（材料加工工程专业论文）alzrob体系反应生成颗粒增强复合材料的组织结构与性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文开发了a i z r - o b 原位反应新体系，研究了熔体反应技术并成功制各了 ( a 1 3 z r + a 1 2 0 3 + z r b 2 ) p a 1 和( a 1 3 z r + a 1 2 0 3 + z r b 2 ) p a l - 4 c u 新型复合材料：利 用扫描电镜、电子探针、x - 射线衍射仪、差热分析仪等现代分析手段分析了该复 合材料的凝固组织，并探讨了a 1 z r - o b 复合材料的反应热力学和动力学以及影 响颗粒大小和分布的因素；研究了复合材料的力学性能和耐磨性能，分析了复合 材料的断裂行为、强化机制和磨损机制。 实验结果表明a l - z r ( c 0 3 ) 2 一i - 1 3 8 0 3 体系制备复合材科的最佳工艺参数为：起 始反应温度8 5 0 + _ 2 0 c 、反应时间2 5 m i n 、反应物加入量2 0 w t ( 质量分数) 。x - 射线衍射( x r d ) 和扫描电镜( s e m ) 分析表明：m - z r ( c 0 3 ) 2 一h 3 8 0 3 体系原位 反应生成的颗粒增强相为a i 掣z r 、a 1 2 0 3 和z r b 2 ，且颗粒尺寸细小，弥散分布于 基体中。在原位反应过程中，对熔体施加电磁场，可使合成颗粒更细化、圆整。 对a 1 - z r ( c 0 3 ) 2 - h 3 8 0 3 反应体系制各复合材料的反应热力学和动力学进行研 究，结果表明：a 1 - z r ( c 0 3 ) 2 h 3 8 0 3 体系在铝熔体中能自发进行反应合成a 1 2 0 3 、 a 1 3 z r 和z r b 2 颗粒，反应按反应破裂扩散机制进行，并建立了反应动力学模型。 对其进行定性分析表明：温度越高，反应物的浓度越高，反应的速度越快。 复合材料的力学性能测试研究表明：a i z r - o b 系熔体反应法合成的 ( a 1 3 z r + a 1 2 0 3 + z r b 2 ) p a 1 和( a h z r + a 1 2 0 3 + z r b 2 ) 口a 1 - 4 c u 复合材料，其抗拉强度和 屈服强度较基体显著提高，当反应物加入量为铝熔体的2 0 w t 时， ( a 1 3 z r + a 1 2 0 3 + z r b 2 ) 以蛆复合材料的强度为：c r b = 1 5 2 3 m p a ，a s = 1 1 2 3 m p a ，较基 体纯a 1 分别提高9 5 2 和1 6 7 3 ；( a 1 3 z r + a 1 2 0 3 + z r b 2 ) p a 1 - 4 c u 复合材料的力 学性能为：a b = 3 9 3 9 m p a ，o r s = 3 1 6 7 m p a ，较基体a i - 4 c u 合金分别提高了7 2 和 5 3 。该复合材料经t 6 处理后，其抗拉强度和屈服强度比热处理前分别提高了 1 1 2 和2 3 。 对( a 1 3 z r + a 1 2 0 3 + z x b 2 ) d 舢和( a 1 3 z r + a h 0 3 + z r b 2 ) p a l - 4 c u 复合材料的拉伸断 裂形貌及其机理进行了分析，结果表明：内生a 1 3 z r 、2 0 3 和z r b 2 复合材料的 增强机制主要有o r o w a n 强化、共格强化和位错强化。 a 1 - z r - o - b 系复合材料干滑动磨损试验研究表明：( a 1 3 z r + a 1 2 0 3 + z r b 2 ) 。颗粒 增强的复合材料随颗粒体积分数的增加它们的耐磨性均显著提高，且随着载荷的 增大，耐磨性提高的幅度更大。磨损表面及亚表面的s e m 表明，基体a i 一4 c u 合金主要表现为粘着磨损，( z r b 2 + a 1 3 z r + a 1 2 0 3 ) 扯1 4 c u 复合材料主要表现为磨 江苏大学硕毒学位论文 粒壤攫，露( z r b 2 + a 1 3 z r + a h 0 3 ) p a 1 复合耪料主要表现秀牯着瘗擐+ 蘑粒瘗按疑混 合型磨损。 关键词：颓粒增强复念材秘，熔体反应法，热力学和幼力学，力学性毙， 磨损性能 i i 江苏大学硕士擎往论文 a b s t r a c r an o v e li n - s i t ur e a c t i v e s y s t e mo fa l z r - o - b i s d e v e l o p e d 。n e wi n - s i t u ( a 1 3 z r + a 1 2 0 3 + z r b 2 ) p a li a n d ( a 1 3 z r + a 1 2 0 3 + z r b 2 ) p a i - 4 c uc o m p o s i t e s a r e f a b r i c a t e d s u c c e s s f u l l y b y r e a c t i o ni nm e l t t e c h n i q u e 弧e s o l i d i f i c a t i o n m i c r o s t r u c t u r e ，r e a c t i v et h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i c sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h e p a r t i c u l a t es i z ea n dd i s t r i b u t i o nh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db ys o m em o d e r na n a l y z e r e q u i p m e n t s ，f o re x a m p l e ，o p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，e l e c t r o n - p r o b em i c r o a n a l y z e r ( e p m a ) ，x - r a yd i f f r a c t o m e t o r ( x r d ) ， d i f f e r e n t i a l t h e r m o a n a l y z e r ( d t a ) a n ds oo n t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d w e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t i e so f ( a 1 3 z r + a 1 2 0 3 + z r b a ) p a 1a n d ( a i s z r + a 1 2 0 s + z r b 2 ) p a l - 4 c uc o m p o s i t e sa r et e s t e d 髓ef r a c t u r eb e h a v i o r , s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s ma n d w e a l 一r e s i s t i n gm e c h a n i s m h a v eb e e na n a l y z e d 。 t h et e c h n i c a l o p t i m a lp a r a m e t e r s o ft h ef o r m e d c o m p o s i t e s i nt h e a i - z r ( c 0 3 ) 2 一h 3 8 0 3s y s t e ma y e t h a ti n i t i a lr e a c t i v et e m p e r a t u r ei s8 5 0 0 c ，r e a c t i v e t i m ei s2 5m i n u t e s ，斑em a s sf r a c t i o no ft h ea d 出嬉r e a c t a n ti s2 0 w t o f 氆em e l t a l u m i n u m t h ex r da n ds e ma n a l y s e si n d i c a t et h a tt h es y n t h e s i z e dp a r t i c l e sa r e a 1 2 0 3 a 1 3 z ra n dz r b 2 髓l es i z eo f t h e s ep a r t i c l e si sf m e ra n dw e l l d i s t r i b u t e di nt h e a l u m i n u mm a t r i x a d d i n gm a g n e t i cf i e l di nt h ei n - s i t us y n t h e s i z e dp r o g r e s sc a nm a k e i n - s i t up a r t i c l e ss m a l l e ra n dn o d u l a r t h er e a c t i v e t h e r m o d y n a m i c s a n dk i n e t i c so fi n s i t u s y n t h e s i z e d ( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r + z r b 2 ) p a ic o m p o s i t e s a l er e s e a r c h e d r e s u l t s i n d i c a t et h a t a l - z r ( c o s ) 2 h 3 8 0 3r e a c t i v es y s t e mc a np r o c e e di nt h ea l u m i n u mm e l ts p o n t a n e o u s l y 鞭l cr e a c t i o nm e c h a n i s mi st h em o d e lo fr e a c t i o n - c r a c k d i f f u s i o nm e c h a n i s m 。t h e r e a c t i v ek i n e t i cm o d e ih a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fc h e m i c a l r e a c t i o na n dd i f f u s i o nr e s i s t a n c ei nt h ep r o c e s so fr e a c t i o na 1 ea n a l y z e d w h e nt h e i n i t i a lr e a c t i v et e m p e r a t u r ei sh i g h e ra n dt h ec o n c e n t r a t i o no fr e a c t a n ti sb i g g e r , t h e r e a c t i v ev e l o c i t yi sm o r e q u i c k l y 强eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t ho f ( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r + z r b 2 ) p a ia n d ( a 1 2 0 3 + a l s z r + z r b z ) p a 1 4 c uc o m p o s i t e s a y e i m p r o v e d 、i mt h ei n c r e a s i n go f p a r t i c u l a t ev o l u m ef r a c t i o n 。a n d 戤m a r k e d l yh i g h e rt h a nt h em a t r i x w h e nt h e p a r t i c u l a t e a d d i t i o nc o n t e n to fr e a c t a n ti s 2 0 w t ，t h e t e n s i l e p r o p e r t i e s o f ( a t 2 0 3 + a 1 3 z r + z r b 2 ) p a 1c o m p o s i t e sa l ee - - 1 5 2 。3 m p a ，o s = 1 1 2 3 m p a ，i n c r e a s e d s e p a r a t e l yb y9 5 2 a n d1 6 7 3 t h a nt h a to ft h em a t r i xp u r ea l u m i n u m t h et e n s i l e p r o p e r t i e so ft h e ( a 1 2 0 s + a l a z r + z r b 2 ) p a 1 - 4 c uc o m p o s i t e sa l eo b = 3 9 3 9 m p a ， i i i 江苏大学硕士学位论文 a s = 316 7 m p a , i n c r e a s e ds e p a r a t e l yb y7 2 a n d5 3 t h a nt h a to ft h em a t r i xa 1 4 c u a l l o y a f t e r t 6h e a tt r e a t m e n t ，t h et e n s i l es t r e n g t ha n d y i e l ds t r e n g t h o f ( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r + z r b 2 ) p a 1 - 4 c uc o m p o s i t e sa r ei n c r e a s e ds e p a r a t e l yb y1 1 2 a n d2 3 t h a nt h a to f t h e s ec o m p o s i t e sb e f o r et 6h e a tt r e a t m e n t t h et e n s i l ef r a c t u r em o r p h o l o g ya n dm e c h a n i s mo f 阻1 2 0 3 + a 1 3 z r + z r b 2 ) p a 1a n d ( a 1 2 0 3 + a h z r + z r b 2 ) p a 1 4 c uc o m p o s i t e sa r eo b s e r v e da n da n a l y z e d r e s u l t si n d i c a t e t h a t t h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s mo fi n - s i t ua 1 3 z r 、a 1 2 0 3a n dz r b 2p a r t i c l e s r e i n f c ) r c e da l u m i n u mm a t r i x c o m p o s i t e s i n c l u d eo r o w a ns t r e n g t h e n i n g ，m a t c h s t r e n g t h e n i n ga n dd i s l o c a t i o ns t r e n g t h e n i n g t h ed r ys l i d i n gw e a rt e s t so fi n s i t us y n t h e s i z e dc o m p o s i t e si nt h es y s t e m a 1 - z r - o bs h o wt h a tt h ew e a rr e s i s t a n c e o f ( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r + z r b 2 ) p a i a n d ( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r + z r b 2 ) p a 1 4 c uc o m p o s i t e si s s u p e r i o rt ot h a to fi t sm a t r i x ，a n di s g r e a t l ye n h a n c e d w i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ep a r t i c u l a t ev o l u m ef r a c t i o n 1 1 1 e w e a r r e s i s t i n ge x t e n ti so b v i o u sw i mt h ei n c r e a s i n go ft h el o a d t h eo b s e r v a t i o no f w e a rs u r f a c ea n ds u b s u r f a c eb ys e ms h o w st h a tt h ew e a rf e a t u r eo ft h em a t r i x a 1 - 4 c u a l l o y ,( a 1 2 0 3 + a j 3 z r + z r l 2 ) p a 1 4 c u a n d ( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r + z r b 2 ) p a 1 c o m p o s i t e si sr e s p e c t i v e l ya d l l e s i v ew e a r , a b r a s i v ew e a ra n dt h e m i x e dw e a ro f a d h e s i v e n e s sa n da b r a s i v e n e s s k e yw o r d s ：p a r t i c l er e i n f o r c e dm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ；d i r e c tm e l tr e a c t i o n m e t h o d ；t h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i c s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；w e a r r e s i s t a n c e i v 学位论文版权使用授权书 t 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密叮。 学位论文作者签名：孕延z 指导教师签名 年多月，。日 砖年 日训d肛月 l ，6 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 行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：沫堑幽 日期：j 年6 月，d 日 江苏大学硕士学位论文 1 1选题意义 第一章绪论 金属基复合材料( m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e ，m m c s ) 是以金属或合金为基体， 以纤维、晶须、颗粒为增强体的复合材料。由于该材料兼有金属或合金的性能( 塑 性、韧性) 和陶瓷的优点( 高强度、高刚度) ，因而具有强度和弹性模量高、高 温性能好、耐磨性优异等优点，其发展倍受关注。连续体( 长纤维) 增强的金属 基复合材料由于制各工艺复杂，材料成本高，广泛应用受到了限制；而非连续体 ( 短纤维、晶须、颗粒) 增强的金属基复合材料的原材料成本较低，制备工艺简 单，具有商品化生产的发展潜力。 铝基复合材料具有高的比强度、比刚度和优良的高温力学性能、低的热膨胀 系数，优良的耐磨性，在航空、航天、汽车、电子、光学等工业领域具有十分广 泛的应用前景。尤其是颗粒增强铝基复合材料( p a r t i c u l a t er e i n f o r c e da l u m i n u m m a t r i xc o m p o s i t e s ，p r m m c s ) 因具有增强体成本低、微观结构较均匀、材料性 能各向同性，可采用传统的金属加工工艺进行加工等优点，成为七、八十年代金 属基复合材料的重要发展方向之一而得到快速发展。然而，传统的p r m m c s 中 增强颗粒都是由外部加入的，这就存在着颗粒尺寸大，颗粒表面有污染，界面结 合差，且易生成脆弱性副产物等一系列缺点：虽然对增强颗粒进行表面处理、表 面改性以及界面结合强度的研究，但工艺繁杂，且效果不能令人满意。 自2 0 世纪8 0 年代末由k o e z a k 等首先提出反应合成技术( r e a c t i v es y n t h e s i s ) 又称原位复合材料( i n s i t uc o m p o s i t e s ) 用于制备颗粒增强金属基复合材料 ( p r m m c s ) 。这种方法由于增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳 定相，因此，增强体表面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结 合强度高。因而被誉为具有突破性的新技术而倍受重视，近年来己成为金属基 ( 特别是铝基) 复合材料研究中的一个新热点。原位复合材料( i n - s i t uc o m p o s i t e s ) 与传统外加复合材料( e x s i t uc o m p o s i t e s ) 相比，其独特优点在于：【l 2 。3 “1 1 ) 增强体在铝基体上原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表面无 污染，避免了与基体润湿性不良的问题，而且界面结合强度高。 2 ) 通过选择反应物来控制增强相种类、大小和数量，并可以通过工艺来控制 其大小和分布，不易出现增强相的团聚或偏析。 3 ) 省去了增强物的预处理，简化了工艺流程，成本也相对降低。 1 江苏大学硕士学位论戈 4 ) 增强相颞粒缨小，镰往处予微米级域亚微米，毙保诞铝基复合材料不但有 良好的韧性和高温性能，而且有很高的强度和弹能模量。 5 ) 能与铸造王艺结合，童接毒4 造出形炊复杂、尺寸变化太的邀终形产是。 目前原位合成技术主襄有x d t m 法、d i m o x t m 法、p r i m e x t m 法、v l s 法、 l s m 法、s h s 法、c r 法、m a 法、熔钵反应法( d i r e c tm e l tr e a c t i o n ，d m r ) 等。 其中，熔体反应法怒将含有增强颗粒形成元索的固体颗粒斌粉末在某一温度下加 到络融豹锻或其合金孛，嫒之充分反应，从嚣利鍪内生蹶皴增强镪基复会材料， 并可直接浇注形状复杂的铸件。因而，具有工艺简单、成本低、周期短，易于工 业健生产等优点，囊霉玻认为是有秀望实现王渡纯疲攥静象技零。懿是，基藏这秘 新技术还很不完善，主要浅现在以下方面； 1 ) 爱黢体系少，太多集孛在a l 镬- x ( a 1 曩0 、a 1 t i - b 、越碟c ) 系； 2 ) 起始反应温度高，常常高于1 0 0 0 ( 2 ，甚至超过1 2 0 0 ，恶化铝液； 3 鬏靛懿形藏与生长糗裁涉及甚少，主要集孛在颞粒豹摆鉴剐及形貔茂察 上： 4 ) 反痰弱燕力学窝羲力学臻究鲜显报：i 燕； 5 ) 力学性能和强化机制研究遥存在争议； 6 ) 耐纛注兹磅究还鬓羹掇遘。 本课题是教育部科学技术重点项目原位反应合成复合材料在汽筚关键 部捧上豹艨臻磅究及孛试舞发( l 粥) 秘泛苏雀“五”摹辜技攻关矮嚣颞 粒增强铝基复合材料( b e 2 0 0 2 0 3 9 ) 中的部分研究内容，路在开发低成本、高性 能、易于王建蕊模裂各懿耨鳖原戳爨基复合耪鹈，阐对探诲其反疲翡熬力学窝动 力学、内嫩颗粒的特征、力学性能与断裂机制、磨损行为及机理等。 1 2 原位铝基鬟合材料的研究进展 藤位鬣合榜稀( i n - s i t uc o m p o s i t e s ) 是予1 9 6 7 牮蘸苏联匏a 。g m e r z h a n o v 等人提出的构想陋】，直到8 0 年代中后期，由美国的l a n x i d e 公司和d r e x e l 大学 静m j k o c z a k 等入先籍掇遂了各自磷涮瓣原像a h 0 3 a 1 移t i c a 1 复合材籽 及相应的制各工艺【6 1 。至此原位反应生成铝基复合材料才受到人们的关注，原位 合成技术才得至l 嚣丈的发蔗，其磷究重点主要集巾在凑生增强律和髑各羧术。 1 2 1 内生增强体 目前原位合成铝基复合材料的内生增强体主袋有三大类：单一陶瓷类增强 翅、单一袅震润纯台物增强俸戮及辫瓷金j 霭阗貔会蘩复会增强体。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 1 1 单一陶瓷类增强体 目前原位铝基复合材料的增强体大多是内生陶瓷粒子，通过置换反应或分解 反应生成的陶瓷粒子比外加的陶瓷粒子有更好的基体相容性和分布均匀性，可有 效地减少外加颗粒普遍存在的团聚、偏析现象。目前原位合成的陶瓷粒子主要有 t i c 、t i b 2 、a t 2 0 3 、s i c 和a 1 n ”。表1 为几种常见的内生增强体的性能1 6 8 1 。 此外，由于内生陶瓷粒子是通过二元或多元反应所得，在这类增强物的生成 过程中，往往会伴生其他的有害化合物，影响基体的疲劳断裂性能，需要加以克 服。研究表明：可通过严格控制反应的气氛和条件，或者采用适当的工艺手段， 使这类增强物增强的铝基复合材料获得高性能。 表1 - 1 几种陶瓷增强体的性能 t a b l e1 - 1 p r o p e r t i e so f s o m ec e r a m i cr e i n f o r c e m e n t s 1 2 1 2 单一金属间化合物类增强体 将纯金属粉加入铝熔体中，使之与铝反应生成a l - m 金属问化合物增强体， 从而生成金属间化合物增强铝基复合材料，这正成为原位铝基复合材料研究的新 热点。金属间化合物是一种高温结构材料，弹性模量、熔点和高温强度高。其微 粒子具有陶瓷粒子的性能，并且在某一较高温度区间，热强度随温度上升而增加。 而强化相与基体的界面也较特殊，l e w i s t 9 】的研究表明，用x d t m 工艺制造的金属 间化合物颗粒增强铝基复合材料具有稳定而清晰的界面，属于半共格界面，增强 体和基体相的晶格失配伴有位错网的产生。目前研究较多的金羼间化合物类增强 体主要来源于f e a l 系、n i m 系和t i a 1 系，其中，以a 1 3 m 形态出现的金属间 化合物大多为稳定相，是最普通的合成增强体。耳前常用的金属间化合物增强体 的大块相性能特征见表1 - 2 1 0 】。由这类粒子强化的铝基复合材料具有高性能、低 成本、可再生的优点，并可产业化开发成一类高强度中温结构用铝基复合材料。 江苏大学硕士学位论文 表1 - 2 常用金属间化合物增强体的性能 t a b l e l - 2 p r o p e r t i e so f s o m ei n t e r m e t a l l i cr e i n f o r c e m e n t s 1 2 1 3 陶瓷金属间化合物复合增强体 在研究金属间化合物增强铝基复合材料中，倘若采用的金属氧化物粉末代替 纯金属粉与a 1 熔体反应，就会生成陶瓷( a 1 2 0 3 ) + 金属问化合物复合增强体。如 f e 2 0 3 粉末与a i m g 合金液反应，获得了细小的a 1 - f e 相和a 1 2 0 3 分布于铝基体 上的复合材料j ；彭华新f n l 等利用n i 2 0 3 与a l 反应，挤压铸造获得a f 3 n i a 1 2 0 3 a i 复合材料，并对反应机理进行了研究和分析。研究发现：通过控制预制 块中n i 2 0 3 的体积百分数( 添加纯a l 粉) ，可以获得不同基体组织和增强相含量不 同的复合材料。而利用反应：1 3 a l + 3 t i 0 2 = 3 a 1 3 t i + 2 a 1 2 0 3 ，制得的z l l 0 1 原位铝 基复合材料，金属间化合物增强相a 1 3 t i 均匀分布于基体，而陶瓷相a 1 2 0 3 颗粒 相当细小，弥散分布于基体和a 1 3 t i 上，不但使材料强度、硬度和弹性模量得到 了提高，延伸率也提高了1 4 t 1 3 】。这类由陶瓷相+ 金属间化合物相复合强化的铝 基复合材料由于工艺简便、原材料价廉易得等优点，将成为传统工艺强有力的竞 争者。 1 2 2 铝基原位复合材料制备技术进展 1 9 8 9 年由k o c z a k 等首先提出反应合成技术( r e a c t i v es y n t h e s i s ) ，又称原位复 合材料o n s i t uc o m p o s i t e s ) 用于制备颗粒增强金属基复合材料( p r m m c s ) o 这种方 法由于增强体是从金属基体中原位形核、长大的热力学稳定相，因此，增强体表 面无污染，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高。因而被誉为具 有突破性的新技术而倍受重视，近年来已成为金属基( 特别是铝基) 复合材料研究 中的一个新热点。目前原位合成技术主要有x d t m 法、d i m o x t m 法、p r i m e x t m 法、v l s 法、l s m 法、s h s 法、c r 法、m a 法等，这些方法的原理和特点如下： 1 2 2 1 放热弥散法( x d m 法) x d t m ( e x o t h e r m i cd i s p e r s i o n ) 法由美国m a r t i nm a r i e t t a 实验室的b m p b a c h e r 等人于1 9 8 3 年发明并申请专利1 4 _ 5 1 。它是在前苏联科学家m e r z h a n o v 发明的s h s 法的基础上改进而来的。其基本原理是将增强相组分物料与金属基粉末按一定的 4 江苏大学硕士学位论文 比例均匀混合、冷压或热压成型制成坯块，以一定的加热速率预热试样。在一定 的温度下( 通常是高于基体的熔点而低于增强相的熔点) ，增强相各组分之间进 行放热化学反应，生成增强相。增强相尺寸细小，呈弥散分布【1 6 】。x d t m 法制备 金属基复合材料的示意图如图1 1 所示。 射r i d ，t i n f o ，c e m e n tpr 唰r ，岬 i i 1 图1 1x d “法制备金属基复台材料示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h ex dp r o c e s sf o rm m c s 目前已用x d t m 法制备t t i c a 1 1 ”、t i b 2 a 1 8 j 等铝基复合材料。马宗义等 1 9 】 采用t i 0 2 一a 1 b 体系利用x d t m 法成功制备了a 1 2 0 3 和t i b 2 粒子复合强化a l 基复合 材料，该复合材料的抗拉强度较用t i 0 2 - a 1 体系制备的( t i a l 3 + a 1 2 0 3 ) a i 复合材料 提高1 6 3 。孙晓东等采用x d t m 法制备了t i c a l 复合材料，并分析y a l 的含量 以及加热速率对反应过程的影响。 x d t m 法制取的复合材料有以下优点：( 1 ) 增强相热力学稳定；( 2 ) 增强相及 其形貌结构有一个较宽的选择；( 3 ) 各种金属和金属间化合物基体均可：( 4 ) 可 使用常规铸造金属的加工方法制造工件。但该法也存在一些不足之处：( 1 ) 合成 反应所需的原材料均为粉末，受粉末供应品种的限制；( 2 ) 工序多、周期长，需 经球磨混粉，真空除气，压坯成形，反应烧结等过程：( 3 ) 不能直接浇注成形， 只能制得一些形状简单的产品。 1 2 2 2 气- 液反应合成法o r l s 法1 v l s ( v a p o rl i q u i ds y n t h e s i s ) 法由k o c z a k 和k u m a r 在1 9 8 9 年发明并申请专利 2 h 。其原理是采用惰性气体为载体，将含碳或氮的反应气体通入含t i ，s i 等元素 的高温熔体中，利用气体分解生成的碳或氮与合金中的t i 、s i 等发生快速化学反 应，生成热力学稳定的碳化物、氮化物等陶瓷颗粒作为增强相。k c z a k 等人利用 c h 和a r 气混合物通入铝合金中，制成了t i c 为增强相的自生铝基复合材料。美国 l a w i d 2 i 】公司与日本m a r k o t a 等利用n 2 ( n h 3 ) 通入铝溶体中生成t a l n ，t i c 复合增 江苏大学硕士学位论文 强的铝基复合材料，并发现加入适量的m g 、l i 元素可降低铝液表面能，提高增强 相与液体表面的界面能与相容性其装置如图1 2 所示。 v l s 法具有反应速度快、界面清洁、增强体颗粒细小( o 1 - 5 u m ) 、成本低、 弥散分布及反应后熔体可通过挤压铸造等方法近终形成型等优点。但该法同样存 在反应温度高( 达1 2 0 0 - 1 4 0 0 ) 、冷却后基体组织粗大、增强相的种类有限及 体积分数不够高( 一般小于1 5 ) 等缺陷。 2 4 图1 2v l s 装置简图f ；导 1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f v l s - p r o c e s s l 。熔体；2 一坩埚；3 气体；4 一气泡发生器 1 2 2 3 自蔓延燃烧反应法( s h s 法) s h s ( s e l f - p r o p a g a t i n gh i g ht e m p e r a t u r es y n t h e s i s ) 法的基本原理是将增 强相的组分原料与金属粉末按一定的比例充分混合，压坯成型，在真空或惰性气 氛中，用钨丝预热引燃，使组分之间发生放热化学反应，放出的热量蔓延引起未 反应的邻近部分继续燃烧反应至全部完成，得到复合材料的毛坯，反应的生成物 即为增强相弥散分布于基体中，颗粒尺寸可达微米级，自蔓延燃烧反应需要一定 的条件：1 ) 组分之间的化学反应热效应应达1 6 7 k j m o l l 2 2 】：反应过程中热损失( 对 流、辐射、热传导) 应小于反应放热的增加量，以保证反应不中断：3 ) 某一反应 物在反应过程中应能形成液态或气态，便于扩散传质，使反应迅速进行。 该法的优点是生产过程简单，反应迅速( o 11 5 c m s ) 耗热少，反应温度高， 可蒸发掉挥发性的杂质；升温和冷却速度快，易形成非平衡组织；易实现自动化、 机械化过程；其缺点是由于反应速度快，合成过程中温度梯度大，反应难以控制， 并且产品中孔隙率高，密度低，极易出现缺陷集中和非平衡过渡相，使产品活性 提高。i g o t m a n 2 3 1 报道，s h s 法较难制备t i b 2 含量低于2 0 的a vt i b 2 复合材料，且制 备出的a i 3 0 的t i b 2 的孔隙率高达3 0 - 4 0 。为了提高产品的致密度，梅炳初 等人提出了基于s h s 法的另一种工艺，o p s h s 熔铸工艺【2 4 1 ，示意图如图1 3 所示。 6 江苏大学硕士学位论文 蒜应 赣 但锺 图1 3s h s 法铸造不意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f s h s c a s t i n g 1 2 2 4 直接氧化法p i m o x 法) d i m o x ( d i r e c t e dm e t a lo x i d a t i o np r o c e s s ) 法是利用金属或其合金在熔融条 件下进行直接氧化或氮化反应来制备残留一定金属组分的致密陶瓷金属基复合 材料。其工艺路线有两种【2 5 1 ：第一种是把陶瓷粒子和晶须等增强相冷压成坯，将 压坯放入a i 熔液中，在9 0 0 1 4 0 0 c 温度下，a 1 液在压杯中浸透的同时和含氧气氛 反应生成a 1 2 0 3 。其基本原理如图1 4 所示。 第二种工艺路线是把陶瓷粒子和a l 粉混合均匀后进行粉浆浇注成形，在 2 0 - 9 0 。c 下干燥处理后，在8 5 0 1 4 5 04 c 下进行氧化处理，a l 熔化后在陶瓷粒子间 隙中浸透并氧化生长。该工艺可以制备出孔隙均匀分布的多孔陶瓷材料，据报道 多孑l a l 2 0 3 c m c 在6 0 0 c 下的热膨胀率为0 ，可以推断其热性能优异。 d i m o x 技术的优点是工艺简单、成本低、基体与增强相之间的界面相容性高、 铸造性能好，缺点是氧化物的生长量和形态分布不易控制，分布均匀性也不太高。 圈鹕橱 ( 自) 试样安装 f b ) 低温氧化膜稽成 厨硒一谰 ( c ) 低温氧化膜破裂 硒o j 棚彤成 ( d ) a l 向上输邀 b o j a i 长大 图1 4 直接氧化反应示意图 f i g 1 ，4 r e a c t i o np r o c e s s o f d i m o x - c a s t i n g 7 江苏大带硕女学往论文 1 2 + 2 。5 无压力浸润法口r i m e x 法) l 托2 6 , 2 7 i p r i m e x ( p r e s s u r e l e s sm e t a li n f i l t r a t i o np r o c e s s ) 法是美国l a n x i d e 公铡在的 d i m o x 基差i 墼土发袋嚣来戆。该法n d i m o x 法獒不强之处程予使髑懿气氛楚 氧 化性的，其工艺原理是把增强相陶瓷颗粒预压坯浸在a l 或a l 熔体中，在大气压力 下熔傣在鬏嚣坯孛浸透，渗透程度秘速度与熔接成分及滠发g 气氛的组成必系极 大。l a n x i d e 公司联合d i m o x 和p r i m e x 两种技术制备出了答谢那个双层复合材料， 殛密之霾雾霆缝会嶷努。 其优点为工艺简单、原料成本低，可近终形成型。用p r i m e x 披术制番出的。 热替毫蛙怒镥统嚣装褪糕戆足菇，胃鼹终惫子羹装耪辩积载髂基叛穗辩，嚣羲委 向宇航材料、涡轮机叶片材料和热交换机材料方向发展。但是由予该技术凝把增 强耱粒子冷篷戒坯，金震戢会金熔体在其孛获靠亳维譬力瓣律震渗透瑟巷l 备金属 复合材料，因此要求压坯的材质必须能够农金属或合金润湿，且要求在高温下热 力学稳定。 1 2 2 6 反应喷射沉积法( 】瞒d 法) r s d ( r e a c t i o ns p r a yd e p o s i t i o nf o r m i n gp r o c e s s ) 法是把瘸子制餐近终形 成溅快速凝固制品的喷射沉射沉积成形的技术和反应合成制备陶瓷相粒子技术 结含起来形成的。其工艺藤理为：在喷射沉积过程中金属滚流被雾亿成粒径很小 的液滴，它们具有很大的体表面积，同时又具有一定的离湿，这就为喷射沉积过 程中的化学反应提供了驱动力，借助于液滴飞行邋程中与雾化气体之间的化学反 应绒者在基体上沉积凝固过程中及外加反应剂粒子之间的化学反应面生成粒度 细小、分散均匀的增强相陶瓷粒子或金属闻化合物粒子。反应模式有3 种： 1 ) 气氛与合金液滴之阀的气渡反应：即喷射沉积成形过程巾，在雾化气体 中混入一定比例或全部的殷应性气体( 如n 2 、0 2 或c h 4 等) ，通过调整雾化气体和 熔融金属的成分促使增强鞠颗粒的原位形戏 2 8 1 。在该模式中气液界面上的反应 速度及反威时间最决定增强相粒予粒径和数量的控制因素。l a v e m i a 等人f 2 9 】采用 n 2 靼0 2 混会气体佟为雾化介质。 2 ) 将含有反成剂元素的合金液混合并雾化或将含有及应剂的合金液在雾化 对获喷挣攮混合，从嚣发生化学反应的液一滚反癍，在波一渡反疲唆射沉积过程 中，通过控制金属熔滴中冷却速率和坯料中的冷却速率来控制弥散相的尺寸。 l e e 。a 。k 1 2 8 】铡耀c u 【t 辽+ c u p 甏一c u + t i b 2 ，已成功地制各出了会t i b 2 8 w t 鲍c u 基艇合材料，该材料具有良好的热稳定和适当的嘏导率。 3 ) 滚瀵襄步 黢反应裁粒子之阏豹嚣一滚纯学反应郄农金属渡被雾化剡：如 8 江苏大学硕士学位论文 在导液管处或雾化锥中喷入高活性的固体颗粒，在雾化过程中，固体颗粒溶解并 与基体中的一种或多种元素反应形成稳定的弥散相，控制喷雾的冷却速率以及随 后坯件的冷却速率可以控制弥散相的尺寸。l a w l e y 等1 2 5 1 人在雾化f e 5 t i 合金 时，注