（凝聚态物理专业论文）原位合成mg2sial复合材料微观组织及力学性能研究.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文采用熔体原位合成技术 通过添加适量的m g s i 元素 制备出不同 m 9 2 s i 含量的m 9 2 s i a i 基复合材料 采用正交试验法探索了m 9 2 s i a 1 基复合材 料的最佳试验工艺参数 通过添加p s b r e 及过剩s i 等方法对初晶m 9 2 s i 进 行变质处理 对不同变质工艺后合金的微观组织 硬度 强度 冲击韧度和耐磨 性能进行了研究 对不同元素对初晶m 9 2 s i 颗粒的变质机理和对合金力学性能 耐磨性能的影响规律进行了探索 结果发现 m 9 2 s i 含量对初晶m 9 2 s i 的尺寸影响最大 熔体的保温时间和浇注温度对初 晶m 9 2 s i 的形貌具有重要影响 获得良好m 9 2 s i 颗粒尺寸和形貌的最优化工艺 为 1 0 m 9 2 s i 含量 在7 6 5 c 保温1 5 分钟后浇铸 过剩s i p 和s b 能够有效改善2 0 m 9 2 s i a l 复合材料的组织 随着合金元 素的增加 初晶m 9 2 s i 的尺寸逐渐减小 形状逐渐改善 当分别加入5 过剩s i o 5 p 时 合金具有最佳的变质效果 初晶m 9 2 s i 尺寸最小 形貌由大枝晶转变 为小枝晶或颗粒状 当加入o 4 s b 时 初晶m 9 2 s i 和共晶组织均具有最好的细 化效果 s b 与r e 复合变质对初晶m 9 2 s i 也具有一定细化效果 当联合加入 0 6 s b 与0 8 r e 时细化效果最好 过剩s i p 和s b 元素的加入 能有效提高2 0 m 9 2 s i a i 复合材料的力学性 能 当过剩s i 含量为8 时合金具有最高的硬度 含有o 5 p 和o 4 s b 的复合 材料具有最高的硬度和抗拉强度 而加入o 4 s b 在获得最佳力学性能的同时获 得了最佳的冲击韧度 低钛铝合金中西元素的存在有益于材料的强度和冲击韧 度的提高 复合材料的拉伸和冲击断口分析表明 材料的断裂过程中主要是脆性 断裂 m 9 2 s i 颗粒的解理断裂是合金断裂的主要机制 含有5 过剩s i 和0 4 s b 的复合材料具有最佳耐磨性能 用低t i 铝合金 制备的复合材料的耐磨性能优于纯铝制备的复合材料 合金元素改善复合材料的 耐磨性能与m 9 2 s i 颗粒的细化及基体强度的增加等因素有关 磨损机制主要是磨 粒磨损 还伴随有氧化磨损 关键词 m 9 2 s i a 1 复合材料 原位合成 初晶m 9 2 s i 变质处理 力学性能 耐磨性能 郑州大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h em 9 2 s i a ic o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n to fm 9 2 s ih a v eb e e n p r o d u c e du s i n gi n s i t us y n t h e t i cm e t h o db ya d d i n gc e r t a i nc o n t e n to fm ga n ds i e l e m e n t s t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e ro fm 9 2 s i a c o m p o s i t e sh a sb e e ns t u d i e db y o f t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n a n dt h ep r i m a r ym 9 2 s ip a r t i c l e sh a v e b e e nm o d i f i e d b yt h ep s b r ea n de x t r as ia d d i t i o n t h et e s t i n go fm i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o n h a r d n e s s s t r e n g t h i m p a c tt o u g h n e s sa n dw e a rr e s i s t a n c eo f c o m p o s i t e sm o d i f i e dw i m d i f f e r e n tp r o c e s s e sh a v e b e e nc o n d u c t e d t h em o d i f i c a t i o nm e c h a n i s m so ft h e p r i m a r ym 9 2 s ip a r t i c l e sa n dt h ei n f l u e n c eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dw e a r r e s i s t a n c eo f t h ec o m p o s i t e sh a v ea l s ob e e ns t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ec o n t e n to fm 9 2 s ih a sab i g g e re f f e c to nt h es i z eo fp r i m a r ym 9 2 s i a n d h o l d i n gt i m ea n dp o u r i n gt e m p e r a t u r eh a v es o m ei n f l u e n c eo nt h em o r p h o l o g yo f p r i m a r ym 9 2 s i t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s t h a t c o m p o s i t e s w i mt h e o p t i m a l m o d i f i c a t i o ne f f e c to f t h ep r i m a r ym g e s ip a r t i c l e sa sf o l l o w i n g t h ec o n t e n to f m 9 2 s i i nc o m p o s i t e si s1 0 w t h o l d i n gt i m ei s1 5m i n u t e s p o u r i n gt e m p e r a t u r ei s7 6 5 c t h ea d d i t i o no fe x l r as i pa n ds be l e m e n t s a ne f f e c t i v e l ym o d i 母t h ep r i m a r y m 9 2 s io f2 0 w t m 9 2 s i a lc o m p o s i t e s t h es i z eo fp r i m a r ym 9 2 s ii sd e c r e a s e d g r a d u a l l ya n dt h em o r p h o l o g yi si m p r o v e dw i t hi n c r e a s i n gt h ec o n t e n to fa l l o y i n g e l e m e n t s t h ea d d i t i o no f5 w t e x t r as io ro 5 w t pe l e m e n tm a k et h ep r i m a r y m 9 2 s ih a st h eo p t i m a lm o d i f i c a t i o ne f f e c t t h es i z eo f t h ep r i m a r ym 9 2 s ii sf i n e s ta n d t h em o r p h o l o g yi s c h a n g e dt os m a l ld e n d r i t e o rp a r t i c l e sf r o mc o a r s ed e n d r i t e a d d i t i o nt ot h em o d i f i c a t i o nt ot h ep r i m a r ym 9 2 s i t h es bc a ne f f e c t i v e l ym o d i f yt h e e n t e e t i cs t r u c t u r e t h eb e t t e rc o m p l e xm o d i f i c a t i o ne f f e c to fp r i m a r ym 9 2 s ia n d e u t e c t i cs t r u c t u r ei so b t a i n e da f t e ra d d i n g0 4 w t s b t h ec o m b i n ea d d i t i o no fs ba n d r eh a sa l s ob e t t e rm o d i f i c a t i o ne f f e c to nt h ep r i m a r ym 9 2 s i t h es u i tc o n t e n to fs b a n dr ei s0 6 w t a n do 8 w t r e s p e c t i v e l y t h ea d d i t i o no ft h ee x t r as i pa n ds be l e m e n t sc a no b v i o u s l yi m p r o v et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f2 0 w t m 9 2 s i a 1c o m p o s i t e s t h eh i g h e s th a r d n e s so ft h e c o m p o s i t e sc a nb eo b t a i n e d t h ec o m p o s i t e sw i t ho 5 w t po ro 4 w t s bh a v et h e i j 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g h e s th a r d n e s sa n du l t r at e n s i l es t r e n g t h u t s a d d i t i o nt ot h i s t h ea d d i t i o no f o 4 w t s bc a nm a k et h ec o m p o s i t eh a v et h eo p t i m a li m p a c tt o u g h n e s s t ie l e m e n ti n l o w t i t a n i u ma l u m i n u mi sb e n e f i c i a lt oi m p r o v et h es t r e n g t ha n di m p a c tt o u g h n e s so f t h ec o m p o s i t e s t h eo b s e r v a t i o no ft h ef r a c t o g r a p h ym o r p h o l o g i e so ft h et e n s i l ea n d i m p a c ts a m p l e ss h o w st h a tt h ef r a c t u r eo fc o m p o s i t e si sb r i t t l em o d e t h ec l e a v a g e f r a c t u r eo f m g e s ii st h eb a s i cf r a c t u r em e c h a n i s mo f t h ec o m p o s i t e s t h ec o m p o s i t e sw i t h5 w t e x t r as ia n d0 4 w t s bh a v eo p t i m a lw e a r r e s i s t a n c e t h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t e sw h i c hp r o d u c e db yl o w t i t a n i u m a l u m i n u ma r eb e t t e rt h a nt h a to f o t h e rc o m p o s i t e sw h i c hp r o d u c e db yp u r ea l u m i n u m t h ei m p r o v e m e n to ft h ew e a rr e s i s t a n c eb ya l l o ye l e m e n t si sr e l a t e dt ot h e m o d i f i c a t i o no ft h em g e s ip a r t i c l e sa n de n h a n c e m e n to ft h em a t r i x t h em a i nw e a r m e c h a n i s mi sg r a i n a b r a s i o na n do x i d e a b r a s i o n k e y w o r d s m 9 2 s i a 1c o m p o s i t e s i n s i t us y n t h e s i s p r i m a r ym 9 2 s i m o 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 i e s w e a rr e s i s t a n c e i 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 原位内生颗粒增强铝基复合材料概述 颗粒增强铝基复合材料是以纯铝或铝合金为基体 复合添加具有低密度 高 强度 高弹性模量的颗粒增强相而成 所以 颗粒增强铝基复合材料具有高的比 强度和比刚度 较好的耐磨性能和尺寸稳定性 较高的抗热性能 同时它还具有 不吸潮 不老化 气密性好 耐有机液体和溶剂侵蚀等一系列优点 l l 因此 颗 粒增强铝基复合材料在航空航天 汽车 电子 光学 体育用品等工业领域有广 泛的应用前景 是当前金属基复合材料理论研究和工程实践中备受关注的课题之 一1 2 3 1 1 1 1 增强体的选择 增强相是影响铝基复合材料性能的重要因素之一 选择增强相应满足以下几 个条件1 4 5 1 具有较高的弹性模量和强度 2 熔点高 热稳定性好 热膨胀系数与基体合金差异小 与基体合金润湿 性好 以减小复合过程中的界面反应及对增强相的破坏 改善界面结合 提高复 合材料的室温及高温性能 3 密度与基体合金相近 可以获得好的制备工艺性 若为降低复合材料的 密度及提高比强度和比刚度 则密度越小越好 4 价格便宜 制备工艺相对简单 通常选用具有高模量 高比强度及良好高温性能 并和基体物理化学相容性 好的材料作为增强相 目前常用的增强体主要有三大类 单一陶瓷增强体 单一 金属间化合物增强体以及陶瓷一金属间化合物复合增强体 陶瓷增强体主要有 t i c t i b 2 a 1 2 0 3 s i c a 1 n 等 其性能见表1 1 4 陶瓷一金属间化合物复合 增强体如a 1 n a 1 3 t i a 1 2 0 3 a 1 3 n i 等 这类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 常用的金属间化合物增强体 有a 1 3 t i a 1 3 n i a 1 3 f e a 1 3 z r 和m 9 2 s i 等 其性能见表l 一2 4 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 金属间化合物 密度 g e m 3 熔点 k 弹性模量 e g p a 由于金属间化合物是由金属与金属 或类金属 按一定原子比组成 原子间 的部分共价键结合导致其具有高熔点 高弹性模量和低的原子扩散系数等特点 尤其以铝的 硅的和镁的金属间化合物因其具有高性能 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 表1 2 中的m 9 2 s i 金属 间化合物密度最低 而熔点和弹性模量相对较高 以m 9 2 s i 颗粒增强的铝基复合 材料在汽车工业和航空 航天的耐磨材料领域具有广泛的应用前景 但在室温下 m 9 2 s i 增强体与所有的金属间化合物一样 均表现出较低的韧性 如低延伸率 低断裂韧性和高缺口敏感性 这就严重阻碍了它的应用 因此 探索能够提高铝 基复合材料中金属间化合物增强颗粒的塑性并降低其脆性的合成工艺 使其能够 付诸实际应用 将在科学和技术领域具有重要意义 2 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 2 原位内生颗粒增强铝基复合材料的合成工艺 原位合成技术是近几年发展起来的一种制备颗粒增强a l 基复合材料的方法 其原理是在一定条件下通过元素之间或元素化合物之间的化学发应 在a l 基体内 原位生成一种或几种高硬度 高弹性模量的增强相 从而达到强化基体的目的 该方法中增强体是在基体中原位生成 表面无污染 避免了与基体相容性不良的 问题 界面结合强度较高 原位合成法省去了外加增强颗粒单独合成 处理和加 入等工序 使其具有以下特点 增强体是从金属基体中原位形核长大的 具有稳 定的热力学特性 且能提高界面的结合强度 可有效控制原位生成增强体的种类 大小 分布和数量 制备工艺简单 成本较低 可较大幅度提高复合材料的强度 和弹性模量 因而 原位合成工艺成为颗粒增强a l 基复合材料研究的热点 6 m 从上世纪6 0 年代开始 前苏联科学家发现自蔓延燃烧现象 后将其用于复合 材料的制备技术 该法称为自蔓延燃烧反应法 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 e s y n t h e s i s 简称s h s 以后 在此基础上又产生了其他的方法 常见的有 x d i m 放热弥散法 c r 接触反应法 v l s 气液反应法 d i m o x 直接熔体氧化法 m a 机械化合金法 s i t 自然浸渗法 混合盐反应法等制造方法 3 1 1 s h s 即自蔓延高温合成法 s e l f p r o p a g a t i n gh i g h t e m p e r a t u r es y n t h e s i s 最早由前苏联学者m e r z h a n o v 和b o r o v i n s h a y a 于1 9 6 7 年提出 基本原理是将增强 相的组分原料与金属粉末充分混合压坯成型 在真空或惰性气氛中引燃 使组分 之间充分发生化学反应 放出的热量蔓延引起未反应的邻近部分继续反应 直到 全部反应完成 该方法所制得的材料成本高昂 难以推广 并且稀释问题也未能 很好地解决 2 x d t m 即放热弥散法 e x o t h e r m i cd i s p e r s i o n x d t m 法是美i 虱m a r t i n m a r i t t al a b o r o t o r y 在前苏联科学家m a r z h a n o v 发明的s h s 法的基础上改进而来 其基本原理是将增强相组分与金属粉末以一定比例均匀混合 冷压或热压成型 制成坯块 以一定的加热速率预热试样 在一定温度范围内 通常是高于基体的 熔点而低于增强相的熔点 增强相各组分之间通过化学反应 生成增强相 它 的优点是可控制强化相体积分数及类型 可调整工艺参数 改变强化相粒子大小 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 并进行近终成型 3 v l s 即气液反应合成法 v a p o r a z a t i o nl i q u i ds y n t h e s i s 在v l s 法中 参与反应的有气相 基本原理是将含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 它是目前比较成熟的技术之一 生成的强化 相粒子粒度细小 工艺连续性好 可获得直接使用的铝基复合材料铸件 4 r s d 即反应喷射沉积法 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 g 在低压 条件下 将0 2 n 2 或0 2 和n 2 的混合气体 通过喷嘴与喷射中的铝合金液滴混 合 反应 生成a 1 2 0 3 和a i n 粒子共沉积到基体上快速凝固 其优点是原料成本 低 强化相体积分数可调 陶瓷粒子大小可控且分布均匀 具有快速凝固的优点 可以近终成形 5 r m a 即反应机械合金化法 r e a c t i o nm e c h a n i c a la l l o y i n g 是各种粉 末直接形成复合材料的一种工艺 首先将所需的粉末置于球磨机中磨碎 使粉末 变细 压铸 粉碎和冷态结合 形成尺寸较为平均的颗粒 在将球磨后的粉末真 空脱气 热压或冷处理固化成型 该法最大特点是受相律支配 它的优点是生成 的强化相粒子表面洁净 粒度小 机械合金化过程中形成的过饱和固溶体在随后 的热加工处理中将分解生成细小弥散的颗粒 弥散强化机体 得到的复合材料结 构可以非常致密 6 d i m o x 即直接熔体氧化法 d i r e c tm e l to x i d a t i o n 增强相靠熔体的 直接氧化而来 即将熔体直接暴露于空气中 空气中的氧与基体合金液直接接触 熔体表面被氧化生成氧化物 如a 1 2 0 3 构成熔体的表面膜 a 1 2 0 3 氧化膜由于 温度梯度的影响而产生裂纹 里层的金属液通过毛细现象参加氧化反应随着氧化 层厚度增大 金属液的毛细扩散阻力增大到某一时刻氧化反应结束 生成的氧 化物即为增强相 7 s i t 即自然浸润法 自然浸润法称无压浸渗 是1 9 8 9 年l a n x i d a 公司提 出的专利技术 将基体合金和含增强体的组分原料一起放入可控气氛加热炉中 加热到基体合金液相线以上温度 合金熔体直接浸渗到颗粒层或预制块中 通过 化学反应生成所需要的增强体 8 m d r 即熔体直接反应法 m e l td i r e c tr e a c t i o n 除上述原位合成技 4 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 术之外 熔体直接反应法近年来在铝基复合材料中得到了广泛的应用 熔体直接 反应法是将含有需要产生强化相元素的原材料加入熔融的铝合金基体金属液中 使其在熔体中直接发生原位反应 生成所需强化相晶体 均匀分布于整个熔体中 然后铸造成铸件 如将t i n i f e 粉或者它们的氧化物 加入高温铝熔体中 并均匀分散 反应合成金属问化合物 如a 1 3 f e a 1 3 t i 等 或金属间化合物 氧化 铝强化相 然后铸成铝基复合材料 方信贤等采用熔体直接反应法制备出了 t i b 2 a i 复合材料 陈子勇等人利用此种方法制备出了具有较高铸态力学性能的 a 1 3 t i a i 复合材料 1 4 f 1 5 l 尽管在实验室己研究开发出了多种原位铝基复合材料制备工艺 生产制备了 不少种类的原位铝基复合材料 但由于研究时间较短 许多应用项目刚起步 还 存在不少问题 如制备工艺复杂 周期长 强化相种类有限 强化相分布均匀化 程度难以大幅度提高 反应过程难以精确控制 界面伴生有害反应化合物以及大 幅降低生产成本等问题 这在一定程度上阻碍和限制了先进的铝基复合材料的发 展和应用1 1 6 与自蔓延高温合成法 放热弥散法 气液反应合成法 反应喷射 沉积法 反应机械合金化法 直接熔体氧化法和自然浸润法相比 熔体直接反应 法具有制备工艺简单 材料制造成本低廉 反应容易控制 增强相与基体相容性 好等优点日益受到材料工作者的重视 1 7 本文采用这种新型的原位反应工艺制 备m g a s i a 1 复合材料 并研究材料的显微组织和力学性能 1 1 3 原位内生颗粒增强铝基复合材料的特性 原位内生颗粒增强铝基复合材料性能特点如下 1 蛆1 i 1 增强体在铝基体上原位形核 长大 具有强界面结合 良好的相容性 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 4 增强相颗粒细小 往往处于微米级或微米以下 能保证铝基复合材料不 但有良好的韧性和高温性能 而且有很高的强度和弹性模量 5 能与铸造工艺结合 直接制造出形状复杂 尺寸变化大的近终形产品 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 4 原位内生颗粒增强铝基复合材料的应用 原位内生颗粒增强铝基复合材料 可减轻工件的重量并提高其性能 而且可 节油 减少污染和延长寿命 因而在汽车工业中得到广泛应用 也因起优异性能 而用于卫星及航天结构材料 飞机零部件 金属镜光学系统 汽车零部件 此外 原位内生颗粒增强铝基复合材料还可以用来制造微波电路插件 惯性导航系统的 精密零件 涡轮增压推进器 电予封装器件等 2 2 d u r a l 公司利用s i c p 增强的铝 基复合材料具有良好的耐磨性 低的热膨胀系数和高得比刚度等优点将其用于汽 车活塞 刹车盘缸套驱动轴等零部件以达到减重的目的 2 3 2 4 1 m a r t a i n 公司将t i c 颗粒增强复合材料用于汽车活塞连杆刹车卡等零部件 达到减小磨损及减重的目 的 另外 石墨 a 1 复合材料具有良好的摩擦与磨损特性 其减震性和灰铸铁不 相上下 可用于制备气缸体合轴承等零件 原位内生颗粒增强铝基复合材料密度 低 强度高 且具有较好的耐磨性 因此 在汽车 航空航天工业中的耐磨材料 方面拥有巨大的应用潜力 2 5 j 1 2m 9 2 s i 金属问化合物与原位内生m 9 2 s i a i 复合材料 1 2 1m 9 2 s i 金属间化合物的性质 特点 金属间化合物的研究与开发受到人们的广泛重视 特别是在高温材料 储氢 材料及低密度材料等方面 选择理想的金属间化合物的标准可概括为 2 1 l 化合 物应具有低密度 高熔点 高度对称的晶体结构和易行的生产技术 如熔炼和锻 造等 金属间化合物m 9 2 s i 颗粒具有低密度 高杨氏模量 高硬度 高熔点 耐 磨性好及立方晶体结构等突出特点 它与轻质金属a l 基体复合制备出的m 9 2 s i a i 基复合材料兼具a l 的优点和m 9 2 s i 的特性 因而在发展高温 耐磨 轻质材料等 方面有重要的研究价值 在航空航天 汽车船舶等领域有潜在应用前景 2 6 3 2 图1 1 示出t m g s i 体系的二元相图 m g a s i 是m g s i 二元体系的唯一稳定的金 属问化合物 它的化学当量组成为6 3 3 w t m g 3 6 7 w t s i 它具有反萤石晶体结 构 空间群0 5 h f m 3 m 面心立方 f c c 晶格 如图1 2 所示 晶格常数为a 6 3 3 8 a m 9 2 s i 的物理 力学性能如表1 4 所示 3 3 1 1 3 4 6 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 s i 0m g 图1 1m g s i 体系的相图图1 2m 9 2 s i 的晶体结构示意图 f i g 1 1p h a s ed i a g r a mo f m g s is y s t e mf i g 1 2c y y s t a ls t r u c t u r eo f m 9 2 s i m 勘s i 金属间化合物具有低密度 高熔点 高弹性模量等优点 是一种很有 发展前途的轻质高温结构材料 同其他的金属间化合物一样 其致命弱点是m g z s i 表1 3m s i 金属间化合物的物理 力学性能 划 t a b l e1 3p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m 9 2 s ii n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d r t r o o mt e m p e r a t u r e 化合物严重的晶问脆性 它具有从室温 2 0 至t j 4 5 0 c 的固有脆性 4 5 0 c 是其 塑脆转变温度 在4 5 0 c 以上 材料变的相当柔韧 其断裂刚度和热阻由于位错 7 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 滑移而提高p 5 1 m 戤s i 金属间化合物的韧性可通过应用诸如加入金属元素或增韧 颗粒等途径来提高 但是传统的工艺技术倾向于与m 9 2 s i 基体在高温下反应 生 成共晶体或脆性界面产物 因而设计合理的熔炼制各工艺 并采用有效的韧化途 径来改善其塑性成为众多材料工作者的研究热点 1 2 2 原位合成m 9 2 s y a 复合材料研究现状 对m 9 2 s i 金属间化合物的研究早在2 0 世纪初已经开始 德国材料工作者在这 方面的研究较多 主要是对m 9 2 s i 金属间化合物的理化特性 热力学及动力学方 面的研究 国内是在2 0 世纪末期对m 9 2 s i 固相反应的的热力学特性进行了评估 1 3 6 1 m 9 2 s i 具有低密度 高熔点 高强度的优异性能 同时又具有室温脆性的致 命缺陷 直接应用的可能性很小 许多材料工作者为克服这一缺点 深入研究了 增韧和改性问题 目前 研究人员主要将其嵌入至0 塑性较好的金属 如a 1 m g 和t i 等 基体中 从而制备具有一定塑性和强度相结合的材料 既发挥t m 9 2 s i 金属间化合物的优点 又使基体金属的到了强化 金属a l 由于轻质 量大 韧性 好等特点可以和m 9 2 s i 相复合 制备出具有高的比强度 比刚度 好的耐磨性能 和耐高温性能的m 9 2 s i a i 复合材料 可以在耐磨材料方面大显身手 呈大块状或树枝状的m 9 2 s i 增强颗粒在a l 基体中分布 使复合材料表现出较 差的韧性和较高的脆性 而且 随着m 9 2 s i 含量的增高 其脆性增加 材料容易 在外力作用下脆断 因此 改善m 9 2 s i a 1 基复合材料中m 9 2 s i 颗粒的尺寸 形貌 和分布 成为研究的焦点 细化m 9 2 s i 的方法可以分为物理方法和化学方法两类 物理方法主要包括机械振荡 电磁搅拌 快速凝固和半固态处理等 其目的是控 制m 臣s i 的生长过程 达到细化颗粒尺寸 形貌和改善颗粒分布状态的目的 化 学方法主要采用外加元素变质处理复合材料熔体 促进m g z s i 相形核 增加形核 数目 抑制晶粒长大 以达到细化颗粒尺寸 形貌和改善颗粒分布状态的目的 相比之下 变质处理工艺简单 细化效果显著 因而得到广泛的关注 而物理方 法与化学方法相结合的加工工艺也正受到材料工作者的重视 德国的g e o r gf r o m m e y e r 等人首先用m a 法以m g 粉 s i 粉 a i 粉为原料制备 了m 9 2 s i 金属间化合物和 m 9 2 s i 5 0 a l s o 合金 并对合金的显微结构 热物性及力 学性能进行了分析 之后 又用感应熔化的方法制得了 m 9 2 s i 4 s a l s 5 和 8 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 m 9 2 s i s o a l s o 两种合金 熔体经过红磷细化后在冷铜模中进行挤压铸造 使 m 9 2 s i 枝晶被细化 且细小的等轴晶m 9 2 s i 颗粒分布更加均匀 但是铸件中存在 气孔等缺陷 1 中国科学院金属研究所周本濂院士和张健博士利用离心铸造工艺制备了功 能梯度m 9 2 s i a i 复合材料管材 并用有限元法 f e m 对其性能进行了模拟 通 过试验和热力学计算 校正了包含有伪共晶区的a 1 m 9 2 s i 平衡相图 为其他科研 工作者对m g a s i a l 复合材料的性能和机理分析提供了更为准确的参考数据 3 7 1 1 3 引 m 9 2 s i a 1 基复合材料采用简单的制备工艺结合晶粒细化方法可以有效的改 善复合材料中m 9 2 s i 的尺寸 形貌和分布 对铸造a l s i 合金 包括亚共晶 共 j 良1 4m 9 2 s i 与s i 的物理 力学性能 t a b l e1 4p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m 9 2 s ia n ds i 合金系平衡相图生长特性 共晶成分共晶温度共晶温度时 c e w t t e k 的固溶度 w t 晶和过共晶 中初晶s i 和共晶组织的细化研究已经相当成熟 常用于s i 变质的变 质剂有钠盐 锶 s r 碲 t e 钡 b a 钙 c a 磷 p 锑 s b 和稀 土元素等 3 嗍 由于m 9 2 s i 和s i a i m 9 2 s i 与a 1 s i 之间在性能和凝固行为方面有 很多相似之处 4 7 1 性能比较如表1 4 表1 5 所以 对初晶s i 或共晶组织具有 良好细化效果的变质元素很有可能会较好的细化m 9 2 s i a l 复合材料中的m 9 2 s i 相 1 9 9 9 年 张健博士等人采用熔体直接反应法制备了1 5 m g 注s i a l 2 0 9 郑州大学硕十学位论文第一章绪论 m 9 2 s i a l 2 5 m 9 2 s i a i 复合材料 并用1 0 混合钠盐 n a c i n a f k c i 进行 了变质处理 减小t m 9 2 s i 颗粒的尺寸 并将其形貌由不规则形状改变为多边形 块状 变质后的复合材料力学性能提高不大 4 8 之后 他们又用普通重力铸造 方法 制备了1 5 m 9 2 s i a i 复合材料 然后在8 0 0 重熔后加入不同含量的过剩 s i 再加入n p 复合细化剂 变质处理后复合材料中的初晶相尺寸减小 分布 均匀 共晶组织由大长径比的a i m 9 2 s i 元共晶向小长径比的a i m 9 2 s i s i 转 化 从而改善了显微组织 显著提高了复合材料的室温拉伸性能 4 9 l 2 0 0 0 年 张健等人在前面工作的基础上深入研究了过剩s i 对1 5 m 9 2 s i a 1 复合材料显微 组织的影响 结果发现 加入8 过剩s i 后 复合材料中的初晶m 9 2 s i 和c t a l 相均 得到较好的细化效果 5 0 1 同年 他们采用混合稀土 m m 变质处理了1 5 m 9 2 s i a l 复合材料 使复合材料中的初晶和共晶m 9 2 s i 相均得到较好的细化效果 4 7 j 张健等人又研究了冷却速度对过共晶m 9 2 s i a 1 复合材料中初晶m 9 2 s i 足寸 形貌及分布的影响 发现提高冷却速度能有效减小初晶m 9 2 s i 的尺寸并改变其等 轴晶形态 5 吉林大学在m 9 2 s i a 1 基复合材料方面的研究较为深入 秦庆东等人用k 2 t i f 6 变质处t m 9 2 s i a 1 s i 复合材料 仅仅减小了初晶和共晶组织的尺寸 而形貌未 有较大转变 变质效果不明斟5 2 1 采用富c e 稀土变质处理m 9 2 s i a i s i c u 复合材 料后 发现初生m 9 2 s i 颗粒的尺寸由7 0 m 减小到2 0 m 左右 初生m 9 2 s i 的形态也 由不规则形状变为非常规则的多边形或者三角形 5 3 州 最近 秦庆东等人用p 变 质处t m 9 2 s i a l 复合材料熔体 然后在钢模和沙模中浇注 研究结果表明p 变 质处理后的复合材料 初晶m 9 2 s i 的尺寸分别由3 0 0 岬减小到2 0 肛m 钢模 和 2 0 0 m 到5 0 m 沙模 共晶组织的形貌也的到明显细化 5 5 他们用s r 变质处理 m 9 2 s i a i 复合材料后 发现初晶m 9 2 s i 尺寸减小到约4 0 p m 左右 其形貌由枝晶状 转变为多变形状或四边形状 然后利用萃取技术得到了m 9 2 s i 晶体 发现未变质 处理的m 9 2 s i 晶体生长方向一致 且呈现出八面体状 变质处理后其形貌呈现出 规则的立方结构 5 棚 经过过热处理 m 9 2 s i a 1 s i c u 复合材料中不仅初晶m 9 2 s i 尺寸减小 而且 共晶组织中的m s i 相也由汉字体状变为针片状 5 7 1 此外 赵 宇光教授对半固体m 9 2 s i a i 基复合材料和功能梯度m 9 2 s i a l 基复合材料也进行 了较为深入的探索 5 8 6 2 1 1 0 郑州大学硕十学位论文第一章绪论 李赤枫等人研究t s r 耳q l c e s r 复合变质剂对1 5 m 9 2 s i a i s i 复合材料凝固组 织的影响规律1 6 3 l 研究结果表明单独加入s r 时 复合材料的组织细化不如c e s r 复合处理时稳定 并且加入1 o c e o 7 s r 后 m 9 2 s i 增强体以细小的短棒状出 现 平均粒径减小到1 2 m 比未经细化处理的增强体粒径降低5 2 且单位面 积上m 9 2 s i 晶粒数目明显增加 s r 和c e s r 复合变质剂对复合材料的共晶组织也由 一定的细化作用 细化变质前后 共晶组织呈现由长针片状结构向颗粒状结构发 展的趋势 近年来 电磁搅拌技术在m 9 2 s i a i 基复合材料中的应用日趋广泛 艾秀兰等 人首先研究了电磁搅拌工艺对m 9 2 s i a i 基复合材料宏观偏析的影响 发现电磁搅 拌可使m 9 2 s i a 1 复合材料中的初生m 9 2 s i 相显著细化和圆整 同时也使坯料表面 出现了较大的初生m 9 2 s i 偏析层 且偏析层的厚度随搅拌电压的增大而增大i 删 随后 艾秀兰等人又研究了p t i r e f f l p c a 等元素对电磁搅拌m 9 2 s i a 复合材 料的影响 6 5 6 6 1 研究结果表明 经p 细化后进行电磁搅拌的复合材料 初晶 m 9 2 s i 细化 且棱角变的圆钝 稀土元素不仅细化了初晶m 9 2 s i 而且共晶组织 也得到较好的细化效果 c j s o n g 和李克等人用电磁分离方法制备了功能梯度 m 9 2 s i a i 基复合材料 并用复合盐变质剂对初生m 9 2 s i 进行了细化变质 讨论了 影响m s i 分布的影响因素 6 7 6 9 此外 中国科学院的潘明祥等人利用 神州2 号 飞船搭载m 9 2 s i a i 复合材料 研究了重力对m 9 2 s i 定向生长的影响 使人们 对m s i a l 基复合材料的认识更加深a p o j t 7 然而 制备i 鬟j m 9 2 s i a i 复合材料虽 然具有较好的组织结构 但是其制备工艺复杂 成本高昂 与实际的生产应用还 有很大的距离 比较各种制备工艺 熔体直接反应法制备的原位m 9 2 s i a i 基复合材料 制备 工艺简单 造价低 有望用于实际生产 在对m 9 2 s i 的细化研究方面 采用熔体 直接反应法制备m 9 2 s i a 1 基复合材料并用p r e s r 和c e s r 复合变质剂对初生 m 9 2 s i 相变质处理 可以取得明显的细化效果 其中 r c 元素和c e s r 复合变质剂 对复合材料的共晶组织也有较好的细化效果 然而 r e 元素和c e s r 复合变质剂 价格昂贵 不利与降低材料制备成本 p 元素虽然对m 9 2 s i a 1 s i 复合材料有较好 地细化变质作用 但是赤p 的熔点 2 4 0 较低 运送 保存和使用过程都不安 全 熔体变质时反应剧烈 放出大量的p 2 0 5 有毒气体 对环境造成较大的污染1 7 2 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 最近 孙丰泉等人采用s b 元素变质处理了原位m 9 2 s i m g 复合材料中初生 m 9 2 s i 相 发现n s b 的加入量为0 8 时初晶m 9 2 s i 颗粒的尺寸明显减小 初晶 m 9 2 s i 形态由粗大的树枝状转变为均匀分布的颗粒状 这说明s b 元素对m g 基复合 材料中初晶m 9 2 s i 的尺寸和形貌具有较好的细化效果 7 据此推断 s b 元素也可 能对m 9 2 s i a 1 s i 复合材料中的m 9 2 s i 相有较好地变质作用 而且 s b 元素的变质 时间长 可在变质l o o d 时内不衰退 多次重熔不失效 且无变质潜伏期 不腐 蚀坩埚 熔具及厂房 设备 不产生公害 操作方便 s b 资源丰富 价格便宜 因此 s b 元素有望成为m 9 2 s i a j 基复合材料较为理想的变质元素 1 1 3 摩擦磨损基本理论 任何机器运转时 相互接触的零件之问都将因相对运动而产生摩擦 而磨损 是摩擦的必然结果 摩擦对相对运动造成阻碍作用 而磨损造成表层材料的损耗 使零件尺寸发生变化 影响了零件的使用寿命 摩擦性能可用摩擦系数来表示 磨损性能可用磨损量来表示 显然 磨损量越小 耐磨性越好 磨损量既可用试 样表层的磨损厚度来表示 也可用试样体积或重量的减少来表示 本文将采用磨 损失重作为m 9 2 s i a 1 复合材料的耐磨性能优劣的判据 材料的耐磨性具有系统性 而不是材料的固有属性 它是整个摩擦系统特性 的一部分 不同的工况有不同的摩擦系统 万能的耐磨材料是没有的 但是材料 的成分 组织和性能对某一磨损条件下的耐磨性有重要的影响 1 3 1 磨粒磨损的机制 磨粒磨损是指硬的磨粒或凸出物对零件表面的摩擦过程中 使材料表面发 生磨耗的现象 当硬颗粒例如岩石砂子或某些硬金属碎片等 在压力作用下滑过 或滚过零件表面时 就产生磨粒磨损 磨粒磨损现象很多 归纳起来 主要有两 种形式 一种是工业生产中常常遇到的 如切削和磨削加工 另一种是具有高强 度的颗粒 如s i 0 2 a 1 2 0 3 和s i c 进入两个磨擦面之间 使两个磨擦面都被切割 成沟槽 1 微观切削磨损机理 当磨粒和韧性材料表面接触时 出现两个主要过程 一是磨粒压入材科表面 出现塑性变形 在滑动摩擦时形成沟槽 在这个过程中材料并