.4.2 工艺参数对渗流过程的影响

2.5 结论

第三章 高能超声半固态搅拌法制备SiCp/ZL101复合材料

3.1引言

3.2实验

3.2.1 实验材料

3.2.2 超声波搅拌装置及超声波搅拌原理

3.2.3 SiCp/ZL101复合材料的制备

3.2.4 SiCp/ZL101复合材料的微观组织观察及硬度测量

3.2.5 复合材料中SiCp体积分数的计算及控制

3.3实验结果与分析

3.3.1 SiCp/ZL101复合材料的微观组织形貌

3.3.2 SiCp/ZL101复合材料硬度

3.4讨论

3.5结论

第四章SiCp/ZL101复合材料摩擦磨损性能研究

4.1引言

4.2实验方法

4.2.1实验材料

4.2.2摩擦磨损实验

4.2.3 SiCp/ZL101复合材料微观组织观察

4.3实验结果与分析

4.3.1复合材料摩擦性能

4.3.2复合材料磨面形貌

4.4讨论

4.5结论

第五章全文总结与展望

参考文献

硕士期间发表的论文