攪拌反應(yīng)合成AL-Fe金屬間化合物強化鋁基復(fù)合材料.pdf

1、本文首先回顧了外加顆粒增強鋁基復(fù)合材料和反應(yīng)合成強化物增強鋁基原位復(fù)合材料的研究進(jìn)展，指出當(dāng)前鋁基復(fù)合材料研究中存在的問題。對反應(yīng)生成的原位鋁基復(fù)合材料的研究表明，原位反應(yīng)合成技術(shù)可以改善強化相與基體鋁合金之間的潤濕性，強化界面連接，提高材料的綜合機械性能。由此，本課題首次采用了攪拌鑄造技術(shù)，制備了Al3Fe(p)/Al與Al3Fe(p)+Al2O3(p)/Al復(fù)合材料，并對與新復(fù)合材料開發(fā)相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 對3Al

2、(l)+Fe(s)→Al3Fe(s)和8Al(l)+Fe2O3(s)→Al2O3(s)+2Al3Fe(s)反應(yīng)體系的熱力學(xué)和動力學(xué)分析和計算表明，兩種復(fù)合材料的制備在理論上是可行的。并指出了影響反應(yīng)進(jìn)行速度的主要因素是熔體中分散包裹的加入粉末團的尺寸大小、有無攪拌剪切力作用、反應(yīng)進(jìn)行時的熔體溫度。其中，粉末團尺寸大小與徹底完成反應(yīng)所需時間的關(guān)系最大，大尺寸粉末團將大大延長反應(yīng)時間。氧化鐵粉末由于極易團聚成大尺寸粉末團，不易分散細(xì)化，大大

3、增加了其徹底反應(yīng)所需的時間。試驗也驗證了對兩種反應(yīng)體系的熱力學(xué)分析和動力學(xué)分析是正確的。 文中確定了有利于強化相和加入粉末極大程度分散化的專用攪拌設(shè)備，制定了攪拌鑄造Al-Fe原位鋁基復(fù)合材料的制備工藝。攪拌設(shè)備的特殊之處在于使用了振蕩篩分散加入粉末和更換組合式攪拌器來提高對混合熔體的剪切效果，工藝的特別之處在于一定溫度下的保溫攪拌過程，這二者均能提高強化相在純Al基體中的均勻分布。 根據(jù)攪拌動力學(xué)分析的結(jié)果，研究了攪拌

4、過程中對金屬間化合物Al3Fe強化相尺寸大小和分布均勻度的影響的因素，確定了攪拌設(shè)備和攪拌過程的幾個重要參數(shù)，并對攪拌工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。在專用攪拌設(shè)備與優(yōu)化設(shè)計后的攪拌方案共同作用下，能獲得具有細(xì)小的強化相，且強化相粒子在熔體中分布均勻的半固態(tài)鋁基原位復(fù)合材料漿料。 利用固-液反應(yīng)合成技術(shù)和攪拌技術(shù)，并結(jié)合金屬型激冷鑄造工藝，制備出了Al3Fe粒子、Al3Fe粒子+Al2O3微粒強化的純Al基原位復(fù)合材料。金相分析表明，Al3

5、Fe粒子在Al+Fe復(fù)合材料中存在初晶和共晶態(tài)，共晶態(tài)均以細(xì)小針狀或短線狀分布，初晶態(tài)的形狀與Fe粉加入量和保溫攪拌溫度有關(guān)。加入量少，保溫攪拌溫度在Al-Fe二元合金液相線以上，則形成的初晶Al3Fe呈短蠕蟲狀；Fe加入量大，保溫溫度在液相線以上，初晶Al3Fe以平面方式生長，復(fù)合材料中的初晶Al3Fe呈塊狀或粒狀，尺寸較大(10μm以下)。Al+Fe2O3復(fù)合材料中，初晶Al3Fe均呈星狀或菊花狀，細(xì)小Al2O3粒子的先析出，使共晶

6、Al3Fe呈點狀，尺寸極小。由于得到的復(fù)合材料的強化相尺寸相對更小，分布更均勻，Al+Fe2O3復(fù)合材料表現(xiàn)出比Al+Fe復(fù)合材料更高的結(jié)構(gòu)強度。 系統(tǒng)研究了增強相對Al基原位復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響。Al-Fe復(fù)合材料的屈服強度和極限強度隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大和顆粒尺寸的減小而增大。通過對不同的復(fù)合材料強化機理模型分析表明，強化相顆粒通過連續(xù)統(tǒng)一基體觀點而承載外加載荷的作用十分有限；對于Al+Fe反應(yīng)形成的復(fù)合材料，因為熱錯配引

7、起的位錯強化和細(xì)化純鋁基體晶粒強化是復(fù)合材料強度提高的主要原因；對于Al+Fe2O3原位復(fù)合材料，Al2O3微粒尺寸和共晶Al3Fe尺寸極小，Orowan強化機制、位錯強化和細(xì)化基體晶粒強化共同作用，大大提高了材料的力學(xué)性能。 對Al-Fe復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性試驗結(jié)果表明，增強相顆粒在580℃以下能長時間保持尺寸的穩(wěn)定性；而在580℃以上，穩(wěn)定性降低，強化相粗化速度增大，并且Al3Fe顆粒的粗化速率隨顆粒體積分?jǐn)?shù)增大而增大。Al-