原位合成耐熱耐磨高硅鋁基復(fù)合材料的研究.pdf

1、本文以高硅鋁合金Al-22Si為基體合金，以Al-Zr(CO<,3>)<,2>為反應(yīng)體系，采用熔體原位反應(yīng)法，制備了耐熱耐磨(Al<,2>O<,3>+Al<,3>Zr)<,p>/Al-22Si復(fù)合材料。利用金相顯微鏡、金相分析軟件、掃描電鏡、電子探針、X-射線衍射儀等多種現(xiàn)代分析手段，研究了復(fù)合材料的微觀組織、內(nèi)生增強(qiáng)體特征，并測(cè)試了復(fù)合材料的力學(xué)性能、室溫和高溫干滑動(dòng)摩擦磨損特性，并分析了它們的內(nèi)在本質(zhì)和作用機(jī)制。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

2、明：所制備的原位復(fù)合材料中含有初生Si、Al<,2>O<,3>和Al<,3>Zr多元增強(qiáng)顆粒。初生Si的尺寸為20～25μm，Al<,2>O<,3>和Al<,3>Zr的平均尺寸為1～3μm，顆粒偏聚程度較小。圖像分析表明，Al-22Si中初生Si的顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到22.87％，高于理論值；制備的(Al<,2>O<,3>Al<,3>Zr)/Al-22Si復(fù)合材料中的顆粒體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)34.1％。 對(duì)復(fù)合材料凝固組織的分析表明，最佳

3、合成工藝參數(shù)為：反應(yīng)時(shí)間30min，起始反應(yīng)溫度850℃，反應(yīng)物添加量為高硅鋁液的20wt％。在不同的冷卻方式下，隨冷卻速度的提高，初生Si顆粒、Al<,2>O<,3>和Al<,3>Zr的形貌趨于圓整、尺寸趨于變??；共晶硅的尺寸也變得更為細(xì)小。 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，(Al<,2>O<,3>+Al<,3>Zr)<,p>/Al-22Si復(fù)合材料的退火態(tài)抗拉強(qiáng)度、硬度均有顯著提高，而伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)生成

4、的顆粒體積分?jǐn)?shù)達(dá)到11.2％時(shí)，該復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為230.4MPa，較基體合金的149MPa提高了54.6％；其布氏硬度HB達(dá)到96，較基體合金提高了35.2％。復(fù)合材料的斷口形貌分析顯示其斷裂機(jī)制為脆性斷裂。 復(fù)合材料的室溫干滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，(Al<,2>O<,3>+Al<,3>Zr)<,p>/Al-22Si復(fù)合材料的耐磨性顯著提高；隨載荷的增大，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)呈降低趨勢(shì)，且顆粒體積分?jǐn)?shù)

5、越大，摩擦系數(shù)越低；復(fù)合材料的摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性高于基體合金。磨損表面亞表面及磨屑的SEM觀察結(jié)果表明：復(fù)合材料的磨損形式既有粘著磨損又有磨粒磨損。恒定載荷下，隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的磨損機(jī)制由粘著磨損+磨粒磨損機(jī)制轉(zhuǎn)為磨粒磨損；但隨載荷的增加，復(fù)合材料的磨損形式逐步由磨粒磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p+磨粒磨損。 復(fù)合材料的高溫干滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合材料的摩擦系數(shù)隨載荷的增加而降低，磨損量隨載荷的提高而提高；隨顆粒體積分

6、數(shù)的增加，摩擦系數(shù)減小，磨損量降低；隨溫度的增加，復(fù)合材料的磨損量增加，摩擦系數(shù)先降低后升高；從復(fù)合材料的磨損表面形貌分析可知，隨溫度的增加，復(fù)合材料由較輕微的粘著磨損+磨粒磨損機(jī)制轉(zhuǎn)化為較為嚴(yán)重的粘著磨損。復(fù)合材料的復(fù)合材料的熱膨脹性能測(cè)試表明，復(fù)合材料較基體，其線膨脹系數(shù)明顯地減小，且隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大，其線膨脹系數(shù)越小，在20～300℃溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的提高，線膨脹系數(shù)增大。將復(fù)合材料的實(shí)際值與理論值比較得到，實(shí)際值較接近