（材料加工工程专业论文）内生颗粒增强铝基复合材料的组织优化与力学性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文开发a 3 5 6 - z r ( c 0 3 k 、a 3 5 6 - k 2 z r f 6 及a i z r s i 0 4 反应体系，采用熔体原位 反应法成功地制备y ( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r ) p a 3 5 6 、a 1 3 z r a 3 5 6 及( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r ) p a i 复合材 料。研究了所制备的复合材料的相组成、凝固组织及力学性能；同时研究了原位铝 基复合材料凝固组织的优化方法，并分析了不同优化工艺对原位铝基复合材料微观 组织及力学性能的影响规律。 x 射线衍射仪( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 、电子探针( e p m a ) 分析表明： a 3 5 6 - z r ( c 0 3 ) 2 体系原位生成的增强颗粒为a 1 2 0 3 和a 1 3 z r ，颗粒尺寸在3 4 0 m ，且 弥散分布于a 3 5 6 基体中；a 3 5 6 - k 2 z r f 6 体系原位生成的增强颗粒为a 1 3 z r ，颗粒大 小为5 7 t t m ，同时颗粒与界面结合良好；a i z r s i 0 4 体系原位生成的增强颗粒为 a 1 2 0 3 和舢3 z f ，颗粒尺寸在2 4 1 a m ，颗粒均匀分布于基体中。 不同凝固组织优化工艺对原位铝基复合材料凝固组织的影响的研究表明，对 一z r s i 0 4 体系原位合成复合材料熔体施加脉冲磁场，使得原位合成的增强颗粒比未 施加磁场时变得细小，且更均匀分布于基体中。同时，随着脉冲磁场强度的增大， 原位合成的增强颗粒更加细小，分布的更均匀。脉冲磁场作用时间对增强相的颗粒 体积分数和大小有很大影响，最佳作用时间为1 5 2 0 m i n 。对a 3 5 6 - z r ( c 0 3 ) 2 体系 原位合成复合材料熔体进行微量s r 变质处理，使得原位复合材料中的增强颗粒更 细小，且均匀分布在基体中，同时微量s f 的加入使基体a 3 5 6 的s i 相形貌，由粗 针状变为细小的颗粒状，同时使得3 z r 、舢2 0 3 颗粒均匀分布在基体中。对 a 3 5 6 一k 2 z r f 6 体系原位合成复合材料熔体进行快速凝固，使得3 z f 颗粒尺寸减小 至2 - 4 p r o ，且颗粒易于被凝固前沿的枝晶所捕获，分布更均匀，同时高的冷却速率 使复合材料基体a 3 5 6 合金的共晶组织细化。对a 3 5 6 - z r ( c 0 3 _ 1 2 体系生成的复合材料 进行不同温度及不同次数的重熔，结果表明，随着重熔温度的提高，重熔组织中内 生颗粒的分布更均匀，形态趋于圆钝化，但过高温度的重熔导致了局部颗粒的粗化， 最佳的重熔温度为8 5 0 。c 。随着重熔次数的增加，凝固组织中的颗粒分布更均匀， 颗粒的尺寸更细小，颗粒的形态更圆整，但当重熔次数过多时，颗粒体积分数出现 明显减少，因此选择5 次重熔为最佳的重熔次数。对a 3 5 6 - z r ( c 0 3 1 2 体系制备复合 材料熔体进行高能超声处理，使得原位增强颗粒的尺寸小于2 t t m ，且均匀分布在 江苏大学硕士学位论文 a 3 5 6 基体中。同时高能超声使得复合材料的基体a 3 5 6 合金中共晶s i 显著细化， 呈颗粒状。 复合材料的力学性能研究表明，脉冲磁场作用下，a i z r s i 0 4 体系原位合成的 ( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r ) d a l 复合材料的抗拉强度随着脉冲磁场强度的增大而升高，同时抗拉 强度在脉冲磁场作用时间适中时达到最大值。微量s r 的变质处理，使得 a 3 5 6 - z r ( c o ，1 1 2 体系原位合成的( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r ) d a 3 5 6 复合材料的抗拉强度提高了1 4 。单辊旋淬快速凝固使得a 3 5 6 k 2 z r f 6 体系原位合成a 1 3 z r a 3 5 6 复合材料的平均 显微硬度比常态下凝固的复合材料提高了2 2 。a 3 5 6 - z r ( c 0 3 ) 2 体系原位生成的 ( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r ) v a 3 5 6 复合材料的抗拉强度随着重熔温度的提高以及重熔次数的增加 而增大，但过高温度以及过多次数的重熔导致了复合材料抗拉强度的下降。 a 3 5 6 - z r ( c 0 3 _ 1 2 体系原位反应生成的( a 1 3 z r + 2 0 ：i ) p a 3 5 6 复合材料熔体经过高能超 声处理后抗拉强度比未加高能超声处理的复合材料提高了近2 0 。 关键词：铝基复合材料；原位合成；凝固组织：力学性能 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t ( a 1 2 0 3 + a i s z r ) p a 3 5 6 、a 1 3 z r a 3 5 6a n d ( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r ) p a ic o m p o s i t e sh a v eb e e n s u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e db y d i r e c tm e l tr e a c t i o nm e t h o df r o mt h e s y s t e m o f a 3 5 6 - z r ( c 0 3 ) 2 、a 3 5 6 - k 2 z r f 6a n da i - z r s i 0 4r e s p e c t i v e l y t h ep h a s ec o m p o s i t i o n 、 m i c r o s t m c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ei n v e s t i g a t e d t h ew a y sf o ro p t i m i z i n gt h e m i c r o s t r u c t u r e so ft h ei n - s i t ua l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e sa r es t u d i e d i na d d i t i o n a l ，t h e e f f e c t so ft h ev a r i a t i o no p t i m i z a t i o np r o c e s so nt h em 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 sa r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so ft h ex r d 、s e ma n de p m aa n a l y s i si n d i c a t et h a tt h ep a r t i c l e s s y n t h e s i z e df r o mt h ea 3 5 6 - z r ( c 0 9 2s y s t e ma r ea 1 2 0 3a n da 1 3 z r , a n dd i s t r i b u t e di nt h e m a t r i xu n i f o r m l y , t h es i z ei sa b o u t3 4 1 a n t h e p a r t i c l e ss y n t h e s i z e df r o mt h e a 3 5 6 - k 2 z r f 6s y s t e ma r ea 1 3 z r , t h es i z ei sa b o u t5 7 1 a n a n dw e l ld i s t r i b u t e di nt h e m a t r i x r r l l ep a r t i c l e ss y n t h e s i z e df r o mt h ea i z 略i 0 4a r ea 1 2 0 3a n da 1 3 z r , t h es i z ei s a b o u t2 4 t t m ，a n dd i s t r i b u t e di nt h ea im a t r i xu n i f o r m l y i ti sf o u n db ys t u d y i n gt h ee f f e c t so fv a r i o u so p t i m i z a t i o n p r o c e s so nt h e m i c r o s t r u c t u r et h a tt h em i c r o s t r u e t u r eo ft h ea s - p r e p a r e dc o m p o s i t e ss y n t h e s i z e df r o m t h es y s t e mo fa l - z r s i 0 4u n d e rp u l s e dm a g n e t i cf i e l da r ef i n e r , a n dt h er e i n f o r c e m e n t p a r t i c l e sw e l ld i s t r i b u t e di nt h ea im a t r i xt h a nu n d e rz e r om a g n e t i cf i e l d w i t ht h ep l n s e d m a g n e t i ci n t e n s i t yi n c r e a s i n g ，t h es i z e sa n dd i s t r i b u t i o n so fi n - s i t up a r t i c l e si nt h em a t r i x b e c o m er e f m e ra n dm o r eh o m o g e n o u s t h ev o l u m ef r a c t i o na n dt h es i z eo ft h e r e i n f o r c e m e n tp a r t i c l e sa r eo b v i o u s l ya f f e c t e db yt h ea p p l y i n gt i m eo ft h ep u l s e d m a g n e t i cf i e l di n t ot h ea l u m i n u mm e l lt h eb e s tt i m ei s1 5 2 0 m i n t h ei n - s i t up a r t i c l e s s y n t h e s i z e df r o mt h es y s t e mo fa 3 5 6 一z r ( c 0 3 ha r eu 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 xb y s t r o n t i u mm o d i f i c a t i o nt r e a t m e n t ，t h es i z ei sl e s st h a n3 1 x m ，a n dt h ep a r t i c l e sh a v en o t b e e nr e j e c t e db yt h es o l i d l i q u i di n t e r f a c e ，b u tc a p t u r e di nt h es o l i d t h em o r p h o l o g i e so f s ii nt h ea 3 5 6m a t r i xa r ec h a n g e df r o mc o a r s en e e d l e - s h a p et of i n eg r a i n s h a p e t h e r e s u l t so ft h ee f f e c t sf o rt h er a p i ds o l i d i f i c a t i o no nt h em i c r o s t m e t u r eo ft h ec o m p o s i t e s s y n t h e s i z e df r o mt h ea 3 5 6 一k 2 z r f 6s y s t e mi n d i c a t et h a tt h ep a r t i c l e sb e c o m er e f i n e ra n d e a s i e rt ob ec a p t u r e db yt h ed e n d r i t i c si nt h er i mo ft h es o l i d i f i c a t i o n i na d d i t i o n a l ，t h e e u t e c t i es t r u c t u r eo fa 3 5 6m a t r i xa r er e f i n e db yt h ee x c e s s i v ec o o l i n gr a t e t h e c o m p o s i t e ss y n t h e s i z e df r o mt h es y s t e mo fa 3 5 6 - z r ( c 0 3 ) 2a r er e m e l t e da td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s t h es i z e sa n dd i s t r i b u t i o n so fi n - s i t up a r t i c l e sb e c o m er e f i n e ra n dm o r e l i i 江苏大学硕士学位论文 u n i f o r m l yw i t hi n c r e a s i n gt h er e m e l t i n gt e m p e r a t u r e b u tt h ee x c e s s i v eh i g ht e m p e r a t u r e r e s u l t si nt h ec o a r s e n i n go fi n - s i t up a r t i c l e s ，t h eo p t i m a lr e m e l t i n gt e m p e r a t u r ei s8 5 0 c w i t ht h ei n h e r eo ft h er e m l d n gf r e q u e n c y , t h ei n - s i t up a r t i c l e sb e c o m er e f m e ra n dw e l l d i s t r i b u t e d b u tt h ee x c e s s i v er e m e l t i n gf r e q u e n c yl e a dt ot h ed e c r e a s eo fp a r t i c l e s v o l u m ef r a c t i o n t h eo p t i m a lr e m e l t i n gt i m e si sf i v e t h es i z e so ft h ei n - s i t ua 1 2 0 3a n d a 1 3 z rp a r t i c l e ss y n t h e s i z e df r o mt h es y s t e mo fa 3 5 6 z r ( c 0 3 ) 2b y i n s i t ur e a c t i o n a s s i s t i n gw i t hh i g h - i n t e n s i t y u l u 盈s o m ca l e s st h a n2 1 m n , a n dt h ep a r t i c l e sw e l l d i s t r i b u t e di nt h ea 3 5 6m a t r i x t h em o r p h o l o g i e so fs ii nt h ea 3 5 6m a t r i xa r ec h a n g e d f r o mc o a r n e e d l e - s h a p et of i n eg r a i n s h a p e t h er e s u l t so ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t i n go ft h ec o m p o s i t e ss h o wt h a tt h e u l t i m a t et e n s i l e s t r e n g t ho f ( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r ) p a ic o m p o s i t e ss y n t h e s i z e d f r o mt h e a 1 z r s i 0 4s y s t e ma r ei n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h ep l u s e dm a g n e t i ci n t e n s i t y , a n dt h e m a x v a l u eo ft h et e n s i l es t r e n g t hc a l lb eo b t a i n e dw i mt h es u i t a b l ea p p l y i n gt i m ef o rt h e p u l s e dm a g n e t i cf i e l d t h e t e n s i l es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t e ss y n t h e s i z e db y a 3 5 6 - z r ( c 0 3 ) 2w i t hs t r o n t i u mm o d i f i c a t i o nt r e a t m e n ti s1 4 h i g h e rt h a nt h a to f w i t h o u t t r e a t m e n t r a p i ds o l i d i f i c a t i o nm a k e st h em i c r o h a r d n e s so fa 1 3 z r a 3 5 6c o m p o s i t e s p r e p a r e db ya 3 5 6 - k 2 z r f 6h i g h e rb y2 2 t h a nt h a tw i t h o m t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h e c o m p o s i t e sp r e p a r e db yt h ea 3 5 6 - z r ( c 0 3 ) 2b e c o m eh i g h e rw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e r e m e l t i n gt e m p e r a t u r ea n dr e m e l t i n gt i m e s ，a n d d e c e a s ew i t he x c e s s i v er e m e l t i n g t e m p e r a t u r et i m e s w l e nt h em e l ti st r e a t e dw i t hh i g h - i n t e n s i t yu l t r a s o n i cd u r i n gt h e f a b r i c a t i o no ft h ec o m p o s i t e sf r o ma 3 5 6 z r ( c 0 3 ) 2s y s t e m ，t h et e n s i l es t r e n g t hi sh i g h e r b yn e a r l y2 0 t h a nt h a to f w i t h o u tt r e a t i n g k e yw o r d s ：a l u m i n u m m a t r i x c o m p o s i t e s ；i n - s i t us y n t h e s i s ；s o l i d i f i c a t i o n m i c r o s t m c t u r e ：m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密豸。 学位论文作者签名：砑历 矽0 年夕月1 7 日 、 t 驾 丫口 扭即签户 眙7 j p r 瓤 沁 导剧 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 斫万 日期：7 一年j 月f 7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 选题意义 第一章绪论 随着当代高新技术的发展，对材料的性能要求更高，这推动材料向高比强度、 高比刚度、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等方向发剧1 1 。复合材料的出现在很大程度上解 决了材料当前面临的问题，推动着材料的发展。复合材料( c o m p o s i t em a t e r i a l s ) 是将 两种或两种以上不同性质的材料结合为一体而设计制造的新材料1 2 。复合材料按用途 主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。结构复合材料主要作为承力结构 使用的材料，由能承受载荷的增强体组元( 如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、 天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等) 与能联结增强体成为整体材料同时又起传 力作用的基体组元( 如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等) 构成。结构复合材 料通常按基体的不同分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、 碳基复合材料和水泥基复合材料等。金属基复合材料( m m c s ) f l a - j ：金属体的良好性 能基础使它在复合材料家族中占有重要位置。而金属基复合材料是以金属为基体的 复合材料，对它的研究起步于2 0 世纪5 0 年代末6 0 年代初，该材料于7 0 年代成功的应 用于航天飞机上，由于其制造成本占总成本的6 0 7 0 ，研究发展高效省时的能 耗设备、能实现近似无余量成型的工艺方法乃当务之急，近代航空航天等高技术产 业的发展有力地推动了这类材料的发展，同时，汽车工业、电子工业及娱乐业的飞 速发展也促使了这类材料的研究同益全面深入p 】。一般来说，金属基复合材料的特有 优势是：高比强度，高比模量，耐磨等。对它的主要兴趣还来源于对以下几种性能的 开发应用：热膨胀系数、热传导性、摩擦性能、高温稳定性等；另外其所有性能均 可在一定范围内加以设计，并具有一定的二次加工性，所以金属基复合材料必定存 在着充分发挥其性能优势的应用领域，并且具有广阔的应用前景1 4 1 。金属基复合材料 根据增强相的形态不同，可以分为叠层金属基复合材料、非连续( 包括颗粒，短纤 维和晶须) 增强会属基复合材料和连续纤维增强金属基复合材料三类；如果按照增 强相的获得途径不同，则可以将m m c s 分为外加增强相复合材料和原位增强相复合材 料。 长期以来，对会属基复合材料的研究主要侧重于外加增强体与基体复合的方法， 江苏大学硕士学位论文 比如粉末冶金法，压力浸渗法，流变铸造法，搅拌铸造等方法。这类方法不仅设备 及工艺复杂，而且所制备的材料中增强体与基体结合处易于产生脆性相，结合强度 低，增强体分布不均匀，特别是对微小的( 亚微米和纳米级) 增强体极难进行复合 等一系列问题【5 】o 针对这些情况，2 0 世纪8 0 年代末出现了一种新的制备铝基复合材料 工艺方法一原位合成法，它是利用混合体中组分之间的化学反应，生成一种或多种 高硬度和高熔点增强相，均匀分布于铝合金基体上，达到强化基体的作用。由于增 强相是反应合成的，内生于基体之中，因雨具有许多外加强化相强化铝基复合材料 所不具有的独特优点 6 - 9 ：增强体表面无污染，避免了与基体间润湿性不良的问题， 而且界面结合强度高；不易出现增强相的团聚或偏析；省去了增强物的预处理，简 化了工艺流程，成本也相对降低；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。 原位颗粒增强金属基复合材料的力学及耐磨性能大部分取决于该复合材料的凝 固组织，在凝固组织中获得细小、分布均匀、体积分数高的颗粒能够显著改善复合 材料的质量，从而提高该复合材料的性能。同时该类复合材料的性能除受增强相粒 子的形状、尺寸和空间分布影响外【l 州，在一定程度上决定于基体合金的性能，而合 金的性能又与它的凝固组织密切相关。 然而目前原位反应合成的颗粒增强金属基复合材料还主要存在如下几个方面的 问题：( 1 ) 增强颗粒分布不够均匀；国增强颗粒尺寸难以控制；( 3 原位反应体系甚少， 仅局限在越t - b 、a 1 t i c 系：( 4 ) 复合材料基体合金的组织难以改善。近年来越来越 多的工作者致力于原位复合材料凝同组织方面的研究，但是针对目i ；i 原位复合材料 所面临的各个方面的问题进行系统性的研究还鲜见报道。因此在开发新型原位反应 体系基础上，通过各种途径优化基体合会组织的同时对复合材料的凝固组织进行系 统性的研究，对优化原位金属荩复合材料的凝同组织以及提高其性能都具有重要的 意义。 本课题是在江苏省科技成果转化项目( b a 2 0 0 5 0 5 们，江苏省高技术研究项目 g 2 0 0 5 0 2 6 ) 的基础上，开发a 3 5 6 - z r ( c 0 3 ) 2 ，a 3 5 6 - k 2 z r f 6 及舢一z r s i 0 4 反应体系， 采用熔体原位反应法制备( a 1 2 0 3 + a 1 3 z r ) p a 3 5 6 、a i a z r a 3 5 6 及( a 1 2 0 3 + a 1 3 7 - a ) p a l 复 合材料。研究不同凝固组织优化方法( 脉冲磁场下凝固，添加变质元素，快速凝固 技术、重熔处理、高能超卢处理) 对其凝固组织以及力学性能的影响规律，同时分 2 江苏大学硕士学位论文 析不同优化工艺对凝固组织的优化机制以及力学性能的强化机制。 1 2 原位反应复合材料的制备技术进展 原位复合的概念源于原位结晶，早在1 9 7 6 年，前苏联a gm e r x h a n o v 1 1 1 等人 在用s h s 法合成i d ? 口c u 功能梯度材料时，就提出了原位复合材料f m s i t uc o m p o s i t e s ) 的构想，但当时尚未引起人们的重视，直到8 0 年代中后期美国l a n x i d e l l 2 - 1 3 公司和 d r e x e l 大学的m j k o c z a k 等人【1 叼先后报道了各自研制的原位a 1 2 0 3 a l 和t i c a i 复 合材料及其相应的制备工艺后才真正开始原位反应复合材料的大规模研究，由此形 成了一系列的制备方法。 1 2 1 自蔓延燃烧反应法( s h s 法) s i - l s 法是i i i 苏联科学家m e r z h a n o v 等人于1 9 6 7 年提出的，有些文献也称为 燃烧法。s h s 法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预热引燃，使组分间发生放热化学反应，放出的热量蔓延引起 未反应的邻近部分继续反应，直至全部反应完成。反应生成物即为增强相，且弥散 分布于基体中，颗粒尺寸可达到亚微米级。i g o t m a n 1 6 1 报道，s h s 法较难制各t i b 2 含量低于2 0 的a i f n b 2 复合材料，且制备出的a i 3 0 的面b 2 的孔隙率高达 3 0 - 4 0 。据文献报道，s h s 法制备朋m b 2 的燃烧温度和燃烧速度与此时原料粒 度有关，对此，m i y a m o t o 等提出了s h s 加压法( 如图1 1 所示) ，在 铲 图1 1s h s 法铸造示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f s h s - c a s t i n g s h s 过程完成后的瞬间施加外压使产物致密化【l7 l 。自蔓延燃烧反应需要一定的反应 3 江苏大学硕士学位论文 条件：组分之间的化学反应热效应应达到1 6 7 k j t o o l 反应过程中热损失( 对流、 辐射、热传导) 应小于反应放热的增加鼍，以保证反应不中断；某一反应物在反应 过程中应能形成液念或气态，便于扩散传质，使反应迅速进行。 该法的主要优点是：生产过程简单，反应迅速，耗能少，产品纯度高。主要缺 点是：孔隙率高，密度低，需进行二次加工才能获得最终产品；反应过程速度快， 难以控制反应过程；产品中易出现缺陷集中和非平衡过渡相；直接合成颗粒含量低 的复合材料较难。 1 2 2 放热弥散法( x d ”法) x d t m ( e x o t h e r m i cd i s p e r s i o n ) 法由美国m a r t i nm a r i e t t a 实验室的b r u p b a c h e r 等 人t 1 8 , 1 9 于1 9 8 3 年发明并申请专利。它是在前苏联科学家m e r z h a n o v 发明的s h s 法 的基础上改进而来的。其基本原理是将增强相组分物料与金属基粉末按一定的比例 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。在一定的温度 下( 通常是高于基体的熔点而低于增强相的熔点) ，增强相各组分之间进行放热化 学反应，生成增强相。增强相尺寸细小，呈弥敖分布 2 0 l 。 x d t m 法制备金属基复合材料的示意图如图1 2 所示。 h h 虹柚d 。幽w 瓣l m 。由竺! m m 略 图1 2x d t m 法制各金属荩复合材料示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f x d t mp r o c e s sf o rm m c s 目前已用x d t m 方法制备了i f c a i t 2 ”、t i b 2 a i t 2 2 】等铝基复合材料。 a r c w c s t w o o d 2 3 1 制备的t r i b a l 铝基复合材料，其弹性模壁比纯铝高4 0 ，高温 性能、耐磨性、抗疲劳性也有较大提高。马宗义等m i 采用1 1 t h - a 1 b 体系利用x d 法成功制备了砧2 0 3 和t i b 2 粒子复合强化趾基复合材料，该复合材料的抗拉强度 4 江苏大学硕士学位论文 较a t - l 晤0 2 体系制备的( 触3 + 铷2 0 3 ) a t 复合材料提高1 6 3 。m a z y 等1 2 5 1 用该法也 制备了t 1 8 2 a t 铝基复合材料，除其塑性性能有所下降外，其他性能均有较大的提 高。采用此工艺技术制备复合材料，增强相被液态金属润湿，界面结合牢固，因而 非常具有吸引力，j f 成为当l ； 复合材料研究的一个热点。但过于细小的颗粒会显著 增加熔体的粘度，难以进一步铸造成形。 x d t m 法制取的复合材料有以下优点：( 1 ) 增强相热力学稳定；( 2 ) 增强相及其形貌 结构有一个较宽的选择；( 3 ) 各种金属和金属间化合物基体均可；( 4 ) 可使用常规铸造 金属的加工方法制造工件。但该法也存在一些不足之处：( 1 ) 合成反应所需的原材料 均为粉末。受粉末供应品种的限制；( 2 ) 工序多、周期长，需经球磨混粉，真空除气， 压坯成形，反应烧结等过程；( 3 ) 不能直接浇注成形，只能制得一些形状简单的产品。 1 2 3 接触反应法( c r 法) c r 法瞄】是在s h s 法、x d t m 法的基础上发展而来的，是一种新的自生铝基复 合材料制备技术，接触反应法是综合了自蔓延合成法和x d 法的特点发展而成的一 种新的自生法。c r 法基本原理是将增强相的组分元素或含有增强相组分元素的化 合物进行充分混合制成压坯，再放入基体合金液中，生成增强相，再通过机械搅拌， 使增强相进一步弥散，然后静置浇注成试样。其工艺流程如图1 3 所示。 阿习 i 材料i il i 一j 图1 3 接触反应法一e 艺流程图 f i g1 3 f l o wr o u t e so f c rp r o c e s sf o ri n - s i t um m c s 该法的主要优点是增强相尺寸细小，分布均匀，界面结合良好。常用的元素粉 末有面、c 、b 等，化合物粉末有t i 0 2 、a 1 2 0 3 、1 3 2 0 3 等，基体通常是、c u 、m g 等金属1 2 7 1 。据文献报道 2 8 1 ，用c r 法制备的t t b 2 a t 铝基复合材料在含量相同的情 况下，其抗拉强度比外加法制备的t i 剐a t 铝基复合材料高的多。这是目前世界上 普遍采用的一种大批量生产的工艺技术。 5 江苏大学硕士学位论丈 1 2 4 混合盐反应法( l s h 法) 混合盐法是由l o n d o ns c a n d i n a v i a n 公司【2 9 1 根据铝合金晶粒细化荆生产工艺提 出的一种生产复合材料的工艺。该法在生产以b 2 为增强相的过程中发现面b 2 常 被盐膜包围，削弱了增强效果，其基本原理是将k 2 瓢f 6 和k b f 4 混合盐放入铝熔体 中，在高温作用下，所加盐中的面和b 就会被金属还原出来而在金属熔体中反应 形成砸赐增强粒子，拔去不必要的副产品，浇注冷却后即获得了原位佃2 增强的 金属基复合材料1 3 0 1 。研究结果表明，当混合盐加入量为基体的2 0 时。t t b 2 颗粒分 布最均匀，且获得的复合材料性能最好，但吹气精炼则使复合材料强度下降。陈子 勇等【3 1 1 采用k 2 t l f 6 和k b f 4 混合盐反应法制备了t f b 2 a i - 4 5 c u 复合材料，且当混 合盐加入量为基体的2 0 时，复合材料的综合性能最好，u t s 达到3 5 2 m p a ，e l 达到4 4 ，i - b 达到1 4 6 m p a 。混合盐反应原理图如图1 4 所示。 d 量c 翻 1 t f l 对”螂嘶噼c 蚓盼 c 删抽w 棚t 坩霉“ 蝴c o m v e r l i 口b m 图1 4 混合盐反应原理图 f i g 1 4 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f l s mp r o c e s s 混合盐反应法的主要优点是；( 1 ) 工艺简单，周期短，无需真空和惰性气体保护 系统。也无需球磨混粉和压坯成形等工序；( 2 ) 原材料为盐类，来源广泛且成本低； ( 3 ) 可直接浇注成型，易于批量生产和推广。存在的缺点是：( 1 ) 反应过程有大量气体 逸出，需良好的通风装置；但) 制备的颗粒体积分数低，且形成的液态渣清除困雉， 并对坩埚及操作工具有腐蚀作用；d ) 生成的t l b 2 常被瓿膜包覆，削弱了b 2 的增 强效果。 1 2 5 熔体直接反应法( d m r 法) d m r 法又称熔体反应法，是综合了接触反应法和混合盐反应法的特点发展而 来的一种新的原位复合材料制备技术【3 2 1 。其基本原理足【3 3 】：将含有增强相颗粒形成 6 江苏大学硕士学位论文 元素的固体颗粒或粉末在某一温度下加到熔融的铝合金表面，然后搅拌使反应充分 进行，从而制备内生颗粒增强的复合材料。c h r y s a n t h o u 等瞰l 将固态c ( 或b ) 元素粉 末直接加入到高温合金熔体中，使c ( 或聊与合金熔体中啊元素直接反应而生成增 强相颗粒如a 或a a 3 2 ) ，制备了复合材料。另外还可利用还原反应原理，将不稳 定的化合物( 如c u 、f e 2 0 3 等) 粉末加入到合金( 如a i 合金) 熔体中，使熔体中元素组 元与化合物反应而生成更稳定的增强相( 舢2 0 3 ) 粒子。于化顺等【3 5 j 通过s i 0 2 与m g - l i 合金熔体中m g 反应生产m g o 、m 9 2 s i 复合颗粒增强的m g - l i 基复合材料。方信贤 等研究了熔体直接反应方法制备了t t b 2 颗粒增强铝基复合材料的的组织和性能，实 验结果表明，对于a i t i 0 2 反应体系熔剂f x l 可使m 0 2 与铝熔体问的起始反应温度 降低到7 5 0 。c 左右，熔剂在反应过程中起清除可能存在于t i 0 2 和铝熔体界面间的 砧2 0 3 包裹膜的作用，并由a i r i 0 2 k b f 4 体系成功制备了t i b 2 z l l 0 1 复合材料。 与其它制备方法相比，熔体直接反应法的优点是：以铝合金熔炼工艺为基础， 在熔体中直接形成增强颗粒，并且可以铸造成各种形状的复合材料；工艺简单，工 期短，成本低，易于推广；增强颗粒大小和分布易于控制，其数量可在大范围内调 整；该工艺可同时获得高强度和高性能的复合材料。 1 2 6 直接氧化法( d l m o x 法) d l m o x ( d i r e e t e dm e t a lo x i d a t i o np r o c e s s ) 技术是利用金属或其合金在熔融条件 下进行直接氧化或氮化反应来制备残留一定金属组分的致密陶瓷金属基复合材料。 d i m o x t m 法基本原理【3 6 i 是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( 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，里层的金属液通过氧化层的微型小缝向上毛细扩散， 与氧继续反应，随氧化层厚度增大，金属液的毛细扩散阻力增大，到某一时刻扩散 停止，氧化反应也就结束，生成的氧化物即为增强相或基体。 其工艺路线有两种阳：第一种是把陶瓷粒子和晶须等增强相冷压成坯，将压坯 放入a l 熔液中，在9 0 0 - 1 4 0 0 。c 温度下，a l 液在压杯中浸透的同时和含氧气氛反应 生成a 1 2 0 3 。第二种工艺路线是把陶瓷粒子和a l 粉混合均匀后进行粉浆浇注成形， 在2 0 - 9 0 下干燥处理后，在8 5 0 - 1 4 5 0 下进行氧化处理，a i 熔化后在陶瓷粒子间 隙中浸透并氧化生长。该工艺可以制备出孔隙均匀分布的多孔陶瓷材料，据报道多 7 江苏大学硕士学位论文 孔舢2 0 3 c i v i c 在6 0 0 下的热膨胀率为0 ，可以推断其热性能优异。 d i m o x 法的主要优点是工艺简单、成本低、基体与增强相之问的界面相容性高、 铸造性能好；缺点是氧化物的生长量和形态分布不易控制，分布均匀性也不太高。 1 2 7 无压浸渗法( pr i g e x 法) p r i m e x ( p r e s s u r e l e s sm e t a li n f d t r a t i o np r o c e s s ) 3 8 3 9 1 技术是在美国l a n x i d e 公司 的d i m o x 基础上发展而来的。该技术与d i m o x 技术的不同之处在于使用的气氛是非 氧化性的，其工艺原理是把增强相陶瓷颗粒预压坯浸在a l 熔体中，在大气压力下熔 体在预压坯中浸透，渗透程度和速度与熔体成分、温度及气氛的组成关系极大。其 优点为工艺简单，原料成本低，可近终形成型。用p r i m e x 技术制备出的复合材料的 热导电性是传统封装材料的几倍，可用作电子封装材料和载体基板材料，目前正向 宇航材料、涡轮机叶片材料和热交换机材料方向发展。但是由于该技术要把增强相 粒子冷压成坯，金属或合舍熔体在其中依靠毛细管力的作用渗透而制备金属基复合 材料，因此要求压坯的材质必须能够在金属或合金润湿，且要求在高温下热力学稳 定。 1 2 8 气一液反应合成法( v l s 法) v l _ s ( v a p o rl i q u i ds y n t h e s i s ) 技术由k o c z a l 【和k 咖a r 在1 9 8 9 年发明并申请专利 4 1 1 。其原理是采用惰性气体为载体，将含碳或氮的反应气体通入含t i 、s i 等元素的高 温熔体中，利用气体分解生成的碳或氮与合金中的t i 、s i 等发生快速化学反应，生成 热力学稳定的碳化物、氮化物等陶瓷颗粒作为增强相。其装置如图1 5 所示。 1 2 1 熔体；2 - 坩埚；3 气体；4 - 气泡发生器 图1 5v l s 装置简图 f i g i 5