（材料加工工程专业论文）超声化学合成tib2az91d复合材料的微观组织及性能研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图二j 毒馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密d 。 学位论文作者签名：王肖英 2 。l 年b 月7 日 指导教师签名： 洲f 年6 月f 三日 超声化学合成t i b j a z 9 1 d 复合材料的微观组织及 性能研究 m i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so ft i b _ 阻9 1d c o m p o s i t e ss y n t h e s i z e d v i au l t r a s o n i cc h e m i c a l r e a c t i o n s 指导老师： 赵垂洼麴援 姓名： 王肖墓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 镁合金具有密度小，比强度和比刚度高，铸造性能良好，易切削加工和易回 收等优点，且在自然界中镁的资源特别丰富。但是，现有的镁合金存在弹性模量 小、高温强度低、耐磨性差等不足，这极大的限制了镁合金的发展和应用。向镁 合会中添加高熔点、高强度、高弹性模量的颗粒制成镁基复合材料，是提高镁合 金性能的有效途径之一。 本文以a z 9 1 d 一( r n 0 2 + b 2 0 3 ) 为反应体系，采用熔体反应合成技术，成功制备了 t i b 2 颗粒增强镁基复合材料。利用x 射线衍射仪( x r d ) 、差热分析仪( d s c ) 、光学 显微镜( o m ) 、扫描电镜( s e m ) 、能谱仪( e d s ) 以及拉伸性能测试、硬度测试等分析 手段，研究了a z 9 1 d 基体及其复合材料凝固组织和室温力学性能，并探讨了相关 的作用机制。 a z 9 1 d 合金化的实验结果表明：复合添加c e 、l a 、s r 元素后，a z 9 1 d 镁合 金的凝固组织得到显著细化，网状的p m g l 7 a i l 2 相断裂成块状或粒状，均匀分布 在基体中，并有高熔点的针状或棒状舢4 c e 、4 l a 化合物生成。复合添加 0 5 w t c e 0 2 w t s r - 0 3 w t l a 时，镁合金的凝固组织最佳，室温抗拉强度o b 、 延伸率6 和洛氏硬度达到最大值，分别为2 4 0m p a 、7 7 5 和7 5h r b ，较a z 9 1 d 基体分别提高了2 1 2 、4 9 6 和1 4 0 。 反应物添加量对复合材料的影响的实验结果表明：随着反应物t i 0 2 、b 2 0 3 混 合粉术添加量的增加，复合材料中增强颗粒t i b 2 的体积分数逐渐增加，当反应物 添加量为1 5 w t 时，复合材料凝固组织中t i b 2 颗粒的体积分数最大，且宏观上分 布较均匀。 高能超声对复合材料的影响的实验结果表明：在合金化和高能超声的共同作 用下，a z 9 1 d 镁合金和复合材料的凝固组织和力学性能得到显著改善，a m g 相和 1 3 - m g l 7 a 1 1 2 相尺寸变小，针状或棒状的舢4 c e 、趾4 l a 化合物变成颗粒状或短棒状， 并且均匀分布在镁合金基体中。随着超声作用时间和超声功率的增加，t i a 2 增强 颗粒的体积分数逐渐增大，且在基体中的分布越来越均匀。当超声作用时间为 8 r a i n 、超声功率为1 2k w 时，复合材料的室温抗拉强度o b 和洛氏硬度达到最大值， 分别为2 6 3 3m p a 、7 7 2h r b ，较未施加高能超声的复合材料分别提高了1 3 6 和 1 3 9 。此时，复合材料的拉伸断口上解理台阶减少，韧窝数量增多，塑性断裂特 超声化学合成t i b 忆9 1 d 复合材料的微观组织及性能研究 征明显，复合材料的断裂方式由解理断裂向准解理断裂过渡。 为了进一步明确高能超声对复合材料的作用效果，研究了热处理对复合材料 的影响。实验结果表明：4 1 5 固溶处理后，t i b 2 a z 9 1 d 复合材料凝固组织中的 1 3 - m g l 斛1 2 相消失，分解固溶在a m g 中，形成了单相过饱和固溶体。经1 7 0 。c 、 1 6h 时效处理后，复合材料组织中重新出现了i b - m 9 1 7 a i l 2 相。4 1 5 、1 6h 固溶处 理+ 1 7 0 。c 、1 6h 时效处理后，复合材料的室温抗拉强度o b 和洛氏硬度分别达到了 2 3 7 3m p a 和1 0 0h r b 。而将高能超声、合金化元素共同作用下的复合材料与热处 理后的复合材料相比较，发现复合材料的抗拉强度较热处理后的复合材料提高了 1 1 ，这说明高能超声和合金化处理对复合材料的改善效果更为显著。 t 一 关键词：镁基复合材料，原位合成，t i b 2 颗粒，高能超声，凝固组织，力学性能 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti sw e l lk n o w nt h a tm a g n e s i u ma l l o y sh a v em a n ye x c e l l e n ta n d u n i q u ep r o p e r t i e s ， s u c ha sl o wd e n s i t y , h i g hs p e c i f i cs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，e x c e l l e n tc a s t a b i l i t y , e a s y p r o c e s s i n g ，a sw e l la sg o o dr e c y c l i n gc a p a c i t y , a n dt h er e s o u r c eo fm a g n e s i u mi sv e r y a b u n d a n ti nt h en a t u r e h o w e v e r , t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n ta n dc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n o fm a g n e s i u ma l l o y sh a v eb e e nr e s t r i c t e dd u et ot h e i rs o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w e l a s t i cm o d u l u s ，p o o rh e a tt 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 i ti so n eo fe f f e c t i v e w a y st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm a g n e s i u ma l l o y sb ya d o p t i n gt h em a g n e s i u m m a t r i x c o m p o s i t e sr e i n f o r c e db yp a r t i c l e s w i t h h i g hm e l t i n gt e m p e r a t u r e ，t e n s i l e s t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u s m a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sr e i n f o r c e db yt i b 2p a r t i c l e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e d s u c c e s s f u l l yb yd i r e c tm e l tr e a c t i o nm e t h o df r o ma z 9 1 d 一( t i 0 2 + b 2 0 3 ) s y s t e m s t h e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa tr o o mt e m p e r a t u r eo fa z 9 1 d m a t r i x a l l o y a n dc o m p o s i t e sa r ei n v e s t i g a t e d b yu s i n gm e a s u r e m e n t so fx - r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) ，d i f f e r e n tt h e r m a la n a l y s i s ( d s c ) ，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 n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) a n ds o o n t h em e c h a n i s m so ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e nd i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tc e ，s ra n dl ac a nr e f i n er e m a r k a b l yt h es o l i d i f i c a t i o no f a z 9 1 da l l o y t h em o r p h o l o g yo f1 3 - m g l 7 a 1 1 2p h a s ei sc h a n g e dt ob u l k s h a p ea n d g r a n u l a r - s h a p e ，a n dp - m 9 1 7 a 1 1 2p h a s ei su n i f o r m l yd i s t r i b u t e di na z 9 1 dm a t r i xa l l o y i na d d i t i o n ，t h e r ea r es o m ea c i c u l a ra n db a c i l l i f o r mp h a s e sa 1 4 c ea n da 1 4 l ac o m p o u n d s i nt h es o l i d i f i c a t i o no fa z 9 1 da l l o y w h e n a d d i n g0 5 w t c e ，0 2 w t s ra n d 0 3 w t l as i m u l t a n e o u s l y , t h ee f f e c to fg r a i nr e f i n e m e n ti st h eb e s t ，a tt h es a m et i m e t h et e n s i l es t r e n g t h ，e l o n g a t i o na n dr o c k w e l lh a r d n e s so fa z 9 1 da l l o y sr e a c ht o2 4 0 m p a ，7 7 5 a n d7 5h r b ，w h i c ha r ei n c r e a s e db y2 1 2 ，4 9 6 a n d1 4 0 r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so ft h ec o n t e n to fz i 0 2a n db 2 0 3t e s t i n gi n d i c a t et h a tt h ev o l u m e f r a c t i o n so ft i b 2p a r t i c l e sa r eg r a d u a l l yi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ec o n t e n to f t i 0 2a n db e 0 3 t h ev o l u m ef r a c t i o no ft i b ep a r t i c l e si sl a r g e s ta n dt h et i b 2p a r t i c l e s a r eu n i f o r m l yd i s t r i b u t eo nam a c r o s c a l ew h e nt h ec o n t e n to fr e a c t a n t si s1 5 w t w i t ht h ea s s i s t a n c eo fa l l o y i n ge l e m e n t sa n dh i g hi n t e n s i t yu l t r a s o n i cf i e l d ，t h e s o l i d i f i c a t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 9 1 da l l o ya n dt i b z a z 9 1 dc o m p o s i t e s i i i 超声化学合成t i b 2 a z 9 1 d 复合材料的微观组织及性能研究 a l ei m p r o v e do b v i o u s l y t h es i z e so fa - m gp h a s ea n db - m 9 1 7 a 1 1 2p h a s ea l er e d u c e d ， a n dt h em o r p h o l o g i e so fa 1 4 c ea n d 触4 l aa r ec h a n g e dt o g r a n u l a r s h a p eo rs h o r t r o d s h a p e a st h et r e a t i n gt i m ea n dt h ep o w e ro fh i g hu l t r a s o n i ci n c r e a s i n g ，t h ev o l u m e f r a c t i o n so ft i b 2p a r t i c l e sa l eo b v i o u s l yi n c r e a s e da n dt h ed i s t r i b u t i o n sa r eb e c o m e m o t eu n i f o r m w h e nt h eu l t r a s o n i ct r e a t m e n tt i m ea n dp o w e r a t e8m i na n d1 2k w , t h e t e n s i l es t r e n g t ha n dr o c k w e l lh a r d n e s sr e a c ht o2 6 3 3m p aa n d7 7 2h r b r e s p e c t i v e l y , w h i c ha r ei n c r e a s e db y1 3 6 a n d1 3 9 t h a nt h a to ft h ec o m p o s i t e sw i t h o u tu l t r a s o n i c u n d e rt h ee f f e c to fh i g hi n t e n s i t yu l t r a s o n i c ，t h ec l e a v a g es t e p sa r ed e c r e a s e da n dt h e a m o u n to fd i m p l ei si n c r e a s e d ，a n dt h ec h a r a c t e r so fp l a s t i cf r a c t u r eb e c o m ec l e a r t h e f r a c t u r et y p eo fc o m p o s i t e sc h a n g e sf r o mc l e a v a g et y p et oq u a s i c l e a v a g et y p e i no r d e rt oc l e a rt h ee f f e c to fh i g hi n t e n s i t yu l t r a s o n i co nt i b 2 a z 9 1 dc o m p o s i t e ， t h ee f f e c to fh e a tt r e a t m e n tt oc o m p o s i t e sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so fh e a t t r e a t m en t t e s t i n gs h o wt h a ti b - m g l 7 a 1 1 2p h a s ei nt h es o l i d i f i c a t i o no fc o m p o s i t e si s a l m o s td i s s o l v e da f t e r4 1 5 s o l u t i o nt r e a t m e n ta n df o r ms i n g l e p h a s es u p e r s a t u r a t e d s o l i ds o l u t i o n h o w e v e r , 1 3 - m g l 7 a 1 1 2 p h a s ea p p e a r si nt h es o l i d i f i c a t i o na f t e r1 7 0 c ，1 6h a g e i n gt r e a t m e n t w i t h4 1 5 c ，1 6hs o l u t i o nt r e a t m e n ta n d1 7 0 。c ，1 6h a g e i n gt 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 dr o c k w e l lh a r d n e s so fc o m p o s i t e sa t ei n c r e a s e dt o2 3 7 3m p a a n d1 0 0h r b t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t eu n d e rt h ei n f l u e n c eo fa l l o y i n g e l e m e n t sa n dh i g hi n t e n s i t yu l t r a s o n i ci n c r e a s e sb y1 1 c o m p a r e dw i t ht h ec o m p o s i t e s a f t e rh e a tt r e a t m e n t t h er e s u l t se x p l a i nt h a tt h ee f f e c t so fh i 【g hi n t e n s i t yu l t r a s o n i ca n d a l l o y i n ge l e m e n t st oc o m p o s i t ea r eb e t t e r k e y w 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 ，i n s i t us y n t h e s i s ，t i b 2p a r t i c l e ，h i g h i v i n t e n s i t yu l t r a s o n i c ，s o l i d i f i c a t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 选题意义1 1 2 原位合成镁基复合材料的制备技术一3 1 2 1 固液反应法3 1 2 2 固固反应法8 1 2 3 气液反应法9 1 3 原位镁基复合材料的研究现状及发展前景1 0 1 3 1原位镁基复合材料的微观组织1 0 1 3 2 原位镁基复合材料的力学性能1 1 1 3 3 原位镁基复合材料的应用与发展前景1 2 。1 4 高能超声在金属基复合材料领域的应用1 3 1 4 1高能超声在金属熔体中的作用原理1 3 1 4 2 高能超声在金属基复合材料领域中的应用1 4 1 5 热处理在镁基复合材料领域中的应用1 5 1 6 本课题的研究目的及内容1 6 第二章原位反应体系的选择及试验方法1 7 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 基体的选择1 7 增强相的选择1 8 合金元素的选取1 8 气体保护工艺1 8 实验设备1 9 2 5 1 熔炼设备1 9 2 5 2 超声设备1 9 材料组织观察2 0 2 6 1 试样制备及金相组织观察2 0 2 6 2x 射线衍射分析2 1 2 6 3 扫描电镜及能谱分析2 1 材料的性能测试2 1 2 7 1 硬度测试2 1 2 7 2 室温拉伸性能测试2 1 v 超声化学合成t i b z a z 9 1 d 复合材料的微观组织及性能研究 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 第五章 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 第六章 微合金化对a z 9 1 d 合金组织和力学性能的影响2 2 引言2 2 微合金化制备工艺2 3 微合金化对a z 9 1 d 合金微观组织的影响2 3 微合金化对a z 9 1 d 合金力学性能的影响2 6 3 4 1 复合添加c e 、s r 和l a 对a z 9 1 d 镁合金硬度的影响2 6 3 4 2 复合添加c e 、s r 和l a 对a z 9 1 d 镁合金拉伸性能的影响2 7 本章小结2 9 t i b z a z 9 1 d 复合材料的熔体反应体系设计与制备。3 0 引言3 0 复合材料的制备工艺3 0 原位反应热力学3 0 反应体系动力学3 3 反应物添加量对t i b 2 a z 9 1 d 复合材料凝固组织的影响3 7 本章小结4 0 高能超声对熔体反应合成t i b z a z 9 1 d 复合材料的影响规律4 1 引+ 占4 1 t i b 2 a z 9 1 d 复合材料的制备工艺4 1 高能超声对t i b z a z 9 1 d 复合材料的凝固组织的影响4 1 5 3 1 高能超声对a z 9 1 d 镁合金凝固组织的影响4 2 5 3 2 高能超声对复合材料凝固组织的影响4 4 高能超声对t i b z a z 9 1 d 复合材料力学性能的影响。4 6 5 4 1 高能超声对复合材料拉伸性能的影响4 6 5 4 2 高能超声对复合材料硬度的影响4 8 5 4 3 高能超声对复合材料的影响机理5 0 热处理对t i b 2 a z 9 1 d 复合材料组织和性能的影响5 1 5 5 1 复合材料热处理工艺5 2 5 5 2 热处理对复合材料凝固组织的影响5 2 5 5 3 热处理对复合材料力学性能的影响5 4 本章小结。5 7 主要结论5 8 参考文献。 6 0 致谢6 1 ； 攻读硕士期间发表的论文6 6 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1 选题意义 第一章绪论 在金属材料中，镁合金的密度最小，为1 7 5 1 8 5g c m 3 ，仅为铝合金的2 届， 钢的1 4 左右，是工程应用中最轻的金属结构材料【。同时，镁合金具有比强度、 比刚度高，铸造性能、减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收 等一系列优点，在汽车、通讯设备、航空航天和军工领域具有良好的应用前景， 被称之为2 1 世纪的绿色工程材料【2 4 1 。 但是，镁合金存在弹性模量小、高温强度和抗蠕变性低、耐磨性差等严重的 不足，尽管镁合金的强度可以通过合金化手段如镁一锂和镁一稀土合金等来提高， 但是成本昂贵。目前各国都在竞相研究，努力寻求高性能、低成本、容易大规模 生产的技术。从材料的内在属性出发，解决镁合金性能方面存在的不足的最佳途 径之一是对材料进行复合强化；从工业应用远景的长远利益来看，颗粒增强方式 则是镁合金材料的最佳选择【5 吲。颗粒增强镁基复合材料在保留镁合金优点的同时， 还具有高的弹性模量和良好的耐磨性、耐高温性、抗蠕变性斛7 o l ，是继铝基复合 材料之后的又一具有竞争力的轻金属基复合材料。 根据颗粒的来源不同，颗粒增强镁基复合材料可以分为外加颗粒和原位合成 颗粒增强镁基复合材料。外加颗粒增强镁基复合材料是指其增强颗粒是外部加入， 并使其均匀分布于镁合金基体中。原位合成颗粒增强镁基复合材料是在一定条件 下通过元素之间或者元素与化合物之间的化学反应，在镁合金基体内原位自生成 一种或者几种高强度、高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化镁合金基体的目 的。 与外加增强颗粒制备镁基复合材料的复合技术相比，原位自生复合技术减少 了增强颗粒单独合成、处理、加入等工序，因而工艺简单，成本低廉；而且增强 相是从基体中原位形核、长大的热力学稳定相，不存在表面被污染、与基体相容 性不良等问题；加上增强相尺寸细小( 可达亚微米级) ，与基体界面结合良好【1 1 , 1 2 】， 所以在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可望较大幅度地提高材料的 强度和弹性模量，制得性能优良的颗粒增强镁基复合材料。 目前，原位合成镁基复合材料的制备方法主要有：自蔓延高温合成法( s h s ) 、 超声化学合成t i b 2 j a z 9 1 d 复合材料的微观组织及性能研究 放热弥散法( x d ) 、熔体直接反应法( d m r ) 、反应自发浸渗法( r s i ) 、熔盐 辅助合成法( r 峪) 和机械合金化法( m a ) 等。其中，熔体直接反应法是以现有 的合金熔炼工艺为基础，在熔体中直接反应生成增强颗粒，同时可制备形状复杂、 尺寸较大的近终成形复合材料构件，工艺简单，工期短，生产成本低，易于推广， 具有广阔的应用前景。但是，熔体直接反应法制备颗粒增强镁基复合材料的技术 还不是很完善，主要表现在以下几方面： ( 1 ) 镁基复合材料的反应体系较少，主要集中在m g m g e s i 体系。 ( 2 ) 镁合金性质比较活泼，熔点低，在熔炼和加工过程中容易氧化燃烧。采 用熔体直接反应法制备颗粒增强镁基复合材料起始反应温度高，并且在反应过程 中伴随着热量的释放，使镁合金损失严重。 ( 3 ) 采用熔体直接反应法制备镁基复合材料，反应速度较快，有的反应瞬间 完成，生成颗粒的大小、形态和分布难以控制。 ( 4 ) 采用熔体直接反应法制备镁基复合材料，增强颗粒产生以后，常会偏析、 团聚，在基体中不能均匀分布，对材料的组织和性能产生不良影响。 ( 5 ) 反应机理有待进一步深入研究。只有弄清楚了反应机理，更好的完善制 备工艺，才能制备出最佳综合性能的颗粒增强镁基复合材料。 这就要求不断探寻新的反应体系，改进制备工艺改善原位熔体化学反应的反 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；提高复合材 料的洁净度，从而提高镁基复合材料的综合性能，成为材料研究者所关注的核心。 近年来，利用物理手段来控制和促进化学反应，是科技界十分关注的研究领 域。超声波处理方法作为一种高效、无污染的细晶技术，能显著细化金属的凝固组 织。超声波在金属液中传播时，液体分子受到周期交变应力场的作用，产生的声 流、声空化、超声细化等特殊效应对于合金熔炼具有非常重要的影响【1 3 , 1 4 】。在镁 合金熔炼过程中引入超声波处理工艺能够有效地改善组织结构和力学性能，已成 为细化晶粒组织、提高合金力学性能的有效途径之一。 本课题在高等学校博士学科点专项科研基金( 2 0 0 7 0 2 9 9 0 0 4 ) 、江苏省高技术 研究项目( b g 2 0 0 7 0 3 0 ) 和江苏省高校自然科学重大基础研究项目( 0 7 a 4 3 0 0 8 ) 资助的基础上，在高能超声作用下，采用熔体直接反应法制备t i b 2 颗粒增强a z 9 1 d 复合材料；并研究了合金元素、高能超声和热处理工艺对镁合金及其复合材料的 2 江苏大学硕士学位论文 影响；研究复合材料的微观结构和性能之间的关系；优化制备工艺参数，提高 a z 9 1 d 基复合材料的性能，从而进一步推动颗粒增强镁基复合材料的产业化应用。 1 2 原位合成镁基复合材料的制备技术 原位合成技术( 又称“反应自生成法”) 是在2 0 世纪8 0 年代后期，当美国l a n x i d e 公司和d r e x e l 大学的m j k o c z a k 等人先后报道了各自研制的原位趟2 0 3 脚和t i c 复合材料及其相应的制备工艺之后，才正式在世界范围内拉开了原位金属基复合 材料的研究工作的序幕。根据参与合成增强体的两个反应组分的状态不同，可将 原位合成技术分为固液、固固和气液三种反应模式【1 5 1 7 】。 1 2 1 固一液反应法 固液反应法是指反应物在金属熔体内以元素或化合物的形式通过原位化学反 应形成增强体，或者元素或化合物直接与液相里的组元反应形成原位增强体。该 反应过程是一个溶剂辅助反应过程，增强体通过扩散反应形成。具体可分为以下 几种方法： 1 2 1 1自蔓延高温合成法( s h s ) 自蔓延高温合成法( s e l f - p r o p a g a t i o nh i g ht e m p e r a t u r es y n t h e s i s ，s h s 法) 是 前苏联科学家a g m e r z h a n o v 等在研究t i 和b 混合压实燃烧时提出的，并相继获得 了美国、日本、法国、英国等国的专利。此法是基于放热化学反应的基本原理， 利用外部提供必要的能量诱发局部放热化学反应( 点燃) ，形成化学反应前沿( 燃 烧波) ，然后反应利用自身放出的热量继续向前传播( 自蔓延) ，直到燃烧波蔓 延至整个体系，最后合成所需的材料。反应生成物即为增强相，呈弥散分布于基 体中，颗粒尺寸可达亚微米级。 在自蔓延高温合成法中，还有一种热爆反应( t h e r m a le x p l o s i o ns y n t h e s i s ，t e s 法) 模式。其原理是让整个试样在炉子中均匀加热，直到反应在试样内各个部位 同时自发产生，也称为反应烧结。t e s 模式反应所需时间更短、更为剧烈，因此， 其反应产物的组织和性能虽然有时和s h s 法的不同。但是，严格来说t e s 法是s h s 反应的一种特殊情况。 马宝霞f 1 8 】采用自蔓延高温合成法成功制备了( t i b 2 t i c ) v a z 9 1 复合材料，t i b 2 和t i c 颗粒在基体中分布均匀，t i c 呈近球形，t i b 2 呈六边形片状，尺寸均在5l x m 3 超声化学合成t i b 2 a z 9 1 d 复合材料的微观组织及性能研究 以下，增强相和基体界面干净，没有明显的乔面反应物，与a z 9 1 合金基体相比， 复合材料的硬度提高了约1 7 - - 4 7 ，其耐磨性提高了1 1 0 2 0 7 。吉林大学首先 将s h s 法与搅拌铸造法相结合分别成功地制各出t i b 2 m g 和( t i b 2 t i c ) m g 复合材 料，并申报了发明专利。采用触t i b 或t i b c 【1 9 l 体系，利用自蔓延高温合成 法首先制备出t i b 2 越或( t i b 2 + t i c ) a i 中间相载体，并利用搅拌铸造法将其进一步 引入到镁熔体中去，制备出颗粒分布更加均匀的t i b 2 q v l g 或( t i b 2 t i c ) m g 复合材 料。纪秀林等【加】采用m g t i 0 2 b 2 0 3 体系利用热爆方法制备了m g o t i b 2 颗粒增强 镁基复合材料，与基体相比复合材料的抗拉强度和布氏硬度分别提高了约2 6 和 3 2 。 自蔓延高温合成法与传统的材料合成相比，其主要优点是：工艺设备简单、 工艺周i 钶短、生产效率高、能耗低、物耗低；在合成的过程中极高的温度可对产 物进行白钝化，同时极快的升温和降温率可获得非平衡结构的产物，因此产品质 量良好：该法的主要缺点是：孔隙率高、密度低，需经过二次加工才能获得最终 产品【2 1 l ：反应过程速度快，难以控制；产品中易出现缺陷集中和非平衡过渡相； 较难合成颗粒含量低的复合材料。 1 2 1 2 放热弥散法( x d ) 放热弥散法( e x o t h e r m i cd i s p e r s i o n ，x d 法) 是由美国b r u p b a c h e r 等人于1 9 8 3 年发明并申请专利的。x d 法是在自蔓延高温合成法( s h s ) 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比例均匀混合，冷压或 热压成坯块，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，生成尺寸细 小，呈弥散分布的增强相。放热弥散法制备金属基复合材料的示意图如图1 1 所示。 4 图1 1x d 法制备颗粒增强金属基复合材料的工艺流程图1 2 2 1 f i g 1 1f l o wd i a g r a mo fm m m c s f a b r i c a t i o nt h r o u g hx d t 冽 江苏大学硕士学位论文 z h a n gx i u q i n g 等【2 3 。2 5 】采用此方法制各了颗粒尺寸约为o 2 1 0 衄a 、均匀分布 的t i c 颗粒增强镁基复合材料，研究结果表明，与基体a z 9 1 镁合金相比，复合材 料的阻尼更高，且阻尼峰值在耕地的应变幅下出现；复合材料的阻尼性能随着温 度的升高而快速增大，与基体a z 9 1 镁合金相比，阻尼峰值在更低的温度时出现。 h z y e 等【2 6 】采用放热弥散法向a m 6 0 镁合金中添加m 9 3 n 2 ，在7 0 0 。c 时制备了a i n 颗粒增强镁基复合材料，但是a i n 颗粒尺寸较大，且在基体中分布不均匀。 与自蔓延高温合成法( s h s 法) 相比，放热弥散法具有以下优点：制品的 致密度高，这是由于反应是在液态基体中进行的；无需点火设备，设备简单， 成本低。但是，该方法工序多、周期长，需经球磨混粉、真空除气、压坯成形、 反应烧结等过稃。，而且不能直接浇注成形，只能制得一些形状简单的产品。 1 2 1 3 接触反应法( c r ) 。 一接触反应法( c o n t a c tr e a c t i o n ，c r 法) 是哈尔滨工业大学和北京航天研究所 在综合了s h s 法与x d 法优点的基础上，开发的一种制各金属基复合材料的新工 艺。它是将基体元素( 或合金) 粉末和强化相元素( 或合金) 粉末按一定比例混 合，混合后的粉末冷压成具有一定致密度的预制块，然后用钟罩等工具将预制块 压入一定温度的金属液中，使之接触发生化学反应，反应热一方面使压块破裂， 增加了反应接触面积，促使反应进一步进行，另一方面可使反应物向基体中扩散， 在机械搅拌或者超声的作用下使增强相在基体中弥散分布，静置后即可浇注成各 种形状的复合材料铸件阳。 c o n g f az h a n g 等 2 8 】向m g a i 合金熔体中加入了s i 3 n 4 粉末，制备了 ( a i n + m 9 2 s i ) 颗粒增强镁基复合材料，并且研究了室温和高温条件下，增强颗粒尺 寸对复合材料阻尼性能的影响。中南大学陈晓等人【2 9 】采用接触反应法向纯镁中加 入预先经过分离和烘干的s i 0 2 反应添加物，使其与基体镁反应生成( m g o + m g z s i ) 复相颗粒增强镁基复合材料，对反应增强相的大小、形态、分布等进行了研究。 结果表明，8 0 0 c 时向m g 液中加入s i 0 2 可原位反应生成m g o 和m g a s i 增强相， m 9 2 s i 多为多角形和细条状，在m g 基体中均匀分布；m g o 为细小的粒子状，在 熔体中分布不均匀，大多则是聚集在坩埚底部，机械搅拌可促使其在熔体中分布 均匀。 接触反应法具有成本低、工艺简单、增强体与基体结合良好、增强体大小和数 量容易控制等优点，尤其值得指出的是，该方法可以通过铸造的方法获得各种形 5 超声化学合成t i b j a z 9 1 d 复合材料的微观组织及性能研究 状、尺寸的复合材料逐渐，应用范围较广。但是，化学反应不均匀，甚至不完全， 易造成成分偏析；反应过程难以控制，有污染气体放出，工作环境较差；熔体温 度高，能耗大，表面易氧化，有时反应需要在保护气氛下进行。 1 2 1 4 熔盐辅助合成法( f a s ) 熔盐辅助合成法( f l u xa s s i s t e ds y n t h e s i s ，f a s 法) ，又称混合盐反应法。该 法是英国l o n d o ns c a n d i n a v i a nm e t a l l u r g i c a l 公司发明的专利技术。其原理是将含有 增强体组元的盐混合、预热后加入到金属基体的熔体中，高温下增强体的组元被 金属还原，并在金属基体熔体中结合生成增强体，去掉熔渣即可浇注成形【3 0 l 。混 合盐反应原理图如图1 2 。 0 精炼后浇铸成型 清渣 b 直接浇铸成型 图1 2 混合盐反应原理图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ff a s m a m a t i n 等f 3 1 】将k b f 4 和k a t i f