顆粒增強鎂基復合材料的制備及其性能研究.pdf

1、鎂合金作為最輕的工程結(jié)構(gòu)金屬材料之一，具有許多優(yōu)異的性能，如比強度高、比模量高、導電導熱性好，兼有良好的阻尼減震和電磁屏蔽性能等優(yōu)點，在航空航天、汽車和通訊等領域中得到了廣泛的應用。隨著汽車輕量化以及航空航天工業(yè)的發(fā)展，對鎂合金提出了高強度、高耐熱和耐磨性、高耐腐蝕性以及優(yōu)良的機械加工性等要求。然而，目前常用的鎂合金都存在高溫強度和抗蠕變性低、耐磨性差等嚴重的不足，從而限制了鎂合金在這些高新技術(shù)領域的應用。 顆粒增強鎂基復合材料

2、具有制備工藝簡單、成本低廉以及材料性能各向同性等優(yōu)點，已成為鎂基復合材料的研究熱點之一。本文以Al-Ti-C粉末為增強體系，以Mg-Al合金為基體，采用不同工藝制備了TiC顆粒增強鎂基復合材料，并對復合材料的微觀組織及性能進行了研究。 采用TiCP/Al中間合金在鎂合金熔體中重熔、稀釋的方法制備了TiCp/AZ91復合材料。實驗過程中，首先對Al-Ti-C反應體系進行了DSC研究。結(jié)果表明，在750℃附近出現(xiàn)明顯的放熱峰，認為此

3、時Tic顆粒開始形成。實驗采用XD法在750℃合成了TiCP/Al中間合金。將制備的中間合金經(jīng)過破碎、預熱后加入到750℃鎂合金熔體中，保溫后攪拌鑄造得到TiCp/AZ91復合材料。研究表明，當Al含量為40wt％，Ti與C摩爾比為1時，在750℃燒結(jié)溫度下制備的中間合金中TiC顆粒平均粒徑≤2μm，具有較好的球形度。另外，攪拌工藝參數(shù)的選擇對Tic顆粒在鎂合金熔體中的脫粘起到關鍵作用。實驗得出，以200r/min轉(zhuǎn)速，攪拌20min時

4、Tic顆粒之間基本脫粘且基體合金氧化較輕。 對中間合金法制備的復合材料組織研究表明，Tic顆粒在基體中的α-Mg和β-Mg17Al12相中均有分布，且顆粒分布較為均勻，但含量超過5wt％.顆粒團聚及沉降現(xiàn)象較為明顯。研究表明，基體中加入大量的Tic顆粒后，由于彌散強化的作用，復合材料的強度、硬度等性能均有不同程度的提高。當TiC顆粒含量為5wt％時，復合材料的綜合性能最好，此時復合材料的抗拉強度達到182MPa，硬度達到63HB

5、S，相比AZ9l合金分別提高了10％和15％。另外，由于TiC硬質(zhì)顆粒的加入，復合材料在磨損過程中TiC凸起于基體表面，起到支撐載荷的作用使得材料的摩擦磨損性能顯著提高。 對中間合金法制備的復合材料的斷口形貌分析發(fā)現(xiàn)，隨著TiC顆粒的增多復合材料斷口形貌出現(xiàn)明顯差異。材料斷口呈現(xiàn)由部分韌性斷裂(斷口呈現(xiàn)韌窩)到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。分析認為，當TiC顆粒含量較低時，復合材料的斷裂主要由β-Mgl7Al12相控制，斷口中韌窩明顯。隨

6、著TiC顆粒含量的增加，斷裂機制轉(zhuǎn)變?yōu)門iC與α-Mg/β-Mgl7Al12脫粘機制即由界面控制，斷口中韌窩不再明顯。當TiC顆粒含量繼續(xù)增加，材料的斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)門iC顆粒團簇控制機制。 利用高溫自蔓延反應，以Al-Ti-C為反應體系在鎂合金熔體中原位合成了TiC顆粒，并與中間合金法制備的復合材料進行了對比研究。將Al、Ti、C粉料經(jīng)過壓塊、預熱后加入到780℃熔體中，經(jīng)過保溫、攪拌等工藝后鑄造得到復合材料。文中對原位合成Ti

7、C的機理進行了分析，認為增強體系中的Al加入到熔體后首先與Ti結(jié)合形成Al3Ti，Al3Ti進一步與C反應形成TiC。實驗確定，Al-Ti-C體系中Al含量為40wt％，Ti與C摩爾比為1:1，壓制成塊后預熱到500℃加入到780℃鎂合金熔體中制備的復合材料最好。 與中間合金法相比，原位法合成的TiC顆粒更加細小，平均尺寸在亞微米級，在基體中分散也更加均勻，較好的解決了顆粒團聚及沉降現(xiàn)象。原位法制備的復合材料抗拉強度最高可達18