（材料学专业论文）（sicpaz91d）镁基复合材料制备工艺的研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文( s i c p i a z 9 i d ) 镁基复合材料制备j ：艺的研究 摘要 本研究针对现有搅拌铸造法制备镁基复合材料的工艺局限性，通过调整 s i c p 加入方式、搅拌铸造法工艺参数，获得了s i c p 加入新方法，制得了高收得 率、颗粒分布较均匀、少气孔率的s i c p f a z 9 1 d 复合材料坯料。同时首次应用等 径角挤压工艺对搅拌铸造法制各的碳化硅颗粒增强镁基复合材料进行了变形试 验，以期消除其组织固有缺陷并获得碳化硅分布均匀的组织。并用金相显微镜、 扫描电镜观察和分析了等径角挤压变形前后镁基复合材料组织、断口形貌变化， 结果表明：等径角挤压可以消除材料中的气孔等铸态缺陷并细化基体合金组织， 改善增强颗粒均匀性；基体合金与增强颗粒的结合性能以及对s i c p 损伤的容限 性得到了较大提高；铸态时s i c ，团聚为复合材料断裂的主要原因，基体合金以 韧性断裂为主，伴有一定量的颗粒基体界面脱粘，并且存在增强颗粒穿晶断裂， 经e c a p 后，以基体韧性撕裂为主体，s i c p 密集区域多数为颗粒基体界面脱粘 形式，存在少量增强颗粒穿晶断裂。 关键词：镁基复合材料，制各工艺，s i c p ，e c a p ，搅拌铸造法，断口形貌，收 得率 南京理工大学硕士学位论文( s i c p a z 9 d ) 镁基复合材料制备1 艺的研究 a b s t r a c t t h es i c p a z 9 1d c o m p o s i t e sw e r ef a b r i c a t e dw i t hh i g hj o i n i n gr a t i o ，u n i f o r m d i s t r i b u t i o na n dl o wp o r er a t i o b ya d j u s t i n gt h ej o i n i n g m e a n so fs i c pa n dt h e p a r a m e t e r so fp r o c e s s f o rt h el o c a l i z a t i o no fr e c e n t s t i r r i n g - c a s t i n gt e c h n o l o g i e s m e a n w h i l e d e f o r m i n g t e s t sw e r ep e r f o r m e df o rs i c pr e i n f o r c e dm g b a s e dc o m p o s i t e s p r 印a e db ys t i r r i n g - c a s t i n gp r o c e s sa f t e re q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ( e c a p ) t o e l i m i n a t et h ed e f e c t si nt h es t r u c t u r e sa n do b t a i nt h eu n i f o r md i s t r i b u t i o no fs i c p t h e s t r u c t u r e so fm gb a s e dc o m p o s i t e sa n df r a c t u r es u r f a c ew e r eo b s e r v e da n da n a l y z e d b yo p t i c a lm i c r o s c o p ea n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e a f t e re c a p t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ec a s t i n gd e f e c ts u c ha sp o r e sw e r ee l i m i n a t e d ，t h es i z eo fg r a i n sw a sb e r e d u c e da n dt h eu n i f o r m i t yo f p a r t i c l ew a si m p r o v e da f t e re c a r t h ec o n n e c t i o no f m a t r i xa n dp a r t i c l e s ，t h eh a r ma c c o m m o d a t i o nt os i c pa l s ow e ni m p r o v e d ；s i c p m a s s e sw e r et h em a i nc a u s eo ff r a c t u r eo ft h ec o m p o s i t e sw i t ht e n a c i o u sf r a c t u r eo f t h em a t r i xa l l o yc o m p a n i e dw i t hs o m ed i s c o n n e c t i o nb e t w e e np a r t i c l e sa n dm a t r i x a n dt h ec r o s s g r a i nf r a c t u r ee x i s t s a f t e re c a p , p r i n c i p a lp a r tw a st e n a c i o u sf r a c t u r e o ft h em a t r i xw i t hl i u l e q u a n t i t a t i v ec r o s s g r a i n f r a c t u r ei nt h es t r u c t u r e sa n d d i s c o n n e c t i o nb e t w e e np a r t i c l e sa n dm a t r i xw a st h em a i nf o r mi nt h ea r e ao fd e n s e d i s t r i b u t i o no fs i c p k e y w o r d s ：m g b a s e dc o m p o s i t e s ，f a b r i c a t i o np r o c e s s ，s i c p ，e c a p ，s t i r r i n g c a s t ， f r a c t u r es u r f a c e ，j o i n i n gr a t i o 2 鼍6 2 4 8 9 0 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签 如甲年妇( 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 i - q i 嚣1 7 6 月宁口 | 南京理j _ 入学硕士学位论文 ( s i c p ，a z 9 1 d ) 镁基复合材料制备艺的研究 第一章绪论 人类进入新世纪以来，“保护环境，合理使用、节约和保护资源，提高资源 的利用率，从传统的高消耗模式向可持续发展模式转变”已成为世界各国发展的 主题。而对于在地壳中蕴藏量达2 1 ，仅次于铝、铁，且素有“绿色材料”之 称的镁的开发和利用，无论对于材料学科本身的发展还是对于社会的进步都具有 很大的意义。 作为最轻的工程金属材料，镁合金的比强度明显高于工程塑料，且具有相当 高的导热性与导电性、无磁性、优异的尺寸稳定性，良好的能量吸收特性，是制 造抗震零件的良好材料，同时具有良好的铸造性。另外，镁是金属中最易加工、 加工成本最低的金属，利用普通的切削工具就可以有效的控制公差，保证精度。 镁合金还具有良好的挤压性能，成形性能及焊接性能【l 捌。 镁合金虽然具有上述优异性能，但仍有许多缺点，不能满足某些应用场合的 需要，如：低的弹性模量，有限的高温强度和高温屈服强度，凝固时收缩 率较高，高的化学反应活性，在一些应用中耐烛性较差。 为此，国内外的研究者对提高、改善镁合金的性能进行了一系列工作，如研 究新型镁合金及熔炼手段、改善镁合金铸造和压铸技术、对镁合金进行表面处理、 开发镁基复合材料等3 1 。其中镁基复合材料相对于传统镁合金材料具有更优异的 力学、物理性能以及较大的材料设计自由度，自2 0 世纪8 0 年代末开始已经逐渐 成为镁基材料领域的研究重点之一。 1 1 镁基复合材料制备工艺的研究及发展现状 复合材料是指：由两个或两个以上独立的物理褶，包括粘结材料( 基体) 和 粒利、纤维或片状材料所组成的一种固体产物。 根据基体材料类型分类，复合材料可分为：金属基复合材料、聚合物基复合 材料、无机非金属基复合材料。 对于工程应用，复合材料的优越性可以归结成三个要点：复合材料可以实现 要塞堡士查堂堡主塑论蔓( s i c p ，a z 9 i d ) 镁基复台材料制备工艺的研究 性能的独特组合；复合材料其性能可以在一定范围内连续的变化；有时可以在某 一物理性能上出现其原材料所不具备的数值。 制各出能应用于工业应用的镁基复合材料的工艺主要分为两步：镁基复合材 料坯料的制备及坯料的二次塑性加工。 下面简要介绍镁基复合材料的基体合金及增强相特性、坯料制备方法和变形 工艺特点。 1 1 1 镁基复合材料常用基体合金及增强相 镁基复合材料基体合金的选择因其使用性能不同而有所不同，侧重铸造性能 的可选择不含z r 的铸造镁台金为基体；侧重挤压性能的则一般选用变形镁合金。 纯镁因其强度偏低，不适于作为镁基复合材料的基体，一般需要添加合金元素， 利用其进行固溶强化、沉淀强化、热处理强化、细晶强化等作用。主要添加元素 有铝、锌、锰、锆、锂、钍和稀金属等，其中铝、锌、锂较为常用h 。 表i - 1 常用的增强体材料性质 密度熔点 抗拉强度 拉伸弹性模量 纤维颗粒( g c 一)( ) 极限值比强度模量值比模量 ( m p a )( c m x l 0 6 )( g p a )( c m 1 0 8 ) a 1 2 0 3 3 9 92 0 8 26 8 91 83 2 31 3 - 3 l b2 5 2 2 1 0 03 4 5 01 3 9 4 4 11 7 8 c14 l3 7 0 02 7 6 01 9 92 0 01 4 4 下；47 l 1 6 6 81 9 3 04 2 1 52 5 s i c3 2 l 2 7 0 04 0 0 4 5 0 b z c2 5 12 4 5 03 6 0 4 6 0 _ 由于复合材料获得强化很大部分取决于将应力从基体转移到比较强的增强 相的能力，因而获得一个强的基体，增强相的界面结合十分关键。如果界面结台 不好，那么在任何有效应力传递到增强相之前，界面就会失效，从而得不到强化， 这在某种程度上也反映了增强颗粒选择对复合材料强化的影响 】。 。 一般复合材料增强体的选择要求为与基体合金的物理、化学相容性好，润湿 性良好，载荷承受能力强，且尽量避免增强体与基体合金之阃的界面反应等。常 用的增强体主要有c 纤维、t i 纤维、b 纤维，a 1 2 0 3 颗粒及其短纤维，s i c 颗粒 及其晶须，b 4 c 颗粒等。表1 - 1 列出了它们的一些基本性质。 南京理工大学硕士学位论文 ( s j c p ，a z 9 l d ) 镁基复合材科制各工艺的研究 由于镁及其镁台金化学性质比较活泼，因而增强体与其他金属基复合材料不 尽相同。例如a 1 2 0 3 与m g 会发生3 m g 斗_ a 1 2 0 3 = 2 a 1 + 3 m g o 的反应i ”，降低其与 基体之间的结合强度：且常用的a 1 2 0 3 中含有少量s j 0 2 ，s i 0 2 与m g 发生强烈反 应：2 m g + s i 0 2 = s i + 2 m g o ，2 m g + s i = m 9 2 , s i ，其中m 9 2 s i 沉淀1 7 j 危害界面结合 强度，所以镁基复合材料中较少采用a 1 2 0 3 作为增强体。 c 纤维与纯镁不反应，但会与镁合金中的a 1 、l i 生成, a 1 4 c 3 、l i 2 ( 2 2 化合物， 其损伤碳纤维。 b 4 c 与纯镁也不反应，但b 4 c 颗粒表面氧化物b 2 0 3 与m g 会发生 4 m g ( i ) + a 1 2 0 3 0 ) = m gb 2 ( s ) + 3 m g o ( s ) 的反应，生成的m gb 2 增大了液态m g 和b 4 c 颗粒的润湿性，有助于提高复合材料的力学性能。 另据报道【”，s i c 与镁舍金之间无论在复合材料的毒4 造过程还是固溶处理过 程中都没有发现任何界面化学反应。 由此可见，s i c 和b 。c 晶须或颗粒是镁基复合材料较为合适的增强体。 1 1 2 颗粒增强镁基复合材料坯料的制备工艺 早期金属基复合材料的研究主要集中于增强相为长纤维的复合材料，但由于 其工艺过程复杂、加工性能差，长纤维增强相价格偏高，从而转向颗粒增强复合 材料的研究引。颗粒增强镁基复合材料也以其低密、高强度、高刚度、良好的尺 寸稳定性和优良的铸造性能，以及材料各向同性等一系列优点成为现代高技术领 域中最有希望采用的一种复合材料”。 颗粒增强镁基复合材料的制备方法与其他金属基复合材料基本相类似，主要 可分为以下几种【5 l 1 2 - 1 3 1 ： 液态金属浸渗法 浸渗法指借助作用于液体金属上的气体压力或离心力等，使液态金属渗入铸 型内具有一定形状和孔隙率的颗粒增强体预制块中并凝圃成形，从而获得复合材 料制件的工艺。 液态金属浸渗工艺是一种制备大体积分数复合材料的好方法，且工艺简便灵 活，不需要大的机械设备，但也存在预铡块变形、微观结构不均匀、晶粒尺寸粗 大和界面的反应等一系列问题。 按所施压力的不同，液态金属浸渗法又可分为挤压铸造法、真空气压浸渗法、 南京理工大学硕士学位论文( s i c p ，a z 9 1 d ) 镁基复合材料制备工艺的研究 无压浸渗法等。 搅拌法 搅拌法根据熔体加热状态又可分为全液态搅拌铸造法及半固态搅拌铸造法。 全液态搅拌铸造是制备颗粒增强金属基复合材誊斗的一种典型工艺，最早采用 此工艺是s u r a p p a 和r o h t 1 4 1 ，即采用机械设备对全融金属熔体进行强烈搅拌， 投入增强颗粒，利用涡流使其均匀分布于金属熔体中，然后直接浇铸成型。 此方法工艺简单，设备投资少，便于规模化生产。但存在铸造气孔较多，增 强颗粒的体积分数受限制，分布难以实现均匀化，易偏聚，收得率颇低等缺点。 据报道i s 】，目前己有多家公司采用搅拌铸造法成功开发颗粒增强镁基复合 材料。如美国d o w c h e m i c a lc o m p a n y 利用一种新的搅拌法制备了s i c p 、a 1 2 0 3 增强a z 9 1 、a z 3 l 、a z 6 1 镁基复合材料坯锭。英国镁电子公司m a g n e s i u m e l e c t r o n l t d 也开发了一种搅拌铸造工艺制备出颗粒分布均匀，性能优良，质量达1 8 0 k g 的m e l r a m 镁基复合材料。 半固态搅熔铸造法就是通过机械搅拌低粘度的半固态基体合金熔体，利用形 成的涡流强制引入增强颗粒，并依靠半固态浆液的触变特性分散增强相，在混合 均匀后再升温浇铸，褥到镁基复合材料的方法。 该工艺相对于搅拌铸造增强颗粒在基体内分布均匀，且同样设备简单，成本 低，适合用于大规模工业生产。但在于气孔，加入量，收得率等方面仍存在问题。 粉末冶金法 粉末冶金法是将增强颗粒与微细纯净的镁合金粉末混合均匀后在模中冷压， 然后在真空状态下，加热至合金两相区进行热压，制得金属基复合材料的方法。 粉末冶金法的特点是：对基钵合金种类和增强体类型没有限制，可任意改变 基体合金与增强体的配比，且增强体颗粒在基体内分布均匀。但工艺设备复杂； 小批量成本高。 喷射法沉积法 喷射沉积技术的原理是将金属或合金熔体用高压惰性气体雾化的同时加入 增强体，形成液滴喷射流，直接喷射并共沉积到水冷或非水冷基体上，经过撞击、 聚结、凝固而形成大块沉积物，这种沉积物可以立即进行锻造、挤压或轧制加工， 也可以是近终形产品。 南京理- j ：大学硕士学位论文( s i c d a z 9 1 d ) f ：) 基复合材料制备工艺的研究 喷射沉积技术的基本特点是：沉积坯的冷却速度比传统铸锭冶金方法的冷速 高得多，在沉积物中能够得到快速凝固态组织，组织细小均匀，合金成分偏析程 度小：喷射沉积过程是在惰性气氛中瞬时完成的，工艺流程短，金属氧化程度小， 减轻了材料的污染程度；喷射沉积坯的力学性能达到或超过粉末冶金快速凝固 材料，明显优于铸锭材料。 采用喷射沉积技术可以制各管、板、带、环、筒和圆锭坯。采用喷射共沉积 工艺制备复合材料坯的优点是：增强相分散均匀，加入量可以控制：由于沉积坯 的冷速高，沉积层温度较低，因而不会发生有害的界面反应：可以制备出大尺寸 的复合材料坯件。目前国外比较知名的喷射沉积工艺有o s p r e y 工艺、u c ( 液体 动态压实) 工艺、c s d ( 受控喷射沉积) 工艺、离心喷射沉积工艺等。但制备设备昂 贵，锭坯孔洞较多，且其成形件形状受到限制，从而在一定程度上限制了其在工 业上的应用。 1 1 3 镁基复合材料的二次塑性加工 按上述制备工艺所制得的镁基复合材料由于存在增强体与基体间浸润性较 差、比重差异较大，致使颗粒难以均匀分布；并且存在疏松、多孔等缺陷。故而 对于这些复合材料半成品，一般还需要进行二次塑性加工，如轧制、复压、挤压、 压延等i t 6 q t l 。 轧制是将复合材料坯料在旋转轧辊的压力作用下，产生连续塑性变形，去除 疏松、气孔，均匀增强颗粒，从而提高其性能。由于坯料在轧制过程中，靠摩檫 力得以通过轧辊孔隙而受压变形，导致坯料的截面减小，长度与宽度增加。通过 轧制工艺可得到棒状、板状等形状的复合材料。因轧制常用于高塑性变形性能的 材料，因此，轧制工艺用于复合材料并不多见。 挤压是坯料在三向不均匀压应力作用下从模具的孔口或缝隙挤出，所得截面 形状依模具的孔型而定。金属在三向压应力作用下交形时，可避免微裂纹的产生 和扩展，抵消因变形不均匀产生的附加应力，使金属的形变抗力减小，塑性提高， 显著改善其成形性能。因此，挤压多用于复合材料，主要是为了提高其致密度、 均匀性，以改善复合材料组织与性能。由搅拌铸造法、粉末冶金法、液态金属浸 渗法和喷射沉积法制得的复合材料般都要进行热挤压。但挤压后材料截面尺寸 都减小，要获得大截面尺寸的复合材料，需要制备更大尺寸的锭坯这既给熔炼 南京理一大学硕士学位论文( s i c p a z 9 1 d ) 镁基复台材料制备j ：艺的研究 与铸造设备带来不使，又需要大吨位的挤压设备i 斟。 由于挤压时坯料在塑性交形区受到强烈的三向压应力作用且静水压力较大， 可以有效地防止裂纹源的萌生和裂纹的扩展，有利于发挥材料的塑性，显著改善 其成形性能，故多采用挤压工艺进行塑性加工 1 9 1 。 等径角挤压( e c a p ) 属于挤压工艺中的一种。近来，更是国际前沿令人瞩目 的研究课题【2 0 】。但是关于镁基复合材料进行e c a p 挤压的相关报道很少，因而 开展对于镁基复合材料等径角挤压的实验研究具有一定前瞻性。 等径角挤压就是通过两个轴线相交的截面尺寸相等的通道，将被加工材料挤 出，因通道的弯角作用，使变形材料产生大剪切变形的方法。因为加工前后材料 的断面尺寸保持不变，原理也不受加工道次的限制， 在保持大块体材料的状态下产生极大的加工应变 1 2 1 - 2 3 1 。 等径角挤压在一个特剐设计的模其中进行，如图 1 1 所示。两通道在模具内交叉的内角为o ，外角为 甲。在等径角挤压过程中，与模具中的通道紧密配合 且与模壁润滑良好的试样在压力p 的作用下，向下 挤压，当通过两通道的交叉处时，试样经受近似理想 的纯剪切变形。 1 w a h a s h 等学者将总应变量的计算拓展到外接 弧角甲不为零的情形，对总应变量( 。n ) 的计算提出 图等径角挤压示意图 了以下的公式1 2 4 】： e ，= 尝( 2 c 。t ( 詈+ 詈) + 妒c 。一( 詈+ 詈) ) 很多传统合金经过等径角挤压后可获得超细晶结构，晶粒尺寸可从l m m 细 化到0 1 - l 啪。材料微观组织上出现的最明显的特征有两个：大凫度晶界上含有 高密度位错，大角度晶界上存在不平衡结构。 根据2 0 世纪5 0 年代初h a l l 和p e t c h 两人提出的h a l l - - p e t c h 公式可知，晶 粒细化是提高台金机械性能的种有效方法。在实现晶粒细化后的材料具有不 同于传统材料的物理性能，如屠里温度、德拜温度、磁性、弹性模量、扩散系 数等，以及高强度高塑性的力学性能以及较低温度下的高应变速率加工超塑性。 6 尊京理1 大学硕士学位论文( s i c a z 9 l d ) 镁基复台材料制备1 艺的研究 对于挤压后复合材料，基体晶体必然大为细化；因增强颗粒而引入的气孔也 必定会大量减少；增强颗粒的分布均匀性会得到较大程度的改善，增强颗粒的断 裂也不再成为损伤而将是导致增强颗粒的细化1 1 6 】。 所以，考虑到镁基复合材料优良性能潜力及e c a p 工艺对材料优化效果，进 行此研究有着重要意义。 1 2 颗粒增强镁基复合材料的增强机理及应用 1 2 1 颗粒增强镁基复合材料的增强机理 颗粒增强金属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，也是高阻尼性能( 位错钉扎与脱扎) 的基础。 还有研究f 2 5 1 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；第二种是基体合金与增强体表面的界面热交换；第三种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基体的晶粒小于镁合金 的晶粒度。 1 2 2 颗粒增强镁基复合材料的应用状况 据报道，道化学公司( d o wc h e m i c a lc o r p o r a t i o n ，u s a ) 用a 1 2 0 3 p m g 复 合材料己制成皮带轮、链轮、油泵盖等耐磨件，其中汽车油泵盖已经累积行车 1 6 1 0 5 k m ，并制出了完全由此a 1 2 0 3 d m g 复合材料制成的油泵。 德国t e c h n i c a lu n i v e r s i t yo fc l a u s t h a l 采用a 1 2 0 3 p 、s i c p 增强镁基材料制成 了汽车轴承、活塞、汽缸内衬等汽车零件。 4 美国t e x t r o n 公司、道化学公司已利用s i c o m g 复合材料制造螺旋桨、 导弹尾翼、内部加强的汽缸等。 南京理j ：大学硕士学位论文( s i c p a z 9 l d ) 镁基复合材料制各工艺的研究 加拿大镁技术研究所( i n s t i t u t eo fm a g n e s i u mt e c h n o l o g y ，i t m ，c a n a d a ) 成功开发了搅拌铸造及挤压铸造s i c 颗粒增强镁基复合材料，并利用其密度低、 耐磨损、比刚度高等特点，尝试探讨其在汽车工业上的用途，如应用于汽车的盘 状叶轮、活塞环槽、齿轮、变速箱轴承、差动轴承、拨叉、连杆、摇臂等。 1 3 本研究的目的、技术路线和意义 现有搅拌铸造法制备镁基复合材料的艺简单，但铸造气孔较多，分布难以实 现均匀化，易偏聚，收得率较低，本研究针对其工艺特点及局限性，拟通过调整 s i c p 加入方式、搅拌铸造法工艺参数，获到高收得率，颗粒分布较均匀，减少 气孔率的复合材料坯料；并利用e c a p 工艺对所得的铸态镁基复合材料进行二次 塑性加工，以制备出具有优良组织结构与性能的镁基复合材料。 拟采用的技术路线为： 原料准备：包括s i c p 预处理处理、二次处理以及基体合金a z 9 1 d ( 主要考 虑其流动性较好) 的准备。 锭坯制备：以搅拌铸造法制备镁基复合材料，并对镁合金熔体温度、搅拌速 度、加热时间等工艺参数进行优化配置。 等径角挤压；对获得的铸态镁基复合材料进行等径角挤压，以提高s i c p 均匀 性、消除疏松、多孔等缺陷 及细化基体合金，进而提高 其综合性能。 本课题意义在于：在利 用实验室现有设备基础上， 运用较为成熟的搅拌铸造法 制得高收得率的镁基复合材 料，并国内首创性的进利用 e c a p 进行二次塑性加工， 改善材料组织，提高其性能。 南京理工大学硕士学位论文( s i c a z 9 l d ) 镁基复合材料制备工艺的研究 第二章实验过程及研究方法 2 1 复合材料制备设备 2 1 1 搅拌铸造设备 制取镁基复合材料铸锭的实验设备如图2 1 所示，是自制试验设备。它主 要由搅拌装置( 包括可变速电机、支持架、测速器) 、熔化装置( 包括坩埚、电 阻炉、密封块、控温仪) 和铸锭模构成。 图2 1 搅拌铸造实验设备 1 一搅拌电机2 一电机支持架3 一加料口4 一进气口5 一密封块6 一坩埚7 一 搅拌叶8 一浇注口9 模具i o 一支架1 i 一电阻炉 ( 1 ) 熔化装置 本研究中，熔化设备为普通的电阻炉，加热控温仪由可控硅控温器与热电 偶( 镍铬一镍铝热电偶) 构成，并用u j 3 7 型直流电位差计进行校温，以达到精 确控温。坩埚尺寸为中1 0 0 x 5 3 0 ( m m ) ，以i c r l 8 n i 9 t i 不锈钢制成。 熔化完毕后都用钢丝刷清洗理坩埚内壁及底部，从而确保下次实验时坩埚的 洁净。 9 宴京理工火学硕士学位论文( s i c r g a z 9 1 d ) t 蓑复合材料制备工艺的研究 ( 2 ) 搅拌装置 搅拌电动机额定输出功率为3 0 0 w ，转速5 0 一1 5 0 0 转分。测速仪为红外非 接触式测速仪，测速范围5 0 - - 9 9 9 9 转分。 搅拌棒形状如图2 - 2 所示，叶片采用双平桨，长8 0 r a m ，宽1 0 m m 。根据流 体力学原理，叶片位置过高，不但不能对s i c ，颗粒团聚块施加足够的剪切力使 之分散均匀，反而使得熔体表面的液态金属流动速度提高，加上镁合金液体密度 小、粘度小或速度大，镁基复合材料熔体上部出现紊流，卷入气体而产生气孔。 因此，本实验叶片位置参数定为b h = 0 3 ( h 一熔体高度或深度，h 一双平桨叶片 之间的距离) 。 9 0 m m 图2 - 2 搅拌棒形状图 ( 3 ) 铸锭模具 铸锭模具是紫铜加工成的金属模，冷速较快，有利于细化铸锭合金组织。模 具结构为一空心圆柱体，壁厚2 2 m m ，内腔尺寸中7 5 x 3 2 0 ( 蚰) 。 实验前必须清理模具，先以细纱纸轻微打磨内腔去除前次残留物，后加热至 2 0 0 - - 2 5 0 。c 问待用。 2 1 2e c a p 挤压设备 本研究所用的等径角挤压模具材料为热作模具钢；等径角挤压模具的外接弧 角、l ，= 3 0 。，内角中= 9 0 0 。 等径角挤压在y a 3 2 6 3 型液压机上进行额定压力6 3 吨，挤压速度为 1 0 m m s 。 2 1 3 气氛保护工艺 镁合金熔炼过程中，防止氧化和燃烧是一个十分重要的问题。因为镁和氧具 有很大的亲和力，在空气中进行熔炼，镁能迅速地与氧结合生成疏松的氧化膜， 其致密系数a = 0 7 ( a 1 2 0 3 的a = 1 2 8 ) ，这种不致密的表面膜不能阻碍氧的通过， 蜜京理工大学硕士学位论文( s i c p ，a z 9 l d ) 镁基复合材料制各工艺的研究 因而氧化过程不断进行。此外，由于氧化是一种放热反应，反应生成的氧化镁绝 热性能好，使得反应界面所产生的热量不能迅速向外散发，从而提高了界面的温 度，进而加剧了氧化过程直至氧化燃烧2 砚7 1 。为了防止镁合盒熔炼时的氧化和燃 烧，本实验采用氩气保护。 2 2 原料准备 2 2 1 基体合金的准备 本研究所用的基体合金为铸造性能较好的a z 9 1 d ，其成分如表2 。l 所示。 为了保证金属液体的洁净度，在加料前，镁台金锭都经过打磨去除表面氧化皮， 要求表面呈银白色。另外，由于镁易与水蒸汽发生反应，镁合金锭在熔炼前预热 到1 0 0 2 0 0 ，以去除附着水汽。 表2 1a z 9 1 d 台金化学成分( 、v t ，) 元素 m g a 1 z nm 1 1 f ec us ib en i 含量余量 9 0 80 8 00 】9 7o 0 0 1 60 ，0 0 2 80 0 3 0 70 0 0 60 0 0 7 2 2 2s i c ，预处理及加入方式 s i c p 尺寸为8 0 0 目，其尺寸在1 3 1 5 1 1m 范围内，形貌如图2 - 3 所示。 图2 - 38 0 0 目s i c p 形貌尺寸图 目前，s i c p 预处理方法常用的褂2 8 l ：一是对s i c p 表面进行镀层；二是对s i c p 进行表面化学清洗；三是对s i c p 进行高温烘干。镀层可提高增强体与基体台金 的润湿性，增大界面结合强度，保护增强体免受基体合金液的侵蚀。高温处理据 资料介绍由于s i c p 表面常常吸附有0 2 ，c 0 2 ，c o 等气体，对s i c p 高温烘 南京理工大学硕士学位论文( s i c ；a z 9 1 d ) 镁基复合材料制备工艺的研究 干可以去除这些气体，并可降低s i c p 与气体界面的结合力从而有利于s i c p 的 加入和与基体的。本研究采用第三种处理工艺，在6 0 0 高温培烧一小时；为防 止s i c 一结块，焙烧时使其尽量铺开、分散。 为了提高碳化硅的收得率和缩短搅拌时间，进行了加入碳化硅加入新方法的 探索。本研究采用两种加入方法：一是正常粉末直接加入加入法，即在搅拌过程 中，不断加入预处理后的碳化硅粉；另一是新型加入法( 正在申请发明专利) ， 其特点是可用比正常加入法短得多的时间即可使大量碳化硅粉进入熔体中。 2 3 制备镁基复合材料的步骤 先将坩埚预热至一定温度，加入a z 9 1 d 镁铸锭进行熔化，通入防护气体( 未 熔化时氩气流量较小2u r n ，开始融化后采用5 t m ) 。待镁合金锭全部熔化且坩 埚内温度均匀后，开始边搅拌、边加入经过处理的s i c p ，搅拌一定时间后浇入 铸锭模中。 整体铸锭是一尺寸为中7 5 x 3 2 0c m m ) 的圆柱体，为了便于观察金相组织及 制作挤压块体，利用线切割把铸锭分成如图2 4 所示五块( 图中单位尺寸r a m ) 两片厚度为1 0 m m 的薄片用以直接进行横向研磨、抛光，从宏观和微观两方 面观察s i c p 及气孔分布、大小、含量等情况。 1 0 0 m m 长的圆柱块从中间加工出成品字型的三块长方体试样，用于等径角 挤压。 e c a p 挤压时将试样加热至预定温度，保温时间1 小时，模具温度与试样 相同。以m o s 2 作润滑剂，试样挤压速度为1 0 m m s 。每个试样都经过四道次挤 压每道次挤压后，样品旋转9 0 。进入下一道次，但旋转方向不改变。 底 1 i 4 01 01 0 01 0 图2 - 4 铸锭切割示意图 2 4 试样分析方法 顶部 南京理工大学硕士学位论文 ( s i c 以z 9 l d ) 镁基复合材料制备工艺的研究 2 4 1 金相显微分析 在不同工艺条件下得到的镁基复合材料铸锭上和经过e c a p 变形后的试样 上截取金相观察用试样。试样经过磨制得到金相试样，在o l y m p u s - - i i 型金相显 微镜上分别进行腐蚀前后的显微组织观察，分析相关工艺条件对镁基复合材料组 织的影响。 2 4 2 镁基复合材料的密度测定 本文中试样的密度根据g b 5 5 8 6 - - 8 5 ，采用排水称重法测定。 2 4 3 断口形貌分析 在镁基复合材料锭坯和等径挤压度样上制取拉伸试样，用于测定挤压前及 挤压后复合材料力学性能。试样大小、形状如图2 5 所示。力学性能测试在 a g s - i o k n d 型拉伸试验机拉伸试验机上进行。 拉伸试样断口的形貌分析在q u a n t 2 0 0 扫描电镜上进行。 图2 - 5 拉伸试样示意图 塑室堡兰查堂堡士学位论文( s i c p ，a z 9 1 d ) 镁基复合材料制备1 艺的研究 第三章搅拌工艺参数对镁基复合材料铸态组织的影响 3 1 镁合金熔体温度 熔体温度是搅拌铸造制各镁基复合材料较为重要的工艺参数。通过大量试验 和对不同加热条件制取的铸锭组织观察表明，镁合金熔体温度为7 2 0 c 时，镁合 金对碳化硅颗粒的润湿性较好，用较短的搅拌时间即可得到碳化硅颗粒分布较均 匀的铸锭。 表3 - 1 是本研究所采用的两个典型的熔体加热温度参数和相应的搅拌速度与 保温时间。后面分析用试样的制备工艺参数如表中所列。 表3 - i 试样具体工艺参数 试群编号熔体温度( )搅拌速度( r 男i n )保温时间( m i n ) l a7 2 04 2 03 5 l b6 8 04 2 03 5 3 1 1 镁基复合材料铸锭横截面组织 ( 1 ) 宏观组织 图3 “1 是表3 - l 中的工艺参数制得的铸锭横截面上宏观组织形貌。由图3 - l 可以看到，两断面上都明显存在气孑l 及s i c p 偏聚区。气孔形状基本为圆形，有 图3 1 镁基基复合材料铸锭横截面宏观图 a 一试样1 a 表面横截面宏观组织b 1 b 试样表面横截面宏观组织 4 南京理j ! 大学硕十学位论文 ( s i c d a z g l d ) 镁基复台材料制备工艺的研究 少量早 i 规则形状；偏聚区形状皆成椭圆形，尺寸人小4 i 尽柏。 图3 ，l a 中气7 l 总体数量较少，较大尺q 的气孔也较少；而图3 1 b 中气孔明 显较多，且气孔尺寸较大。这是由于工艺1 a 的加热温度较高，有利于搅拌过程 中和浇注j 疑固过程中熔体中气体的排出。 图3 - 2 试样横截面显微组织图 a 一试样i - a 中s i c p 偏聚组织 b 一试样l - b 中s i c p 偏聚组织 图3 一l a 中的s i c p 偏聚区尺寸较人的区域和偏聚区域的数量少于图3 1 b s i c p 偏聚区尺、j 也小于i 刳3 - 1 b 。这 表明熔体温度提高，可也有利于 s i c ，偏聚区的减小和均匀化。 ( 2 ) 鼹微组织 图3 2 是图3 1 放大后的金相 显微组织。图3 ，2 ai i ，存在s i c p 大 面积偏聚区，偏聚内分布较为均匀， 其周围分币i 着数量较多的单颗粒 s i c p ；图3 2 b 中同样有s i c p 偏聚， 但面积明显远大十前当。此悄况与 6 hm i 宏观陶像桐一致。 3 1 2 镁基复合材料铸锭纵截面 组织 ( 1 ) 宏观组织 图3 - 3 镁基复合材料铸锭横截面宏观组织 a 一试样l - a b 一试样l - b 南京理：l 大学硕士学位论文( s i c d a z 9 1 d ) 镁基复合材料制各工艺的研究 图3 3 为圈3 1 中铸锭纵裁面上宏观组织。从图l _ l 看出，两试样中都存在s i c p 偏聚区及较大气孔。与横截而宏观形貌相比较而言，试样1 a 横、纵截而s i c p 偏聚区域及气孔尺寸、密集度基本一致；试样l b i 纵截面s i c p 偏聚区域及气 孔尺寸、密集度则要小丁横截面。 同时，可以看出两试样纵截面上s i c p 偏聚区域密集度从底部到顶剂柯减少 趋羚。其原因为s i c p 凼聚后，由于其密度高于镁合金基体而沉积到铸锭底部。 ( 2 ) 显微组织 试样1 一a 显微组织 图3 - 4 中a 、b 为试样l a 铸锭纵截面靠近上部的履微组织，图a 、b 中分散 的s i c p 憋体颗粒数h 较多，相对于偏聚区s i c p f h j 距较大，颗粒分散较均匀，局 部区域偏聚程度大幅度1 - 降。 图3 4 c 、d 为试样1 a 铸锭纵截面靠近下部的显微组织，由图中n j 看出，铸 图3 - 4 试样1 - a 纵截面项部及底部显微组织图 a 一上部偏聚斑以外区域较为分散的s i c p 组织图 b - - 上部s i c p 偏聚绸纵 c 一下部s i c ，福聚组织d - 下部偏聚斑以外区域较为分散的s i c p 组织圈 1 6 南京理1 ：火学硕士学位论文( s i c p a z 9 1 d ) 镁基复合材料制备工艺的研究 锭下部s i c p 偏聚尺寸较人，s i c p 偏聚区现歙i 凋鼹。与图3 4 a 、b 档比，偏聚1 一 较大且偏聚区域多，这是凝崮时s i c p 偏聚下沉的结果。 试样1 。b 显微组织 图3 5 a 、b 为试样1 一b 铸锭纵截向上靠近上部的 l l 织，图a 、b 中s i c p 虽仍 - f j 集聚现裂， h 狂度人人减轻，人尺寸编聚域减少。 图3 5 c 、d 为试样1 b 铸锭纵截而上靠近下部的显微组 ：l ，图c 、d 中s i c k , 偏埭区域较大，偏聚内迩包含了块状基体镁合余组织，s i c p 成无规聚集分前j ，且 有气孑l 存矗i 。与图3 5 a 、b 拥比，图3 5 c 、d 中s i c p 偏聚程度高，分赦严重不均 匀，这与凝同时s i c p 的沉降偏聚密切相关。 图3 - 5 试样1 一b 铸定纵截面上部及底部显微绸织 a 、b 一上部较为分散的s i c p 组织 c 、d 一底部s i c p 偏聚区 由1 a 与1 - b 纵截面最微组纵可以看出，1 a 铸锭纵截面上s i c p 偏聚科度 大大减轻，s i c p 偏聚尺、j + 明显减小，s i c p 颡粒在基体中的分布要均匀得多。这是 因为熔体温度提高后，熔体内s i c p 偏聚区尺寸和数量均有所减小所致。 南京理工大学硕士学位论文( s i c p a z 9 1 d ) 镁基复合材料制各工艺的研究 3 2 搅拌速度 对于搅拌速度，本文分别从恒定搅拌速度及非恒定搅拌速度两个方面进行比 较分析。具体工艺如表3 2 所示。 表3 - 2 不同搅拌工艺参数 试样编号 熔体温度 加料时搅速( r r a i n )加料后搅速( r m i n )加热时间( m i n ) 2 一a7 2 04 2 04 2 0 3 5 2 b7 2 04 2 05 2 0 3 5 2 c7 2 05 2 02 0 0 3 5 3 2 1 不同搅速下的铸态宏 观组织 图3 - 6 示出了不同搅拌 速度下所得试样的横截面宏 观形貌。 图3 - 6 中的三个试样，从 心部到表面，整个横截面上气 孔大小差别不大，尺寸大小及 分布较均匀，因此，铸锭中的 气孔主要与熔体加热温度有 关。 三个试样中，s i c p 偏聚区 域总体数量所占面积以图 3 6 c 、图3 - 6a 、图3 - 6b 顺序 呈减小趋势。这与搅拌时转速 有关，随着加料后的搅拌转速 上升( 由1 0 0r m i n 、4 2 0r m ig l 、 5 2 0 r m i n ) ，s i c p 偏聚区域面积 大小和单个s i c p 偏聚区域尺 寸减小。另外由图还可看出， 凹3 - 8 不同搅拌条件下铸锭横截面宏观组织，2 a 一试样2 ab - - 试样2 一b c 一试样2 一c 南京理 ：大学硕士学位论文( s i c 以z 9 i d ) 镁基复台材料制备工艺的研究 加料期叫提高搅拌转速，刈减小s i c p 偏聚区域无多人作用。因此。s i c p 完令加 入熔体后。适当提高搅拌速度，可减小( 少) s i c k , 偏聚区域，有利于s i c v 颗粒 的均匀均匀分布。 3 2 2 不同搅速下的显微组织 圈3 - 7 不同搅拌条件下铸锭横截面的显微组织 a 、b 一试样2 - a c 、d 一试样2 - b e 、f _ 试样2 - c 9 堕塞堡：兰叁堂堡士学位论文 ( s i c p a z 9 l d ) 镁基复合材料制备工艺的研究 图3 7 为表3 2 中不同搅拌工艺条件下所得铸锭的显微组织。 图3 7 a 、b 中，s i c p 偏聚区域内颗粒间距离较小，许多颗粒聚集一起；在 s i c p 偏聚区还存在显微缩松。图3 7 c 、d 中的s i c p 偏聚区域内镁合金基体区域明 显增加；s i c p 偏聚区域内颗粒偏聚程度减轻。图3 7 e 、f 中的偏聚区域内s i c p 偏聚最严重，s i c p 颗粒形成密集区，另外，试样2 - c 随着转速的下降，由5 2 0r m 变为2 0 0 r m ，s i c p 偏聚区域内的镁合金基体区域尺寸随之下降小于试样2 a 。 比较试样2 一a 、2 b 及2 - ( 2 铸态显微组织可知，加入s i c p 期间的搅拌速度 对最终铸态组织中s i c p 分布无显著影响；而s i c p 完全加入熔体后的搅拌速度对 铸锭中s i c p 偏聚区域尺寸、总面积有很大影响，且随搅拌速度增大，s i c ，偏聚 区域尺寸、总面积均减小。因此，适当提高s i c p 完全加入熔体后