超聲-磁場下合成鋁基原位復合材料微結構及其性能研究.pdf

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

2、于以下三點：一、通過稀土釔的作用，細化基體合金的晶粒，提高其綜合性能；二、通過優(yōu)化反應體系及聲磁場等手段對復合材料的組織實現(xiàn)控制，包括增強顆粒的尺寸、分布、形貌；三、將稀土釔與聲磁耦合場協(xié)同作用，達到復合材料高強高塑性的目的。
　　 研究了稀土釔對基體合金7055A1、6070A1的影響，結果表明，稀土釔可有效細化基體合金的晶粒，且稀土的最佳添加量為0.25wt.％。當稀土加入量超過0.25wt.％時，晶粒反而粗化，且稀土化合物

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

4、為850℃，其反應機理為反應-溶解-析出。對于Al-K2TiF6-KBF4反應組元，合理的工藝為先加Mg再復合，反應溫度為850℃，反應時間不宜超過20 min。
　　 在超聲場下制備了Al3Ti/6070Al、Al2O3/Al、TiB2/7055Al復合材料。實驗結果表明，Al3Ti/6070Al、Al2O3/Al復合材料，隨著超聲功率、作用時間的增加顆粒數(shù)量減少，認為其機理為駐波場機理及聲空化機理。對于Al3Ti/6070A

5、l復合材料超聲的最佳功率為1.6 kW，最佳作用時間為3 min，Al3Ti顆粒的尺寸由原來的2～5μm細化至1μm左右，形貌變?yōu)樾K狀、粒狀；對于Al2O3/Al復合材料超聲的最佳功率為0.60 kW，最佳作用時間為2 min，超聲顯著提高了復合材料Al2O3顆粒的收得率；利用水淬法研究了超聲場下混合鹽法制備TiB2/7055Al復合材料的過程機制，認為反應過程可分為四個階段，超聲場在第二階段對反應過程起到了顯著的促進作用，TiB2顆

6、粒隨超聲功率的增加而逐漸細化，特別是當超聲功率達到1.6kW時，出現(xiàn)大量納米級TiB2顆粒。
　　 在低頻旋轉磁場下，研究了Al3Ti/6070Al、TiB2/7055Al復合材料的制備工藝。結果表明，對于Al3Ti/6070Al復合材料，隨著勵磁電流、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合材料，認為，當勵磁電流200A、頻率小于5Hz、作用時間為3～5 min時，得到尺寸細小、熔體內外分布相對均勻的Al3Ti

7、/6070Al復合材料；而增大頻率或電流時，作用時間必須相應減少；增大勵磁電流、頻率以及作用時間均能得到Al3Ti顆粒呈梯度分布的復合材料。基于上述實驗，推測采用磁場連續(xù)作用方式制備復合材料時，熔體中存在二次流。利用水淬法采用間歇作用方式，研究了低頻旋轉磁場下TiB2/7055Al復合材料的過程機制，認為磁場在反應初期對反應過程起到了有益的促進作用。制備TiB2/7055Al復合材料時，磁場頻率對復合材料微觀組織影響不大，當頻率較小(＜

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

9、70Al時，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。聲磁耦合場下連續(xù)作用合成TiB2/7055Al時，超聲功率為0.8 kW即能觀察到大量納米級TiB2顆粒，尺寸約為80～100 nm，納米TiB2顆粒呈團聚狀態(tài)。聲磁耦合場下間歇作用合成TiB2/7055Al時，得到均勻分布的亞微米TiB2增強顆粒。
　　 添加稀土釔基體力學性能結果表明，7055Al合金的強度、硬度隨稀