超声辅助铸造法制备原位合成A1一Cr／A1复合材料研究

财抖2O14年第8期45卷文章编号100197312014080804206超声辅助铸造法制备原位合成A1一CRA1复合材料研究赵龙志，焦宇，王秋林，张坚，赵明娟1I华东交通大学机电工程学院，南昌3300132哈尔滨工程大学超轻材料与表面技术教育部重点实验室，哈尔滨150001摘要利用超声振动辅助铸造法制备了ALCRAL原位复合材料，应用XRD、SEM以及能谱分析EDS研究了复合材料的微观结构。通过M2000型磨损试验机研究了ALCRA1原位自生复合材料的耐磨性能。结果表明，超声振动对原位增强体细化明显，随着CR含量的增加，原位增强体含量增加。增强体尺寸增大。不同类型的ALCR金属问化合物在基体中同时生成，形成混合增强相；随着CR粉末粒径增大，原位增强体尺寸具有最小值。随着CR含量和粒径的增大，复合材料的磨损率呈先降低后升高的趋势。CR含量为8，粒径为75M时，复合材料的磨损率最小，为0294，耐磨性能最好，相对纯铝耐磨性提高约85倍，磨损机制主要为磨粒磨损。关键词超声辅助铸造法；原位自生；增强体尺寸；耐磨性中图分类号TB331文献标识码ADOI103969JISSN100197312014080091引言铝基复合材料具有优异的耐磨性、比强度和低膨胀等综合性能，在航空航天、载运工具等领域具有广阔的应用前景L1。根据增强体的加入形式，铝基复合材料分为外加式复合材料和原位自生复合材料。外加式复合材料中的增强体与基体界面结合较弱，导致复合材料性能较低。原位自生复合材料界面清洁，界面结合强度高，受到了人们的青睐L4。目前制备原位自生铝基复合材料的方法主要为固相法和液相法。，固相法制备复合材料易控制成分，材料性能高，但工艺流程长、工序复杂、金属粉末成本高，制备的材料致密度低；液相法主要为传统铸造法，该方法生产成本较低，设备简单，工艺流程短，易于实现批量生产，在实际工业生产中具有突出的优势，但制备的复合材料增强体粗大，塑性较低，易于开裂，且反应过程不易控制。目前许多研究者探寻新的手段来促进原位反应的反应速度和反应程度；提高生成增强相的形核率，抑制长大速度，细化晶粒；使所生成的增强颗粒在基体中均匀分布；改善增强颗粒与基体的润湿性，提高铝基复合材料的综合性能。而引入超声外场制备原位复合材料是当今材料科学发展的前沿技术之一。在原位合成反应过程中施加高能超声，有利于夹杂物的凝聚和消除E“，防止偏析，而且超声波在熔体传播过程中会产生声流、空化、机械、辐射压力、超声破碎、局部高温等效应引，促进原位反应进行的同时，达到细化晶粒的目的LL1。铬及其合金是优质的高硬度、耐磨材料，广泛应用于表面镀层，目前已被开发用来改善铝基复合材料性能。许多研究者采用传统铸造方法、粉末混合烧结以及固液混合铸造等方法制备原位自生A1一CRAL复合材料L_】。但是，都不能完全解决复合材料中存在粗大析出相问题，导致合金脆性大，无法应用L1。本文采用超声振动辅助铸造技术制备原位自生ALCRA1复合材料，利用高能超声的声空化和声流效应，加快熔体原位化学反应速度，细化晶粒，同时使生成的颗粒在熔体中趋于均匀分布，并研究了复合材料微观组织和耐磨性能。2实验材料与方法实验用的基体为工业纯铝锭。选用CR粉粒径分别为150，75和38M。采用超声振动辅助铸造法制备复合材料，制备过程为提高金属CR粉的活性，先用铝箔纸包裹铬粉，放入250。C的SX一613型箱式实验炉中预热2H；待井式电阻炉温度升到720时加入纯铝基体，然后将铝液过热到900，加入CR粉；接着将铝液快速降温到640，将KJ一1000型超声处理仪功率为1KW。频率为20KHZ伸进熔体内约5INM进行超声处理，超声振动5RAIN后移开处理仪，然后迅速升温至720，浇注在已预热的模具中，获得A1一CRAL复合材料。采用JSM一6360LA型扫描电镜观察复合材料中增强体的大小、形貌和分布，运用安装在CARLZEISSIGMA型SEM上的能谱仪EDS进行成分分析。使用D8一ADVANCE型X射线衍射仪对复合材料进行物相定性分析，采用CUKA靶，一015405BM，工作电基金项目国家自然科学基金资助项目51265014；科技厅国际合作资助项目20122BDH8002I；教育厅科研基金资助项目GJJ11020，GJJ12282；华东交通大学校基金资助项目11JDO3收到初稿日期20130511收到修改稿日期20140210通讯作者赵龙志，EMAILZHAOLONGZHI163CORN作者简介赵龙志1977一，男，江西都昌人，博士，教授，主要从事金属基复合材料和激光成形研究。赵龙志等超声辅助铸造法制备原位合成AICRAI复合材料研究O8O47121A1415TIONONULTRASONICEHEMIEALINSITUFABRICATIONFORZRB2A13ZREL24COMPOSITESANDANTIWEARPROPERTYJTHECHINESEJOURNALOFFUNCTIONALMATERIALS。2013，447988992CUICHUNXIANGMATERIALSSYNTHESISANDFABRICATIONMSHANGHAIEASTCHINAUNIVERSITYOFSCIENCEPRESS，201001YANGZG，LONGSGDAMAGEANALYSISFORPARTICLEREINFORCEDMETALMATRIXCOMPOSITEBYULTRASONICMETHODJTRANSACTIONSOFNONFERROUSMETALSSOCIETYOFCHINA，2006，16S1652655LIJIANYUE，LIUJINSONG，CHENZHENHUA，ETA1INVESTIGATIONONAPPLICATIONOFSOLIDLIQUIDCASTINGTECHNOLOGYINALUMINUMALLOYWITHHIGHCONTENTCRJTHECHINESEJOURNALOFCASTING，2008，572173175LIUJINSONG，CHENZHENHUA，PUYUXING，ETA1STUDYON161718ANTI。CORROSIONOFA1。CRALLOYFABRICATEDBYSOLID。LIQUIDMIXTECHNOLOGYJTHECHINESEJOURNALOFCHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGTECHNOLOGY，2010，314182OCHENGXIANGFEI，YANHONGGE，CHENZHENHUA，ETA1STUDYONSOLIDLIQUIDMIXCASTINGFABRICATIONFORA1。10CRALLOYJTHECHINESEJOURNALOFSPECIALCASTINGANDNONFERROUSALLOY，2005，2528587YINYANSHENG，LIJING，MAHONGTAOSTUDYONFRICTIONANDWEARPROPERTIESOFFE3AIINTERMETALLICMATRIXTRIBOLOGYMATERIALSJTHECHINESEJOURNALOFTRIBOLOGY，2004，245457461JUZHILAN，HUAGUORAN，RENYUSONGINVESTIGATIONONMECHANICALANDWEARPROPERTIESOFPOWDERMETALLURGYA1一FECOMPOSITESJTHECHINESEJOURNALOFLUBRICATIONANDSEA12007，322154155RESEARCHONINSITUAICRAICOMPOSITESFABRICATEDBYULTRASONICAIDEDCASTINGTECHNOLOGYZHAOLONGZHI，JIAOYU，WANGQIU一1IN，ZHANGJIAN，ZHAOMINGJUAN1SCHOOLOFMECHANICALANDELECTRICALENGINEERING，EASTCHINAJIAOTONGUNIVERSITY，NANCHANG330013，CHINA；2KEYLABORATORYOFSUPERLIGHTMATERIALSSURFACETECHNOLOGY，MINISTRYOFEDUCATION，HARBINENGINEERINGUNIVERSITY，HARBIN150001，CHINAABSTRACTINSITUA1一CRA1COMPOSITEWASPREPAREDBYTHEULTRASONICVIBRATIONAIDEDCASTINGMETHODINTHISPAPERMICROSTRUCTUREWASCHARACTERIZEDBVXRD，SEMANDEDSTHEWEARRESISTANCEOFCOMPOSITESWASINVESTIGATEDBYM一2000WEARTESTERTHERESULTSSHOWTHATTHEULTRASONICVIBRATIONSIGNIFICANTLYREFINESTHEALCRINTERMETALLICCOMPOUNDREINFORCEMENTWITHTHEINCREASEOFCR，THECONTENTANDSIZEOFAICRINTERMETALLICCORNPOUNDREINFORCEMENTINCREASETHEALCRHYBRIDINTERMETALLICCOMPOUNDREINFORCEMENTEXISTSINTHEMATRIXATTHESAMETIMEWITHINCREASEOFTHECRPOWDERPARTICLESIZE，THEWEARRESISTANCEOFINSITUA卜CRALCOMPOSITEANDINSITUREINFORCEMENTSIZEBOTHHAVEMINIMUMVALUEWHENTHECONTENTOFCRWAS8，THEPARTICLESIZEWAS75UM，THEFINEALCRINTERMETALLICCOMPOUNDREINFORCEMENTDISTRIBUTESINTHECOMPOSITESEVENLY；MEANWHILE，THEWEARRATEWASMINIMUM，WHICHWAS0294THEWEARRESISTANCEOFCOMPOSITESWAS85TIMESTHATOFPUREALUMINUMTHEWEARMECHANISMWASMAINLYABRASIVEWEARKEYWORDSULTRASONICAIDEDCASTING；INSITUREACTION；REINFORCEMENTSIZE；WEARRESISTANCE上接第08041页EFFECTSOFPRECIPITATEDPHASEONMICR0STRUCTUREANDMECHANICALPROPERTIESOFZRBASEDBULKMETALLICGLASSCOMPOSITEXUJIAO，KOUSHENGZHONG，ZHAOYANCHUN，YUANXIAOPENG，LICHUNYAN，ZHANGYAIUAN，PUYONGLIANG1STATEKEYLABORATORYOFGANSUADVANCEDNONFERROUSMETALMATERIALS，LANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，LANZHOU730050，CHINA；2KEYLABORATORYOFNONFERROUSMETALALLOYSANDPROCESSINGOFTHEMINISTRYOFEDUCATION，LANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，LANZHOU730050，CHINAABSTRACTZRO72CU028MA1Z0，2，4，6，8，1O，12，14ALLOYRODSWEREPREPAREDWITHTHEINGOTBYCOPPERMOLDWITHSUCTIONCASTINGMETHODTHEGLASSFORMINGABILITY，ANDTHERELATIONOFTHESECONDPHASEANDCOMPRESSIVEMECHANICALPROPERTYWEREINVESTIGATEDTHERESULTSSHOWTHAT，THEGLASSFORMINGABILITYOFALLOYINCREASESWITHTHEINCREASINGOFA1CONTENT；VOLUMEFRACTIONANDGRAINSIZEO