超聲-磁場(chǎng)下合成鋁基原位復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)及其性能研究.pdf

1、隨著鋁合金在航空航天、汽車、高速列車、電子等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)鋁合金材的性能提出了更高的要求。材料復(fù)合化是繼合金化之后的又一重要強(qiáng)化手段。尤其是原位內(nèi)生顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，由于其本身的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為復(fù)合材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。如何控制原位內(nèi)生增強(qiáng)顆粒在基體中的尺寸、形貌、分布是復(fù)合材料制備中的關(guān)鍵，也是目前復(fù)合材料向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的瓶頸之一。因此，通過優(yōu)化原位反應(yīng)體系、制備工藝來控制復(fù)合材料的組織和性能具有重要的理論意義與現(xiàn)實(shí)意義。論文的思路基

2、于以下三點(diǎn)：一、通過稀土釔的作用，細(xì)化基體合金的晶粒，提高其綜合性能；二、通過優(yōu)化反應(yīng)體系及聲磁場(chǎng)等手段對(duì)復(fù)合材料的組織實(shí)現(xiàn)控制，包括增強(qiáng)顆粒的尺寸、分布、形貌；三、將稀土釔與聲磁耦合場(chǎng)協(xié)同作用，達(dá)到復(fù)合材料高強(qiáng)高塑性的目的。
　　 研究了稀土釔對(duì)基體合金7055A1、6070A1的影響，結(jié)果表明，稀土釔可有效細(xì)化基體合金的晶粒，且稀土的最佳添加量為0.25wt.％。當(dāng)稀土加入量超過0.25wt.％時(shí)，晶粒反而粗化，且稀土化合物

3、粗化，形貌變?yōu)殚L(zhǎng)針狀。
　　 對(duì)Al-K2TiF6、Al-K2ZrF6-Na2B4O7、Al-K2TiF6-KBF4反應(yīng)組元進(jìn)行工藝優(yōu)化，并分別制備了Al3Ti/6070Al、Al2O3/Al、TiB2/7055Al復(fù)合材料。對(duì)于Al-K2TiF6反應(yīng)組元，合理的工藝為先復(fù)合再添加Mg等合金元素完成合金化，且反應(yīng)時(shí)間不應(yīng)超過10 min，反應(yīng)溫度控制在730～750℃為宜。對(duì)于Al-K2ZrF6-Na2B4O7反應(yīng)組元，反應(yīng)溫度

4、為850℃，其反應(yīng)機(jī)理為反應(yīng)-溶解-析出。對(duì)于Al-K2TiF6-KBF4反應(yīng)組元，合理的工藝為先加Mg再復(fù)合，反應(yīng)溫度為850℃，反應(yīng)時(shí)間不宜超過20 min。
　　 在超聲場(chǎng)下制備了Al3Ti/6070Al、Al2O3/Al、TiB2/7055Al復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Al3Ti/6070Al、Al2O3/Al復(fù)合材料，隨著超聲功率、作用時(shí)間的增加顆粒數(shù)量減少，認(rèn)為其機(jī)理為駐波場(chǎng)機(jī)理及聲空化機(jī)理。對(duì)于Al3Ti/6070A

5、l復(fù)合材料超聲的最佳功率為1.6 kW，最佳作用時(shí)間為3 min，Al3Ti顆粒的尺寸由原來的2～5μm細(xì)化至1μm左右，形貌變?yōu)樾K狀、粒狀；對(duì)于Al2O3/Al復(fù)合材料超聲的最佳功率為0.60 kW，最佳作用時(shí)間為2 min，超聲顯著提高了復(fù)合材料Al2O3顆粒的收得率；利用水淬法研究了超聲場(chǎng)下混合鹽法制備TiB2/7055Al復(fù)合材料的過程機(jī)制，認(rèn)為反應(yīng)過程可分為四個(gè)階段，超聲場(chǎng)在第二階段對(duì)反應(yīng)過程起到了顯著的促進(jìn)作用，TiB2顆

6、粒隨超聲功率的增加而逐漸細(xì)化，特別是當(dāng)超聲功率達(dá)到1.6kW時(shí)，出現(xiàn)大量納米級(jí)TiB2顆粒。
　　 在低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下，研究了Al3Ti/6070Al、TiB2/7055Al復(fù)合材料的制備工藝。結(jié)果表明，對(duì)于Al3Ti/6070Al復(fù)合材料，隨著勵(lì)磁電流、頻率的不同可得到顆粒均勻分布及梯度分布兩種不同類型的復(fù)合材料，認(rèn)為，當(dāng)勵(lì)磁電流200A、頻率小于5Hz、作用時(shí)間為3～5 min時(shí)，得到尺寸細(xì)小、熔體內(nèi)外分布相對(duì)均勻的Al3Ti

7、/6070Al復(fù)合材料；而增大頻率或電流時(shí)，作用時(shí)間必須相應(yīng)減少；增大勵(lì)磁電流、頻率以及作用時(shí)間均能得到Al3Ti顆粒呈梯度分布的復(fù)合材料。基于上述實(shí)驗(yàn)，推測(cè)采用磁場(chǎng)連續(xù)作用方式制備復(fù)合材料時(shí)，熔體中存在二次流。利用水淬法采用間歇作用方式，研究了低頻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下TiB2/7055Al復(fù)合材料的過程機(jī)制，認(rèn)為磁場(chǎng)在反應(yīng)初期對(duì)反應(yīng)過程起到了有益的促進(jìn)作用。制備TiB2/7055Al復(fù)合材料時(shí)，磁場(chǎng)頻率對(duì)復(fù)合材料微觀組織影響不大，當(dāng)頻率較小(＜

8、5Hz)時(shí)TiB2顆粒尺寸無明顯的變化，只有當(dāng)頻率達(dá)到5 Hz時(shí)，顆粒尺寸趨向一致，顆粒形貌發(fā)生明顯的“圓鈍化”。
　　 在聲磁耦合場(chǎng)下制備了Al3Ti/6070Al、TiB2/7055Al復(fù)合材料。結(jié)果表明，聲場(chǎng)耦合場(chǎng)下所得的Al3Ti顆粒尺寸細(xì)小，分布均勻。當(dāng)超聲功率為1.6 kW時(shí)，約72.4％的Al3Ti增強(qiáng)顆粒處于0.2～0.5μm之間，處于0.8～1.2μm之間的顆粒減少至約1.6％。聲場(chǎng)耦合場(chǎng)下制備Al3Ti/60

9、70Al時(shí)，顆粒尺寸隨粉末加入量的增加有一定程度的增大，顆粒形貌由粒狀、小塊狀逐步向塊狀、片層狀或短棒狀發(fā)展。聲磁耦合場(chǎng)下連續(xù)作用合成TiB2/7055Al時(shí)，超聲功率為0.8 kW即能觀察到大量納米級(jí)TiB2顆粒，尺寸約為80～100 nm，納米TiB2顆粒呈團(tuán)聚狀態(tài)。聲磁耦合場(chǎng)下間歇作用合成TiB2/7055Al時(shí)，得到均勻分布的亞微米TiB2增強(qiáng)顆粒。
　　 添加稀土釔基體力學(xué)性能結(jié)果表明，7055Al合金的強(qiáng)度、硬度隨稀