（材料加工工程专业论文）alsi熔体中原位反应合成sic颗粒的研究.pdf

潮 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垄垄奎 日期：盈垒尘呈土 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盔查耋导师签名：期：丝壁! 竺：三呈 山东大学硕士学位论文 目录 e jj 5 之i c o n t e n 纽i i i 摘要。l a b s t r a c t i l i 第一章绪论1 1 1 金属基复合材料的发展现状1 1 2 增强体的选择。4 1 3s i c 颗粒增强铝基复合材料的应用。6 1 4 制备方法。7 1 5 目前国内外研究热点9 1 6 课题研究的内容及其意义。l0 参考文献一1 2 第二章试验材料与研究方法l5 2 1 引言。l5 2 2 技术路线。l5 2 3 试验用原材料1 6 2 4 试验设备及检测仪器1 6 2 5 抗拉强度性能测试1 7 2 6 合金磨损试验l7 2 7 合金宏观硬度试验l8 2 8 金相试样的制备与分析1 8 第三章t i c 。在a 卜s j 熔体中演变及s i c 颗粒的原位合成l9 3 1 引言l9 3 2t i c ，在不同s i 浓度的a l - s i 熔体中的演变l9 3 3 工艺参数( 反应温度和保温时间) 对s i c 合成规律的影响2 2 3 4t i c x 与s i 原位反应合成s i c 的热力学分析2 6 3 5 本章小结2 7 参考文献2 9 第四章a 1 4 c 3 原位合成s i c 及其反应机制初探。3l 4 1 引言3l 4 2a 1 4 c 3 在a i s i 熔体的演变3l 4 2 1a h c 3 的制备及熔体法制备a l c 合金3l i 山东大学硕士学位论文 4 2 2h h c 3 在a j 心i 熔体中的演变3 3 4 3 反应时间和铝熔体s i 浓度对a h c 3 演变的影响3 5 4 3 1 反应时间对a h c 3 演变规律的影响3 5 4 3 2 铝熔体s i 浓度的改变对熔体中a h c 3 演变规律的影响3 6 4 4a h c 3 转变为s i c 颗粒的原位反应机制探讨以及模型建立3 7 4 5 试验验证熔体中单向扩散反应机制3 8 4 6 本章小结。3 9 参考文献4 0 第五章原位合成s i c 颗粒增强a 卜s i 合金力学性能初步研究4 2 5 1 引言4 2 5 2 原位合成s i c 增强a l - l g s i 复合材料的制备4 3 5 2 1 原位合成s i c 增强a l - 1 8 s i 复合材料的制备工艺4 3 5 2 2 ( s i c + t i b 2 ) 增强a l - l g s i 复合材料的相分析4 4 5 2 3 ( s i c + t i b 2 ) 增强a l l8 s i 复合材料的微观组织分析4 4 5 2 4 ( s i c + t i b 2 ) 增强a l l8 s i 复合材料的力学性能分析4 6 5 - 3 原位合成s i c 增强a l - s i 基活塞合金的制备4 8 5 3 1 原位合成s i c 增强a l _ s i 基活塞合金的制备流程4 8 5 3 2 原位合成s i c 增强a l s i 基活塞合金的微观组织4 9 5 3 3 原位合成s i c 增强a l _ s i 基活塞合金的拉伸性能分析5 0 5 3 4 原位合成s i c 增强a l s i 基活塞合金的耐磨性能分析5 3 5 4 本章小结5 6 参考文献5 7 第六章结论5 9 致 射6 l 攻读硕士学位期间的学术成果及所获奖励6 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 3 授权发明专利6 3 学术会议。6 3 参研主要项目。6 3 攻读硕士学位期间所获奖励“ n 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c o n t e n t s i a b s t r a c t 。i a b s t r a c t 1 1 1 c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h eb a c k g r o u n do f m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s “1 1 2t h ec h o o s eo fr e i n f o r c e m e n t s 4 1 3t h ea p p l i c a t i o no fs i c pr e i n f o r c e da l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e s 5 1 4t h ef a b d c a t i o np r o c e s so f a m c s 6 1 5t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fs i cp h a s e s 7 1 6t h ec o n t e n t sa n ds i g n i f l c a n c e so ft h ew o r k 9 r e f e f e n c e s 10 c h a p t e r2e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n dt e s t i n gm e t h o d 15 2 1f o r e w o r d ：15 2 2t c c h n i c a lr o u t e l5 2 3e x p e r i m e n t a lr a wm a t e r i a l s 1 6 2 4e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s0 女：t e s t i n gm a c h i n e s 16 2 5t e n s i l es t r e n g t ht e s t i n g 17 2 6w e a r l o s st e s t i n g 17 2 7r o c k w e l lh a r d n e s st e s t i n g 18 2 8t h ef a b r i c a t i o na n da n a l y s i so fm e t a l l o g r a p h i c a ls a m p l e s 18 c h a p t e r 3t h ee v o l u t i o no ft i c ii na h s im e l t sa n dt h ei n - s i t us y n t h e s i so fs i cp a r t i c l e s 19 3 1f o r e w o r d 1 9 3 2t h ee v o l u t i o no f t i c xi na o s im e l t sw i t hd i f f e r e n ts ic o n t e n t s 1 9 3 3t h ei n f l u e n c eo f p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h es y n t h e s i sr u l eo fs i c 2 2 3 4t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so fs y n t h e s i so f s i cb e t w e e nt i c xa n ds i 2 6 3 5c h a p t e rc o n c l u s i o n s 2 7 r e f e r e n c e s 2 9 c h a p t e r4t h ei n - s i t us y n t h e s i so fs i cv i ae v o l u t i o no f a l 4 c 3 3 1 4 1f o r e w o r d 31 4 2t h ee v o l u t i o no f a h c 3i na l s im e l t s 31 4 2 1t h ep r e p a r a t i o no f a h c 3v i am e l tr e a c t i o nm e t h o d 31 4 2 2t h ee v o l u t i o no f a h c 3i na l s im e l t s 3 3 4 3t h ei n f l u e n c eo f r e a c t i o nt i m ea n ds ic o n t e n t si nm e l t so nt h ee v o l u t i o no f a l 4 c 3 3 5 j i i 4 3 1t h ee f f e c to fr e a c t i o nt i m eo nt h ee v o l u t i o no f a l 4 c 3 3 5 4 3 2t h ee f f e c to fs ic o n t e n to nt h ee v o l u t i o no f a h c 3 3 6 4 4t h ei n s i t um e c h a n i s mo f t h es y n t h e s i so fs i cf r o ma h c 3 3 7 4 5t h ee x p e r i m e n tt oc o n f i r mt h ei n - s i t ur e a c t i o nm e c h a n i s m 3 8 4 6c h a p t e rc o n c l u s i o n s 3 9 r e f e r e n c e s 4 0 c h a p t e r 5t h ei n v s t i g a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fi n - s i t us i cr e i n f o r c e da 卜s ia l l o y s 4 2 5 1f o r e w o r d 4 2 5 2t h ef a b r i c a t i o no fi n - s i t us i c vr e i n f o r c e da 1 18 s ia l l o y s 4 3 5 2 1f a b r i c a t i o np r o c e s so fi n - s i t us i c pr e i n f o r c e da i - 18 s ia l l o y s 4 3 5 2 2p h a s e sa n a l y s i so f ( s i c + t i b 2 ) r e i n f o r c e da i 一18 s ia l l o y s ”4 4 5 2 3m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i so f ( s i c + t i b 2 ) r e i n f o r c e da i - 1 8 s ia l l o y s 4 4 5 2 4m e h c a n i c a lp r o p e n i e so f ( s i c + t i b 2 ) r e i n f o r c e da i - i8 s ia l l o y s 4 6 5 3t h ef a b r i c a t i o no fi n s i t us i c pr e i n f o r c e da l - ；ip i s t o na l l o y s 4 8 5 3 1f a b r i c a t i o np r o c e s so fi n s i t us i c dr e i n f o r c e da l _ s ip i s t o na l l o y s 4 8 。 5 3 2m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i so fs i c pr e i n f o r c e da l - s ip i s t o na l l o y s 4 9 5 3 3t e n s i l es t r e n g t ho fs i c vr e i n f o r c e da i - s ip i s t o na l l o y s “5 0 5 3 4w e a rr e s i s t a n co f s i c q , r e i n f o r c e d a l - s ip i s t o na l l o y s 5 3 5 4c h a p t e rc o n c l u s i o n s 5 6 r e f e r e n c e s 5 7 c h a p t e r6c o n c l u s i o n s 5 9 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 l 山东大学硕士学位论文 摘要 本文利用高倍视频光学显微镜( h s v m ) 、x 射线衍射仪( x r d ) 、场发射扫描电 子显微镜( f e s e m ) 及电子探针( e p m a ) 等测试手段，对t i c x 与a h c 3 两种碳质体( 即 含碳颗粒) 在a i - s i 熔体中的演变进行了系统研究，提出了利用碳质体原位合成 s i c 颗粒的工艺，探讨a l s i 熔体中s i c 原位合成的反应热力学与临界条件。通 过以上的研究，一方面建立了铝熔体中原位合成s i c 颗粒的原位反应机制，并加 以试验验证。另一方面制备出原位合成s i c 颗粒增强a l - s i 合金，并对其拉伸强 度、耐磨性等力学性能进行了检测。 本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 利用t i c ，【在舢一s i 熔体中的演变实现s i c 颗粒的原位合成 研究发现，a l - s i 熔体中的s i 原子会促使t i c ，【发生演变，其演变产物取决于 反应温度以及熔体s i 浓度两个重要参数。反应温度低于8 9 0 时t i c x 转变生成 a h c 3 相。当反应温度高于8 9 0 时，t i c ，演变的产物主要取决于熔体中s i 浓度： 当s i 浓度从7 w t 增加到3 0 w t 时，t i c x 保持稳定，并有少量t i 3 s i c 2 相生成： s i 浓度高于3 0 w t ，t i c x 完全转变生成s i c 。 从晶体学角度分析，碳空位等晶体缺陷的存在是导致t i q 在a l s i 熔体中发 生演变和反应的根本原因。由热力学吉布斯自由能计算得知，较高的反应温度和 s i 浓度会促使t i c x 演变的进行。分析认为，与c 原子相比，熔体中主导原子( s i 、 a l 原子等) 的原子半径较大，其掺杂会在t i c 】【中引起较大的晶格畸变，从而加速 其演变和反应。当t i c x 演变至临界条件时会发生s i 、a l 等原子与c 原子的原位 反应与结构重组，中间过程经过若干中间过渡相，最终实现s i c 颗粒在a 1 - s i 熔 体中的原位合成。 ( 2 ) a h c 3 在舢一s i 熔体中的演变与原位合成s i c 的反应机制 研究表明，a l s i 熔体中的s i 原子能够诱导a 1 4 c 3 发生演变，其演变产物主 要取决于熔体中s i 浓度与保温时间。当s i 浓度较低( s 2 0 吼) 时，a 1 4 c 3 在较短 时间( 5 m i n ) 内不发生演变，但随着保温时间的延长( 3 0 r a i n 以上) 其能够转变为 a 1 4 s i c 4 中间过渡相与s i c 相；当s i 浓度较高( _ 2 5 w t ) 时，a 1 4 c 3 能够在较短时 山东大学硕士学位论文 间( 5 m i n ) 内转变为s i c 。随着保温时间的延长，s i c 保持不变。 利用非稳定化掺杂原理，主导原子( s i 、越原子等) 能够向a 1 4 c 3 中扩散，这 种扩散是单方向的，而并非s i 、c 原子的双向扩散。聚集到a 1 4 c 3 颗粒周围的主 导原子能够诱导其发生演变，形成一系列中间过渡相，中间过程经历多次原子掺 杂与原位反应，最终原位合成s i c 产物。 ( 3 ) 原位合成s i c 颗粒增强舢一s i 合金拉伸强度与耐磨性的研究 根据原位反应机制，提出铝熔体中原位合成s i c 颗粒的新工艺。利用该工艺， 制备出原位合成s i c 颗粒增强砧一s i 合金。为消除合金中针片状n 舢x s i v 相的不 利影响，提出加硼( b ) 元素原位合成t i b 2 颗粒的优化工艺，从而制备出( s i c + t i b 2 ) 复合颗粒增强的舢一s i 合金，并通过场发射扫描电镜( f e s e m ) 对s i c 增强相与t i b 2 增强相进行了观察和分析。使用m m 2 0 0 型磨损试验机、h r s 1 5 0 型洛氏硬度计 对未增强的a l s i 合金以及制备的s i c p a l s i 材料、( s i c p + t i b 2 p ) a l - s i 复合材料 的耐磨性、宏观洛氏硬度的等力学性能进行了比较。 利用颗粒增强制备出高强耐磨的活塞材料是现在内燃机行业研究的热点之 一。本文利用铝熔体中原位合成s i c 颗粒以及加b 优化的新工艺，制备出 ( s i c + t i b 2 ) 复合颗粒增强的a l s i 基活塞材料。对制备的活塞材料的不同温度抗 拉强度、室温耐磨性进行了检测。研究发现，s i c 与t i b 2 颗粒能明显改善活塞材 料的高温抗拉强度与耐磨性。 关键词：s i c 颗粒；原位合成；反应机制；力学性能 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh i g hs c o p ev i d e om i c r o s c o p e ( h s v m ) ，x - r a yd i f f r a c t o m e t e rc x r d ) ，f i e l d e m i s s i o ns c a n n i n gm i c r o s c o p y ( f e s e m ) a n de l e c t r o np r o b em i c r o - a n a l y z e r ( e p m a ) w e r eu s e dt os y s t e m a t i c a l l ys t u d yt h es t r u c t u r a le v o l u t i o no fc a r b o n a c e o u sp a r t i c l e s s u c ha st i c xa n da h c 3 ，a n dt h em e t h o d sf o ri n - s i t us y n t h e s i so fs i ci na l - s im e l t s w e r ep r o p o s e d m e a n w h i l e ，t h et h e r m o d y n a m i ca n dc r i t i c a lc o n d i t i o n so ft h ei n - s i t u s y n t h e s i so fs i cp a r t i c l e si na 1 - s im e l t sw e r ed i s c u s s e d b a s e do na b o v ew o r k s ，t h e i n s i t ur e a c t i o nm e c h a n i s mo ft h es y n t h e s i so fs i cp a r t i c l e si na 1m e l t sw a sb u i l tu p ， w h i c hc o u l db ec o n f i r m e db ye x p e r i m e n t s m o r e o v e r , t h ei n - s i t us y n t h e s i z e ds i c p a r t i c l e sr e i n f o r c e d 舢一s ib a s e dc o m p o s i t e si n i t i a l l yw e r ef a b r i c a t e d ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fw h i c hs u c ha st e n s i l es t r e n g t ha n dw e a rr e s i s t a n c e ，e t c w e r em e a s u r e d t h em a j o rr e s u l t so f t h ep r e s e n ts t u d ya r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ei n - s i t us y n t h e s i so fs i cp a r t i c l e sv i at h es t r u c t u r a le v o l u t i o no ft i c xi na l - s i m e l t s i ti sf o u n dt h a tt h es ia t o m sc o u l dp r o m o t et h es t r u c t u r a le v o l u t i o np r o c e s so f t i c x ，t h ef i n a lp r o d u c t so fw h i c hw o u l dd e p e n do nt w op a r a m e t e r s ，t h a ti sm e l t t e m p e r a t u r ea n ds ic o n t e n t si na 1m e l t s w h e nt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a n 8 9 0 ( 2 ，t i c xw o u l dt r a n s f o r mi n t oa 1 4 c 3p h a s e ；w h e nt h em e l tt e m p e r a t u r ei sh i g h e r t h a n8 9 0 c ，t h ee v o l u t i o np r o d u c t so ft i c xd e p e n d sm a i n l yo nt h es ic o n t e n ti na i m e l t s ：w h e nt h es ic o n t e n ti n c r e a s e sf r o m7 w t t o3 0 w t ，t i gw o u l dk e e ps t a b l e b e s i d e s ，al i t t l et i a s i c 2i sf o r m e d w h e nt h es ic o n t e n ti sh i g h e rt h a n3 0 w t ，a n t i c xp a r t i c l e sc o u l dt r a n s f o r mi n t os i c i nt h ev i e wo fc r y s t a l l o g r a p h y , i ti st h ec r y s t a ld e f e c t ss u c h 弱c a r b o nv a c a n c ye t c t h a tr e s u l t si nt h es t r u c t u r a le v o l u t i o na n di n - s i t ur e a c t i o no ft i c ，i na i - s im e l t s t h r o u g hc a l c u l a t i o nb a s e do nt h ef r e e g i b b se n e r g y , i ti sk n o w nt h a th i g h e r t e m p e r a t u r ea n ds ic o n t e n t si nt h em e l tc o u l dp r o m o t et h es t r u c t u r a l - e v o l u t i o np r o c e s s o ft i c xi na l - s im e l t s i ti sp r o p o s e dt h a t ，c o m p a r e dw i t l lca t o m s ，d i r e c t i o n a la t o m s s u c ha ss ia n da 1a t o m sw h i c hp o s s e s sl a r g e ra t o m i cr a d i u s ，c o u l dr e s u l ti n l a t t i c e 1 1 1 山东大学硕士学位论文 d i s t o r t i o no ft i q ，w h i c hw o u l da c c e l e r a t et h es t r u c t u r a l e v o l u t i o np r o c e s so ft i c x w h e nt h ed e g r e eo fs t r u c t u r a l e v o l u t i o nr e a c h e st h et h r e s h o l dv a l u e ，t h ed i r e c t i o n a l a t o m ss u c h 瑟s i ，a 1w o u l dr e a c tw i t l lca t o m sa n dt h er e c o n s t r u c t i o no ft h e s ea t o m s w o u l do c c u r , f o r m i n gs e r i e so ft r a n s i t i n gp h a s e s f i n a l l ys i cp r o d u c t sw o u l db e f a b r i c a t e di na l s im e l t s ( 2 ) t h e s t r u c t u r a l e v o l u t i o no fa h c 3i na l - s im e l t sa n dt h ei n - s i t ur e a c t i o n m e c h a n i s mo fs y n t h e s i z e ds i c i ti sf o u n dt h a tt h es ia t o m si na i - s im e l t sc o u l dd r i v et h es t r u c t u r a le v o l u t i o n p r o c e s so fa h c 3 ，t h ef i n a lp r o d u c t so fw h i c hw o u l dd e p e n do nt w op a r a m e t e r ss u c h 弱 h o l d i n gt i m ea n ds ic o n t e n t si na 1m e l t s w h e nt h es ic o n t e n ti sl o w ( 2 0w t ) ，a h c 3 p h a s ec o u l dn o te v o l v ed u r i n gs h o r th o l d i n gt i m e ( 5m i n ) h o w e v e r , 谢t 1 1t h ei n c r e a s e o fh o l d i n gt i m e ( 3 0m i n ) ，a h c 3w o u l dt r a n s f o r mi n t oa h s i c 4a n ds i cp h a s e s ；、7 i v h e n t h es ic o n t e n ti sh i g h ( m o r et h a n2 5w t ) ，a h c 3w o u l dt r a n s f o r mi n t os i cd u r i n g s h o r th o l d i n gt i m e ( 5m i n ) w i t ht h ei n c r e a s eo fh o l d i n gt i m e ，t h es i cp a r t i c l e sw o u l d k e e pu n c h a n g e i nt h ev i e wo ft h en o n - s t a b i l i z a t i o nd o p i n gp r i n c i p l e ，t h ei n - s i t ur e a c t i o n m e c h a n i s mo fs y n t h e s i so fs i ci na 1m e l t sc a nb ed e s c r i b e d 嬲t h i s ：t h ed i r e c t i o n a l a t o m s ( s u c ha ss i ，a ia t o m s ) c o u l ds p r e a dt oa 1 4 c 3p h a s e ，w h i c hw o u l ds t i m u l a t et h e e v o l u t i o n , f o r m i n gs e r i e s o ft r a n s i t i n gp h a s e s t h ew h o l ep r o c e s su n d e r g o e s “a t o m d o p ea n di n s i t ur e a c t i o n m o r et h a no n c e ，a n df i n a l l yi n - s i t us y n t h e s i z e ss i c p h a s e s ( 3 ) t h ei n v e s t i g a t i o no ft h et e n s i l es t r e n g t h a n dw e a rr e s i s t a n c eo ft h ei n - s i t u s y n t h e s i z e ds i cp a r t i c l e sr e i n f o r c e da i - s ib a s e dc o m p o s i t e s b a s e do nt h ei n - s i t ur e a c t i o nm e c h a n i s m , an o v e lm e t h o dt oi n s i t us y n t h e s i z e s i cp a r t i c l e si na im e l t si sp r o p o s e d u t i l i z i n gt h i sm e t h o d , t h ei n s i t us y n t h e s i z e d s i cp a r t i c l e sr e i n f o r c e d 娜ia l l o yc a nb ef a b r i c a t e d i no r d e rt oe l i m i n a t et h ew e a k e f f e c to ft t a l x s i yp h a s e s ，b o r o ne l e m e n tc o u l db ea d d e di n t om e l t sf o r m i n gi n - s i t u t i b 2 ，a n d ( s i c + t i b 2 ) h y b r i d p a r t i c l e sr e i n f o r c e da 1 s ic o m p o s i t e sc a n b ef a b r i c a t e d u s i n gm m 2 0 0m o d e lw e a r - r e s i s t a n tt e s t i n gm a c h i n e ，h r s - 1 5 0m o d e lr o c k w e l l h a r d n e s st e s t e r , e t c ，t h ep r o p e r t i e ss u c ha sw e a r - r e s i s t a n c ea n dr o c k w e l lh a r d n e s s i v 山东大学硕士学位论文 h a v e b e e nc o m p a r e db e t w e e nt h eu n t r e a t e da n dr e i n f o r c e da l _ s ia l l o y s u s i n gp a r t i c l e sr e i n f o r c e m e n tt of a b r i c a t eh i g h - s t r e n g t ha n dw e a r - r e s i s t a n tp i s t o n m a t e r i a l si so n eo fh o tt o p i c si nt h ee n g i n e e r i n gi n d u s t r y i no u rw o r k ，( s i c + t i b 2 ) h y b r i dp a r t i c l e sr e i n f o r c e da 1 - s ia l l o y sw e r ef a b r i c a t e du s i n gt h em e t h o do fi n - s i t u s y n t h e s i z i n gs i cp a r t i c l e sa n db o r o ne l e m e n to p t i m i z a t i o ni na 1 一s im e l t s i ti sf o u n d t h a tt h ee x i s t e n c eo fs i c a n dt i b 2 p a r t i c l e s c a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e h i g h t e m p e r a t u r