Al-Si熔體中原位反應(yīng)合成SiC顆粒的研究.pdf

1、本文利用高倍視頻光學(xué)顯微鏡(HSVM)、X射線衍射儀(XRD)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)及電子探針(EPMA)等測試手段，對TiCx與Al4C3兩種碳質(zhì)體（即含碳顆粒）在Al-Si熔體中的演變進行了系統(tǒng)研究，提出了利用碳質(zhì)體原位合成SiC顆粒的工藝，探討Al-Si熔體中SiC原位合成的反應(yīng)熱力學(xué)與臨界條件。通過以上的研究，一方面建立了鋁熔體中原位合成SiC顆粒的原位反應(yīng)機制，并加以試驗驗證。另一方面制備出原位合成SiC顆粒增強

2、Al-Si合金，并對其拉伸強度、耐磨性等力學(xué)性能進行了檢測。
　　 本文的主要研究工作如下:
　　 (1)利用TiCx在Al-Si熔體中的演變實現(xiàn)SiC顆粒的原位合成
　　 研究發(fā)現(xiàn)，Al-Si熔體中的Si原子會促使TiCx發(fā)生演變，其演變產(chǎn)物取決于反應(yīng)溫度以及熔體Si濃度兩個重要參數(shù)。反應(yīng)溫度低于890℃時TiCx轉(zhuǎn)變生成Al4C3相。當(dāng)反應(yīng)溫度高于890℃時，TiCx演變的產(chǎn)物主要取決于熔體中Si濃度:當(dāng)Si

3、濃度從7wt.％增加到30wt.％時，TiCx保持穩(wěn)定，并有少量Ti3SiC2相生成;Si濃度高于30wt.％，TiCx完全轉(zhuǎn)變生成SiC。
　　 從晶體學(xué)角度分析，碳空位等晶體缺陷的存在是導(dǎo)致TiQ在Al-Si熔體中發(fā)生演變和反應(yīng)的根本原因。由熱力學(xué)吉布斯自由能計算得知，較高的反應(yīng)溫度和Si濃度會促使TiCx演變的進行。分析認為，與C原子相比，熔體中主導(dǎo)原子(Si、Al原子等)的原子半徑較大，其摻雜會在TiCx中引起較大的晶格

4、畸變，從而加速其演變和反應(yīng)。當(dāng)TiCx演變至臨界條件時會發(fā)生Si、Al等原子與C原子的原位反應(yīng)與結(jié)構(gòu)重組，中間過程經(jīng)過若干中間過渡相，最終實現(xiàn)SiC顆粒在Al-Si熔體中的原位合成。
　　 (2)Al4C3在Al-Si熔體中的演變與原位合成SiC的反應(yīng)機制
　　 研究表明，Al-Si熔體中的Si原子能夠誘導(dǎo)Al4C3發(fā)生演變，其演變產(chǎn)物主要取決于熔體中Si濃度與保溫時間。當(dāng)Si濃度較低（≤20wt.％）時，Al4C3在較

5、短時間(5min.)內(nèi)不發(fā)生演變，但隨著保溫時間的延長(30min.以上)其能夠轉(zhuǎn)變?yōu)锳l4SiC4中間過渡相與SiC相;當(dāng)Si濃度較高（≥25wt.％）時，Al4C3能夠在較短時間(5min.)內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)镾iC。隨著保溫時間的延長，SiC保持不變。
　　 利用非穩(wěn)定化摻雜原理，主導(dǎo)原子(Si、Al原子等)能夠向Al4C3中擴散，這種擴散是單方向的，而并非Si、C原子的雙向擴散。聚集到Al4C3顆粒周圍的主導(dǎo)原子能夠誘導(dǎo)其發(fā)生演變

6、，形成一系列中間過渡相，中間過程經(jīng)歷多次原子摻雜與原位反應(yīng)，最終原位合成SiC產(chǎn)物。
　　 (3)原位合成SiC顆粒增強Al-Si合金拉伸強度與耐磨性的研究
　　 根據(jù)原位反應(yīng)機制，提出鋁熔體中原位合成SiC顆粒的新工藝。利用該工藝，制備出原位合成SiC顆粒增強Al-Si合金。為消除合金中針片狀TiAlxSiy相的不利影響，提出加硼(B)元素原位合成TiB2顆粒的優(yōu)化工藝，從而制備出(SiC+TiB2)復(fù)合顆粒增強的Al

7、-Si合金，并通過場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)對SiC增強相與TiB2增強相進行了觀察和分析。使用MM200型磨損試驗機、HRS-150型洛氏硬度計對未增強的Al-Si合金以及制備的SiCp/Al-Si材料、(SiCp+TiB2p)/Al-Si復(fù)合材料的耐磨性、宏觀洛氏硬度的等力學(xué)性能進行了比較。
　　 利用顆粒增強制備出高強耐磨的活塞材料是現(xiàn)在內(nèi)燃機行業(yè)研究的熱點之一。本文利用鋁熔體中原位合成SiC顆粒以及加B優(yōu)化的新工藝，制