低熔體溫度下高強超聲輔助原位顆粒增強Al基復(fù)合材料的制備研究.pdf

1、原位顆粒增強Al-MMCs因其具有高比強度、比模量，良好的耐磨性、高溫穩(wěn)定性等優(yōu)異的綜合性能，在航空航天和汽車等工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。原位合成技術(shù)與攪拌鑄造工藝的結(jié)合，提高了生產(chǎn)效率，并且可制備形狀復(fù)雜的鑄件。因此，此工藝得到廣泛的關(guān)注。
　　 然而，傳統(tǒng)的機械攪拌鑄造工藝制備原位顆粒增強Al-MMCs中，常常伴隨增強顆粒團聚和高氣孔率等問題，嚴(yán)重影響到材料的力學(xué)性能。此外，以Al-Ti-C（Ti-C）和Al-Ti-B(Ti

2、-B)體系為反應(yīng)物時，基體中還經(jīng)常出現(xiàn)大尺寸長桿狀（或針狀）的Al3Ti顆粒，其會嚴(yán)重削弱材料的力學(xué)性能。因此，有效解決上述問題，是提高此類材料性能的關(guān)鍵。
　　 此外，傳統(tǒng)工藝制備原位顆粒增強Al-MMCs過程中，普遍存在Al熔體溫度過高的問題。高熔體溫度會帶來高制造成本、熔體內(nèi)合金元素（如Mg、Zn等）燒損和熔體吸氣、氧化等問題，給制備過程帶來種種不便。以原位TiCp/Al和原位Al3Tip/Al復(fù)合材料為例，其制備過程中相

3、應(yīng)的最低Al熔體溫度分別為900℃和950℃。
　　 為了優(yōu)化原位顆粒增強Al-MMCs的制備工藝及其微觀組織，本論文中引入了高強超聲處理。在熔體內(nèi)，高強超聲場會產(chǎn)生諸如空化、聲流效應(yīng)等非線性作用。其被廣泛用于金屬熔體的凈化、除氣、晶粒細化以及顆粒增強金屬基復(fù)合材料的制備。高強超聲輔助原位合成技術(shù)，是一種新型的顆粒增強Al-MMCs復(fù)合材料的制備技術(shù)。其基本原理是利用超聲振動影響原位反應(yīng)進程以及優(yōu)化復(fù)合材料的微觀組織。
　

4、　 本論文主要探討以下兩個方面的內(nèi)容:原位顆粒增強Al-MMCs的微觀組織的優(yōu)化和低熔體溫度下制備原位TiCp/Al和原位Al3Tip/Al復(fù)合材料。首先采用重熔超聲處理實驗，研究了高強超聲對原位顆粒增強Al-MMCs微觀組織的影響。其次，分別以Al-Ti-C體系、Ti-C體系和Ti粉為反應(yīng)物，采用高強超聲輔助工藝，探索在較低熔體溫度下制備原位TiCp/Al、(Al3Ti+TiC)p/Al和Al3Tip/Al復(fù)合材料。
　　

5、以Al-Ti-B和Ti-C為反應(yīng)物，采用傳統(tǒng)機械攪拌鑄造工藝制備的原位 TiB2p/Al-12Si-4Cu和TiCpAl-12Si復(fù)合材料基體內(nèi)存在增強顆粒團聚和大尺寸長桿狀A(yù)l3Ti顆粒等問題，且其氣孔率較高。將上述兩種復(fù)合材料在850℃下進行重熔超聲處理。研究發(fā)現(xiàn)，在高強超聲作用下，顆粒團聚基本消失，增強顆粒均勻地分散在基體中;Al3Ti顆粒從大尺寸的長桿狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱叫∮?0μm的塊狀結(jié)構(gòu)，其從有害的增強相轉(zhuǎn)化為有益的增強相。并

6、且，隨著增強顆粒體積分?jǐn)?shù)的提高，Al3Ti顆粒在超聲場內(nèi)更易被破碎;復(fù)合材料的氣孔率小于1.0％，較原始試樣明顯降低。因此，高強超聲可以明顯優(yōu)化原位顆粒增強Al-MMCs的微觀組織。
　　 以Al-Ti-C為反應(yīng)物，通過對其坯體的快速預(yù)熱處理，在750℃的Al熔體內(nèi)原位生成TiC顆粒。熔體溫度較傳統(tǒng)工藝降低了至少150℃。原位生成的TiC顆粒為球形，并且其粒徑小于2μm，其中大部分為亞微米粒徑。原位生成的Al3Ti顆粒含量極少。

7、本論文中就快速預(yù)熱處理的作用做了詳細討論。通過此工藝實現(xiàn)了液相Al和固相Ti之間的反應(yīng)擴散。因此，坯體在短時間內(nèi)可積聚大量熱量。此外，高強超聲作用下，基體內(nèi)的增強顆粒分布均勻，不存在顆粒團聚;Al3Ti顆粒為粒徑小于10μm的塊狀結(jié)構(gòu);材料的氣孔率僅為0.86％。其微觀組織明顯優(yōu)于機械攪拌試樣。
　　 以Ti-C混合粉末為反應(yīng)物，將其直接加入到溫度為850℃的Al熔體中，同時引入高強超聲。高強超聲的作用主要有分散熔體內(nèi)原位生成的

8、增強顆粒，并對熔體進行除氣處理。研究表明，原位生成的Al3Ti顆粒為塊狀結(jié)構(gòu)，其尺寸小于10μm，大部分尺寸介于2-7μm之間。原位生成的TiC顆粒尺寸為亞微米粒徑。在高強超聲作用下，基體中的顆粒團聚和氧化物夾雜可以有效消除;復(fù)合材料的氣孔率小于1％。通過對比，其微觀組織要明顯優(yōu)于機械攪拌試樣。
　　 以Ti粉為反應(yīng)物，將其加入到低溫度的Al熔體中，通過Ti粉和Al熔體的直接反應(yīng)，原位生成小粒徑塊狀A(yù)l3Ti顆粒。本論文中，提出

9、了擴散反應(yīng)-剝離模型用于解釋原位Al3Ti顆粒的生成機理。研究表明:Al3Ti顆粒尺寸與Al熔體溫度密切相關(guān)。其隨溫度的升高而增大:當(dāng)熔體溫度為730℃時，Al3Ti顆粒的尺寸介于1-6μm之間，當(dāng)熔體溫度為780℃時，Al3Ti顆粒尺寸介于1-10μm。并且，熔體溫度越低，高強超聲對熔體反應(yīng)的影響越明顯。熔體溫度為730℃時，超聲處理試樣中Al3Ti顆粒粒徑在2-3μm的比例最大，而無超聲處理試樣則為3-4μm比例最多;當(dāng)熔體溫度為7

10、80℃時，超聲處理試樣中的Al3Ti顆粒的尺寸分布和無超聲處理試樣中的幾乎一致。因此，高強超聲對熔體反應(yīng)的影響不明顯。
　　 以原位Al3Tip/Al復(fù)合材料研究為基礎(chǔ)，在780℃的熔體溫度下，以Ti粉為反應(yīng)物，利用高強超聲輔助熔體直接反應(yīng)法制備出原位Al3Tip/A356復(fù)合材料。研究表明，A356熔體中的Si元素會降低Al3Ti晶粒的生長速度。原位Al3Ti顆?？梢悦黠@改變α-Al晶粒的形貌尺寸。T6熱處理后，隨著Al3Ti