基于Al-SiO2和Al-SiO2-C制備的鋁基復(fù)合材料微觀組織與力學(xué)性能.pdf

1、本文以Al粉, SiO2粉和C粉為原料，制備Al2O3, SiC和Si為增強相的鋁基復(fù)合材料。同時研究了Al-SiO2和Al-SiO2-C兩種體系，采用球磨和反應(yīng)熱壓法制備鋁基復(fù)合材料。用低能球磨原料粉，然后在真空熱壓爐中燒結(jié)以合成新的增強相。對于Al-SiO2體系，分別用低能球磨和反應(yīng)熱壓法合成了增強相體積分?jǐn)?shù)為10,20和30％的復(fù)合材料。研究了增強相體積分?jǐn)?shù)對微觀組織和力學(xué)性能的影響。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為10vol.%和20vol.%時，

2、微觀組織觀察表明原位反應(yīng)生成的Al2O3和Si均勻分布在鋁基體上，并且增強相尺寸細(xì)小，小于2μm。而當(dāng)增強相的體積分?jǐn)?shù)為30vol.%時，可以觀察到Al2O3尺寸達(dá)到2μm和塊狀初晶硅（(~130μm)。
　　利用DTA研究Al-SiO2和Al-SiO2-C兩種體系的反應(yīng)機制。加熱到900℃保溫1小時，足以使Al和AlO2發(fā)生完全反應(yīng)，生成Al2O3和Si。然而，將C加入到Al-SiO2體系中，反應(yīng)產(chǎn)物除了Al2O3和Si，還有A

3、l4C3和SiC生成。原位反應(yīng)生成的Al2O3,SiC,Al4C3和Si均勻分布于鋁基體上，尺寸小于2μm。Al-SiO2-C體系的最佳燒結(jié)參數(shù)確定為：1050℃保溫1小時。當(dāng)SiO2/C/Al摩爾比為(6/3/9)，伴隨著Al4C3的消失，在Al-SiO2-C體系中產(chǎn)生更多的Al2O3和Si。在Al-SiO2-C中 Al4C3的消失歸因于在Al4C3周圍存在過量的Si，導(dǎo)致Si和Al4C3之間的擴散距離降低。因此，從鋁熱反應(yīng)中釋放出的

4、單質(zhì)Si與Al4C3發(fā)生反應(yīng)生成SiC。
　　測試和分析了燒結(jié)態(tài)和擠壓態(tài)復(fù)合材料的布氏硬度和室溫拉伸強度等力學(xué)性能。同時將未增強鋁基體與復(fù)合材料進行了對比。隨體積分?jǐn)?shù)的增加，燒結(jié)態(tài)(Al2O3-Si)/Al復(fù)合材料的屈服強度和拉伸強度均有大幅增加，伴隨著延伸率的降低。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)由10%增加到20%時,屈服強度和抗拉強度分別從59MPa,121MPa增加到94MPa,171MPa，而延伸率從12.4%降低至6.7%。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為30

5、%，拉伸強度(107MPa)和延伸率(0.14%)反而降低，僅屈服強度(98MPa)略有增加。這主要是由于多方面因素的影響：(i)塊體 Si中嵌入了大量Al2O3,(ii)由于體積分?jǐn)?shù)高，燒結(jié)不致密，帶來了大量孔洞，導(dǎo)致力學(xué)性能降低。當(dāng)SiO2/Al/C摩爾比為(6/3/9)，屈服強度和拉伸強度比那些摩爾比為（3/0/9）和（3/3/9）復(fù)合材料的高。這個提高主要是由于原位生成的高體積分?jǐn)?shù)的增強相均勻分布于基體，并且這些細(xì)小的增強相和鋁

6、基體界面干凈。討論了(Al2O3-Si)/Al復(fù)合材料的拉伸斷裂機制。隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，(Al2O3-Si)/Al復(fù)合材料由塑性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?Al2O3-Si)/Al復(fù)合材料的拉伸斷裂機制可以用孔洞形核和長大，然后是萌生于脆性 Si相和Al基體界面上的裂紋的擴展。因此，復(fù)合材料的破壞主要歸因于脆性相 Si的含量和形貌。一旦加入了不同摩爾比的C，斷裂模式從塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈噪S著 SiO2/C/Al摩爾比從(3/0/9),(3/3/9

7、)到(6/3/9)。這個轉(zhuǎn)變主要是由于大量Al2O3,Si和SiC的存在。
　　研究了熱擠壓對(Al2O3-Si)/Al復(fù)合材料微觀組織和拉伸性能的影響.熱擠壓在提高(Al2O3-Si)/Al復(fù)合材料力學(xué)性能方面起著重要作用，不同體積分?jǐn)?shù)10,20和30 vol.%復(fù)合材料熱擠壓后屈服強度，拉伸強度和延伸率與燒結(jié)態(tài)復(fù)合材料相比都有大幅提高。10%,20%和30%擠壓態(tài)復(fù)合材料的屈服強度、拉伸強度和延伸率分別為(133MPa,201

8、MPa,18.3%),(173MPa,258MPa,14.8%)和(191MPa,213MPa,1.35%)。盡管增強相含量30%復(fù)合材料擠壓態(tài)拉伸性能比燒結(jié)態(tài)有所提高，但是仍舊低于20vol.%擠壓態(tài)復(fù)合材料。這主要是由于本次熱擠壓所采用的擠壓比并沒有很大程度改善復(fù)合材料中塊狀初晶 Si的存在。這意味著采用高的擠壓比可以細(xì)化初晶Si塊，從而提高塑性。
　　研究了基于Al-SiO2和Al-SiO2-C體系生成的鋁基復(fù)合材料的干滑動

9、摩擦磨損行為。包括了載荷、滑動速度、滑動距離和增強相體積分?jǐn)?shù)以及(SiO2/C/Al)摩爾比對摩擦性能，磨損面和摩擦系數(shù)的影響。并且，采用AFM研究不同尺寸的Si與表面粗糙度的關(guān)系。隨著體積分?jǐn)?shù)從10%增加到20%，(Al2O3-Si)/Al復(fù)合材料的耐磨性能大幅增加。然而，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)增加到30%，Al2O3鑲嵌到大塊Si中，導(dǎo)致復(fù)合材料孔洞增加，耐磨性能降低。低體積分?jǐn)?shù)時復(fù)合材料的磨損機制是粘著磨損和微切割，犁溝的混合磨損機制。隨著磨

10、損嚴(yán)重，出現(xiàn)了深的彈坑，大的犁溝和裂紋。在體積分?jǐn)?shù)30%復(fù)合材料的磨損面上出現(xiàn)了大量的Fe，表明通過斷裂和微切割出現(xiàn)了粘著磨損，磨粒磨損及劃定界限的磨損。當(dāng)載荷增加，原位復(fù)合材料的磨損量增加。并且，當(dāng)滑動速度增加，磨損量逐步下降，出現(xiàn) Al2O3氧化物導(dǎo)致摩擦系數(shù)下降。并且，摩擦系數(shù)隨滑動速度和載荷的增加而降低。因此，體積分?jǐn)?shù)增加，摩擦系數(shù)基本上在同一范圍。當(dāng)（SiO2/Al/C）摩爾比從(3/0/9),(3/3/9)到(6/3/9)，

11、只有少量的增強相對進一步提高復(fù)合材料的摩擦性能有效。實際上，當(dāng)摩爾比從(3/0/9)變化到(6/3/9)，與體積分?jǐn)?shù)從10%增加到30%相比，只形成夠了細(xì)小的Si析出相。也就是說，當(dāng)（SiO2/C/Al）摩爾比是(6/3/9)，原位生成更多 Al2O3，SiC和Si顆粒。Al4C3被徹底從 Al-SiO2-C系中消除。因此，耐磨性能得到大幅提高。結(jié)果，Al-SiO2和Al-SiO2-C體系通過反應(yīng)燒結(jié)制備原位反應(yīng)生成Si和其它增強相。對