（材料学专业论文）超声场下熔体反应合成铝基复合材料的组织与性能.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， 允许论文被查阅利借阅，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嗣。 篡文1 7 肾獬f le l ：蒡p 矽 少年 月 7 指导教师签名： 沙f f 年6 月il 日 撕玺 超声场下熔体反应合成铝基复合材料 的组织与性台皂 m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r i t i e so fa l u m i n u mm a t r i x c o m p o s i t e ss y n t h e s i z e db yd i r e c tm e l tr e a c t i o n u n d e ru l t r a s o n i cf i e l d 指导教师： 姓 2 0 11 年5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 原位制备颗粒增强铝基复合材料是复合材料研究领域的重点，如何选择并优 化体系，控制颗粒增强相在基体中的形貌和分布特征对促进复合材料的发展非常 关键。本文开发了铝基原位复合材料的合成新体系z r b 2 0 3 和 a 1 n a 2 8 4 0 7 k 2 z r f 6 ，采用熔体反应合成法，成功制备了舢3 z r 、z r b 2 和a 1 2 0 3 颗 粒增强新型铝基复合材料。利用d s c 、o m 、x r d 、s e m 、t e m 等现代分析测试 方法，分析了复合材料的相组成、凝固组织、内生颗粒的特征与界面结构；研究 了超声场下枷? b 4 0 7 k 2 z r f 6 体系原位反应合成复合材料的相关作用机制；通 过复合材料的室温拉伸试验，分析了复合材料的断裂机理。 试验结果表明，z f b 2 0 3 体系在铝合金熔炼温度( 6 0 0 1 0 0 0 。c ) 范围内， ，” ， ， 原位反应生成了3 z r 、z r b 2 和a 1 2 0 3 颗粒增强相。3 z r 颗粒尺寸约为3 5g m ， 呈长条状或棒状；a 1 2 0 3 颗粒尺寸细小，约为0 1g m ，分布均匀；z r b 2 颗粒形成 温度较高，达8 5 7 7 。c ，且团聚倾向严重，尺寸在0 3 加6g m 之间。 n a 2 8 4 0 7 k 2 z r f 6 体系熔体原位反应生成了触2 0 3 颗粒增强相。复合材料 s e m 结果表明，灿2 0 3 颗粒尺寸细小，约为2 0 1 0 0n l n 。超声场作用下复合材料 中内生2 0 3 颗粒分散度得到改善，数目增多。在一定的超声功率条件下( 0 6 0 k w ) ，1 3m i n 超声作用时间范围内，随着超声作用时间的增加，内生颗粒的数 量先增大后减小，最佳超声作用时间为2m i n ，此时内生颗粒体积分数最高。在 一定的超声作用时间下( 2r a i n ) ，a 1 2 0 3 心复合材料随着超声功率的增加，内 生颗粒的体积分数先增大后减小，当超声功率为o 6 0k w 时，内生颗粒体积分数 最高，分布最均匀。 经透射电镜t e m 研究进一步表明，舢n a 2 8 4 0 7 k 2 z r f 6 体系复合材料中生成 了1 ，a 1 2 0 3 增强相，颗粒呈近球形，尺寸约为2 0 1 0 0n m 。复合材料中存在丫舢2 0 3 ( 0 4 0 ) a l ( 2 0 0 ) ，两者错配度仅为0 8 ，界面保持共格关系，结合良好，触 基体能依附于1 , - a 1 2 0 3 颗粒上结晶并长大。熔体原位生成的a 1 2 0 3 ( n p 删复合材料 中的位错密度远高于纯铝基体中的位错密度，且位错呈不规则分布。 力学性能试验表明，原位反应合成a 1 2 0 3 ( n p 心复合材料的硬度值为4 0 0 超声场下熔体反应合成铝基复合材料的组织与性能 h v ，较纯铝的提高了3 0 7 ，施加超声场后，复合材料的硬度值为5 8 4h v ，较 未施加超声场时复合材料的硬度值提高了4 6 0 。超声场作用下 a i n a 2 8 4 0 7 k 2 z r f 6 体系熔体原位合成的复合材料的抗拉强度o b 和延伸率6 都得 到了显著的提高。当超声作用时间为2m i n ，超声功率为0 6 0k w 时，复合材料 的抗拉强度o b 和延伸率6 均达到最大，分别为1 1 6 0m p a 和2 1 8 ，较未施加超 声作用时复合材料的性能分别提高了5 2 6 与1 8 6 ，室温拉伸断口形貌表明， 复合材料的断裂方式为部分韧窝+ 部分准解理的混合型断裂，表现为塑性断裂。 复合材料的强化机制主要由细晶强化、o r o w a n 强化和位错强化构成，且o r o w a n 强化作用最为显著。 关键词：原位反应，铝基复合材料，超声场，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 m u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h ep 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 x c o m p o s i t e s i ti se s s e n t i a lt oc h o o s e ，o p t i m i z et h ei n - s i t us y s t e m ，a n dc o n t r o lt h e f e a t u r ea n dd i s t r i b u t i o no fp a r t i c u l a t e s a l u m i n u mm a t r i xc o m p o s i t e sr e i n f o r c e db y 舢3 z r z r b ea n da 1 2 0 3 ，h a v eb e e ns y n t h e s i z e ds u c c e s s f u l l yb yd i r e c tm e l tr e a c t i o n m e t h o df r o ma l - z r - b 2 0 3a n da l - n a 2 8 4 0 7 一k 2 z f f 6s y s t e m s w i t ht h eh e l p so fm o d e m a n a l y s i sm e t h o d s ，s u c ha sd s c ，o m ，x r d ，s e m ，t e ma n ds oo n ，t h ep h a s e c o m p o s i t i o n s ，s o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t m c t u r e s ，p a r t i c u l a t ef e a t u r e sa n di n t e r r a c i a l s t r u c t u r eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h em e c h a n i s m so fc o m p o s i t e sw h i c hh a db e e n f a b r i c a t i e db yi n s i t ur e a c t i o nm e t h o df r o ma l n a 2 8 4 0 7 一k 2 z r f 6s y s t e m su n d e rt h e u l t r a s o n i cf i e l dh a v e b e e nd i s c u s s e d t h et e n s i l e e x p e r i m e n t s o fa s p r e p a r e d c o m p o s i t e s w e r ec a r d e do u ta n dt h ef r a c t u r em o d e l so ft h e c o m p o s i t e sa r eb u i l t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep h a s e so fi n - s i t uc o m p o s i t e ss y n t h e s i z e db yt h e r e a c t i o nb e t w e e na l z r - b 2 0 3 s y s t e ma n d m o l t e na l u m i n u m ( 6 0 0 - 1 0 0 0 ) a r e d e t e r m i n e da sa 1 3 z r , z r b 2a n da 1 2 0 3 t h es i z eo fa 1 3 z rp a r t i c l ei sa b o u t3 - 5 m ，w i t h l o n gs t r i p a n dr o d - s h a p e dm o r p h o l o g i e s t h ea 1 2 0 3 p a r t i c u l a t e s a r ef i n e ，w e l l d i s t r i b u t i o n ，a n di t ss i z ei sa b o u t0 1i i j m t h et e m p e r a t u r eo fz r l 3 2p a r t i c l ep r e p a r e di s h i g h ，w h i c hr u n su pt o8 5 7 7 ，a n dt h ep a r t i c u l a t e sa r ep o n et oc o n g l o b a t i n gw i t ha s i z eo fo 3 加6p m a 1 2 0 3p a r t i c u l a t er e i n f o r c e m e n tp h a s e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e ds u c c e s s f u l l yb y i n s i t ur e a c t i o nf r o ma i n a 2 8 4 0 7 - k 2 z r f 6s y s t e m s s e mr e s u l t so ft h ec o m p o s i t e ss h o w t h a ta 1 2 0 3p a r t i c u l a t e sa r es m a l l ，w h o s es i z ea r ea b o u t2 0 - 1 0 0n n l t h en u m b e ro f i n s i t ua 1 2 0 3p a r t i c u l a t e so ft h ec o m p o s i t ei se n l a r g e d ，a n dt h ed i s p e r s i o ni si m p r o v e d d u et ot h ea p p l y i n go fu l t r a s o n i cf i e l d w i t hac o n s t a n tu l t r a s o n i cp o w e r ( 0 6 0k w ) ，t h e a m o u n to fi n - s i t up a r t i c l e si n c r e a s ef i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s ei nt h er a n g eo f1 - 3 m i n w h i c hi st h ea p p l y i n gt i m eo fu l t r a s o n i cf i e l d a n dw h e nt h ea p p l y i n gt i m ei s2 m i n ，t h e h i g h e s tv o l u m ef r a c t i o no fi n - s i t up a r t i c u l a t e si so b t a i n e d g i v e nt h ec o n s t a n ta p p l y i n g t i m eo fu l t r a s o n i cf i e l d ( 2m i n ) ，t h ep a r t i c u l a t e sv o l u m ef r a c t i o no ft h ea 1 2 0 3 ( n p ) 胤 i i i 超声场下熔体反应合成铝基复合材料的组织与性能 c o m p o s i t ei si n c r e a s i n gw i t ht h ee n l a 唱e m e n to fu l t r a s o n i cp o w e r ，w h i c hi sl o w e rt h a n 0 6 0k w h o w e v e r ，i n c r e a s i n gt h eu l t r a s o n i cp o w e rf u r t h e r m o r er e s u l ti nd e c r e a s i n go f t h e p a r t i c u l a t e sv o l u m ef r a c t i o n t h eo p t i m u mp o w e r i s0 6 0k w , w i t hah i g h e s t p a r t i c u l a t e sv o l u m ef r a c t i o na n d t h em o s tu n i f o r md i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft e m ，i ti ss h o w nt h a t 丫- a 1 2 0 3r e i n f o r c e m e n tp h a s e s a r es y n t h e s i z e df r o ma 1 - n a 2 8 4 0 7 - k 2 z r f 6s y s t e m ，a n dt h es p h e r i c a lp a r t i c u l a t e sa r e 2 0 1 0 0n mo rs o t h e r ei sap a r a l l e lb e t w e e n y - a 2 0 3 ( 0 4 0 ) a n da i ( 2 0 0 ) i nt h e a 1 2 0 3 ( 酬c o m p o s i t e ，w i t ho n l y0 8 m i s m a t c h i n t e r f a c eb e t w e e nt h ep l a n e si s s a t i s f i e dw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gc r y s t a ll a t t i c es t r u c t u r e ，a n db o n d e dw e l l t h e r e f o r e ，i t m a yb ec o n c l u d e dt h a tq a ic a nn u c l e a t ea n dg r o w t ho n1 - a 1 2 0 3p a r t i c u l a t e s t h e d i s l o c a t i o nd e n s i t yi nt h ea 1 2 0 3 ( 酬越c o m p o s i t ep r e p a r e db yd i r e c tm e l tr e a c t i o n m e t h o di sh i g h e rr e m a r h yt h a nt h a ti nt h ea im a t r i x ，w i t ht h ed i s l o c a t i o n si nt h e c o m p o s i t ed i s t r i b u t i n gi r r e g u l a r l y t h ee x p e r i m e n to fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss h o w st h a tt h eh a r d n e s so fa 1 2 0 3 ( 酬心 c o m p o s i t e ( 4 0 0h ，i sh i g h e rb yn e a r l y3 0 7 t h a nt h a to ft h ep u r ea l u m i n u m a n d t h eh a r d n e s so fc o m p o s i t es y n t h e s i z e du n d e ru l t r a s o n i cf i e l di s5 8 4h v , w h i c hi sa l s o h i g h e rt h a nt h a tw i t h o u tt r e a t m e n t f u r t h e r m o r e ，b o t h t h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h e e l o n g a t i o no ft h ec o m p o s i t e ，w h i c hi si n s i t uf a b r i c a t i e du n d e ru l t r a s o n i cr a d i a t i o n f r o ma 1 - n a 2 8 4 0 7 一k 2 z r f 6s y s t e m ，a r ei m p r o v e dg r e a t l y w h e nt h eu l t r a s o n i ct r e a t m e n t t i m ea n dp o w e ra r e2m i na n d0 6 0k wr e s p e c t i v e l y , t h eo p t i m u mm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t eh a v eb e e no b t a i n e d ，w i t ht h et e n s i l es t r e n g t ha n dt h e e l o n g a t i o nr e a c h i n gt o1 1 6 0m p aa n d2 1 8 r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so fa n a l y s i so f t h et e n s i l ef r a c t u r em o r p h o l o g yi n d i c a t et h a tt h ec o m p o s i t ef r a c t u r ei sd u c t i l ef r a c t u r e c h a r a c t e r , w h i c hi s i nt h ef o r mo fc o n t a i n i n gs o m eo fd i m p l e sa n ds o m eo f q u a s i c l e a v a g e t h es t r e n g t h m e c h a n i s m so ft h ea s p r e p a r e da l u m i n u mm a t r i x c o m p o s i t e sa r ef i n e g r a i n e ds t r e n g t h ，o r o w a ns t r e n g t ha n dd i s l o c a t i o ns t r e n g t h ，a n di t m a yb ec o n c l u d e dt h a tt h eo r o w a ns t r e n g t ha f f o r dt h em o s te f f e c t s k e yw o r d s ：i n s i t us y n t h e s i s ，a l u m i n u m m a t r i x c o m p o s i t e ，u l t r a s o n i cf i e l d ， s o l i d i f i c a t i o nm 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 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 选题意义1 1 2 铝基原位复合材料的制备技术3 1 2 1 气液反应合成法( v l s 法) “3 1 2 2自蔓延高温合成技术( s h s 法) 4 1 2 3 放热弥散法( x d t m 法) 5 1 2 4 接触反应法( c r 法卜5 1 2 5 混合盐反应法( l s m 法) 6 1 2 6 熔体直接反应法( d m r 法) ”7 1 2 7 其他方法一7 1 3 超声场在金属基复合材料中的应用8 1 3 1 超声场在金属熔体中的基本原理8 1 3 2 超声场基本效应对金属液颗粒混合熔体的作用“9 1 3 3 超声场在铝基复合材料制备领域的应用1 1 1 4 铝基复合材料的界面结构1 1 1 4 1 界面有无反应产物及反应程度的研究1 2 1 4 2 界面处的位错与晶体位向关系1 2 1 5 纳米颗粒增强铝基复合材料的研究1 2 1 5 1 纳米颗粒的分散1 3 1 5 2 纳米颗粒增强铝基复合材料的研究现状1 4 1 6 复合材料的力学性能一1 4 1 7 本课题的主要研究内容1 5 第二章反应体系的选择与试验方法1 7 2 1 反应体系的选择1 7 2 2 反应基体的选择1 8 2 3 反应物的选取1 8 2 4 超声发生装置1 9 2 5 超声化学原位合成复合材料的制备工艺1 9 2 6 复合材料的组织观察2 1 2 6 1 金相组织的观察”2 1 2 6 2 差热分析2 1 2 6 3x 射线衍射分析。2 1 2 6 4 扫描电镜及电子探针分析2 1 2 6 5 透射电镜分析2 1 2 7 复合材料的力学性能测试2 2 2 7 1 硬度测试2 2 2 7 2 拉伸性能测试2 2 第三章a i z r - b o 体系复合材料的制备及凝固组织 3 1 引言2 3 v 超声场下熔体反应合成铝基复合材料的组织与性能 3 2 复合材料的制备2 3 3 2 1 魁z 卜b 2 0 3 体系合成复合材料的制备”2 3 3 2 2 n a 2 8 4 0 7 k 2 z r f 6 体系合成复合材料的制备2 3 3 3 舢z r b 2 0 3 体系合成复合材料研究2 4 3 3 1 a i z r o b 2 0 3 体系反应热力学分析“2 4 3 3 2 复合材料的物相分析及凝固组织2 6 3 4a 1 n a 2 8 4 0 7 k 2 z r f 6 体系合成复合材料研究”2 8 3 4 1 a i n a 2 8 4 0 7 k 2 z r f 6 体系d s c 分析”2 8 3 4 2 舢n a 2 8 4 0 7 k 2 z r f 6 体系复合材料的物相分析2 8 3 4 3 舢n a 2 8 4 0 7 k 2 z r f 6 体系复合材料微观组织3 0 3 5本章小结3 2 第四章超声场下合成a 1 2 0 3 ( 叩胪j 复合材料及其微结构表征 3 3 4 1 引言”3 3 4 2 超声场下a 1 2 0 3 ( r p e a l 复合材料的制备”3 3 4 3 超声工艺参数对a 1 2 0 3 ( 。p ) 厶u 复合材料的影响”3 5 4 3 1 不同超声时间下a 1 2 0 3 ( 。p ) 越复合材料的微观组织3 5 4 3 2 不同超声功率下a 1 2 0 3 ( n p 心复合材料的微观组织3 7 4 4a 1 2 0 3 颗粒增强相的微观组织及其界面结构4 0 4 4 1 2 0 3 的分类与晶体结构4 0 4 4 2 舢2 0 3 颗粒增强相的形貌及其生长机制4 1 4 5界面区域附近的位错4 2 4 5 1 颗粒基体界面区的位错4 2 4 5 2 位错的产生机制4 3 4 6 本章小结4 4 第五章a 1 2 0 3 ( a p ) 舢复合材料的性能 4 7 5 1引言”4 7 5 2 a 1 2 0 3 ( n p ) 复合材料的硬度4 7 5 3 a 1 2 0 3 ( n p ) a 1 复合材料的拉伸性能4 8 5 3 1 不同超声作用时间下a 1 2 0 3 ( 。舢复合材料的力学性能4 8 5 3 2 不同超声功率下a 1 2 0 3 ( n p c a l 复合材料的力学性能4 9 5 4 a 1 2 0 3 ( n p ) a l 复合材料拉伸断v i 形貌5 0 5 5 a 1 2 0 3 ( n p ) a l 复合材料的强化机制5 2 5 5 1 细晶强化5 2 5 5 2o r o w a n 强化”5 4 5 5 3 位错强化5 5 5 6 本章小结5 7 第六章主要结论 参考文献 致谢 攻读硕士期间发表的论文 v i 5 9 6 1 够 7 0 江苏大学硕士学位论文 1 1选题意义 第一章绪论 随着科学技术的发展，特别是高端科学技术的突飞猛进，人们对材料性能的 要求越来越高。在设计导弹、人造卫星、飞机等的承载构件时，其理想的结构材 料应具有重量轻、比强度及比模量高等特点【1 2 1 。通常在单相材料的情况下，要增 加构件的强度则必须同时增加其重量，这对于高速运作的多数部件来说是没有意 义的。而复合材料则具有各组分之间可取长补短、协同的作用，产生单一材料所 不具有的新性怠；，因而成为近年来材料技术研究的重点【3 1 。 金属基复合材料( m e t a lm a t r i xc o m p o s i t e ) ，简称m m c s ，是以陶瓷( 连续长 纤维、短纤维、晶须及颗粒) 为增强材料，金属( 如铝、镁、钛、镍、铁、铜等) 为基体材料而制备的。金属基复合材料因具有高比强度、高比模量、耐磨、耐热、 导电、导热、不吸潮、抗辐射、低热膨胀系数等优良性能，目前已成为世界各国 的研究热点，并应用于航天航空、汽车工业及电子工业等领域，并以铝基复合材 料的研究应用最为广泛 4 , 5 1 。 实际生产中，由于加工难度高，m m c s 的使用受到一定的限制。主要是金属 熔点较高，需在高温下操作；且不少金属对增强体表面润湿性较差，甚至不润湿， 加上金属在高温下很活泼，极易与多种增强体发生反应，因而需对陶瓷颗粒进行 预处理或者向熔体中加入能增加润湿性的活性元素。1 9 8 9 年k o c z a k 6 1 等人首先提 出反应合成技术( r e a c t i v es y n t h e s i s ) ，又称原位复合( i n s i t uc o m p o s i t e s ) ，制备 颗粒增强金属基复合材料。其基本原理是在一定条件下，通过元素问或元素与化 合物间的化学反应，在金属基体内原位生成一种或几种高硬度、高弹性模量的增 强相，从而达到强化金属基体的目的。由于原位自生增强相是从金属基体中原位 形核、长大的热力学稳定相，具有热稳定性好，增强体表面洁净无污染，且与基 体界面相容性好等优点；增强体的种类、大小、分布和数量可控，工艺简单，成 本低且易于推广，是目前金属基复合材料工业化应用的发展趋势。 然而，综合文献【7 西】来看，原位反应合成颗粒增强铝基复合材料的研究仍存在 下列问题，针对这些存在的问题，本文开展了较系统的研究： 超声场下熔体反应合成铝基复合材料的组织与性能 第一，反应体系。熔体原位反应合成的复合材料增强相类型主要有舢2 0 3 、 舢3 t i 、t i c 、t i b 2 、s i c 等，且其反应原材料大多为7 百熔点氧化物( s i 0 2 、t i 0 2 等) 。本文分别研究了a i z r - b 2 0 3 与n a 2 8 4 0 7 k 2 z r f 6 体系，旨在在较低的温度 下进行原位反应，以减少铝在高温下的氧化。此外，在一定程度上减少了氟化物 的使用，使材料的制备向着低能耗，高环保的方向持续发展。 第二，颗粒增强相在基体中的存在状态。通常情况下内生颗粒尺寸处于几个 微米尺度，而颗粒尺寸的大小直接影响到材料强度的提耐1 0 l 。细化颗粒的粒度， 可进一步提高复合材料力学性能。本文采用a i n a 2 8 4 0 7 k e z r f 6 体系，制备了纳 米舢2 0 3 颗粒增强铝基复合材料，并在基体中分布良好，有利于材料力学性能的 提高。 第三，颗粒增强相与基体界面结构的研究较少。大多研究报道仅局限在铸态 显微组织观察上，而对颗粒与基体间的形貌匹配，以及颗粒与基体是否存在一定 的位向关系等研究甚少。 第四，通常原位合成的起始反应温度较高( 常高于9 0 0 ，甚至超过1 0 0 0 ) ， 严重恶化铝液。为加速及促进熔体原位反应的进行，细化基体，改善颗粒增强相 在基体中的分布，本文将引入超声化学制备复合材料。超声化学【1 1 】 ( s o n o c h e m i s t r y ) 是声学与化学相互交叉渗透而发展起来的新兴前沿领域，用于 化学反应中的超声波波速约为1 5 0 0m s ，波长为1 0c m - - 0 1 51 1 1 1 1 1 ，频率范围一般 在1 5k h z 。1 0m h z 之间。当超声波的强度超过一定值时，就可以通过它与传声介 质的相互作用，进而影响、改变甚至破坏后者的状态、性质及结构，此时超声波 称为高能超声。超声在金属熔体中传播时会产生声空化、声流效应，同时它的一 些力学机制会引起熔体中流动场、压力场和温度场的变化，因而会产生一些特殊 的效果【1 2 , 1 3 1 。超声空化所引发的特殊的物理、化学环境已为科学家们制备纳米材 料提供了重要的理论依据，也成为制备高性能纳米材料的一种有效途径。 本课题在国家自然科学基金项目( n o 5 0 9 7 1 0 6 6 ) 、江苏省科技支撑项目 ( b e 2 0 0 9 1 2 7 ) ，和江苏省“3 3 3 人才工程 培养资助项目( 苏教办师2 0 0 8 1 4 6 号) 的资助下，以舢z r b 2 0 3 和n a 2 8 4 0 7 k 2 z r f 6 体系为研究对象，采用熔体原位 反应法制备了颗粒增强铝基复合材料。并将超声化学与熔体反应法相结合，在熔 体原位反应中施加高能超声场，以a i n a 2 8 4 0 7 k 2 z r f 6 体系制备了纳米越2 0 3 颗粒 2 江苏大学硕士学位论文 增强铝基复合材料；对复合材料组织中增强相与基体之间的界面结构进行了研究； 探讨分析了超声化学对复合材料微观组织及力学性能的影响，优化了工艺，进而 为制备纳米级尺寸颗粒增强铝基复合材料的应用发展提供了理论依据。 1 2 铝基原位复合材料的制备技术 1 9 8 9 年m j k o c z a k 6 】等首先提出反应合成技术( r e a c t i v es y n t h e s i s ) ，又称 原位复合( i n s i t uc o m p o s i t e s ) ，用于制备颗粒增强金属基复合材料。原位反应合 成法是指增强材料在复合材料制造过程中由基体中自己生成和生长的方法，增强 相从金属基体中原位形核、长大，热力学稳定，因此增强相表面无污染，与基体 结合良好，增强相的种类、大小和分布等容易控制，因而原位合成复合材料被誉 为具有突破性的新技术而备受重视。 1 2 1 气液反应合成法( v l s 法) 1 4 , 1 5 v l s ( v a p o rl i q u i ds y n t h e s i s ) 法由k o c z a k 和k u m a r 在1 9 8 9 年发明并申请 专利。其基本工艺原理是：含有增强相某一组分元素的气体a 以惰性气体为载体 通入液态合金b 中，气体直接与合金液发生反应，或气体在合金液中分解( 分解 出增强相的某一组分元素) ，再与基体合金中某一元素结合生成热力学稳定的碳化 物、氮化物等陶瓷增强相，装置如图1 1 所示。 i e k c r u c i b l e b u b b l eg e n e r a t o r 图1 1v l s 装置示意图 f i g 1 1 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fv l s - p r o c e s s 目前用此技术已成功地制备了a i a i n 、a i t i n 、a 1 一s i i s i c 等m m c p ，以及柱 状b s i 3 n 4 、z n o 纳米棒等。该技术中使用的载体为惰性气体，含碳气体一般 用c h 4 、c 2 h 6 或c c l 4 ，而含氮气体一般采用n 2 或n h 3 。j c o r r o c h a n o 等人采用 v l s 法制备了a 1 2 0 3 晶须增强6 0 6 1 铝基复合材料，结果表明2 0 3 w 6 0 6 1 a i 复合 材料中生成了a 1 2 0 3 单晶，晶须与基体结合良好，材料力学性能较高，且在室温 3 。 超声场下熔体反应合成铝基复合材料的组织与性能 和高温条件下具有特殊性能。 v l s 法具有界面清洁，增强体颗粒尺寸细小( 0 1 5i _ t r n ) ，反应后熔体可进一 步近终成型等优点。但是其强化相种类有限，颗粒体积分数不高，反应所需温度 高达1 2 0 0 c 1 4 0 0 。c ，反应过程及增强相的产量难以控制，一般用以制备铝及其 合金基材料。 1 2 2 自蔓延高温合成技术( s h s 法) 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 ht e m p e r a t u r es y n t h s i s ) 又称燃烧合 成、无气燃烧、自蔓延燃烧、自蔓延放热反应等。该工艺起源于前苏联科学院物 化研究所八gm e r z h n o v 1 6 1 等人对t i b 固态混合物圆柱压坯燃烧反应的研究，其 原理是将增强相的组分原料与金属粉末混合，压坯成型，在真空或惰性气氛中预 热引燃，使组分之间发生放热化学反应，放出的热量引起未反应的邻近部分继续 反应，直至反应全部完成，常规s h s 反应模式示意图如图1 2 所示1 1 7 1 。 吲 图1 2 常规s h s 反应模式示意图 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 fs 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 k m i s h r a l l 8 】等人采用s h s 法，在1 8 0 0 ( 2 下成功制备了原位a 1 2 0 3 z r b 2 复 合材料，所得复合材料中铝枝晶和颗粒尺寸均变小，致密度占其理论致密度的值 由9 4 5 增加到9 5 5 。m s s o n d l 9 】等人利用s h s 法制备t i c a i 复合材料，当 甜含量处于2 0 叭与4 0 叭之间时发生s h s 反应，生成的t i c 颗粒近球形且 分布均匀，与铝基体结合良好并成梯度，随着含量的提高，t i c 颗粒尺寸减小。 自蔓延高温合成需要一定的条件：组分之间的化学反应热效应应达1 6 7 m 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量， 以保证反应不中断；某一反应物在反应过程中应能形成液态或气态以便于扩散物 质，使反应迅速进行。 4 鲁2之丘暑-富。 江苏大学硕士学位论文 1 2 3 放热弥散法( x o t m 法) x d t m ( e x o t h e r m i cd i s p e r s i o n ) 法是1 9 8 3 年美国m a r t i nm a r i e t t al a b o r a t o r y 提出的，在s h s 法的基础上改进而来，其基本原理是将增强相组分物料与金属基 粉末按比例均匀混合，冷压或热压成坯，置于真空炉中( 见图1 3 ) ，无需引燃装 置，预热试样至一定温度时( 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，并在基体中弥散分布。该法常用来 合成复相陶瓷、金属陶瓷、以及陶瓷基复合材料【捌。 m a t r i xa n dr e i t f f o r e e m e n t 垫- 仁= ：= = 习 p r e c t 塔o rm a t e r i a l s h e a t i n g i ：二二二j 图1 3x d t m 法制备金属基复合材料示意图 f 培1 3 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h ex dp r o c e s sf o rm m c s 国内朱和国【2 1 2 2 】等人x d 法合成了舢2 0 3 和t i b 2 颗粒。过程研究表明：在 a i t i 0 2 b 体系中，以一定的加热速率加热至1 0 7 3k 左右时，与t i 0 2 之间首 先发生铝热反应，反应产生活性钛原子并形成触n b 反应系，a i b 2 和3 t i 均 系反应中间产物，a i b 2 在1 2 0 0k 左右时分解为触和b ，砧3 t i 被b 还原，当b 的加入量( m 0 1 ) 是z i 0 2 的两倍左右时，舢3 t i 基本消失，最终生成触2 0 3 和t i b