自生增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料設(shè)計(jì)制備及組織調(diào)控研究.pdf

1、鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、電磁屏蔽和阻尼性能優(yōu)異、機(jī)械加工及回收容易等優(yōu)點(diǎn),并且鎂資源非常豐富,因此鎂合金被譽(yù)為21世紀(jì)的“綠色工程材料”。但是鎂合金存在彈性模量低、強(qiáng)度低、耐磨及耐高溫性能差等缺點(diǎn),限制了其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍；同時(shí),鎂及鎂合金在凝固溫度以下至室溫之間沒有相變發(fā)生,且合金元素的固溶度低,即使采用時(shí)效強(qiáng)化,其效果也甚微。采用在鎂合金中引入其它增強(qiáng)相的復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)是改善鎂合金性能的有效途徑之一。反應(yīng)自生增強(qiáng)相具有熱力學(xué)

2、穩(wěn)定性高,界面潔凈以及與基體界面結(jié)合良好等優(yōu)點(diǎn),越來越受到人們的重視。然而,采用反應(yīng)自生復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)制備鎂基復(fù)合材料存在有效反應(yīng)體系缺乏的不足；此外,反應(yīng)自生增強(qiáng)相形成和長大受增強(qiáng)相自身性質(zhì)、基體成分以及合成條件等因素的綜合影響,增強(qiáng)相可能具有尺寸粗大、形態(tài)及分布不均勻等缺點(diǎn),這些因素抑制了復(fù)合效應(yīng)。為了開發(fā)新型反應(yīng)自生增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料以及對反應(yīng)自生增強(qiáng)相的尺寸和形態(tài)進(jìn)行調(diào)控,根據(jù)材料熱力學(xué)和動力學(xué)基本原理,本文研究了固相陶瓷與二元合金

3、熔體之間的粘著功和潤濕性,研究了形成增強(qiáng)相的有效反應(yīng)體系以及多元體系中合金元素對反應(yīng)自生增強(qiáng)相形成的影響規(guī)律,進(jìn)而設(shè)計(jì)了反應(yīng)自生顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料體系；并進(jìn)一步分析了鎂基材料在復(fù)合過程中相演變規(guī)律,在此基礎(chǔ)上對反應(yīng)自生增強(qiáng)相的尺寸、形態(tài)和分布進(jìn)行了控制。通過將合金元素對反應(yīng)自生增強(qiáng)相形成影響的理論預(yù)測與復(fù)合工藝相結(jié)合,提出一種控制形核長大型增強(qiáng)相尺寸的方法。同時(shí),本文還研究了通過擠壓加工對復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文的主要研究結(jié)果如下

4、:
　　 本文建立了固相陶瓷與合金熔體之間固液粘著功的計(jì)算模型,利用此模型可計(jì)算固相陶瓷與二元合金熔體之間粘著功隨合金成分變化的關(guān)系。該模型克服了常規(guī)粘著功研究中過多依賴大量昂貴實(shí)驗(yàn)測量的缺點(diǎn),為根據(jù)單組元的物理特性參數(shù)從理論上預(yù)測體系固液粘著功提供了一種有效途徑。采用該模型計(jì)算了9種固相陶瓷與二元合金熔體的固液粘著功,與已有文獻(xiàn)數(shù)值符合較好,在一定程度上驗(yàn)證了該模型的有效性。本文把該模型與合金熔體表面張力的理論計(jì)算相結(jié)合,預(yù)測

5、了常用陶瓷增強(qiáng)相與Mg-X(X為合金元素)合金熔體之間的潤濕性。研究結(jié)果表明:Si3N4陶瓷相與Mg合金熔體之間的潤濕性較好,AlN陶瓷相與純Mg熔體之間的潤濕性差,但可通過添加合金元素(如Al)顯著提高AlN陶瓷相與Mg合金熔體之間的潤濕性。
　　 綜合考慮反應(yīng)添加物以及常用增強(qiáng)相與金屬合金熔體之間的潤濕性,以及有效反應(yīng)體系和工程常用鎂合金的特性,本文設(shè)計(jì)了采用Si3N4顆粒作為反應(yīng)添加物、采用AZ91作為基體合金,反應(yīng)自生A

6、lN和Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料體系。
　　 通過實(shí)驗(yàn)研究優(yōu)化和確定了反應(yīng)自生增強(qiáng)相的合成條件,并研究了反應(yīng)添加物加入方式、表面預(yù)處理、攪拌槳葉片形狀、攪拌方式以及熔化條件等因素對鎂基復(fù)合材料的制備及其微結(jié)構(gòu)的影響,制定了可控制Mg2Si增強(qiáng)相顆粒尺寸的復(fù)合工藝。研究結(jié)果表明:采用制定的復(fù)合工藝,成功制備了增強(qiáng)相顆粒均勻分布的鎂基復(fù)合材料。
　　 通過分析復(fù)合材料合成過程中相演變規(guī)律和反應(yīng)自生增強(qiáng)相的形成機(jī)制,研究了

7、控制增強(qiáng)相顆粒尺寸和形狀的方法。研究結(jié)果表明:通過降低原料Si3N4顆粒的尺寸可有效降低反應(yīng)自生AlN增強(qiáng)相顆粒的尺寸；通過添加合金元素控制Mg2Si增強(qiáng)相在熔體中的形核和長大,可以控制Mg2Si增強(qiáng)相顆粒的尺寸:通過改變復(fù)合材料的凝固冷卻速率,可使Mg2Si增強(qiáng)相顆粒的多邊形邊角發(fā)生鈍化?；谠鰪?qiáng)相的形成機(jī)制,考慮添加合金元素對反應(yīng)自生增強(qiáng)相形核和長大的影響,并結(jié)合復(fù)合工藝,提出一種控制形核長大型增強(qiáng)相尺寸的方法。采用此方法研究了常用

8、合金元素對Mg2Si增強(qiáng)相形成的影響。理論預(yù)測結(jié)果表明:合金元素Ti、V、Mo、Cr、Fe和Mn的添加能阻止Mg2Si顆粒的形核同時(shí)促進(jìn)其生長,其影響程度依次降低；合金元素Ge、Sn、Cu和Zn的添加能促進(jìn)Mg2Si顆粒的形核同時(shí)阻礙其生長,其影響作用依次減弱。實(shí)驗(yàn)研究了添加合金元素Ti對Mg2Si顆粒形成的影響,結(jié)果表明:合金元素Ti的添加可以阻止Mg2Si顆粒在澆鑄凝固之前形核,減少了粗大Mg2Si顆粒的尺寸和數(shù)量；同時(shí)Ti的添加稍

9、微增大了澆鑄凝固過程中形成的Mg2Si顆粒尺寸。
　　 基于高溫壓縮實(shí)驗(yàn),構(gòu)建了(AlN+Mg2Si)/Mg復(fù)合材料的加工圖和激活能圖,研究了復(fù)合材料的高溫形變行為。研究獲得復(fù)合材料的動態(tài)再結(jié)晶區(qū)域以及加工失穩(wěn)區(qū),據(jù)此制定了擠壓加工工藝參數(shù)。通過擠壓加工降低了復(fù)合材料氣孔等鑄造缺陷,并使增強(qiáng)相顆粒分布更均勻,優(yōu)化了復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)。
　　 本文進(jìn)一步研究了增強(qiáng)相調(diào)控、微結(jié)構(gòu)優(yōu)化等對復(fù)合材料室溫和高溫壓縮性能,高溫蠕變性能