（材料加工工程专业论文）自生颗粒增强alxsi9ni梯度功能复合材料组织性能研究.pdf

中文摘要 摘要 本课题采用离心铸造法制备了自生初晶砧3 n i 颗粒单独增强和自生初晶砧3 n i 和s i 颗粒混杂增强a l x s i 9 n i 梯度功能复合材料筒状零件 运用光学显微镜 0 m 扫描电子显微镜 s e m 以及x 射线衍射分析 x r d 等微观结构检测手段和硬度 耐 磨性能测试等性能检测设备 系统研究了该体系合金的离心铸造成形工艺 合金 铸件沿径向截面和垂直于径向截面两个方向的微观组织特征和性能等 对离心铸造成形的a i 9 s i 9 n i a 1 1 5 s i 9 n i a i 1 9 s i 9 n i 三种成分复合材料 筒状零件的实验结果表明 1 a 1 9 s i 9 n i 铸件外层分布着初晶a 1 3 n i 内层为共晶 组织 a i 1 5 s i 9 n i 和a 1 1 9 s i 9 n i 铸件的外层偏聚初晶烈3 n i 和部分s i 颗粒 内层 偏聚少量初晶 3 n i 和大量s i 颗粒 中间层为共晶组织 沿径向截面上初晶舢3 n i 大多呈长条状 沿垂直于径向截面上初晶灿3 n i 大多呈颗粒块状 在离心力场中 初晶舢3 n i 颗粒的相对加速度是初晶s i 颗粒的3 倍 但方向相反 复合材料铸件 中的分层现象及自生颗粒的分布与颗粒和熔体的密度差 较大的重力系数g 8 5 0 以及颗粒之间的相互碰撞 粘结等作用有关 2 由于大量a 1 3 n i 和s i 颗粒聚集于 a i 1 9 s i 9 n i a i 1 5 s i 9 n i 铸件的外层 其硬度值分别达到h r b 7 0 5 和h r b 6 6 5 而a i 一9 s i 一9 n i 铸件的外层仅聚集少量砧3 n i 颗粒 其最高硬度仅为h r b 3 9 此外 由于舢3 n i 颗粒存在长径比 沿垂直于径向截面上的硬度要比径向截面上相同位置 的硬度高3 4 h r b 3 从铸件的外层到内层 a 1 9 s i 9 n i 的体积损失量逐渐增加 在铸件的内层达到最高2 1 2 1 m m 3 而a 1 1 5 s i 9 n i 和a i 1 9 s i 9 n i 的体积损失量均 先增加后减少 在中间层达到最高 分别为1 6 3 4 m m 3 和1 6 7 3 舢一 在铸件的外 层 a 1 1 9 s i 9 n i 的耐磨性能最好 a 1 9 s i 9 n i 的耐磨性能最差 低浇温 低模温时 熔体的粘度较大 颗粒偏移的阻力变大 金属模具的急 冷作用使得与模具内表面先接触的合金熔液快速凝固 因此 铸件外层的颗粒较 细小 随着浇温 模温的提高 颗粒偏移的阻力变小 较高的模温延长了合金液 的凝固时间 使得颗粒有充分的时间偏移 使得组织更致密 偏聚区域变窄 铸 件外层增强颗粒的体积分数增多 因此 高浇温 高模温时铸件外层的硬度及耐 磨性能最好 低浇温 低模温时铸件外层的硬度及耐磨性能最差 研究了铸造方法对a i 1 9 s i 9 n i 复合材料组织性能的影响 重力铸造的铸件中 初晶a 1 3 n i 和s i 颗粒都是随机地分布在铝基体上 而且晶粒尺寸比较粗大 性能 测试结果表明离心铸造的铸件在外层的硬度及耐磨性能要优于重力铸造铸件 关键词 a i s i n i 合金 梯度功能复合材料 初晶a 1 3 n i s i 离心铸造 筒状零件 一 重壅盔堂堡主堂垡笙壅 一 l 一一 i i 英文摘要 a b s t r a c t as e r i e so fa l x s i 9 n ic o m p o s i t e sc y l i n d r i c a lp a r t sr e i n f o r c e dw i t hi n s i t up r i m a r y a 1 3 n ip a r t i c l e sa l o n ea n dp r i m a r ya 1 3 n i s ih y b r i dp a r t i c l e sw e r es u c c e s s f u l l yp r e p a r e d b yc e n t r i f u g a lc a s t i n g i no r d e rt os y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t i n gt h ec e n t r i f u g a lc a s t i n g f o r m i n gt e c h n o l o g yo fa i x s i 9 n ia l l o y m i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h eo p t i c a lm i c r o s c o p y 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 y s e m a n d x r a yd i f f r a c t i o n x r d a n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c et e s t i n ge q u i p m e n t sw e r eu s e d t h r e ec o m p o n e n t so fc o m p o s i t e sc y l i n d r i c a lp a r t s a l 9 s i 9 n i a i 15s i 9 n ia n d a i 1 9 s i 9 n i w e r ea n a l y z e d 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a t 1 i nt h ea l 一9 s i 一9 n i t h eo u t e r l a y e rw i t hp r i m a r ya 1 3 n i t h ei n n e rl a y e r 诚廿le u t e c t i cs t r u c t u r e h o w e v e r t h e r ea r e m a s s i v ep r i m a r ya 1 3 n ia n ds i p a r t i c l e s i nt h eo u t e rl a y e ro fa 1 15 s i 9 n ia n d a i 19 s i 9 n ia l l o y af e wa 1 3 n ia n da l a r g en u m b e ro f s ip a r t i c l e si nt h ei n n e rl a y e r w i t h n op a r t i c l e si nt h ei n t e r m e d i a t el a y e r a l o n gt h er a d i a ld i r e c t i o n t h ea 1 3 n ip a r t i c l e s s h o ws t r i ps h a p e h o w e v e r g r a n u l a ri n t h ep e r p e n d i c u l a rr a d i a ld i r e c t i o n i nt h e c e n t r i f u g a lf o r c ef i e l d t h er e l a t i v ea c c e l e r a t i o no fp r i m a r ya 1 3 n ip a r t i c l e si st h r e et i m e s t h a ns i p a r t i c l e s b u t i n o p p o s i t e d i r e c t i o n s n l ep h e n o m e n o no fl a y e r i n ga n d d i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e si nc a s t i n gi sr e l a t i o nt ot h ed e n s i t yb e t w e e nt h em e l ta n d p a r t i c l e s t h el a r g e rg r a v i t yc o e f f i c i e n tg 8 5 0 a n dt h ec o l l i s i o na n db o n do fp a r t i c l e s 2 a l o n gt h er a d i a ld i r e c t i o n t h eo u t e rl a y e ro fa i 1 9 s i 9 n ic a s t i n gh a st h eh i g h e s t h a r d n e s st oh r b 7 0 5 a 1 15 s i 9 n ic a s t i n g 兢t 1 1h r b 6 6 5 a n dt h ea i 9 s i 一9 n ic a s t i n g h a st h el o w e s th a r d n e s s w h i c hu pt oh r b 3 9 i nt h ed i r e c t i o no fp e r p e n d i c u l a rt ot h e r a d i a l t h ev a l u eo ft h eh a r d n e s si s3 4 h r bh i g h e rt h a na l o n gt h er a d i a ld i r e c t i o ni nt h e s a n l ep o s i t i o n 3 f r o mt h eo u t e rt oi n n e rl a y e r t h ev o l u m el o s so fa 1 9 s i 9 n i i n c r e a s i n g u pt ot h eh i g h e s t2 1 2 1 m m 3 b u tt h ev o l u m el o s so fa 1 1 5 s i 一9 n i a n d a l 19 s i 9 n ii n c r e a s i n gf i r s ta n dt h e nr e d u c i n g i n t e r m e d i a t e l a y e rh a s t h eh i g h e s t v o l u m el o s s 16 3 4 m m a n d16 7 3 m m 3 r e s p e c t i v e l y i nt h eo u t e rl a y e ro ft h e t h r e e c a s t i n g s t h ea 1 19 s i 9 n ic a s t i n gh a st h eb e s tw e a rr e s i s t a n c e h o w e v e r t h ea i 一9 s i 9 n i c a s t i n gw o r s t w h e nt h ep o u r i n ga n dm o u l dt e m p e r a t u r el o w t h ev i s c o s i t yo fm e l tb e c o m el a r g e t h e nt h er e s i s t a n c eo fp a r t i c l em i g r a t i o ni n c r e a s e t h ec o l dm o u l da c c e l e r a t e dt h e s o l i d i f i c a t i o no fl i q u i da l l o y s ot h ep a r t i c l e si n t h eo u t e rl a y e ra r ef m e w i t ht h e i n c r e a s i n go fp o u r i n ga n dm o u l dt e m p e r a t u r e t h er e s i s t a n c eo fp a r t i c l e sm i g r a t i o n i i i s m a l l e r a n dh i g h e rm o l dt e m p e r a t u r e s e x t e n d i n gt h es o l i d i f i c a t i o no fl i q l l i da l l o y m a k i n gt h ep a r t i c l e sh a v el a r g et i m et om i g r a t i n g a sar e s u l t t h e 咖咖em o r ed e n s e a n dt h ez o n eo fr e i n f o r c e m e n tn a r r o w a n dt h ev o l u m e f r a c t i o no fp a r t i c l e si nt h eo u t e r j a y e rm c r e a s e t h e r e f o r e w h e nh i g hp o u r i n ga n dm o u l d t e m p e r a t u r e t h e 妇 血e s sa l l d w e a 卜陀s i s t i n gp e r f o r m a n c ei no u t e rl a y e ri s b e s t w h e nl o wp o u r i n ga n dm 砌d t 铋聊舭 t h eh a r d n e s sa n dw e a r r e s i s t i n gp e r f o r m a n c ei no u t e r l a y e ri s 删 t h ee f f e c to f c e n t r i f u g a lc a s t i n gt e c h n o l o g yo nt h em i c r o s 乜u c m r ec h a 瑚l c t e r i s t i c s a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa 1 1 5 s i 9 n i c o m p o s i t e sw a ss t u d i e d t h er e s u h ss h o w t h a t 1 w i t ht h er i s 吨o fp o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dm o u l dt 锄脚 m e s i z eo f p n m a d p a r t i c l e sb e c o m el a r g e a n dt h em o r p h o l o g yo ft h e p a r t i c l e sc h a n g e 舶m p 吼c t i 幻珊t os q u a r em a s s i v e 2 i nt h eo u t e rl a y e r s a m p l er 4w i t hh i g hp o 谢n g a i l d m o u l dt e m p e r a t u r eh a st h eh i g h e s t h a r d n e s s h o w e v e r t h el o wp o u r i n ga n dm o u l d 溉职脚眦h a st h el o w e s th a r d n e s s i nt h eo u t e rl a y e ro ft h ec a s t i n g s s a m p l er 4h a s t h eb e s tw e a rr e s i s t a n c e b u tt h es a m p l er 2 h a st h ew o r s t t h ee f f e c to f c a s t i n gm e t h o do nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fa 1 19 s i 9 n i c o m p o s i t ew a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r i m a r ya 1 3 n ia n ds ip a r t i c l e s d i s t r i b u t e di nt h ea im a t r i xr a n d o m l y a n dt h es i z eo f t h e p r i m a r yp a r t i c l e si sq u i t et l l i c k 1n en a r 血e s sa n dw e a rr e s i s t a n c ei nt h eo u t e r l a y e ro fc e n t r i f u g a lc a s t i n gc o m p o s i t e sa r e o u t p e r f o r mt h a nt h eg r a v i t yc a s t i n gc o m p o s i t e s 脚o r d s a 1 s i n i a l l o y f u n c t i o n a l l yg r a d e d c o m p o s i t e s p r i m a r ya 1 3 n i s i c e n t r i f u g a lc a s t i n g c y l i n d r i c a lp a r t s 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 1 1 1 金属基复合材料的性能特点 金属基复合材料是一种以金属或合金为基体 以高性能的第二相为增强体的 复合材料 按照增强体的类型 可以分为颗粒增强的 片状增强的和纤维增强的 金属基复合材料 该复合材料的性能主要取决于所选用的金属或合金基体以及增 强体的特性 含量 分布 以及界面状态等 通过采用合适的组合工艺就可以得 到既具有金属基体特性 又具有复合材料一些较好的综合性能 综合归纳金属基 复合材料的性能特点主要有 卜5 高比强度 比模量 金属基复合材料中所加的增强相通常为高强度 高模 量 低密度的颗粒 纤维或晶须 第二相的加入使得金属基复合材料的比强度 比模量较基体的成倍地提高 它们制成的构件具有较轻的重量 刚性好 很高的 强度 是航空 航天领域中非常理想的结构材料 热膨胀系数小 尺寸稳定性好 金属基复合材料中的许多增强相都具有很 小的热膨胀系数 加入一定含量的增强相可以降低材料的膨胀系数 得到导热性 好 热膨胀系数小 尺寸稳定性好的金属基复合材料 高温性能好 由于增强颗粒 纤维 晶须等具有很高的高温强度和模量 因此金属基复合材料拥有较基体金属更高的高温性能 在连续纤维增强金属基复 合材料中 纤维起着承担载荷的作用 其强度基本上不受高温的影响 因此其高 温性能可以保持到接近金属的熔点 耐磨性能好 颗粒 陶瓷纤维 晶须增强的金属基复合材料耐磨性能很好 这是由于在金属基体中加入了硬度高 耐磨性很好的增强体 使得金属基复合材 料的耐磨性能与基体金属相比提高了很多 减振性能好 构件的自振频率不仅与其结构有关 而且还与材料比模量的 平方根成正比 复合材料中的相界面既能吸收也能反射振动 大大地提高了材料 的阻尼能力 可以使振动迅速地衰减 良好的疲劳性能和断裂韧性 金属基复合材料的疲劳性能和断裂韧性主要 取决于增强体一金属基体的界面结合状态 基体和增强相自身的特性以及增强相 在金属基体中的分布等 良好的界面结合状态 不仅可以有效地传送载荷 而且 还可以阻止裂纹的扩展 能很好地提高材料的断裂韧性 根据基体材料的不同 金属基复合材料可以分为铝基 镁基 锌基 铜基等 多种复合材料 在这些复合材料中 铝基复合材料不仅拥有一般金属基复合材料 重庆大学硕士学位论文 的优良性能 而且还具有密度低 成本低 重量轻 制备技术简单等特点 铝基 复合材料越来越多的被应用于实际生产和研究中 具有很大的应用前景 1 1 2 铝基复合材料的发展及应用 铝基复合材料是以铝或铝合金为基体 同时加入纤维 晶须或颗粒等增强相 而组合而成的一种金属基复合材料 它既保留了基体材料优良的塑韧性又能显示 增强材料的强硬性 6 铝基复合材料的研究始于二十世纪五十年代末 六十年代初 俄罗斯航空材 料研究所将b a i 复合材料用于飞机的机体结构上 七十年代 主要集中在碳 铝复 合材料的研究 从八十年代开始 国外的研究重点转向了颗粒增强铝基复合材料 而且己经在航空 航天 电子等领域取得广泛的应用 近三十多年来 铝基复合 材料的研究从理论上 技术上都取得了较大成功 广泛地应用于航空航天 汽车 和休闲用品等 7 叫 到目前为止 关于铝基复合材料的研究大多集中在连续纤维增强和不连续颗 粒增强铝基复合材料这两方面 l o 纤维增强的铝基复合材料通常具有很好的比强 度 比刚度以及耐磨性能等优点 然而 制备技术较复杂 材料的各向异性以及 成本较高等原因限制了其的应用 l l 颗粒增强铝基复合材料由于具有低密度 高 强度和耐磨性能好等优点 制备技术简单 材料各向同性 价格便宜等逐渐受到 人们的重视 所以 近年来颗粒增强铝基复合材料 尤其是s i c a 2 0 3 颗粒增强 铝基复合材料的研究及应用发展最快 已广泛应用于航天航空 汽车等领域 1 2 颗粒增强铝基复合材料概论 1 2 1 颗粒增强铝基复合材料的强化机理 颗粒增强铝基复合材料的强化机理主要为弥散强化型合金的理论 而且主要 从位错运动的角度来分析 当颗粒尺寸在0 0 1 o 1 肛l 时 弥散强化机理可用位错 绕过理论解释 位错理论认为 第二相对材料弥散强化的贡献主要表现为o r a w a n 强化机制 即运动的位错线在靠近第二相颗粒时受阻弯曲 随着外力的增大 位 错线受阻部分的弯曲更大 以致围绕着粒子的位错线在两边相遇 于是正负号位 错彼此抵消 使颗粒周围留下一个位错环 而位错线的其余部分则越过粒子继续 向前运动 1 2 1 当颗粒尺寸大于l t t r n 时 其强化机理与位错塞积有关 在剪切应力盯的作用 下 当金属基体中的位错达到临界应力时会发生塑性变形 若位错在运动过程中 受到质点的阻碍 就会在附近产生位错塞积 此时 质点会受到一个很大的应力 而且位错塞积越多 该应力就越大 l3 1 4 j 在外载荷的作用下 颗粒在基体 颗粒界面上受到的作用力r 2 1 绪论 r 甩仃 式中 n 是位错塞积的数目 n o d p g b 1 1 仃是外应力 根据位错理论 位错塞积数目为 式中 g 为基体的剪切模量 b 为位错的柏氏矢量 颗粒直径嘭 体积分数v 和d p 之间关系如下 q 吾d 2 p 2 1 一巧 将式 1 2 代入式 1 1 得 f 仃2 4 6 6 1 2 d p 是颗粒的间距 其中 1 3 1 4 当f 仃p 时 颗粒就开始破坏 产生裂纹 并会引起复合材料的变形 并令 仃p g p c 则有 f 仃p 鲁 仃2 4 瓯6 1 5 可以得到复合材料的屈服强度为 仃y2 1 6 式中 盯 是复合材料的屈服强度 c 表征颗粒特性的常数 g 是颗粒的切变 弹性模量 颗粒的直径d 一间距d 及体积分数v 之间必须要满足式 1 3 中的关系 否则 颗粒将没有强化作用 由式 1 6 可以知道 复合材料中颗粒的尺寸越小 颗粒体积 分数越高 对复合材料的增强效果也就越好 1 2 2 颗粒增强铝基复合材料的制备方法 根据复合材料中增强材料的来源 铝基复合材料的制备方法可以分为 外 加增强材料复合法 e x s i t u 就是把己经合成了的增强材料采用机械或别的方法均 匀地加入铝合金基体中 常用的有粉末冶金法 p m 铸造法 喷射沉积法和熔体 浸渗法等 这类方法的优点是适合制备出具有一定形状和尺寸的构件 但往往存 在着增强材料与铝基体之间结合不良 容易发生界面反应等缺点 这样会极大地 降低复合材料的综合性能 原位反应 i n s i t ur e a c t i o n 法 就是增强材料在合金 基体中通过元素之间或元素与化合物之间的化学反应生成 采用这种原位自生反 应形成的增强材料与铝基体的界面干净没有污染 界面结合强度高 而且增强材 料的尺寸和形貌容易调整和控制 所以具有很好的综合性能 同时 原位反应不 需要第二相增强材料的预制备 生产工艺简单 成本较低 目前 原位反应技术 重庆大学硕士学位论文 常用的制各方法 1 5 主要有 自蔓延高温合成法 s h s 放热弥散法q 接触反应 法 c r 气液反应法 v l s 和l s m 混合盐反应法等 外加增强相复合法 1 粉末冶金法 p m 法的制备技术是把固态的增强材料与金属粉末采用机械的方法混合均匀 再经过冷压 除气等以后 再加热到固 液两相区温度后真空热压制成复合材料毛 坯 再采用挤压 轧制 铸造等二次加工来制成所需的型材和零件 p m 法的主要 特点是任何合金都可作为基体材料 允许使用几乎所有的增强材料 增强材料的 含量能够根据需要进行调节 且增强相分布均匀 零件的性能稳定且能够进行传 统的机械加工等 但是这种方法的制备过程比较复杂 成本很高 零件的尺寸和 形状受到一定限制 不利于大批量的产出应用 美国a r c o 公司 英国b p 公司 采用这种方法在碳化硅颗粒增强铝基复合材料方面取得了显著的成果 l 6 1 7 2 铸造法 铸造法是液态金属加工的一种主要方法 其内容主要是将增强颗粒均匀地分 布在铝合金熔液中 并且使其最终弥散地分布于所形成的铝基体中 按照增强材 料与铝合金熔体混合方式的不同 铸造法可分为搅拌铸造法 正压铸造法 负压 铸造法等方法 l s 2 0 搅拌铸造法通常分为液态机械搅拌法和半固态机械搅拌法两种 其中液态机 械搅拌是通过搅拌器的旋转使增强材料在合金熔体中分布均匀 然后浇注成型 这种方法需要的设备简单 且操作方便 但是增强颗粒不容易与母体材料混合均 匀 同时强烈的搅拌容易造成合金熔体的氧化和吸气 半固态机械搅拌是利用合 金在搅拌后所具有的流变性质 将增强颗粒搅拌加入半固态熔液中 依靠半固态 合金较大的粘性阻止增强颗粒的沉浮来制备复合材料 这种技术得到复合材料中 的增强颗粒尺寸很小 颗粒数量很高等 这种制备方法对合金熔体的搅拌温度要 求比较高 根据加压的方式不同可以分为挤压铸造和离心铸造 2 1 2 3 挤压铸造法 2 4 是利 用压力机将液态金属强行压入增强材料的预制块中 以制造复合材料的一种方法 其制备过程是先将增强材料制成一定形状的预制块 并将预制块预热后放入压铸 模具中 然后将熔融的液态合金浇入模具中 并施加8 0 m p a 的压力左右使液态合 金渗入预制块中 并在压力下凝固 制成接近最终形状和尺寸的零件 或供用塑 性成形法二次加工的锭坯 挤压铸造法主要用于批量制造陶瓷短纤维 颗粒或晶须增强铝镁基复合材料 的零部件 国内曾经采用这种方法制备出增强材料分布均匀 组织致密的铝一石墨 复合材料的零件 该方法具有工艺简单 能有效地改善增强材料与合金熔液的润 1 绪论 湿性 界面反应不严重 能实现近成形等优点 但是预制块对产品质量的影响很 大 模具的造价也比较高 离心铸造法 2 5 2 6 是指在离心力作用下将熔融的金属液渗入增强材料的间隙而 形成复合材料的一种方法 在制备过程中 由于增强材料与合金熔液之间存在密 度差 使得增强体会在离心力的作用下发生移动 从而得到成分 组织及性能都 连续变化的复合材料 日本学者松下润二曾经采用这种方法制造出石墨增强舢 s i 基复合材料 负压铸造法可以分为真空吸铸法和自浸透法两种方法 其中真空吸铸法是将 预制体放入铸型后 将铸型的一端浸入金属液中 然后再将铸型的另一端接上真 空装置 使合金熔液吸入预制体内部的一种方法 北京航空材料研究所采用这种 方法成功地制备了s i c 增强铝基复合材料的棒材 自浸透法的原理是通过破坏合 金液表面的氧化层来提高熔体与增强颗粒之间的润湿性 再借助预制体的毛细管 力作用将合金熔体引入增强材料的间隙 这种制备方法 需要增强材料均匀地分 布在基体中 在加工过程中材料的利用率要高 后续的处理环节和加工应尽量少 生产的成本应尽可能的低 3 喷射沉积法 喷射沉积法是一种快速凝固技术 最早是由s i n g e r 开发 并由o s p r e y m c t a l s 公司投入实际的生产应用中 2 7 其工艺过程是在雾化器内将陶瓷颗粒与合金熔液 混合 然后被雾化喷射到水冷的基底上形成激冷复合颗粒 再固结生成所需要的 复合材料 l a v e r n i 等 2 8 采用这种方法制备了颗粒尺寸分别为为1 2 p r o 和2 0 i n n 的 s i c 颗粒增强5 1 8 2 a 1 m g 的复合材料 这种技术的优点是基体组织是快速凝固而 成 颗粒与合金熔液的接触时间非常短 且能有效地控制界面的化学反应 通过 气氛的控制能够最大程度地减少氧化 能够适合任何陶瓷 基体的体系 2 9 1 4 熔体浸渗法 熔体浸渗法是指合金熔体与多孔性固体的外表面接触 依靠毛细管力将合金 熔体吸入固体内并凝固成形 熔体浸渗法又分为压力浸渗和无压浸渗两种 压力浸渗是指预先用粘结剂将增强材料粘在一起 做成相应形状的预制件 放入金属压型里面 然后浇入合金熔液 并加压使合金熔液渗入预制件的间隙 冷却凝固后就可以得到所需要的复合材料 施加的压力通常有液体压力和气体压 力两种 这种方法可以减小润湿性 反应性 密度差等因素对增强材料和合金熔 体之间结合的影响 在预制件制备得好 浸渗温度和压力等工艺参数控制适当的 条件下 可制备出体积分数高达5 0 的复合材料 无压浸渗是美国l a n x i d e 公司研发的一种生产技术 其工艺是在一定的温度和 惰性气氛条件下 铝合金熔体自发地浸渗到具有一定形状的增强材料预制体中 重庆大学硕士学位论文 然后得到一种性能优良的复合材料 其工艺的原理是利用在惰性气氛下铝合金液 体对增强材料的自润湿作用 因此 国内学者们开展了在空气氛围的条件下制备 a 1 2 0 3 或s i c 颗粒增强铝基复合材料的研究 结果发现在增强颗粒中加入助渗剂或 在铝合金熔体中加入助渗的物质 并通过砧向灿2 0 3 或s i c 颗粒的浸渗试验 可 以实现在空气中通过无压浸渗制备a 1 2 0 v r a l 复合材料 厨正等人 3 0 采用这种方法 通过向a 1 2 0 3 颗粒或铝粉中添加s i 0 2 颗粒 在没有气体保护的条件下 利用其在 高温下与铝合金熔液的反应成功的制备了性能优异的a 1 2 0 3 a i 复合材料 原位反应合成法 1 自蔓延高温合成法 s h s 法f 3 l 是反应热很高的材料点燃燃烧后 以燃烧波的形式自蔓延使反应物 转变成产物的技术 其工艺过程是将增强材料的各组分元素材料与金属粉末混合 在一起后 压坯成形 在真空或惰性氛围中预热点燃 各组分材料之间会发生放 热的化学反应 其生成热会引起相近位置的继续反应 直到化学反应全部完成 反应的产物就是增强材料 而且弥散分布在铝基体之间 s h s 法不需要外加热源 能耗少 反应迅速 反应热可熔化挥发性杂质 提 高反应产物的纯度 能制备高熔点物质 不足的是需引燃装置 反应产物的空隙 率高 激烈的反应过程难以控制 反应产物中易出现缺陷集中和非平衡过渡相 2 放热弥散法 x d 法 3 2 3 3 是在s h s 法的基础上改进的一种用于制备陶瓷颗粒增强金属基复 合材料的方法 其工艺是将增强材料与金属基粉末按照一定的比例均匀混合 压 制成坯料 接着按照一定的速率预热试样 在一定温度下 通常是在基体和增强材 料的熔点之间 增强材料各组分之间进行化学反应 生成增强材料 其尺寸很细 小 而且弥散地分布在基体材料之间 x d 法与s h s 法相比具有制品的致密度高 无需点火引燃器 设备简化 成 本低等优点 但这种方法也有一些不足 比如合成反应所需的原材料均为粉末态 制坯的工序多 周期长 不能直接浇注成型 只能制备出一些形状简单的零件 3 接触反应法 c r 法 3 4 3 6 1 是哈工大和北航材料所在s h s x d 法的基础上研发出来的一种制 备金属基复合材料的新工艺 其工艺是将基体或合金元素的粉末和增强材料的元 素粉末按照一定的比例混合均匀以后 冷压形成拥有一定致密度的坯料 接着把 坯料压入高温的基体合金熔液中 使之接触发生化学反应 在合金液中生成尺寸 细小的强化材料 该合金液经机械搅拌或超声波的作用 然后静置浇注成各种形 状的试样 这种c r 技术操作简单 成本较低 增强材料与铝基体界面良好等优点 但是 6 1 绪论 接触反应具有不均匀性 很容易导致合金的成分偏析 而且反应的过程不容易来 控制 会生成污染环境的气体 合金熔体的温度较高 能量消耗比较大 表面易 被氧化 需在气体保护 4 气液反应法 v l s 法阳是由k o c z a kmj 等人于1 9 8 9 年发明并申请的专利技术 其基本原 理是将含有增强体某一组分元素的气体 以惰性气体为载体通入高温合金熔体中 气体直接与合金熔液发生化学反应 或者在合金熔液中分解出增强体的某一组分 元素 再与基体合金中的某一元素结合生成新的增强体 并在基体合金中扩散均 匀地分布 v l s 法的优点是 工艺的连续性好 成本低 生成粒子的速度快 表面洁净 颗粒细小 反应后的熔体可进一步成形 但增强体的种类不多 颗粒的体积分数 不够高 一般小于1 5 呦 而且需要处理的温度很高 一般在1 2 0 0 1 4 0 0 c 5 混合盐反应法 l s m 法 3 8 3 9 1 是根据铝合金中的晶粒细化剂的生产技术研究出来的一种制备铝 基复合材料的工艺 其工艺过程是将含有增强体组元的盐混合 预热后加入到高 温金属基体的熔体中 在高温下盐中增强体的组元被金属还原并在基体熔体中结 合生成增强材料 除去不必要的副产物 如熔渣 就可以得到所需的复合材料 该制备技术成本较低 时间短 不需要气体保护以及冷挤压成坯等 可以直 接浇成零件 但增强材料与铝基体的结合界面有盐膜 会影响界面强度 反应时 会产生很多污染工作环境的气体 且生成增强体的体积分数不高 1 2 3 制备外加颗粒增强铝基复合材料存在的技术问题 外加增强颗粒增强铝基复合材料存在的主要技术问题 增强颗粒与铝合金基体的润湿性 增强颗粒与铝基体的结合以及增强颗粒的分布状况影响着复合材料的性能 润湿性是决定增强材料与基体的结合及分布状况的一个重要因素 通常 大多数 的增强颗粒与金属基体的润湿较差 甚至不润湿 增大了制备复合材料的难度 研究表明 在颗粒表面添加涂层或加入某些合金元素 都会提高增强颗粒与基体 的润湿性 4 0 4 1 增强颗粒在铝基体中分布的均匀性 在铝基复合材料的制备过程中 增强颗粒在铝基体中的聚集也是研究人员面 临的难题之一 因为增强颗粒分布的均匀性对铝基复合材料性能有很大的影响 增强颗粒分布的均匀性与颗粒的大小 体积分数 熔体的粘度 搅拌的方式 速 度等因素有关 颗粒越小越容易发生聚集 越不易于分散均匀 4 2 4 3 增强颗粒与铝基体的界面反应 重庆大学硕士学位论文 铝基体的高熔点要求铝基复合材料的制备在较高的温度下进行 这样增强颗 粒会与铝合金熔体发生化学反应 在界面上生成脆性物质 严重影响复合材料的 综合性能 虽然适量的界面反应有利于增强颗粒与铝基体的润湿和结合 能提高 界面的结合强度 但是这种反应必须轻微 不能对增强颗粒造成损伤 假如界面 反应后形成了脆性层 就会对增强颗粒产生的严重损伤 同时也会削弱增强颗粒 与铝基体的结合能力 降低所制备复合材料的综合性能1 4 4 1 2 4 颗粒增强铝基复合材料的发展趋势 颗粒增强铝基复合材料的发展趋势有以下几点 4 5 优化设计方法和研发新材料 设计方法的优化和新材料的研发是颗粒增强铝基复合材料的发展趋势 颗粒 增强铝基复合材料的最大特点与优势是设计的自由度大 复合材料的性能能够通 过设计方法的优化最大程度地表现出来 这样能明显地降低生产成本 目前 新 型复合材料主要有自生复合材料 梯度功能复合材料以及超细晶颗粒增强复合材 料等 通过在复合材料中添加第二相颗粒来改善硬度 耐磨性以及热膨胀系数等 使复合材料具有各组分特有的综合性能 创新制备工艺 除了开发各种新型的制备工艺 还能够将两种及以上的传统的制备工艺相结 合 充分利用各自的优势来制备出更高性能的复合材料 比如高能超声和原位反 应复合法 就是利用高能超声的声空化效应 引起瞬时的高压和高温来促进原位 反应的发生 由于增强颗粒是原位反应生成的 界面结合牢固 复合材料的性能 得到了提高 低成本化 低成本是材料在社会生产中实现广泛应用的前提 每一种复合材料都是如此 所以 可以通过优化传统的制备技术来降低成本 或者研发出新的成本更低的制 备技术 大规模的生产应用 随着技术的成熟与发展 铝基复合材料已经表现出规模化生产应用的趋势 早在2 0 世纪9 0 年代末 美国就专门成立了由多家制造商组成的铝基复合材料联 合体 其目的就是充分发挥集体的优势 共同建设应用技术的平台 促进颗粒增 强铝基复合材料的生产与应用 1 3 自生颗粒增强a 1 s i a l n i 复合材料的研究现状 1 3 1 自生颗粒增强a 1 s i 复合材料的国内外研究 由a 1 s i 二元合金相图 见图1 1 可知 a 1 s i 系合金在5 7 7 时形成s i 的质量 1 绪论 百分含量为1 2 6 的简单共晶 工业上常用的过共晶砧 s i 合金含s i 量一般为 1 6 w t 2 6 w t 在过共晶触 s i 合金中 会析出形成初晶s i 颗粒 s i 颗粒的晶体 结构为面心立方 晶胞类型为立方金刚石型 密度为2 3 3 9 e r a 3 熔点为1 4 1 4 2 沸点为2 9 0 0 c 比热为7 0 0j k g k 热导率为1 4 8w m k 显微硬度为1 0 0 0 一 13 0 0 h v 弹性模量为19 0 g p a 图1 1a 1 s i 二元相图 f i g 1 1a i s id u a lp h a s ed i a g r a m 过共晶舢 s i 合金具有低密度 高硬度 良好的耐磨性和铸造性能等优点 而 且随着s i 含量的增多 这些优点越明显 但是 如果s i 含量过高 容易造成合金熔 炼困难 晶粒尺寸粗大 导致强度降低 目前 国内外关于过共晶a i s i 合金的研 究取得了很大的成果 在实际的工程应用中 许多零部件对材料性能的要求只限 于某些局部 比如发动机汽缸套 要求与活塞配合的内表面有良好的耐磨性能和 热稳定性能 针对一些实际的工业生产应用 可以采取一些特殊的工艺技术 让 过共晶砧 s i 合金析出的初晶s i 颗粒局部偏聚到那些需要具有高硬度 良好耐磨性 的位置 其他位置还是保留共晶成分的组织 这样就能够很好地发挥a 1 s i 合金中 不同组成物相的特殊性能 获得综合性能优异的零部件 在这种发展需求下 初 晶s i 颗粒增强铝基梯度复合材料的研究很有必要m 目前 国内外关于初晶s i 颗粒增强铝基梯度复合材料的研究比较多 过共晶 a l s i 合金的研究最早见于19 7 4 年韩国学者s o oy o u n gk i m 等 4 7 的报道 他们研究了 初晶s i 颗粒的细化对过共晶舢 s i 合金硬度及拉伸性能的影响 上海交通大学的王 重庆大学硕士学位论文 渠东等人1 4 瓦4 9 离心铸造a 1 2 0 w t s i 合金 得到了外层偏聚粗大板块状的初晶s i 颗 粒 内层为粒径在4 0 5 0 肛m 的初晶s i 颗粒 中间层全部为共晶组织的三层自生表 面复合材料 性能检测结果表明 复合材料的外层具有最高的硬度和最好的耐磨 性能 吉林大学的于思荣等人 5 0 5 1 采用离心铸造分别制备了舢 1 6 s i 和a 1 2 0 s i 的铝基复合材料 对于a 1 1 6 s i 合金 初晶s i 颗粒的体积分数从内向外呈梯度减少 复合材料的硬度和耐磨性能从内到外呈现出逐渐下降的规律 对于a 1 2 0 s i 合金 却发现了一个有趣的现象 复合材料的外层或外层和内层富集初晶s i 颗粒 其余位 置全部为共晶组织 分析了初始的s i 含量对初晶s i 颗粒分布的影响 结果表明 当 s i 含量低于某一临界s i 含量和析出温度低于某一临界析出温度时 过共晶舢 s i 合金 种析出的初晶s i 颗粒的密度要小于合金熔液的密度 当高于某一临界s i 含量时 过 共晶舢 s i 合金中析出的初晶s i 颗粒的密度大于合金熔液的密度 武汉船舶职业技 术学院的谭银元 5 2 5 3 1 采用离心铸造工艺以a 1 1 6 w t s i 合金为原料制备了内层初 晶s i 颗粒含量较多 外层含量较少的渐变梯度复合材料 并对该梯度材料的阻尼性 能进行研究 结果显示 该材料的阻尼性从内向外铸件降低 武汉科技学院的徐 自立 5 4 5 5 1 配制了a 1 2 5 w t s i 合金的复合材料 研究了在不同的离心转速下初晶 s i 颗粒的分布状况及其力学 热物理性能等 结果发现 离心转速对初晶s i 颗粒的 分布有很大的影响 当离心转速低于某一临界值时 表现出内外层同时强化的双 向倾斜式复合材料 而当转速高于这一临界值时 能够形成单向倾斜式的复合材 料 同时 该复合材料的力学 热物理性能也呈现出一定的倾斜式的变化规律 在初晶s i 颗粒增强铝基梯度复合材料的制备工艺中 电磁分离技术也逐渐引起 了人们的关注 电磁分离技术的原理是利用初生增强相与金属熔体之间导电性能 的差异 在电磁场中 金属熔体会受到电磁力的作用 但初生相会受到一个反向 的斥力作用 在这个斥力的作用下 初生相会向着所要求的方向偏聚1 5 6 上海交 通大学的李克等 5 7 采用电磁分离技术制备了初生s i 相的体积分数 复合材料的显 微硬度和耐磨性能沿径向呈梯度分布的复合材料 组织性能的研究表明 在靠近 外壁的位置形成了体积分数高达1 6 的细小初生s i 相偏聚区 该部位具有较高的硬 度 良好的耐磨性能 中心区为细小 均匀的共晶组织 两个区域之间为颗粒体 积分数渐变的一个过渡区 另外