（材料学专业论文）电流直加热法制备sicpmg复合材料研究.pdf

at h e s i si nm a t e r i a l ss c i e n c e r e s e a r c ho ft h e p r e p a r a t i o no f p a r t i c u l a t e r e i n f o r c e dm a g n e s i u mm a t r i x c o m p o s i t e sb y d i r e c tc u r r e n th e a t i n g b y z h a ix i u l i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gf a n g n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 j 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 芷 思o 力 学位论文作者签名：妒 日 期：矿j i 学位论文版权使用授权书一 一 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半0 h - 学位论文作者签名： 签字日期： 一t - 3 签字日期： q ，) 口m铀 1 聊 獬币j y导 一 。 ， - 东北大学硕士学位论文 摘要 电流直加热法制备s i c p m g 复合材料研究 摘要 本文采用电流直加热法和普通热压法，以纯镁为基体，以s i c 颗粒为增强相，制备 了s i c 颗粒增强镁基复合材料。研究了各种工艺条件和s i c 颗粒参数对复合材料微观组 织及性能的影响。对所制备材料的致密度、维氏硬度和拉伸性能进行测试，采用s e m 、 e d s 和x r d 等分析检测技术对材料的微观组织和断口进行分析。 实验结果表明不同加热工艺和不同s i c 颗粒参数会对复合材料的性能产生影响。 普通热压烧结工艺中，s i c r , m g 复合材料的致密度和硬度随着烧结时间的延长而增 高。烧结温度为5 7 0 c 、保温时间为2 0 m i n 时，制备的s i c o m g 复合材料性能比其它普 通烧结工艺性能好，但是性能不如电流直加热烧结工艺，且烧结时因传热不均造成组织 不均匀，烧结时间长。 通过对不同的电流直加热工艺的研究发现，电流直加热采用脉冲循环总时间为 3 0 0 s ，脉冲循环总次数为1 0 0 次，其中脉冲烧结时间为2 0 0 s 的工艺最佳。在此工艺参 数下最有利于材料性能的提高。在此实验条件下，s i c 个m g 复合材料的性能远远高于另 外三组电流直加热工艺参数下制备出样品的性能。 通过对s i c p m g 复合材料中s i c 颗粒参数不同时性能的研究表明：随着s i c 颗粒加 入量的增加，复合材料的硬度和致密度也呈增加趋势，当s i c 颗粒体积含量为1 5 时硬 度和致密度达到最高；但s i c 颗粒含量在1 0 时抗拉强度；在此含量时，经预氧化处理 且颗粒尺寸为1 3 t m 的s i c 对基体的增强效果最好，致密度为9 7 5 6 ，硬度为h v 5 5 7 0 ， 样品的硬度比基体提高了5 4 8 ，拉伸强度达到1 4 7 m p a ，比基体提高了5 4 7 。 综上所述，采用电流直加热热压烧结工艺制备s i c p m g 复合材料能获得较为理想的 性能，且制备周期短，工艺简单，是制备s i c p m g 复合材料的有效手段。 关键词：镁基复合材料；颗粒增强；电流直加热；热压烧结 1 - p f r e s e a r c ho fp r e p a r a t i o n o fs i cp a r t i c u l a t er e i n f o r c e dm a g n e i s u m m a t r i xc o m p o s i t e sb y d i r e c tc u r r e n th e a t i n g a bs t r a c t i nt i f f sp a p e r ，s i cp a r t i c u l a t er e i n f o r c e dm a g n e s i u m m a t r i xc o m l z l o s i t e sw e r ep r e p a r e d b y c o n v e n t i o n a lh o tp r e s ss i n t | e r i n gp r o c e s s a n ds p e c i m e nc u r r e n th e a t i n gh o tp r e s ss i n t e n n g p r o c e s s t l l ei n f l u e n c eo nt h ep r o p e r t i e so fv a r i o u sp r o c e s s c o l l d i t i o n sa n dp a r 锄e t e r so t s i l i c 。nc 加。np a r t i c l e sh a v eb e e ns t u d i e d p r o p e r t i e s s u c ha sd e n s i t y ，v i c k e r sh a r d n e s sa n d t e n s i l e s t r e n 垂h w e r em e a s u r e d t oe v a l u a t e t h e o p t i m a lp r o c e s s p a r a m e t e r s ln e m i c r o s t m c t l 】r e ，f a c t u r es u r f a c e s 。fs i c p m gc o m p o s i t e s 、e r e a l s 。s t u d i e db ys e m ，e d sa n d x r dt e c h n o l o g i e s f i r s t 。fa 1 1 ，p u r em a g n e s i 眦p 。w d e r sa n ds i cp a r t i c l e s w e r em i x e db yb a l lm i l l i n g t o m a k eah o m 。g e n e 。u sm i 舢e t h e n t h es i c p m gc 。m p o s i t e sw e r ep r e p a r e db yt w od i f f e r e n t h o tp r e s ss i n t e r i n gp r o c e s s e s 卟ed i f f e r e mh o tp r e s ss i n t e 血gp r o c e s s c 。n d i t i 。n sa n dt h e f e a s i b i l i t yo fs i c p m gc o m p o s i t e s p r e p a r i n gb y c u n e n th e a t i n gh o tp r e s ss i n t e r i n gp r o c e s s 。二。w e v e 脚w ep r e p a r et h es i c c q v l g c o m p s o h s 。i t 岫e sb y 眦t h e s p e c i m e nc u r r e n t p - h m e 叫a t i n g 。e s h o 。t p r e 龇s s s i n t e r i n g p r o c e s 。s , m t h e 黼p r o c t h e e s s i n 锄gt i m 帅e i s i = 附t h e m e c n a n l 。_ ：= “q ： c o m p o s i t e ，? 零絮兰三= 瓮1 盖篙鼢c u r r e n t - h e a t i n g ；h o t p r e s s s l l l t c 一- l l l l g l - j j l w i t h p u l s esn t e r i n gt o r z o os e c o n u p u l s e c y c l i cf o r 3 0 0s e c o n d s ，t o 咖伽2 竺= 1 笼懈t h 姐1 距yo t h e r p r o c e 斌s i nt h i s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fs i c p m gc o m p o s l t e s 1 sd e e 11 a 1 1m 1 了 ”“ r 一一 i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e i n v e s t i g a t i o n o fs i l i c o nc a r b o n p a r t i c l e s s h o w st h a t ，m e c h a n i c a l p a r t i c l e s p a r a m e t e r s t h a t ， p r o p e r t i e so ft h es i c p m gc o m p o s i t e si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s i n gs i cp a r t i c l e s c o n t e n ti na l i m i t e dv o l u m ep e r c e n t a g e ，a n dv o l u m ep e r c e n t a g eo f10 i st h eb e s t u n d e rt h i sc o n d i t i o ni f t h es i cp a r t i c l e sw i t ha p r e o x i d a t i o nt r e a t m e n ta l s ow i t has i z eo f13 u n ，t h er e s u l ti sb e s t t h e b e s tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa c h i e v e ds of a ra r et h a tc o n s i s t e n c yi s9 7 5 6 ，v i c k e r sh a r d n e s si s h v 5 5 7 0a n db e n ts t r e n g t hi s1 4 7 m p a t h em a i nc a u s e sa r et h a to w i n gt ou s i n gi n s u l a t i o n m o u l d ，s i c p m gc o m p o s i t ec a nb ep r e p a r e db yi n s t a n t a n e o u sh i g ht e m p e r a t u r eg e n e r a t e db y e l e c t r i cc u r r e n t - h e a t i n g i ti ss h o w nt h a tg o o dp r o p e r t i e so ft h es i c p m gc o m p o s i t e sc a nb ea c h i e v e db yt h en e w a p p r o a c ho fd i r e c tc u r r e n t - h e a t i n gh o tp r e s s i n gp r o c e s sw i t h i nas h o r tt i m e t h ep r o c e s si s e f f i c i e n c ya n ds h o w sg r e a tp o t e n t i a li nf u t u r et om a n u f a c t u r em gm a t r i xc o m p o s i t e s k e yw o r d s ：m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e s s i l i c o nc a r b i d ep a r t i c l e sr e i n f o r c e d d i r e c tc u r r e n th e a t i n gh o tp r e s s i n g i v 1 p f 信 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i l l 第1 章绪论1 1 1 镁及镁合金1 1 1 1 镁的性质及其应用1 1 i 2 镁合金的性能及其研究方向1 1 2 镁基复合材料3 1 2 1 镁基复合材料中的基体相4 1 2 2 镁基复合材料中的增强相4 1 2 3 颗粒增强镁基复合材料的增强机理7 1 2 4 镁基复合材料的性能研究7 1 2 5 镁基复合材料的应用状况9 1 3 颗粒增强镁基复合材料的主要制备方法1 0 1 3 i 粉末冶金法( p o w d e rm e t a l l u r g y ) 1 0 1 3 2 搅拌铸造法( c o m p o - c a s t i n g ) 1 0 1 3 3 原位反应自生增强法( i n - s i t ur e a c t i o ns y n t h e s i s ) 。1 1 1 3 4 熔体浸渗法1 2 1 3 5 喷雾沉积法( s p r a yd e p o s i t i o n ) 1 2 1 3 6 其他制备工艺1 2 1 4 电流直加热概述1 3 1 4 1 电流对金属材料的影响1 3 1 4 2 脉冲电流烧结机理的研究进展1 4 1 5 颗粒增强镁基复合材料制备存在的问题1 6 1 6 本课题研究的目的和内容1 7 v 东北大学硕士学位论文 目录 1 6 1 本课题研究的目的1 7 1 6 2 本课题的研究内容1 7 第2 章实验方法与设备1 9 2 1 实验原料1 9 2 1 1 基体原料的选择1 9 2 1 2 增强体原料的选择2 0 2 1 3 润滑剂的选择2 1 2 2 实验方法与工艺2 l 2 2 1 实验方法2l 2 2 2 实验工艺流程图2 1 2 3 实验设备2 2 2 3 1 电流直加热烧结热压炉2 2 2 3 2 电流直加热烧结装置。2 3 2 4 样品的表征2 3 2 4 1x 射线衍射分析( x r d ) 2 3 2 4 2 扫描电镜和能谱分析( s e ma n de d s ) 2 3 2 5 性能测试2 4 2 5 1 致密度2 4 2 5 2 维氏硬度2 4 2 5 3 拉伸性能测试2 4 2 5 4 磨擦磨损实验2 5 2 6 本章小结2 6 第3 章烧结工艺对复合材料性能的影响。2 7 3 1 引言2 7 3 2 普通热压工艺对s i c p m g 复合材料性能的影响2 7 3 2 1s i c p m g 复合材料的普通热压烧结2 7 v i 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 2 烧结温度对s i c p m g 复合材料密度和致密度的影响2 7 3 2 3 烧结时间对s i c p m g 复合材料密度和致密度的影响2 9 3 3 电流直加热热压工艺对s i c p m g 复合材料。l i + 工1 - - 台日匕e , 的影响3 0 3 3 1 电流直加热工艺对s i c p m g 复合材料致密度和硬度的影响3 1 3 3 2 电流直加热工艺对s i c p m g 复合材料拉伸强度的影响3 4 3 3 3 不同工艺下s i c p m g 复合材料的断1 2 1 形貌3 5 3 4 本章小结3 7 第4 章增强颗粒对复合材料性能的影响3 8 4 1 引言3 8 4 2s i c 颗粒体积含量对s i c p m g 复合材料性能的影响3 9 4 2 1s i c 颗粒含量对s i c p m g 复合材料致密度和硬度的影响3 9 4 2 2s i c 颗粒体积含量对s i c p m g 复合材料拉伸性能的影响4 0 4 2 3s i c 增强颗粒含量对s i c p m g 复合材料耐磨性能的影响4 l 4 3s i c 颗粒尺寸对s i c p m g 复合材料性能的影响4 3 4 3 1s i c 颗粒尺寸对s i c p m g 复合材料致密度和硬度的影响4 3 4 3 2s i c 颗粒尺寸对s i c p m g 复合材料拉伸性能的影响。4 4 4 4s i c 颗粒预处理状态对s i c p m g 复合材料性能的影响4 6 4 4 1s i c 颗粒预处理状态对s i c p m g 复合材料致密度和硬度的影响4 6 4 4 2s i c 颗粒预处理状态对s i c p m g 复合材料拉伸性能的影响4 8 4 5 本章小结5 2 第5 章结论5 3 参考文献5 4 致谢6 0 - v i i - 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 镁及镁合金 1 1 1 镁的性质及其应用 第1 章绪论 镁是常用金属中最轻的一种，也是地壳中含量最丰富的元素之一，约占地壳总重量 的2 5 ，仅次于氧、硅、铝、铁等元素，居第八位。镁的熔点是6 5 1 ，密度1 7 4 c m 3 ， 仅为铝的2 3 ，钢的l 4 。由于其化学性质活拨，在自然界中仅以化合物形态存在【l 】。镁 矿物大致可分为硅酸盐、碳酸盐、氯化物及硫酸盐四大类。镁的化合物不仅广泛的分布 于陆地上，还大量的蕴藏在海水、盐泉和湖泊中，其中海洋里的镁含量是0 1 3 ，其供 应量可以说是无限的，且含量均匀，可用高标准化的方法提取，海水是现今镁的主要来 源。我国镁资源丰富，分布广泛，菱镁矿的质量和储量均居世界第一位，矿床主要分布 在辽宁、山东，其次是四川、河北等地。 镁为碱土金属中最轻的结构金属，和铝一样同属有色金属，其主要物理性能如表 1 1 所示【2 】。镁的比重比铝小，比热和膨胀系数较大；弹性模量在常用金属中是最低的。 镁电化学活性很强，电动序在常用金属中是最低一位。所以，镁的抗蚀性很差。镁在潮 气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀，而与其他金属接触时，会发生接触 腐蚀。固态镁易发生氧化，熔镁则易发生燃烧。镁的切削性能十分良好。但由于镁的晶 格属于密排六方晶系，其机械性能低，不能做结构材料使用【3 】。 表1 1 镁的主要物理性能数据 t a b l e1 1p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e s i u m 纯镁的力学性能低，不能做结构材料使用。在工业上，纯镁除了少部分用于化学工 业、仪表制造及军事工业外，主要用于制造镁合金以及生产镁铝合金的合金元素。目前 世界上的原镁产量约有2 8 用于制造镁合金，4 5 用于制造铝合金，其余用于生产某些 合金的还原剂、脱氧剂及变质剂等。 1 1 2 镁合金的性能及其研究方向 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 2 1 镁合金的性能和分类 金属镁有其显著的优点：密度小、比强度高、易加工等，但同时又有耐蚀性差、耐 磨性差以及易燃等缺点。纯镁的机械性能低不能做结构材料使用。基于实际应用中不同 的需求，既考虑不破坏金属镁本身密度小的优点，又要满足耐磨、耐蚀、阻燃等要求， 针对不同的目的就出现了不同特性的镁合金【4 1 。 镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料。纯镁的密度为1 7 4 x 1 0 3 k g m 3 ，普通镁 合金的密度为( 1 3 1 9 ) x 1 0 3 k g m 3 ，最轻的镁合金( m g l i 合金) 的密度仅为 0 9 5 x 1 0 3 k g m 3 ，可漂浮于水上。常规镁合金比铝合金轻3 0 , - 一5 0 ，比钢铁轻7 0 以上， 应用在工程中可大大减轻结构件质量。 镁合金具有高的比强度和比刚度。其比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和 钢，能够承受较大的负荷。与工程塑料相比，虽然工程塑料尤其是纤维增强塑料的比强 度最高，但其弹性模量很小，比刚度远小于镁合金。 镁合金具有良好的铸造性和尺寸稳定性。镁与铁的反应性低，压铸时压铸模的熔损 小，铸模的使用寿命长；镁在单位容量下的热焓低，其压铸速度比铝高，且镁铸件的铸 造和加工尺寸精度高，可进行高速机械加工，生产效率高，成本低，适于汽车工业的大 批量生产。 镁合金具有良好的阻尼和吸震、减震性能。在弹性范围内，镁合金件受到冲击载荷 时，吸收的能量比铝合金件大一倍，所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。 镁合金在一定条件下可获得满意的耐腐蚀性。其在碱性环境下是稳定的，但在酸性 和氯气环境下易腐蚀。镁有较高溶解电位，在与其它金属材料接触并有电解液存在时镁 合金会产生电腐蚀，在应用于零部件中时也要注意其应力腐蚀。 镁合金的焊接强度大，约为其自身强度的9 5 ，可用于制造复杂结构零件，且耐磨 性也较好。 镁合金具有良好的电磁干扰屏蔽性能。 镁合金制件的回收成本较低，费用少。 镁合金是按合金化学成份、成形工艺以及合金中是否含有锆三个标准来分类的【5 1 。 按照合金的化学成份，镁合金可分为二元、三元或多元合金。一般地，依据镁与其 中的一个主要合金元素将镁合金化分为m g a 1 、m g m n 、m g z n 、m g i 也、m g a g 、 m g t h 、m g - l i 、m g a 1 一z n 、m g z n z r 等系列。 按照镁合金的成形工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。铸造镁合 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 金比变形镁合金使用得更多，是航天工业应用最广泛的一种轻合金。用镁合金铸件代替 铝合金铸件，在强度相等的条件下，可使工件的重量减轻2 5 - - 一3 0 。 镁合金又可以依据是否含有锆分为含锆和不含锆两大类，其中含锆镁合金主要有 m g z n z r 、m g - r e z r 、m g t h - z r 、m g a g - z r 等系列；不含锆镁合金主要有m g a i 、 m g - m n 、m g - z n 等系列。 1 1 2 2 镁合金的研究方向 目前镁合金的研究热点大部分主要集中在以下五个方面：( 1 ) 耐高温性能的改善；( 2 ) 抗腐蚀性能的提高；( 3 ) 塑性变形能力的改善；( 4 ) 韧性及阻燃性的改善；( 5 ) 镁基复合材 料。 舢在固态镁中具有较大的固溶度，主要用于改善镁合金压铸件的可铸造性，并提 高铸件强度；z n 主要用于提高铸件的抗蠕变性能，但含量大于2 1 5w t 时则对合金的 防腐性能有负面影响，因此原则上含量一般控制在2 州以下；在镁合金中加入1 o w t 2 1 5w t 的m n 主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向，从而提高耐腐蚀性能和 改善合金的焊接性能，同时可略微提高合金的熔点；z r 主要用于改善压铸件的热稳定 性与抗蠕变性能主要起细化晶粒，提高机械性能和耐蚀性的作用，在镁合金中加入0 1 5 w t - - - 0 1 8w t 的z r ，其细化晶粒效果最好，而且它也是阻燃镁合金的主要添加元素； c a 可细化组织，使蠕变抗力有所提高，并进一步降低了成本，也可在熔炼时起阻燃作 用；u 起固溶强化作用，降低密度，提高延伸率，但它强烈地降低耐腐蚀性。 镁合金高温力学性能的提高对拓宽其应用领域，尤其是在航空航天、汽车工业等领 域进一步增加镁合金的应用范围，具有十分重要的意义。但是对镁及镁合金而言，自身 仍有许多缺点，镁合金的发展受限制的原因之一是性能差，并且由于缺乏发展研究而造 成的进一步落后。镁合金在室温和高温时表现出较低的抗拉强度、低的弹性模量及低抗 疲劳性，这阻碍了镁合金在工程材料中的应用。而镁基复合材料是克服镁的性能弱点的 有效方法，镁基复合材料具有更高的比强度、比刚度，同时还具有较好的耐磨性、耐高 温性能。所以，相比镁合金，镁基复合材料具有更大的潜在的应用前景。 1 2 镁基复合材料 镁基复合材料密度 1 8 x 1 0 3 k e , m 3 ，仅为铝或锚基复合材料的2 3 左右，具有高的 比强度和比刚度以及优良的力学和物理性能，在新兴高新技术领域中比传统金属材料和 钭j 基复合材料的应用潜力更大，因此，白2 0 世纪8 0 年代未，镁基复合材料己成为会属 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 基复合材料领域的研究热点之一【豇8 1 。过去对该材料的大量研究工作主要针对国防和航 天应用的需要，随着新型制造工艺的研究发展，镁基复合材料在航天航空、汽车、核工 业、运动娱乐以及其他先进的工程方面得到了更广泛的应用【1 1 。目前关于镁基复合材料 的研究工作主要集中于材料组成、制备工艺和材料组织及性能等方面。 1 2 1 镁基复合材料中的基体相 镁基复合材料要求基体组织细小、均匀，基体合金使用性能良好【9 1 。根据镁基复合 材料的使用性能，对侧重铸造性能的镁基复合材料可选择不含z r 的铸造镁合金为基体； 侧重挤压性能的则一般选用变形镁合金。这些基体镁合金主要有镁铝锌系( a z 3 1 、a z 6 1 、 a z 9 1 ) 、镁锌锆系、镁锂系、镁锌铜系( z c 7 1 ) 、镁锰系、镁稀土锆系、镁钍锆系和镁钕 银系等。纯镁的强度较低，不适合作为基体。 1 2 2 镁基复合材料中的增强相 一般复合材料增强体的选择要求与基体合金的物理、化学相容性好，不仅使增强相 在基体中均匀分布，而且使增强相在金属基体中能够和基体结合良好。长纤维增强金属 基复合材料性能好，但造价昂贵，不利于向民用工业发展，另外材料各向异性也是阻碍 因素之一。颗粒增强金属基复合材料各向同性，有利于进行结构设计，可以二次塑性加 工成型，可进一步时效强化，并且有高的强度、模量、硬度、尺寸稳定性、优良的耐磨、 耐蚀、减震性能和高温性能，已日益引起人们的重视。 目前常见的颗粒增强镁基复合材料的添加颗粒主要包括硅化物、碳化物、氧化物、 氮化物等。 1 2 2 1 硅化物镁复合材料 硅化物镁复合材料的添加颗粒主要包括m 9 2 s i 、w s i 2 、c r s i 2 以及t i s i 2 等，日本研究 做了大量工作。m i r a m a t s u 等人【1 0 1 将纯镁粉( 平均粒度1 1 2 饥m ) 与不同含量的硅粉混合 均匀，经过冷压，5 8 0 v 烧结制备m 9 2 s i m g 复合材料。研究结果表明，其硬度和摩擦系 数均随着硅含量增加而增大。l u 等人【1 l l 通过l f i j m g 、a l ( 9w t ) 粉末中分别加入不同 含量的s i 粉末( 平均粒度3 吮m ) ，利用机械合金化和固态反应法制备了m 9 2 s i 增强镁基 复合材料。研究发现，晶粒大小随着球磨时间增加而减小；屈服强度和硬度随球磨时f 日j 延k 平i i m g _ , s i 含量增加而提高。k - i 于m g 表面易氧化生成m g o ，而阻止m g 与s i 的结合。但 m g o 表面膜具有多孔性质，施加较小外力即町将其破坏除掉。 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 y a m a z a k i 等人【1 2 】采用粉末冶金方法，按纯硅5w t 的标准，通过向a z 9 1 基体中分 别添加w s i 2 、c r s i 2 、t i s i 2 ( 平均粒度犁m 和m ) 颗粒，利用w s i 2 、c r s i 2 、t i s i 2 可与基 体镁进一步反应生成m 9 2 s i ，制备多种硅化物颗粒复合增强镁基材料。3 种复合材料经挤 压后，基体晶粒约2 0 0 n m 左右，m 9 2 s i 颗粒尺寸约5 0 n m ，硬度和屈服强度均显著提高。 尤其是a z 9 1 t i s i 2 体系，室温下其h v 硬度和压缩屈服强度分别达到1 4 1 0 m p a 、6 5 7 m p a 。 1 2 2 2 碳化物镁复合材料 镁基复合材料的常用碳化物添加颗粒主要包括s i c 、t i c 和b 4 c ，其中s i c 使用最为广 泛。由于s i c 颗粒本身粒度、添加量以及制备方法不同，使制备i 拘m g s i c 复合材料的结 构和性能也存在较大差异。s e s h a n 等人【1 3 1 采用压铸法制备了平均粒度2 吮m 、1 5v 0 1 s i c 颗粒增强的a m 6 0 和a z 9 2 复合材料。经t 5 处理后s i c a m 6 0 和t 6 处理后的s i ( a z 9 2 复合 材料，室温屈服强度比原合金分别增加了1 1 、4 抗拉强度却都有约1 0 的下降，这 可能是硬度高的脆性s i c 处于相对软的基体镁中而引起微观裂纹的萌生所致。k u m a r a 等 人【1 4 】采用喷射沉积法制备t 5 6v 0 1 和1 6 3v 0 1 的s i c 颗粒( 平均粒度2 瓤m ) 增强纯 镁基复合材料，并研究了它们在不同载荷( 2 n , - 一1 0 n ) 下的摩擦化学反应机制。结果表明， 高体积分数的s i c 颗粒较大地提高了基体的耐磨性能。为了了解s i c 颗粒增强镁基复合材 料在应力下的断裂和失效行为，李晓军等人【1 5 1 采用有限元软件f e p g 模拟t s i c 颗粒增强 镁基复合材料中实际形状的增强体周围的微区应力场。结果表明，不同形状的增强体颗 粒附近的微区应力场差异很大，个别颗粒会在低应力下失效。当增强体的体积分数较小 时，每个增强体的微区应力场受其它增强体影响不大。柴东朗等人【1 6 】采用三维有限元模 型分析了s i c 颗粒增强镁基复合材料中，s i c 颗粒的分布形态对材料微区力学状态的影 响。结果表明，颗粒的分布状态对材料的应力分布有很大影响，但并未彻底改变材料的 失效方式。在保持颗粒长径比和颗粒间距不变的情况下，颗粒本身不会断裂，材料的主 要失效方式为界面脱离和基体丌裂。d o n g 等k 17 l 直接把t i 粉和c 粉混合后制成预制件， 通过无压渗透法原位合成t t i c m g 复合材料。结果表明，温度越高越能促进原位反应的 进行。j i a n g 等j l l l 8 】采用向镁熔体添力h t i c a i 中i 日j 载体合金，通过自蔓延反应和半固念铸 造方法制备1 0v 0 1 t i c a z 9 1 复合材料，布氏硬度和抗拉强度分别达到8 3 0 m p a 和 2 1 4 m p a 。耐磨性实验表明，不同载荷下的磨损率l l a z 9 1 约减少5 0 左右。j i a n g 等) l 1 9 l 采用粉未冶会法制备了不同b 4 c 体积含量的镁基复合材料，b 。c 颗粒在基体中呈链状分 布，并生成了少量m g o 和m g b 2 。复合材料的硬度和耐磨性能均随着b 4 c 含量提高而增加， 2 0v 0 1 b 4 c m g 的前i 氏硬度达1 3 3 3 m p a ，耐磨性实验表明，磨损率比纯m g 减少约7 5 左 与 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 右。 1 2 2 3 氧化物镁复合材料 氧化物镁复合材料的添加颗粒主要包括s i 0 2 、m g o 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、m n 0 2 等。由 于s i 0 2 的成本比s i f 氐很多，研究者便考虑向m g 及其合金中添加少量的s i 0 2 来制备m 9 2 s i 与m g o 相复合增强m g 基材料。d u 等人【2 0 l 利用d s c 技术计算出t m g 与s i 0 2 的反应热为 q = 一7 0 5 k j ，表i j y j m g 可将s i 0 2 还原；并采用反复塑性变形技术及固相反应法制备了 ( m 9 2 s i + m g o ) m g 复合材料。 4 m g + s i 0 2 专尬2 & + 2 m g o ( 1 1 ) 相比传统粉末冶金方法，该方法降低了固相反应温度，并使增强颗粒的尺寸变小， 在基体中分布的均匀性显著提高。 l i m 2 1 1 矛l h a s s a n 等人【2 2 】采用喷射沉积技术制备了含0 2 2v 0 1 1 1 1v 0 1 纳米 舢2 0 3 颗粒的镁基复合材料。结果发现该材料的延性高于纯镁；纳米颗粒比微米颗粒对 其力学性能的贡献更大，随a 1 2 0 3 体积含量提高，其耐磨性能逐渐提高。 y a m a z a k i 等人【2 3 1 利用机械合金化方法，向a z 9 1 合金中，按含氧5w t 的标准，分 别添力h f e 2 0 3 、m n 0 2 等颗粒，由于f e 2 0 3 、m n 0 2 可与基体中的镁和铝进一步反应生成m g o 和f e 、a i m n 等金属间化合物，最终制得多种颗粒复合增强镁基材料。挤压后的基体 晶粒尺寸约2 0 0 n m ，并发现尺寸约2 0 n m 的金属间化合物，硬度和屈服强度均显著提高， 尤其是a z 9 1 m n 0 2 体系，室温下其h v 硬度、压缩屈服强度分别达到1 5 6 0 m p a 、5 9 6 m p a 。 1 2 2 4 硼化物镁复合材料 硼化物镁复合材料的添加颗粒主要包括t i b 2 、z r b 2 等，其q b t i b 2 采用较多。m a t i n 等人【2 4 】从热力学角度对m g 与l f 4 和k 2 t i f 6 两种盐之间的多种可能的化学反应进行了计 算评估，认为t i b 来源于以下两个反应，而并非k b f 4 和k 2 t i f 6 直接反应。 8 k b f , ( ) + 1 0 m g 号m 9 8 ( b f 4 ) 2 ( ，) + m g b 6 + 8 r 口( z ) + 8 m g f 2 ( 1 )( 1 2 ) m g ( b f 4 ) 2 ( ，) + 2 k 2 z z 瓦( ，) + 7 m g = 争2 t i b + 4 k f ( ) + 8 m g f 2 ( i ) ( 1 3 ) w a n g 等) , , t 2 5 】通过粉末冶金法直接向m g 粉中添加t i b 2 颗粒制备了t i b 2 m g 复合材 料。观察至l j t i b 2 在基体中分布均匀，基体与t i b 2 界面上有少量氧存在。其硬度和耐磨性 能均随添加材含量增多而提高，3 0v 0 1 t i b 2 m g 的硬度比纯镁提高1 8 1 左右。 1 2 2 5 氮化物镁复合材料 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 氮化物镁复合材料的添加颗粒主要包括a i n 、m 9 3 n 2 等。这类镁基复合材料技术研 究目前还很不成熟，少数研究者做了一些开创性的工作。y e 等人【2 6 1 分别采用向m g a i 熔体中添 j i j m 9 3 n 2 和m g a i 熔体直接渗氮2 种方法合成了a 1 n 增强镁基复合材料。直接向 m g - a i 熔体中添 j i j m 9 3 n 2 、a 1 n 可在7 0 0 。c 生成，但在基体中分布很不均匀，且颗粒粗大。 直接渗氮法考察了熔体温度、a l 含量等因素对氮化反应的影响，认为大部分的a i n 来源 于m g 熔体中的a l 置换了最先生成的m 9 3 n 2 ，而n 2 却很难与溶质a l 直接反应。 1 2 3 颗粒增强镁基复合材料的增强机理 纳米级颗粒增强镁基复合材料的增强机理缘于基体中存在的高密度位错和晶粒细 化作用。由于增强体与基体合金之间热膨胀系数不匹配，在复合材料制备的冷却过程中， 将会在界面及近界面处产生热错配残余应力，引起基体发生塑性流变，产生高密度位错。 高密度位错的存在将引起位错强化，提高复合材料的拉伸强度和刚度，也是高阻尼能( 位 错钉扎与脱扎) 的基础。还有研究【2 7 】表明，增强体的引入还有细化晶粒的作用。复合材 料基体合金的晶粒细化作用机制通常有三种：一是基体合金初生相在增强体表面的非均 匀形核机制；二是基体合金与增强体表面的界面热交换；三是细小间距的增强体能够限 制基体晶粒过分长大。这些机制使得镁基复合材料的晶粒小于镁合金的晶粒度。而对于 微米级的颗粒增强镁基复合材料，载荷传递强化是主要的强化机制。即载荷由基体传递 给颗粒，由颗粒有效地承担载荷。 垆 1 2 4 镁基复合材料的性能研究 相对于传统金属材料和铝基复合材料，有关镁基复合材料的组织与性能的研究目前 虽然已经取得了一定的成果，但还不够全面深入，力学性能数据分散性也比较大，仍处 于探索性研究阶段。目前已有研究者围绕镁基复合材料的力学性能、物理性能及腐蚀性 能做了一些工作，力学性能的研究主要集中于复合材料的拉伸与压缩性能、疲劳与蠕变 性能、耐磨性能、时效特性以及低温与高温超塑性等方面。物理性能方面的研究则主要 包括热学性能、阻尼性能和储氢性能等。同时材料工作者对镁基复合材料的耐磨性能和 疲劳断裂机理也进行了更深入的研究。 表1 2 t 2 8 l 所示为铸态s i c p 眦9 l 镁基复合材料的室温拉伸性能。可以看出，与基体合 金相比，复合材料的延伸率下降，s i c 颗粒增强的复合材料的弹性模量随含量的增加有 所提高，1 9 6 s i c 颗粒增强的复合材料的抗拉强度减小。 - 7 - 表1 2 铸态s i c p a z 9 1 复合材料的室温拉伸性能 t a b l e1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa s c a s ts i c p a z 91c o m p o s i t e ( r o o mt e