超聲場(chǎng)下熔體反應(yīng)合成鋁基復(fù)合材料的組織與性能.pdf

1、原位制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料是復(fù)合材料研究領(lǐng)域的重點(diǎn),如何選擇并優(yōu)化體系,控制顆粒增強(qiáng)相在基體中的形貌和分布特征對(duì)促進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展非常關(guān)鍵。本文開發(fā)了鋁基原位復(fù)合材料的合成新體系A(chǔ)l-Zr-B2O3和Al-Na2B4O7-K2ZrF6,采用熔體反應(yīng)合成法,成功制備了Al3Zr、ZrB2和Al2O3顆粒增強(qiáng)新型鋁基復(fù)合材料。利用DSC、OM、XRD、SEM、TEM等現(xiàn)代分析測(cè)試方法,分析了復(fù)合材料的相組成、凝固組織、內(nèi)生顆粒的特征與界面

2、結(jié)構(gòu)；研究了超聲場(chǎng)下Al-Na3B4O7-K2ZrF6體系原位反應(yīng)合成復(fù)合材料的相關(guān)作用機(jī)制；通過復(fù)合材料的室溫拉伸試驗(yàn),分析了復(fù)合材料的斷裂機(jī)理。
　　 試驗(yàn)結(jié)果表明,Al-Zr-B2O3體系在鋁合金熔煉溫度(600-1000℃)范圍內(nèi),原位反應(yīng)生成了Al3Zr、ZrB2和Al2O3顆粒增強(qiáng)相。Al3Zr顆粒尺寸約為3～5μm,呈長(zhǎng)條狀或棒狀；Al2O3顆粒尺寸細(xì)小,約為0.1μm,分布均勻；ZrB2顆粒形成溫度較高,達(dá)857

3、.7℃,且團(tuán)聚傾向嚴(yán)重,尺寸在0.3～0.6μm之間。
　　 Al-Na2B4O7-K2ZrF6體系熔體原位反應(yīng)生成了Al2O3顆粒增強(qiáng)相。復(fù)合材料SEM結(jié)果表明,Al2O3顆粒尺寸細(xì)小,約為20～100 nm。超聲場(chǎng)作用下復(fù)合材料中內(nèi)生Al2O3顆粒分散度得到改善,數(shù)目增多。在一定的超聲功率條件下(0.60kW),1～3 min超聲作用時(shí)間范圍內(nèi),隨著超聲作用時(shí)間的增加,內(nèi)生顆粒的數(shù)量先增大后減小,最佳超聲作用時(shí)間為2 min

4、,此時(shí)內(nèi)生顆粒體積分?jǐn)?shù)最高。在一定的超聲作用時(shí)間下(2min),Al2O3(np)／Al復(fù)合材料隨著超聲功率的增加,內(nèi)生顆粒的體積分?jǐn)?shù)先增大后減小,當(dāng)超聲功率為0.60 kW時(shí),內(nèi)生顆粒體積分?jǐn)?shù)最高,分布最均勻。
　　 經(jīng)透射電鏡TEM研究進(jìn)一步表明,Al-Na2B4O7-K2ZrF6體系復(fù)合材料中生成了γ-Al2O3增強(qiáng)相,顆粒呈近球形,尺寸約為20-100nm。復(fù)合材料中存在γ-Al2O3(040)／／Al(200),兩者錯(cuò)

5、配度僅為0.8％,界面保持共格關(guān)系,結(jié)合良好,Al基體能依附于γ-Al2O3顆粒上結(jié)晶并長(zhǎng)大。熔體原位生成的Al2O3(np)／Al復(fù)合材料中的位錯(cuò)密度遠(yuǎn)高于純鋁基體中的位錯(cuò)密度,且位錯(cuò)呈不規(guī)則分布。
　　 力學(xué)性能試驗(yàn)表明,原位反應(yīng)合成Al2O3(np)／Al復(fù)合材料的硬度值為40.0HV,較純鋁的提高了30.7％,施加超聲場(chǎng)后,復(fù)合材料的硬度值為58.4 HV,較未施加超聲場(chǎng)時(shí)復(fù)合材料的硬度值提高了46.0％。超聲場(chǎng)作用下A

6、l-Na2B4O7-K2ZrF6體系熔體原位合成的復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度σb和延伸率δ都得到了顯著的提高。當(dāng)超聲作用時(shí)間為2min,超聲功率為0.60 kW時(shí),復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度σb和延伸率δ均達(dá)到最大,分別為116.0 MPa和21.8％,較未施加超聲作用時(shí)復(fù)合材料的性能分別提高了52.6％與18.6％,室溫拉伸斷口形貌表明,復(fù)合材料的斷裂方式為部分韌窩+部分準(zhǔn)解理的混合型斷裂,表現(xiàn)為塑性斷裂。復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制主要由細(xì)晶強(qiáng)化、Orowa