（材料加工工程专业论文）原位al3ti颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能研究.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、国家图书馆、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：装占舅穷 沙1 1 年z 月莎白 指导教师签名： ) 口f ，年 s t u d yo nf a b r 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 s o fi n - s i t ua 1 3 t ip a r t i c u l a t er e i n f o r c e d a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e s 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 本文采用舢t i 体系熔体原位反应法制备了砧3 t i 颗粒增强铝基复合材料。 通过吉布斯自由能计算，对t i 体系的反应热力学进行了分析；利用o m 、s e m 、 x r d 、e d s 等分析手段分析了所制备复合材料的凝固组织。研究了制备工艺因 数( 如反应温度、浇注温度和稀土元素c e 等) 对m 3 删复合材料显微组织的 影响；观察了高能超声作用下原位合成舢3 删、3 蚴5 6 复合材料的显微组 织和分析了超声的作用机制；采用稀土元素c e 对a 3 5 6 基体进行合金化，并对 a 3 5 6 基体及其复合材料进行t 6 热处理；测试了复合材料的力学性能，分析了强 化机制。 热力学计算结果表明，本文中灿髓体系的最终产物是舢3 n 。通过优化制备 工艺因数发现制备舢3 础复合材料的最佳工艺为：在9 0 0 。c 时，先加入占熔体 0 3 叭的稀土元素c e ，再加入t i 占熔体1w t 的钛剂，搅拌充分后保温1 5 m i n ， 然后9 0 0 。c 直接浇注制备3 删复合材料，舢3 r n 呈短棒状和小块状，长度在 1 0 “m 左右且在基体上分布比较均匀。在强度为1 2 k w 的超声作用下原位生成的 a 1 3 t i a i 复合材料中，得到最佳作用时间为5 m i n 左右，增强相舢3 髓呈短棒状， 长度在1 0 t m 以下。在相同超声强度和作用时间制备的a 1 3 t i a 3 5 6 复合材料中， a 1 3 t i 呈小块状，尺寸也在1 0 t m 以下。超声对熔体反应法制备3 t i 颗粒增强铝 基复合材料的作用机制主要是超声波的声空化效应和声流作用的综合作用，使得 3 t i 颗粒变得细小。对a 3 5 6 基体和a 1 3 t i a 3 5 6 复合材料进行t 6 工艺热处理， 铸态组织中粗大的针片状共晶s i 变成了球粒状，但是舢3 t i 的尺寸和形貌基本没 有发生变化。 力学性能测试结果表明：复合材料的抗拉强度较基体有显著的提高。其中， 同时加入稀土元素c e 和超声作用下舢3 刚触复合材料的抗拉强度为1 2 0 m p a ， 较纯铝基体的9 0 m p a 提高了3 3 3 ；伸长率仅为1 2 5 ，较纯铝基体的1 5 0 下 3 m p a 拉强度 江苏大学硕士学位论文 a 1 3 w ip 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 mm a t r i xc o m p o s i t e sw e r ef a b r i c a t e d t h r o u g hi n s i t ud i e c tm e l tr e a c t i o no fa 1 - t is y s t e m t h et h e r m o d y n a m i c so fa 1 一t i s y s t e mw a ss t u d i e db yc a l c u l a t i n gg i b b s f r e e e n e r g y t h eo m ，s e m ，x r da n de d s a n a l y z i n gt e c h n o l o g i e sa r eu s e dt od e t e r m i n et h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e so ft h e a s - p r e p a r e dc o m p o s i t e s t h ei n f l u e n c eo ff a b r i c a t i o np r o c e s so nm i c r o s t r u c t u r eo ft h e i n s i t ua 1 3 t i a ic o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tf a b r i c a t i o np a r a m e t e r ss u c ha sr e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，c a s t i n gt e m p e r a t u r ea n dr a r ee a r t he l e m e n tc ew e r ei n v e s t i g a t e d t h e e f f e c t sa n dm e c h a n i s mo fh i g hi n t e n s i t yu l t r a s o n i co nt h ei n s i t ua 1 3 t ip a r t i c u l a t e r 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 sw e r ed i s c u s s e d t h ee f f e c t so fr a r ee a r t h e l e m e n tc eo nt h em i c r o s t r u c t u r eo fa s c a s ta 3 5 6a l l o ym a t r i xw a ss t u d i e d t h e m i c r o s t u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo fa 3 5 6a l l o ya n da 3 5 6a l l o ym a t r i x c o m p o s i t e sw e r ea n a l y z e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ei n - s i t ua 1 3 t ip a r t i c u l a t e r e i n f o 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 w e r et e s t e da n dt h e s t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s m sw e r ea n a l y z e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so ft h e r m o d y n a m i c ss h o wt h a to n l ya 1 3 t ir e i n f o r c e m e n t w a sf o r m e di na i - t is y s t e mi nt h i sp a p e r t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no fc h a n g i n gt h e f a b r i c a t i o np a r a m e t e r s ，t h eo p t i m i z a t i o nf a b r i c a t i o np r o c e s so fa 1 3 t i a ic o m p o s i t e si n t is y s t e mw a so b t a i n e d r a r ee a r t he l e m e n tc ea n dt iw e r ea d d e dt ot h em e l t o r d e l yw h e nt h ea l u m i n i u mm e l ti s a t9 0 0 c t h ea d d i t i v em a s so fc ea n dt ii s1 w t a n d0 3w t o ft h ea l u m i n i u mm e l t ，r e s p e c t i v e l y a n dt h e nt h em e l tw a sh e l d f o r1 5m i na f t e rs t i r r i n g i tw a sc a s ta t9 0 0 c i m m e d i a t e l y t of o r ma 1 3 t i a i ： c o m p o s i t e s i ti sf o u n dt h a tt h er e i n f o r c e dp a r t i c u l a t e s a r ea p p r o x i m a t e l y1 0 1 t mi n l e n g t ha n d t h em o r p h o l o g yo ft h e mi ss m a l lb l o c k l i k eo rs h o r tr o d - l i k e t h e s e p a r t i c u l a t e sa r ed i s p e r s e dh o m o g e n e o u s l yi nt h ea l u m i n i u mm a t r i x t h em o r p h o l o g y o fa 1 3 t ip a r t i c u l a t ei ss h o r tr o d l i k ei nt h ea l u m i n u mm a t r i xu n d e rh i l g hi n t e n s i t y u l t r a s o n i cw i t h1 2 l ( 、a n dt h eb e s tu l t r a s o n i ct r e a t m e n tt i m ei s5m i n u t e sw h i l ei ti s s m a l lb l o c k - l i k ei nt h ea 3 5 6a l l o ym a t r i x a l lt h ep a r t i c u l a t e sa r eb e l o w1 0 1 a mi ns i z e i 原位a 1 ，t i 颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能研究 t h i sc a nb ea t t r i b u t e dt ot h ec a v i t a t i o na n da c o u s t i c - s tr e a m i n ge f f e c t so ft h eh i g h i n t e n s i t yu l t r a s o n i cf i e l d t h em o r p h o l o g yo fe u t e c t o i ds ic h a n g e sf r o mn e e d l e l i k ei n t h ea s c a s ta 3 5 6a l l o ya n da 3 5 6a l l o ym a t i xc o m p o s i t e st op u n c t a t ei nt h o s ea f t e rt 6 h e a t - t r e a t m e n t ，w h i l et h em o r p h o l o g ya n ds i z eo fa 1 3 t ip a r t i c u l a t eh a v en oc h a n g e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h et e n s i l es t r e n g t ho ft h e a s p r e p a r e dc o m p o s i t e sa l eo b v i o u s l yi n c r e a s e dw h i l et h ee l o n g a t i o na r er e d u c e d e s p e c i a l l y , w h e nt h ea 1 3 t i a ic o m p o s i t e sf a b r i c a t e db ya d d i n gr a r ee a r t he l e m e n tc e a n du s i n gh i g hi n t e n s i t yu l t r a s o n i c ，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 ei s1 2 0 m p a ， 3 3 3 m o r et h a nt h a t9 0 m p ao fp u r ea l u m i n u m t h ee l o n g a t i o no ft h ec o m p o s i t ei s 1 2 5 w h i c hi s1 6 7 l e s st h a n1 5 0 o fp u r ea l u m i n u m t h et e n s i l es t r e n g t ho f a 1 3 t i a 3 5 6c o m p o s i t e si s2 2 3 m p a w h i c hi s2 8 9 m o r et h a n1 7 3 m p ao fa 3 5 6a l l o y t h ee l o n g a t i o no ft h ec o m p o s i t ei s3 8 ，w h i c hi s5 l e s st h a n4 0 o fa 3 5 6a l l o y t h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fa 1 3 t i a 3 5 6c o m p o s i t e sa f t e rt 6t r e a t m e n ta l e 2 9 8 5 m p aa n d6 5 ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e s ，3 t i ，h i g hi n t e n s i t yu l t r a s o n i c ， m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y i v 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 概i 苤1 1 2 颗粒增强铝基复合材料的研究现状2 1 2 1 颗粒增强相2 1 2 2 制备方法4 1 2 3 性能研究1 1 1 2 4 应用现状及前景1 3 1 3 触3 t i 颗粒增强铝基复合材料的研究进展1 5 1 4 高能超声在颗粒增强金属基复合材料制备中的应用。1 6 1 5 本课题研究的意义及内容。1 7 1 5 1 研究意义1 7 1 5 2 研究内容1 8 第二章实验材料及方法1 9 2 1 实验原材料及设备1 9 2 2 反应体系的设计1 9 2 2 1 增强体的选取1 9 2 2 2 基体的选取1 9 2 3 制备工艺2 0 2 4 材料的分析测试方法2 2 2 4 1 金相组织观察2 2 2 4 2 x 射线衍射分析2 2 2 4 3 扫描电镜2 3 2 4 4 室温力学性能测试2 3 第三章剐3 t i a i 复合材料的制备及显微组织研究2 4 3 1 a 1 t i 体系反应热力学分析。2 4 3 2 复合材料的相组成及显微组织2 5 3 3 温度对复合材料组织的影响2 6 3 3 1 反应温度对复合材料组织的影响2 6 3 3 2 浇注温度对复合材料组织的影响2 7 3 4 不同n 添加量对复合材料的组织的影响2 9 3 5 稀土元素c e 对复合材料组织的影响3 0 3 6 高能超声作用对复合材料组织的影响3 1 v 原位a l ，t i 颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能研究 3 6 1 高能超声作用下越3 删复合材料的显微组织3 1 3 6 2 高能超声对原位舢3 t i 止u 复合材料合成过程的作用机制3 2 3 7 本章小结。3 5 第四章舢3 t i 厶够5 6 复合材料的制备及显微组织研究3 7 4 1 a 1 3 1 v a 3 5 6 复合材料相组成及显微组织3 7 4 2 添加元素c e 和b 对材料组织的影响3 8 4 2 1c e 对a 3 5 6 合金凝固组织的影响3 8 4 2 2 添加元素c e 对舢3 删5 6 复合材料组织的影响4 0 4 2 3 添加元素b 对舢3 t i a 3 5 6 复合材料组织的影响。4 1 4 3 热处理工艺对舢3 蚴5 6 复合材料组织的影响4 2 4 4 高能超声对a 1 3 t i a 3 5 6 复合材料组织的影响4 3 4 5 本章小结。4 4 第五章复合材料的力学性能4 6 5 1a 1 3 删复合材料的力学性能4 6 5 1 1 a 1 3 骶厶u 复合材料的拉伸性能测试二4 6 5 1 2a 1 3 t i 以u 复合材料的拉伸断口分析4 7 5 2 3 t i a 3 5 6 复合材料的力学性能。4 8 5 2 1a 1 3 咖5 6 复合材料的拉伸性能测试4 8 5 2 2 砧3 础5 6 复合材料的拉伸断口分析4 9 5 3 强化机制。5 1 5 3 1 第二相颗粒强化5 1 5 3 2 细晶强化5 2 5 3 3 超声净化强化5 3 5 4 本章小结。5 4 第六章主要结论与展望。 参考文献。5 7 致谢6 ：； 攻读硕士期间发表的论文6 4 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 铝基复合材料是以金属铝及其合金为基体，以颗粒、晶须或纤维为增强相的 非均质混合物，具有比强度、比刚度高，疲劳强度高，耐磨性能好，且复合工艺 相对简单、灵活多样等优点，在金属基复合材料中占主导地位。而颗粒增强铝基 复合材料具有各向异性小、微观结构均匀、易于成型、成本低廉等优点而得到人 们的普遍关注。因此，颗粒增强铝基复合材料自问世以来，就在工业中获得持续 发展。 颗粒增强铝基复合材料按增强体可分为外加增强体和原位生成增强体两种。 与传统的外加方法相比，原位生成法有如下优点【 】：( 1 ) 由于增强相是在基体内 形核和长大的，其含量、大小及分布可以更好地加以控制；( 2 ) 原位生成的增强 相在基体中具有较好的热力学稳定性；( 3 ) 增强相表面洁净无污染，与基体有较 强的界面结合强度；( 4 ) 原位生成的增强相尺寸细小，在基体中分布均匀，使复 合材料具有更高的力学性能；( 5 ) 省去了增强相单独合成、处理和加入等程序， 从而具有工艺简单、制备成本低等优点。 但是，目前铝基复合材料的熔体原位反应合成技术还很不完善，主要表现在 以下方面：( 1 ) 原位反应体系少；( 2 ) 熔体起始反应温度高，反应时间较长；( 3 ) 熔 体反应过程不易于控制；( 4 ) 增强颗粒在基体中的分布不够均匀，增强颗粒易于 团聚。因此，开发新的原位反应体系，探寻新的手段和工艺来促进原位熔体化学 反应的反应速度和反应程度；改善增强颗粒与基体的润湿性；使所生成的增强颗 粒在基体中均匀分布，提高铝基复合材料的综合性能，成为材料研究者所关注的 核心。然而，已有的研究表明高能超声对原位合成反应有其独特的作用【4 】，而且 高能超声【5 j 在反应合成金属基复合材料领域的应用是近几年才兴起的研究领域。 因此，将高能超声与原位反应法结合起来制备复合材料，研究高能超声对原位反 应的发生、生成颗粒的细化与分散机理具有十分重要的意义，也是本文的创新点 之一。 原位a 1 。t i 颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能研究 1 2 颗粒增强铝基复合材料的研究现状 钳：基复合材料因具有密度小，比强度高，熔点较低，易于加工等优势，在材料 界占有重要地位，广泛应用于航空、航天、汽车等行业。随着现代工业的发展和 技术的进步，对高强度铝基复合材料的要求日益迫切。 1 2 1 颗粒增强相 反应合成铝基复合材料的增强相是由材料内部反应合成的，相比于外加的增 强相，其种类在数量上要少得多，并且主要以颗粒态的增强相为主。纵观国内外 的研究表明，目前反应合成铝基复合材料的增强相主要有三大类：单一陶瓷类增 强相，单一金属间化合物增强相以及陶瓷金属间化合物复合增强相。下面简单 地分别讨论其研究进展。 ( 1 ) 陶瓷类增强相 目前反应合成铝基复合材料的增强体大多是自生陶瓷颗粒，通过置换反应或 分解反应合成陶瓷颗粒，如工艺使用得当，可以将反应合成的增强相的大小控制 在几微米甚至更小的尺寸。当前研究中反应合成的陶瓷粒子主要有t i c 、s i c 、 舢2 0 3 、z r b 2 和t i b 2 等，它们的基本性能参数见表1 1 1 6 , 7 。 某些反应可以产生两种陶瓷颗粒，从而产生复合增强效果。在制备t i b 2 强 化铝基复合材料试验中，利用t i 0 2 与b 2 0 3 反应，在反应产物中就会出现舢2 0 3 和t i b 2 陶瓷相【8 一。若加入m g 元素，既促进t i b 2 的反应和增加其在基体中的含 量，又能生成另一陶瓷相u g a l 2 0 4 。由于内生颗粒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，如砧4 c 3 【1 0 l ，会影 响基体的疲劳断裂性能，需要加以克服。严格控制反应的气氛和条件，或者采用 适当的工艺手段，可使这类增强物增强的铝基复合材料获得高性能和广泛应用。 如采用a 1 n i - h ( s 0 4 ) 2 反应制备舢2 0 3 强化的铝基复合材料【1 1 】，就充分利用 a 1 n h 4 s 0 4 k 分解反应中生成a 1 2 0 3 和s 0 3 ，a 1 2 0 3 成为陶瓷强化相，而s 0 3 则成 为精炼剂，起精炼、除气作用。得到的复合材料中，a 1 2 0 3 强化相与铝合金基体 界面结合良好，没有发现气孔团聚、强化相集聚或偏析，克服了传统搅拌铸造中 的常见缺陷。陈洪美【1 2 】等通过向含t i 的趟一s i 合金熔体中通入c 0 2 气体制备了 触2 0 3 t i c m 复合材料反应生成的a 1 2 0 3 和t i c 颗粒尺寸在0 2 - - 1 0 “m 之间， 2 江苏大学硕士学位论文 均匀分布在基体中，且反应生成颗粒数量与c 0 2 的通入时间有关。 表1 1 常用陶瓷颗粒增强相及有关性能 t a b l e1 1p r o p e r t i e so fc e r a m i cr e i n f o r c e m e n t s ( 2 ) 金属间化合物类增强相 利用纯金属粉加入铝熔体中与铝反应生成舢m 金属间化合物分散相，从而 增强铝基复合材料的研究，正成为反应合成铝基复合材料的新热点。金属间化合 物是一种高温结构材料，弹性模量、熔点和高温强度非常高，但有较大的室温脆 性。而其微颗粒则具有陶瓷颗粒的性能，并且在某一较高温度区间，热强度随温 度上升而增加。 因为这种增强相是在基体合金中直接与铝反应合成并且增强相中含有铝元 素，所以其界面与自，j 面所提到的陶瓷铝界面有明显的不同，如l e w i s 1 3 】的研究 表明，用x d l m 工艺制造的金属间化合物颗粒强化铝基复合材料具有稳定而清晰 的界面，属于半共格界面，增强相和基体相的晶格失配伴有位错网的产生。目前 应用最多的金属间化合物类增强颗粒主要是f e 一系、n i 系和t i 舢系，其中， 以3 m 形态出现的金属间化合物为稳定相，是最普通的合成增强相。目前常用 的金属间化合物增强相的性能特征见表1 2 【1 4 l 。由于这类颗粒增强相增强的铝基 复合材料具有高性能、低成本、可再生的优点，可以产业化开发成一类高强度中 温结构用铝基复合材料。 3 原位a l ，t i 颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能研究 表1 2 常用金属间化合物增强相的特性 t a b l e1 2c h a r a c t e r i s t i co fc o m m o ni 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 r e i n f o r c e m e n t d e n s i t yg e r a 3 e g p a m e l t i n gp o i n t k ( 3 ) 陶瓷金属间化合物复合增强相 在研究金属间化合物增强铝基复合材料中，采用的金属氧化物粉末代替纯金 属粉与熔体反应，会生成陶瓷( 主要是a 1 2 0 3 ) 金属间化合物复合增强相，金 属间化合物起明显的增强相作用，而舢2 0 3 颗粒往往是以更小的直径弥散分布于 基体会属之中，起弥散强化作用。如王渠东【1 5 】等利用f e 2 0 3 和f e 3 0 4 粉末与a i m g 合金液反应，获得了细小的舢f e 相和2 0 3 分布于铝基体上的复合材料；彭华 新【1 6 】等利用n i 2 0 3 与础反应的挤压铸造法获得了砧3 n i 甜2 0 3 a 1 基原位复合材 料，并对反应机理进行了研究和分析。研刭1 7 】发现：可以通过控制预制块中n i 2 0 3 的体积百分数( 添加纯舢粉) ，可以获得不同基体组织和增强相含量不同的复合 材料，并给出了n i 2 0 3 枷压铸合成复合材料所需的温度条件。而利用反应式： 1 3 a 1 + 3 t 1 0 2 = 3 a 1 3 t i + 2 a 1 2 0 3 ( 1 1 ) 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舢3 t i 均匀分布于基体， 陶瓷相a 1 2 0 3 颗粒相当细小，弥散分布于基体和砧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 。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 合金工艺强有力的竞争者。 1 2 2 制备方法 铝基复合材料的制备方法已有很多，分类方式也不尽相同。按增强相的加入 方式来分，主要有搅拌法、粉末冶金法、浸渗法、喷射法、中间合金法和原位复 合法儿类。 ( 1 ) 搅拌法 搅拌法【1 8 】是在基体合金处于熔融状态时，将增强颗粒在机械搅拌作用下混 4 江苏大学硕士学位论文 入基体合金中制备颗粒增强金属基复合材料的一种方法。可分为在液态下搅拌和 在半固态下搅拌两种。前者是强烈搅动全液态合金，使之产生涡流，向涡流中加 入颗粒，并使其分散：后者先将合金降温至液、固两相区，搅拌半固态浆体，同 时加入固体颗粒。该方法无需较大设备，工序少，颗粒种类和尺寸适应范围广，操 作简单，且几乎可以采用所有的铸造方法成形，是迄今为止应用最为普遍的方法 之一【1 9 】。但另一方面，由于在搅拌及浇注成型过程中不可避免的有气体和夹杂 物混入，产生偏析和结团等现象，使得制备的复合材料不甚理想。因而，搅拌过 程中在炉内通入惰性气体( 常通入氩气) 或进行抽真空处理是很有必要的。 按照增强颗粒与铝液混合搅拌方式，可分为机械搅拌法、高能超声法和磁力 搅拌法等。 ( a ) 机械搅拌铸造法 机械搅拌铸造法按搅拌熔体的状态又分为液态机械搅拌法【2 0 川和半固态机 械搅拌法【2 2 】。机械搅拌铸造法的基本原理是将颗粒增强物直接加入到熔融( 半 固态) 的铝合金熔体中，通过一定的机械方式的搅拌，使颗粒均匀地分散在铝合 金熔体中，复合成颗粒增强铝基复合材料熔体。液态机械搅拌铸造法可浇铸成铸 坯、铸件等，这种方法简单、生产效率高、制造成本低廉。所制成的复合材料铸 锭经重熔后，可精密铸造、砂型铸造成各种复杂形状的零件，也可挤压成各种型 材、管材、棒材以及轧制成板材，锻造成零件。半固态机械搅拌法是搅拌在半固 态熔体中进行，即将铝合金熔体的搅拌温度控制在液相线与固相线之间。在搅拌 过程中，将增强物颗粒加入半固态铝合金熔体中，通过熔体中固相金属粒子把增 强物颗粒带入金属熔体中。加入的增强颗粒在半固态的铝合金熔体中与金属粒子 相互碰撞、摩擦、剪切，促进了颗粒与铝合金的浸润复合，在强烈的搅拌下逐步 均匀地分散在半固态熔体中。在搅拌复合后，再加热升温到浇铸温度，将复合好 的颗粒增强铝基复合材料熔体浇铸成铸锭或零件。也可在复合后，直接将半固态 熔体浇注成型。半固态复合铸造法可以用来制造颗粒细小的、且含量高的颗粒增 强铝基复合材料。 ) 高能超声法【捌 高能超声法的原理是利用超声波在铝合金熔体中产生的声空化效应和声流 效应所引起的力学效应中的搅拌、分散、除气等来促进颗粒混入铝合金熔体，改 原位a 1 ，t i 颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能研究 善颗粒与熔体间的润湿性，迫使颗粒在熔体中均匀分散。高能超声法是高效的复 合方法，它能在极短的时间内一次同时实现增强颗粒在基体中的润湿与分散，并 能完成除气、除渣的任务，是一种工艺简便、成本低廉的颗粒增强铝基复合材料 的制备方法，尤其是在极细颗粒增强铝基复合材料的研制领域，它有着独特的优 势。 ( c ) 磁力搅拌法【2 4 ，御 磁力搅拌法的原理是磁铁搅拌器的高速旋转会在空间产生交变的磁场，根据 麦克斯韦的电磁场理论，它会在空间感应出交变的电场，于是会在导电的铝合金 熔体内部产生交变的电流，使熔体产生旋涡，将加入的增强颗粒卷入铝合金熔体 中。用电磁搅拌工艺制备铝基复合材料是一种比较独特新颖的方法，与其它制备 铝基复合材料的搅拌法相比，利用电磁力对金属熔体进行搅拌具有不直接接触、 对金属熔体无污染等机械搅拌法所无法比拟的优点。 ( 2 ) 粉末冶金法 粉末冶金法【2 6 j 又称固态金属扩散法，是最早用来制造金属基复合材料的方 法，此方法是将两种或两种以上的增强体与金属粉末充分混合后冷压成型，真空 加热到固液两相区内热压，热压后的坯料可以进行热挤压或轧制变形制成零部 件。粉末冶金技术具有一些独特的优点，如制造温度低，减轻了基体和增强颗 粒之间的界面反应；减少了界面上硬质化合物的生成：增强颗粒的体积份数比较 高；增强颗粒分布均匀，不易出现偏析和偏聚。但粉末冶金技术也存在着一些弊 端，如制件的大小和形状受到一定的限制，制备周期长，成本高【2 7 1 。 ( 3 ) 浸渗法 浸渗法分为有压浸渗和无压浸渗两种【捌。有压浸渗是预先把增强体用适当 的粘结剂粘结，做成相应形状的预制件，放在金属压型内的适当位置，浇注金属 液，并加压使金属液渗入预制件间隙，凝固后就得到所要求的金属基复合材料。 所加压力可采用液体压力( 挤压铸造) 和气体压力两种。这种方法可排除对增强物 与金属液结合有重要影响的润湿性、反应性、比重差等重要因素的干扰作用。在 预制件制造得好及浸渗时温度、压力等参数控制得当的情况下，可成功地制取满 意的复合材料。 1 9 8 9 年l a n x i d e 公司又提出了无压浸渗工圳2 9 1 。该工艺使基体合金放在可 6 江苏大学硕士学位论文 控气氛的加热炉中加热至基体合金液相线以上的温度，在不加压的情况下使合金 熔体自发浸渗到颗粒层或预制块中。因在无压力下作用，浸渗模具的选择容易。 无压渗透法具有工艺简单、成本低廉、产品性能优良、增强相的体积可控等优点。 但受浸渗温度、环境气体种类及颗粒大小等因素影响，使该法受到一定局限【3 0 ，3 1 1 。 ( 4 ) 喷射法【冽 该方法是2 0 世纪6 0 年代末提出的。其原理是将惰性气体和增强颗粒一起用 喷枪射入铝液中，气体形成气泡而冒出，颗粒则被分散在铝熔体中。气体压力与 所载颗粒比例是该法的关键。这种方法简单，占地和设备少，易实现大规模生产。 但因颗粒和分散程度、除气等主要质量问题难以稳定控制，从而未得到太大的发 展。后来先后出现了改进的方法，如喷射沉积法、喷射条带法等，但改进的方法 仍受众多因素影响，因而略显复杂。 ( 5 ) 中间合金法 中间合金法是首先将一定比例的混合颗粒与铝粉压制成中间合金块，把中间 合金块投入炼制好的铝液中，中间合金块因铝粉很快融化而溃散，稍加搅拌颗粒 便均匀分散在铝液中。如何制得密度适当、热溃散性好的中间合金是该法的关键， 此外，制备过程中常会遇到中间合金块加入铝液后久久不溃散的现象【捌。 ( 6 ) 原位复合法 铝基复合材料原位反应合成技术的基本原理是在一定的条件下，通过元素之 间或元素与化合物之间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、 高弹性模量的陶瓷增强相，从而达到强化金属基体的目的p 2 】。根据参与合成增 强相的两个反应组分的状态，可将现有的制备工艺方法分为气一液，固一液，液一 液和固一固反应四类，这里简单介绍这几类常见的制备原位反应复合材料的工艺 方法。 向) 气一液反应法 气液反应合成法( v l s ) 是将含有增强相的混合物与某一惰性气体为载体通 入液态基体中，该气体在液态金属中分解出增强相的某一组分元素再与基体合金 中某一元素进行化学反应生成增强相。这种方法由k o c z a kmj i 3 3 】等人发明并申 报了美国专利，他们利用c h 和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。陈洪判1 2 】等人采用此法向含t i 的舢s i 合金熔体中通 7 原位a 1 ，t i 颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能研究 入c o 二气体成功制备了2 0 3 t i c 灿复合材料，研究结果表明，反应生成的舢2 0 3 和t i c 颗粒尺寸在o 2 1 0 岬之间，分布均匀，且反应生成的朋2 0 3 和t i c 颗粒 与c o ! 的通入时间有关。 讫方法主要用于制备铝基及其合金基复合材料。其缺点在于增强粒子的体积 分数小：可获得的增强粒子种类有限，主要为t i c 、t i n 和s i c ；粒子偏聚问题； 以及太高的处理温度。 由美国l a n x i d e 公司开发成功的l a n x i d e 3 4 】法，主要有d i m o x t m 法和 p r i m e x t m 法。d i m o x t m 法让高温金属液( 如、t i 、z r 等) 暴露于空气中，使 其表面首先氧化成一层氧化膜( 如a 1 2 0 3 、t i 0 2 、z r 0 9 ，里层金属再通过氧化层 逐渐向表面扩散，到达表面时金属液中少量金属被氧化，如此反复，最终形成金 属氧化物增强的金属基复合材料或金属增韧的陶瓷基复合材料。p r i m e x ，聊法， 同时发生两个过程：一个是液态金属在环境气氛的作用下向陶瓷预制件中渗透， 二是液态金属与周围气体的反应而生成新的增强粒子。z h o u 3 5 】等用熔体直接氧 化法制备了2 0 3 脚复合材料，并分析了它的显微组织和性能的影响因素。林 营【3 6 l 等利用该法制备了s i c 颗粒增强舢2 0 3 a i 基复合材料，对该材料的组成及 微观结构进行了观察，分析了s i 0 2 层、合金成分和制备温度对复合材料性能的 影响，研究表明，适量s i 的存在可以限制有灿4 c 3 生成的界面反应，促进基体与 增强体之间的润湿性能。z u l f i aa t 3 7 】等用p r i m e x r 聊法制备了s i c a 1 m g 复合材 料，研究并对比了在9 0 0 。cn 2 中，不同的浸渗时间内，不同镁含量对铝液和s i c p 间润湿性的影响，发现镁质量分数大于8 ，浸渗时间在5 m i n 以上时，两者之 间的润湿角可小于9 0 。 反应喷射沉积法【3 8 】( r s d ) ( r e a c t i v es p r a yd e p o s i t i n g ) ，该工艺是在d i m o x t m 法和喷射沉积工艺的基础上发展起来的。它分为反应喷雾沉积法( r a d ) 和反应 低压等离子喷射沉积法( r l p p s ) 。重庆大学的彭晓东【3 9 】等通过采用铝液喷射共沉 积氧化反应的方式获得的m 2 0 3 a i 基复合材料，获得的铝基体晶粒小，2 0 3 增 强颗粒细小，分布均匀，并且基体与舢2 0 3 颗粒结合牢固，得到的铝基复合材料 有优异的综合性能。 m ) 固一液反应法 直接反应法【砌，将碳粉形成等离子射流来熔化和雾化金属材料，或将硼粉 8 江苏大学硕士学位论文 加入一定温度下的金属或合金熔体中搅拌，使碳或硼与金属液反应生成碳化物或 硼化物强化相，反应类型有： t i + 2 b = t i b 2 ( 1 2 ) t i + c = t i c( 1 3 ) 还原反应法，利用化学上的还原反应原理，将不稳定的化合物加入到熔体中， 使合金熔体中的组元与加入的化合物发生热还原反应，生成所需要的稳定的陶瓷 增强颗粒，其基本思想遵循以下化学反应式： 舢( 1 ) + m e o ( s ) 一a 1 m e ( 1 ) + 舢2 0 3 ( s ) ( 1 4 ) 寇生中等人将c u o 、z n o 、s n o 、c r 2 0 3 、t i 0 2 和s i 0 2 等氧化物加入到1 0 0 0 左右的铝液中，探讨了原位生长的越2 0 3 颗粒增强铝基复合材料。寇生中【4 1 ，4 2 】 认为，可在1 0 0 0 以下发生c u o a i 反应，从而能制备出2 0 3 颗粒增强铝基 复合材料。万红【4 3 】利用挤压铸造加热处理法对c u o a 1 、z n o a i 、t i 0 2 a i 体系 进行差热分析，发现c u o a i 在9 3 0 就开始放热。王渠东【1 5 】等将f e 3 0 4 粉末 加入到a i 5 m g 合金液中，利用f e 3 0 4 与反应生成的舢f e 金属间化合物增 强基体，伴生反应形成的魁2 0 3 微粒子则起弥散强化作用。由于还原反应法具有 工艺简单，成本低廉可直接浇注成形等优点，越来越引起人们的关注。 挤压反应铸造法【删，该工艺将合金液通过挤压，渗透到预制件中。合金元 素在高温下与预制件中的某一组元发生化学反应，产生新的增强相，从而达到强 化基体的目的。在此工艺中，由于增强相形成与液态金属挤压成形同时进行，因 此，材料的组织致密，生产效率高。但材料中增强相的数量和种类又由于工艺条 件而