（材料加工工程专业论文）原位制备铝基复合材料的热处理工艺及力学性能研究.pdf

摘要 摘要 与传统的金属材料相比，铝合金及其复合材料具有比强度、比刚度高、加 工成形性好、尺寸稳定性强和耐腐蚀性好等一系列优点，所以在汽车、电子、 航空航天等工业领域具有极其广阔的发展前景。 本文采用高能超声辅助原位反应法制备a 1 3 t i 7 0 7 5 铝基复合材料，解决了传 统方法下制备的复合材料中增强颗粒分布不均匀与及增强颗粒与基体界面结合 不好等问题。对制备的铝基复合材料显微组织、物相及力学性能进行分析，结 果表明：a 1 3 t i 增强颗粒在基体中分布均匀，晶粒组织细小，灿3 t i 颗粒与基体界 面结合良好。 为进一步提高复合材料的力学性能，采用箱式热处理炉、显微硬度器、s e m 电镜、能谱分析仪对a 1 3 t i 7 0 7 5 复合材料固溶和时效处理进行分析，结果表明： 复合材料的单级固溶处理的最佳方法为4 8 0 5 h ，复合材料经此条件固溶处理 后，第二相能够较好的回溶到基体内且不会发生晶粒长的的现象。随着固溶温 度继续升高，溶质原子溶入有限，溶质原子带来的强化效果不大，合金硬度有 下降的趋势，当固溶温度达到5 2 0 时，出现了组织过烧现象。复合材料的双级 固溶处理最佳方法为4 4 0 3 h + 4 8 0 2 h ，与单级固溶处理相比，复合材料在此 条件下固溶处理后，复合材料能够达到最大固溶度，第二相回溶更充分且硬度 达到固溶处理最大值。进而对复合材料时效行为进行分析，结果表明：基体合 金和复合材料在同一温度下时效时，复合材料到达时效峰的时间要比基体合金 短；在同一温度下，之所以a 1 3 t i 7 0 7 5 铝基复合材料的硬度值要比基体的高，主 要是因为采用了高能超声法，使复合材料晶粒细化及原位反应生成的舢3 t i 颗粒 能够均匀分布在基体中。 采用m 2 0 0 0 型磨损实验机、扫描电镜和电子天平对铸态a 1 3 t i 7 0 7 5 复合材 料及基体进行干摩擦滑动磨损实验，结果表明：复合材料和基体的磨损现象都 是若干种磨损机理的综合作用的结果；随着摩擦速度和载荷的增加，复合材料 和基体的磨损率逐渐升高；从整体上来讲，在同一摩擦条件下，复合材料的耐 磨损性能高于基体；在低载荷磨损时，由于复合材料中增强颗粒的存在，使得 摘要 复合材料磨损性能要比基体好；随着载荷加大，增强颗粒会松动，从基体中脱 落或者断裂，这势必减少了摩擦接触面积，断裂的其他部分仍在基体中起到增 强作用从而提高复合材料的磨损性能。 关键词：a 1 3 t i 7 0 7 5 复合材料；7 0 7 5 铝合金；固溶处理；时效处理；磨损性能 i i a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lm e t a lm a t e r i a l ，a l u m i n u ma n d c o m p o s i t e m a t e r i a l sh a v eas e r i e so f a d v a n t a g e s ：s p e c i f i cs t r e n g t ht h a ns t i f f n e s s ，g o o df o r m a b i l i t y , d i m e n s i o n a ls t a b i l i t y , s t r e n g t ha n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，s oi t i s e x t r e m e l yb r o a d p r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n ti n t h ea u t o m o t i v e ，e l e c t r o n i c s ，a e r o s p a c ea n do t h e r i n d u s t r i e sf i e l d 1 1 1 i sp a p e ra d o p t sh i g h - e n e r g yu l t r a s o u n di ns i t up r e p a r e d 触3 t i 7 0 7 5m a t r i x c o m p o s i t e s ，p r e p a r e du n d e rt h et r a d i t i o n a lm e t h o dt os o l v et h ec o m p o s i t em a t e r i a l s 、斫t l le n h a n c e du n i f o r mp a r t i c l ed i s t r i b u t i o na n dt oe n h a n c et h eb o n d i n gb e t w e e n p a r t i c l e sa n do t h e ri s s u e s o nt h ep r e p a r a t i o no ft h ea l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fp h a s ea n a l y s i ss h o w e dt h a t ：舢3 t i r e i n f o r c i n gp a r t i c l e sd i s t r i b u t e du n i f o r m l yi nt h em a t r i x ，g r a i ns i z es m a l l ，a 1 3 t i p a r t i c l e sa n dt h eb o n d i n gi sg o o d t of u r t h e ri m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f c o m p o s i t e ，t h es o l u t i o na n da g i n g t r e a t m e n to fa 1 3 t v 7 0 7 5c o m p o s i t ew a sa n a l y z e d 谢lb o xh e a tt r e a t m e n tf u m a c e ， m i c r o h a r d n e s sd e v i c e ，s e ma n de d s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：c o m p o s i t em a t e r i a l s ， t h eb e s ts i n g l e s t a g es o l u t i o nt r e a t m e n tm e t h o di s4 8 0 5 h ，c o m p o s i t em a t e r i a l s a f t e rs o l u t i o nt r e a t m e n tf o rt h i sc o n d i t i o n , t h es e c o n dp h a s ec a l lb eag o o ds o l u t i o n b a c kt ot h eb a s eb o d ya n dt h eg r a i nd o e sn o to c c u rl o n gp h e n o m e n o n 1 1 1 eh i g h e r s o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，d i s s o l v e ds o l u t ea t o m si sl i m i t e d ，t h es t r e n g t h e n i n ge f f e c to f s o l u t ea t o m sd on o tb r i n gt h ea l l o yh a r d n e s so fad o w n w a r dt r e n d ，w h e nt h es o l u t i o n t e m p e r a t u r er e a c h e s5 2 0 ，t h ee m e r g e n c eo f t h ep h e n o m e n o no fo r g a n i z e db u m m b e s tw a yo ft w o - s t a g es o l u t i o nt r e a t m e n ti s 4 4 0 3 1 1 + 4 8 0 2 h c o m p a r e dw i t h s i n g l e s t a g es o l u t i o nt r e a t m e n t ，c o m p o s i t em a t e r i a l si nt h i sc o n d i t i o n , a f t e rs o l u t i o n t r e a t m e n t ，c o m p o s i t em a t e r i a l sm a x i m u ms o l u b i l i t y ，t h es e c o n dp h a s eb a c kt om o r e f u l l yd i s s o l v e ds o l u t i o nt r e a t m e n ta n dm a x i m u mh a r d n e s s a g i n gb e h a v i o ro ft h e c o m p o s i t e sw e r ea n a l y z e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h em a t r i xa l l o ya n dc o m p o s i t e sa t t h es a m et e m p e r a t u r ea g i n g ，t h ec o m p o s i t em a t e r i a lt or e a c ht h ep e a ka g i n gt i m e s h o r t e rt h a nt h em a t r i xa l l o y ；t h eh a r d n e s so fa 1 3 t i 7 0 7 5a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e s i i i a b s t r a c t h i g h e rt h a nt h em a t r i x ，m a i n l yb e c a u s eo ft h eh i g h - e n e r g yl l l t r a s o u n du s e dt om a k e c o m p o s i t em a t e r i a l s ，g r a i nr e f i n e m e n ta n di ns i t ur e a c t i o no fa 1 3 t ip a r t i c l e sc a nb e u n i f o r m l yd i s t r i b u t e di nt h em a t r i x d r ys l i d i n gw e a l b e h a v i o u ro fe x t r u d e da 1 3 t i 7 0 7 5 c o m p o s i t e sa n d7 0 7 5m a t r i x w e r ei n v e s t i g a t e dw i t hw e a rt e s tm e c h i n e ，e l e c t r o n i cb a l a n c ea n ds e m ，t h er e s u l t s s h o wt h a t ：s e v e r a la b r a s i o nm e c h a n i s mr e s u l ti nt h ew e a ro fc o m p o s i t ea n dm a t r i x a l l o y ；w i n lt h er i s eo fs l i d i n gs p e e da n dl o a d t h ew e a rr a t e so fc o m p o s i t e sa n dm a t r i x i n c r e a s e ；i nt h es a m ef r i c t i o nc o n d i t i o n , t h ew e a l p e r f o r m a n c eo fc o m p o s i t e sh i g h e r t h a nt h em a t r i x ；a tl o wl o a dw e a l i nc o m p o s i t em a t e r i a l ，d u et ot h ee x i s t e n c eo f r e i n f o r c i n gp a r t i c l e st h a tc o m p o s i t e sw e a l p e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nm a t r i x ；a st h e l o a di n c r e a s e d ，e n h a n c e dp a r t i c l e sf r a c t u r eo rl o o s ef r o mt h em a t r i x ，w h i c hi sb o u n d t or e d u c et h ef r i c t i o nc o n t a c ta r e a , b r e a k i n gt h er e s to ft h ep l a yi s s t i l lt h em a t r i x e n h a n c e m e n tt oi m p r o v et h ew e a rp r o p e r t i e so fc o m p o s i t em a t e r i a l s k e y w o r d s ：a 1 3 t i 7 0 7 5c o m p o s i t e s ；7 0 7 5a l u m i m t ma l l o y ；s o l u t i o nt r e a t m e n t ； a 西n gt r e a t m e n t ；w e a rm e c h a n i s m ； i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 铝是地壳中分布最为广范、储存量最多的金属之一，约占地壳总质量的 8 2 ，仅次于氧和硅的含量，比铁( 约占5 1 ) 、镁( 约占2 1 ) 和钛( 约占0 6 呦 的总和还多i l j 。我国铝土矿分布比较集中，其中大部分为大、中型矿床，目前有 3 1 个储量大于2 0 0 0 万吨的大型矿床，其拥有的储量占全国总储量的4 9 ；共有 8 3 个储量在2 0 0 - 5 0 0 万吨之间的中型矿床。我国铝土矿的质量比较差，很难用 于工业加工、耗能大的一水硬铝石型矿石占全国总储量的9 8 以上。铝具有面 心立方晶格，熔点为6 6 0 ，密度为2 7 0 2 x1 0 3 k c m 3 ，为铁的1 3 ；导电性和导 热性好，仅次于白银和铜而居第三位；铝还有良好的耐腐蚀，铝及铝合金在大 气中不会“生锈”，耐大气腐蚀性远优于钢铁。铝的加工成形性也很好，铝及其合 金的加工产品，如板、管、棒、型、线、箔和粉都可以生产，并且其产品都已 经得到广泛的工业应用。铝有很好的可焊性，铝及铝合金通过惰性气体电弧焊 接后的外观、耐腐蚀性和力学性能都比较好，可以满足焊接结构件的需要。正 因为铝合金具有以上优异的性能，因而被广发的应用于航空、航天、交通等工 具。如其在汽车工业上的应用【l 】：全世界耗铝量的1 6 以上用于汽车工业，有些 工业发达国家超过2 0 ，甚至达到2 5 。车辆轻量化，特别是高速和双层客车 及地铁列车的轻量化是铁道运输现代化的中心议题，而大量采用铝合金材料是 提高车辆轻量化的最有效途径。1 9 2 3 1 9 3 2 年间，美国在铁道车辆上大量使用铝 合金制造电动车及客车的门窗、车顶、外墙板、转向架、装饰用材等。此后， 迅速扩展到意大利、德国、瑞士、加拿大等国。日本于1 9 6 2 年从德国引进了铝 材加工新技术，三阳电铁首先采用了全铝结构车，一跃成为世界各国注视的中 心。单台汽车的铝材用量也在不断增加，1 9 7 7 年美、日、德单台汽车铝化率( 铝 材用量) 分别为2 5 ( 4 5 k g ) 、2 6 ( 2 9 k g ) 、3 0 ( 3 5 k g ) ，到1 9 8 9 年分别增加到 5 ( 7 1 k g ) 、4 9 ( 5 8 k g ) 、5 ( 5 0 k g ) 。1 9 9 2 年美国单台车用铝量达7 9 8 k g ，1 9 9 3 年平均达8 0 3 k g ，个别车种铝材用量达2 9 5 k g 。 但铝及其铝合金也有不少缺点，如铝的硬度比较低，与此同时其耐磨性也 比较差，铝在凝固时体积收缩率比较大，大约为6 6 ，铝的熔点也比较低，铝 第1 章绪论 和铝合金的使用温度不可高于2 0 0 摄氏度，因此其高温的使用受到限制，铝的 电极电位为负，因此铝与异种金属接触时，容易作为阳极产生严重的电偶腐蚀 等。所以要想让铝能够更广泛的在工业上得到应用，使用铝基复合材料则是其 最好的出路，复合材料能够很好的提高其力学性能。 1 2 铝基复合材料发展概况 1 2 1 复合材料的概念及性能特点 复合材料是由两种或两种以上物质组合而成的一种多相固体材料【2 】。而其中 各组元的物理和化学性质可以相同也可以不同。虽然组分材料在复合材料中保 持相对独立性，但是复合材料的性能并不是简单的表现为各组分材料的性能叠 加，而是有着重要的改进。复合材料各组分协同作用，一定程度上可以弥补单 一材料的缺陷，能够具有单一材料所没有的新性能。从上述定义中我们可以看 出，一般材料的简单混合与复合材料有本质区别，其具体表现为以下两点：第 一是复合材料不仅保留了原有材料的性能，而且材料通过优势互补，使复合材 料得到新的，更优越的性能；第- n 是复合材料的可设计性，复合材料可根据 其用途合理地选择基体和增强相，例如复合材料要用做结构材料，则基体可以 选择金属，增强相则可选择硬质颗粒；另外还可以通过调整增强相大小与及在 基体中的分布、比例排列和取向等因素对复合材料进行结构设计。 1 2 2 铝基复合材料的主要类型 根据增强物类型不同，复合材料可分为连续增强和非连续增强两种。非连 续增强复合材料又包括晶须增强、短纤维增强和颗粒增强。 连续增强指的是增强相为长纤维，长度可达数百米，这种纤维在复合材料 中能够很好的做为承力组元。连续增强金属基复合材料的具有很高的强度和弹 性模量，但是复合材料在各个单向增强时，各向异性表现明显。此种复合材料 在制造过程中工艺复杂、成本较高，主要用于性能要求较高的制品上。常见的 长纤维有氧化硅、碳化硅、碳、硼等。 非连续增强指的是增强相为颗粒状或粉末状。在这种复合材料中，起主导 作用的是基体金属，加入的增强体能够很好地改善基体材料的耐高温性、耐腐 蚀性、尺寸稳定性和耐磨性能等。短纤维通常长约几十毫米，加入到基体材料 2 第1 章绪论 中，其排列呈无方向性，性能低于长纤维。常见的有硅酸铝、氧化铝、碳、氮 化硼等。颗粒增强物直径一般为几个微米到几十个微米，他们是以粉末状加入 到基体金属中。此种复合材料制造成本相对较低，因此发展十分迅速。 1 2 3 铝基复合材料的性能特点 复合材料的性能主要取决于基体合金与及增强体的含量、特性、分布等。 按增强相的加入方法，复合材料制备可分为原位生成法和外加入复合法。通过 以上方法制备的复合材料具有比基体优良的综合性能。其具体性能和特点如下 【3 ，4 ，5 】： 1 ) 比强度、比模量高 由于有高强度、高模量、低密度的增强体加入到金属基体中，所以复合材 料很高的比强度、比模量。 2 ) 与基体相比耐磨性能较好 由于陶瓷颗粒加入到金属基体当中，使得复合材料硬度提高，因此此类复 合材料具有比基体更好的耐磨性能。 3 ) 耐高温性能强 增强纤维、颗粒、晶须的加入能够很好的改善复合材料高温性能。 4 ) 尺寸稳定性高 许多增强相的热膨胀系数小，当基体合金中加入一定量的增强体后，能够 降低复合材料的总体热膨胀系数。 5 ) 抗疲劳和断裂韧性好 基体与增强体的结合情况、增强体在基体中的分布与及基体和增强体本身 的特性对复合材料断裂性能和疲劳性能都有影响。 除了以上特点外，又由于我国铝资源丰富、价格便宜、制备工艺和设备简 单等特点，使其逐渐成为金属基复合材料研究领域中的重点。 1 2 4 铝基复合材料的发展与其应用 随着科学技术的飞速发展，人们对材料的性能要求越来越严格。不仅需要 材料有一些特殊的性能，还要求有很好的综合性能。传统的一些材料很难满足 人们的需求。这也势必促进复了合材料的快速发展。 铝基复合材料中常选用陶瓷颗粒作主要的增强相。在层出不穷的复合材料 3 第1 章绪论 增强相中，陶瓷颗粒主要以它的高硬度、高强度以及很好的耐热性在众多增强 颗粒中脱颖而出。所以在基体中加入陶瓷颗粒后，可以让合金在多方面的性能 得到改善。我们在探索与研究中，发展了多种可用于作为复合材料增强相的颗 粒。 颗粒增强铝基复合材料在汽车业和军事工业上用途非常广泛。如：汽车上 的发动机活塞、刹车盘、衬套、气缸套、连杆和驱动轴等。又由于其强度高、 刚度好和良好的耐热性也被应用于军事工业上【6 7 1 。 虽然颗粒增强铝基复合材料的应用前景非常乐观，但是在我们面前还存在 一些没有解决的问题。比如：颗粒增强铝基复合材料比一般的材料零件制造 成本要高，工艺复杂，产量不高。颗粒的体积分数和大小在一些制备方法中 受到限制，制约了材料的性能。复合材料的回收及复合材料重复利用尚待解 决。现有颗粒增强复合材料的设计数据还不完善，材料的应用和发展因此受 到制约。但是以长远的角度来看，开发和利用颗粒增强铝基复合材料应受到高 度重视。 1 3 颗粒增强铝基复合材料制备方法 目前制备颗粒增强铝基复合材料的方法各式各样，数目很多。在制造过程 中合金基体可以是液相，也可以是固体粉末；增强体可以外加引入，也可以在 基体中原位生成。其主要方法如表1 1 所示： 表1 1 复合材料常用制备方法 t a b l e1 1t h em a i nm a n u f a c t u r em e t h o do fc o m p o s i t e s 类剐 制造方法典型的复合材科一 粉末冶剑然s i c p _ 1 、a 1 2 0 3 零笛阵、板# i ；f 瞒坯 固态 热压和熟等静压按术s i c p n 零部件、板材和管材 制造按术 热轧、热撇热拉技术s i 印l i 、a 1 2 0 3 棒椭管材 真空压力漫磕技术s i 白n 零部件、扳椭铸坯 滴森， 挤珏铸i 燃s i 铷a l 1 2 0 3 零舒牛、扳材和铸坯 彀造技术液态金尉赏拌铸菇铋淋s i c p n 1 2 0 3 零鼙件、按 ： 和铸坯 啧射沉积按术s i c p l l 、 1 2 0 3 零鼙件、板榭匍铸坯 新型原位反腓 l 3 零聱 牛、板材和铸坯 制造按术半固态蒯黼s i c p n 、 1 2 0 3 零器阵、板材和祷坯 4 第1 章绪论 ( 1 ) 粉末冶金法 粉末冶金法在很早就被应用于制备金属基复合材料上。该工艺是将增强颗 粒粉末与金属基体粉末按一定比例混合均匀后在模具中冷压，除气后在真空中 热压，最后在高温下烧结制备出颗粒增强金属基复合材料的方法称为粉末冶金 法嘲，其具体流程如图1 1 。粉末冶金法在制备金属基复合材料中有以下优点： 可以很好地调节基体中的增强颗粒所占比例，可用于制各较高体积分数的复合 材料，并且增强相在基体中的分布也比较均匀，这样制备出的复合材料综合性 能较高。另外此方法制备的复合材料，基体不必加热至熔化，一方面可以减少 基体燃烧所带来的损失，一方面也可以减少复合材料界面反应。其缺点就是生 产工艺复杂、成本较高，很难实现大规模工业化生产。 图1 1 粉末冶金法工艺流程图 f i g 1 1p r o c e s sc h a r to f p o w d e rm e t a l l u r g ya p p r o a c h ( 2 ) 液态金属搅拌法 该工艺是将基体合金加热至液相线温度以上或固液相温度区间，再通过电 磁搅拌或机械搅拌等方式使熔体合金与加入的增强相均匀混合，最后浇注成型 的方法称为搅拌铸造法【9 j ，其流程如图1 2 。搅拌法常分为全液态搅拌法和半固 态搅拌法。全液态搅拌法是通过搅拌器使熔体中的增强相在液态基体合金中均 匀的分布，最后浇注成型。此方法的缺点是增强相不易与基体混合均匀，且在 反复的搅拌过程中熔体吸气比较多，最后浇注成型的铸锭中气孔较多。基体金 属加热到固相线和液相线之间的适当温度进行搅拌的方法称为半固态搅拌法。 因为液、固二相熔体的粘度不大，再利用半固态熔体的触变性能，边搅拌边加 入增强颗粒。这时，基体中的增强颗粒即使在金属熔体中润湿不好或不润湿， 都可以在二相熔体中固相粒子的包裹和夹带作用下得到很好的分散。然后在液 固二相温度或升温到液相温度进行浇铸，得到我们所需要的金属基复合材料。 5 第1 章绪论 图1 2 搅拌铸造的工艺流程 f i g 1 2p r o c e s sc h a r to fs t i r i n gc a s t i n g ( 3 ) 挤压铸造法 挤压铸造法是将增强颗粒或者增强粉末制成预制块，放入到压型当中，然 后利用压机把液态金属压入其中而制造出复合材料的方法。挤压铸造又可分为 间接挤压铸造和直接挤压铸造。挤压铸造所需设备简单、成本低、生产周期短， 但是由于挤压铸造过程中的压力非常大( 一般在7 0 1 0 0 m p ) ，因此预制块制作 非常严格【1 0 1 。 ( 4 ) 原位反应法 原位合成法是一种最近发展起来制备复合材料的新方法。其基本原理是利 用不同元素或化学物之间在一定条件下发生化学反应，而在金属基体内生成一 种或几种陶瓷相颗粒，以达到改善单一金属合金性能的目的。通过这种方法制 备的复合材料，增强体是在金属基体内形核、自发长大，因此，增强体表面无 污染，基体和增强体的相溶性良好，界面结合强度较高。同时，不像其它复合 材料，省去了繁琐的增强体预处理工序，简化了制备工艺【l l 】。常见的原位合成 方法有：自蔓延高温合成法( s h s ) 、直接反应合成法( d r s ) 、放热反应法( ) 、 机械合金化法( m a ) 、反应自发浸渗法( r s i ) 、熔盐辅助合成法( f a s ) 等。 ( 5 ) 喷射沉积法 喷射沉积法制各金属基复合材料是在高压惰性气体喷射流的作用下将基体 合金液分散雾化，同时将增强颗粒喷入合金雾化流中，使之混合并一起喷射沉 积到经过预处理的基板上，在基板上快速凝固，从而制备出金属基复合材料的 方法，其装置如图1 3 【1 2 】。此方法制备的复合材料增强颗粒在基体中分布均匀， 且由于冷却速度快，所以复合材料晶粒组织细小，并且在制备复合材料的过程 6 第1 章绪论 中能够有效的控制界面反应。其缺点就是制备出的复合材料组织含有气孔，不 够致密需要进行二次加工。 图1 3 喷射沉积制备方法示意图 f i g 1 3a b r i d g e dg e n e r a lv i e wo fs p r a yd e p o s i t i o n 本课题实验采用的是直接反应合成法( d r s ) ，其基本原理是将反应物以粉料 或压坯形式直接加入到金属熔体中，通过熔体的热量引发反应物和熔体内的合 金元素之间进行化学反应，从而原位生成所需增强相，再在反应过程中导入高 能超声波，使增强相进一步弥散，组织晶粒细化。 1 4 高能超声制备金属基复合材料的研究现状及前景 1 4 1 超声波的定义及其发展状况 目前自然界中存在各式各样的波，其主要可分为电磁波和机械波两大类。 电磁波是由于电磁力产生的，是电磁场变化在空间的传播过程，它是属于一种 电磁能量的传播，其在真空中的传播速度为3 x 1 0 4 m s 。按照其频率电磁波又可 分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、x 射线及宇宙射线等。而机械波是由 于机械力，即弹性力产生的机械振动在介质中的传播，它传播的则是一种机械 能量，并且只有通过介质才能传播。按照其频率机械波可以分为三类：次声波、 声波和超声波。其中频率在2 0 h z 以下的波动称为次声；2 0 2 0 k h z 之间的波动 称为声波；而频率在2 0 k h z 以上的波动则称为超声波。超声波是一种能量形式， 7 第1 章绪论 当其强度超过一定值时，就可以通过它与传播介质的相互作用，去影响、改变 甚至破坏后者的状态、性质及结构，这种超声波则称之为高能超声【9 1 。 美国普林斯顿大学化学实验室早在2 0 世纪2 0 年代就对超声化学有所研究， 当时曾发现超声波可以使化学反应加速，但并没有引起重视。声化学在5 0 年代 之后有了长足的发展，“首届国际声化学学术会议”于1 9 8 6 年在英国召开，这次 会议标志着声化学已成为一门新的学科。此后，国际成立相应的声化学学术组 织，举行多次学术活动并开始发行学术杂志【1 3 】。 高能超声在液体中传播时，能够发出高强度的超声波能量，产生空化现象， 可以进行震动粉碎、材料的加工等。在本课题中，主要是利用超声波分散作用， 其空化能打碎团聚的增强颗粒。 1 4 2 超声波在制备颗粒增强金属基复合材料的声学效应 ( 1 ) 声空化效应 声空化是指超声波在液体中传播时，液体分子受到周期性交变声场的作用， 产生空化泡或空穴，空化泡或空穴在极高速度闭合或崩溃时，在液体内产生瞬 间的高温和高压【14 1 。空化效应能产生达到5 x 1 0 3 k 的高温，产生的高达1 0 3 m p a 的压强。声空化引发的瞬间局部的高压和高温可以改变液相的物理化学状态， 可以加速和推进在通常情况下不能进行或难以进行的过程。 ( 2 ) 声流效应 套广。p 气 ，一 净o ：k ! ， 图1 4e c k a r t 声流在液体中的理论模拟 f i g 1 4e c k a r ta c o u s t i cs t r e a m i n gs i m u l a t i o ni nt h el i q u i d 声流是指在液体里的有限振幅衰减使液体内形成一定的声压梯度，从而形 成一个流体的喷射，次喷射直接离开变幅杆的端面，在整个液体中形成环流， 圄 第1 章绪论 这便是声流【9 】，声流的流速可达流体对流速度的1 0 1 0 3 倍。超声波在液体中主要 有环流和紊流两种声流效应形式，图1 4 为e c k a r t 声流在液体中的理论模拟，这 可以很好的证明声流是显环流和旋转性的。次效应在用超声法制备颗粒增强金 属基复合材料的过程中，起到了搅拌颗粒和金属液体，使颗粒在金属液中能更 好的均匀分散。 1 4 3 超声波制备颗粒增强金属基复合材料研究现状 1 4 3 1 高能超声在铝合金凝固组织中的应用 e s k i n 等研究了1 0 k w 的超声波在铝合金的凝固过程中的影响【1 5 , 1 6 1 。试验结 果表明，超声处理后的纯铝，拉伸强度提高了6 ，1 0 ，而经过超声处理的某 些含有微量元素的铝，拉伸强度提高了2 0 ，3 0 。在连续铸造中，经过超声 波处理a 1 s i 的合金效果也非常良好，初生s i 相能得到显著细化【1 7 1 。 李英龙等研究了超声处理对砧s i 合金性能和组织的影响【1 8 】。结果发现，共 晶s i 相能够在声强为3 5 w c m 2 的全过程超声处理中显著细化，断裂的共晶s i 相呈粒状分布并发生局部熔化，棱角变钝。而在结晶前以同样的声强进行超声 处理，合金内的共晶s i 相虽然得到细化，但其仍呈针状分布，晶粒没有发生断 裂。 赵忠兴等采用底部导入超声处理的方式制备铝合金【1 9 1 ，超声处理后的晶粒 细小，合金组织大部分为均匀的等轴晶或颗粒晶。 总的来说，超声波能够改善铝合金制各中合金的凝固组织，通过声空化、 声流化效应促进了等轴晶的生成，因此超声在制备高性能金属基复合材料上还 有很大的发展空间。 1 4 3 2 高畿超声在铝基复合材料制备过程中的应用 近年来，有关原位反应复合法的研究发展很快，国内外学者都想在原位制 备复合材料的同时，通过高能超声空化作用来促进或者加速原位反应的发生。 t j o n gs c 2 0 1 等人在制备的s i c p z a 2 7 复合材料过程中使用高能超声。从晶 相组织看出，s i c 颗粒与基体结合紧密，边界分明，未见反应层；并且发现1 0 s i c 口 z a 2 7 比基体z a 2 7 的耐磨性提高了1 0 倍以上；还认为，微细颗粒( 0 5 所) 的 强化效果比大颗粒( 5 朋) 要好。 潘进等【2 l 】以t i 0 2 和a 1 m g 合金为原料，通过高能超声作用，制备了以a 1 3 t i 9 第1 章绪论 和m g a l 2 0 4 为主要增强颗粒的锌基复合材料，增强颗粒在基体中分布均匀，复 合材料性能稳定。 潘蕾教授等 2 2 1 通过高能超声辅助原位反应烧结块制备了t i 0 2 、a 1 2 0 3 和t i b 2 增强的z a 2 7 和s i c p z a 2 7 ( s i c 最小直径o 5 历) 基复合材料。基体中增强颗粒 分布均匀，复合材料界面干净。 江苏大学复合材料课题组通过在熔体反应法中使用高能超声，制备了 ( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r ) p a 3 5 6 复合材料。反应生成的颗粒粒径平均尺寸为1 聊，并且 均匀分布在基体当中；高能超声处理前后的复合材料抗拉强度对比表明，复合 材料在经过高能超声处理后抗拉强度提高近2 0 ，达到了3 8 1 4 m p 2 3 j 。 总体来看，作为一种外加物理场的超声波，在原位反应生成新材料的制备 过程起着重要的作用。目前，还没有超声条件下制备灿3 t i 、t i b 2 颗粒增强铝基 复合材料熔体的报道。所以研究复合材料在超声条件下的合成机制具有重要意 义。也是本课题的特色和创新点之一。 1 5 铝基复合材料的热处理 1 5 1a 1 z n m g c u 系铝合金常用热处理制度 a i - z n m g c u 系属于超高强铝合金，这类合金常用的热处理制度包括： ( 1 ) t 6 处理是合金先在4 6 0 下固溶处理，然后在1 2 0 时效2 4 h ，合金 在该热处理工艺下强度得到很大的提高，但降低了合金的抗应力腐蚀性； ( 2 ) t 7 3 处理是合金先在4 6 0 下固溶处理，然后在1 2 0 时效2 4 h ，在1 6 0 时效1 2 h ，该工艺提高了合金的抗应力腐蚀性能，但强度相比t 6 工艺下降比 较明显： ( 3 ) t 7 7 处理是合金先在4 6 0 固溶处理，然后在1 2 0 时效2 4 h ，在2 0 0 时效1 0 r a i n ，最后在1 6 0 。c 时效1 2 h ，该工艺能提高合金强度及抗应力腐蚀性 能【2 4 】。 合金经不同热处理后，性能会有所改变，因此，对超高强铝合金热处理工 艺的研究是非常有必要的。目前，人们主要研究的方向是铝合金的时效处理工 艺，相比之下对固溶处理工艺的研究相对较少。近些年来，随着回归再时效处 理【2 5 】的快速发展，国内外学者多给予了关注。合金零部件在这种热处理方法下 强度和耐腐蚀性能有最佳的结合，有很好的发展前景【2 6 】。 1 0 第1 章绪论 1 5 2 铝合金热处理工艺的发展现状 当前，舢z n m g c u 系合金的热处理成为国内有很多企业和研究单位的研究 重点。冯正梅等【2 7 】对铸造态的7 0 7 5 合金薄板的t 7 6 状态进行了研究，得出了 t 7 6 状态的最佳工艺制度：合金在4 7 0 固溶后；再在1 2 0 下时效4 h 和1 7 0 时效18 h 。合金试样在经过上述时效处理后，观察其显微组织并对其进行腐蚀试 验，结果发现，沉淀相细小并在试样内密集的分布着。晶界上的析出相也很小， 几乎没有无析出区。经双级时效的薄板有较好的力学性能和耐腐蚀性能。 东北大学的刘晓涛等【2 8 】研究了电磁半连续铸造法制备的a 1 z n - m g c u 系合 金均匀化处理后的显微组织和成分。从研究中得出了合金均匀化处理的过烧温 度，并得到了合金均匀化动力学方程。最后提出了此系合金最佳的均匀化处理 工艺。 陈康华等 2 8 j 研究了挤压态7 0 7 5 铝合金的固溶组织和力学性能，发现经4 6 6 常规固溶2 h 后，基体组织中仍然存在粗大第二相粒子，而采用双级强化固溶 处理的合金，其绝大部分第二相粒子回溶到a a 1 中，且无发生再结晶和过烧的 现象。经过此热处理工艺处理的合金屈服强度和断裂强度能够得到很大提高， 同时能够保持合金的伸长率不变。 中南大学的郑子樵等【2 5 】通过实验研究了铸造态7 0 5 5 型铝合金在不同热处理 方法下的拉伸性能，时效组织和抗应力腐蚀性能。结果表明，经过r r a 处理的 试样合金，晶内存在和t 6 状类似的显微结构，同时晶界上析出物的大小和分布 情况与过时效状态类似。该铝合金经r r a 处理后，强度能够达到t 6 状态的峰 值水平，同时与t 6 态相比，合金的抗应力腐蚀性能较好。r r a 处理后，组织内 粗大、孤立分布的晶界析出物对阻止氢脆以及缩小晶内和晶界电化学差异起着 积极作用，因此来改善合金的抗应力腐蚀性能。 王洪斌等研究了舢z n m g c u 系超高强铝合金的热处理制度。结果发现在 挤压态合金内存在大量的富铜相颗粒，；合金在4 5 0 固溶时，出现了再结晶现 象，而在4 7 0 c 固溶时，第二相颗粒发生长大【2 9 】。同时发现合金吸热峰出现在 4 7 4 6 。c ，故此合金在4 7 5 以上固溶效果最佳。另外，在相同的t 6 条件下，合 金在采用双级固溶比在单级固溶时抗拉强度和伸长率要高。 1 5 3 颗粒增强铝基复合材料热处理概述 西方发达国家已经在对超高强度铝基复合材料的热处理研究中已经取得了 第1 章绪论 一定的成果【2 6 】。而中国对此开展的研究较晚，其中的各种强韧化机理我们就更 不了解。含z n 量9 以上的铝合金比一般的高强铝合金的热处理制度复杂。目 前我国对铝基复合材料热处理工艺的研究还处于起步阶段，后面还需学者进一 步研究幽j 。 湖南大学的陈振华等研究了t 6 热处理状态下a 3 5 9 s i c v 复合材料的摩擦磨 损性能，实验结果表明：材料在t 6 处理后，硬度和耐磨性大幅度提高，摩擦系 数也相对稳定。该复合材料经过5 3 0 3 h 固溶( 水淬) 和1 7 5 7 h 时效热处理 后，其磨损率比未热处理喷射沉积态要好的多【3 0 】。 沈阳金属研究所的胡代忠等研究了热处理工艺对粉末冶金法制备的s i c 颗 粒增强铝基复合材料性能的影响。结果发现，制备的s i c 颗粒增强铝基复合材 料薄板在室温下性能较好，而经过t 6 处理后，其抗拉强度达到4 6 3 m p a ，伸长 率达到1 0 2 t 3 l j2 。 国外，a b 。p a n d e y 等研究了7 0 9 3 a l s i c 审复合材料的热处理工艺。把经热 处理后的试样放在金相显微镜下观察，并且做力学性能测试，发现加工硬化指 数会在材料从固溶状态向峰值时效状态转变过程中减小，并且到过时效状态发 生回复【3 2 】。 1 6 金属基复合材料摩擦磨损研究发展现状 1 6 1 概述 在工业生产当中，经常会遇到机器设备零部件由于磨损过度，失效而报废。 颗粒增强复合材料作为一种新型材料，其摩擦磨损性能是一个值得我们研究的 新课题。汽车工业中的刹车零件；高速列车的制动盘、及发动机活塞；航空航 天和军工产品中都需要磨损性能很好的材料，为此在上世纪七八十年代就有人 开始研究颗粒、短纤维增强铝基复合材料的摩擦磨损性能【3 3 3 4 ，3 5 阗。近年来，颗 粒增强铝基复合材料的摩擦磨损行为被国内外学者进行了大量的研究 3 7 , 3 8 , 3 9 , 4 0 , 4 1 4 2 。 基体材料、增强相、基体与增强相的相容性是影响颗粒增强铝基复合材料 性能的重要因素【4 3 朋】。 在选择基体材料时我们首先要把硬度、强度、韧性等参数考虑在其中，一 些综合性能优异的a 1 c u 、a 1 m g 和趟s i 系铝合金，是最为常用的基体材料。 1 2 第1 章绪论 常见的增强颗粒有：碳化物、氧化物、氮化物和其他增强物质等等。其中 最为常用的为b 4 c 、s i c 、a 1 2 0 3 等。许多研究者想通过添加两种或两种以上颗粒 来对材料进行混杂增强，取得的效果都很不错。而影响增强效果的因素包括增 强颗粒的弹性模量、抗拉强度、硬度、密度、熔点、热膨胀系数、热稳定性、 尺寸形状等。 最后，增强颗粒和基体之间的相容性以及彼此的热膨胀系数是否匹配等是 影响增强颗粒和基体结合是否紧密的重要参数 4 5 , 4 6 1 ，而这些因素都能影响复合材 料的摩擦磨损性能。 1 6 2 复合材料磨损性能的参数 1 6 2 1 摩擦系数 摩擦系数是反映材料磨损性能好坏的一个重要指标。摩擦系数在我们日常 生活中也十分重要，比如汽车上的刹车片，就需要材料有很好的耐磨性和稳定 的摩擦系数。材料的性质和状态决定摩擦系数的高低，即使相同的