原位合成法制备tic2618铝基复合材料显微组织和性能研究

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1、东南大学博士学位论文原位合成法制各TIC／2618铝基复合材料显微组织和性能研究摘要颗粒增强铝基复合材料具有高的比强度和比模量，良好的高温性能和耐磨性能好，咀及热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优点，而且它的制备成本低于连续纤维增强铝基复合材料，可用于国防、航天航空、汽车工业及其他结构材料，近20年米受到材料科学研究工作者的广泛重视。本文采用常规变形铝合金中耐热性能最好的2618(ZA70)铝合金作为基体，采用原位合成法制备了TiC和A13Ti颗粒原位增强铝基复合材料，以求进一步提高2618铝合金的高温力学性能和耐磨损性能。研究中运用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDAX)

2、、X射线衍射分析(XRD)、等离子耦合光谱(ICP)、原位拉伸(In．situTension)等多种现代分析和测试手段，较系统研究了颗粒相的加入对复台材料微观组织、力学性能和耐磨损性能的影响和作用机制，并通过建立复合材料的有限元分析的计算细观模型，分析了颗粒相的加入对拉伸过程基体中应力场分布的影响，并预测了TiC颗粒增强2618铝基复合材料的力学性能。对TIC／2618复台材料熔铸工艺的研究表明，以A1．Ti．C预制块作为反应原材料，在900℃下熔炼．复合材料中除禽有原位合成的TiC颗粒外，还存在反应的中间产物一长条状的Al3Ti相，而当反应温度升高到1300℃，反应产物中只存在TiC颗

3、粒相。增加预制块中的A1粉含量或减小Tl粉粒径均可减小TiC的颗粒尺寸。在实验工作的同时，本文针对A卜Ti—C预制块在铝熔体中可能发生反应进行了热力学和动力学分析，结果和实验结果基本一致，这表明热力学和动力学分析对增强体颗粒的选择具有一定的指导意义。此外，制彳}r的复合材料的室温和高温强度都比基体有一定幅度的提高，但中间产物A13Ti相的存在会降低TiC颗粒的强化效果。在相同颗粒体积分数的条件r，TiC颗粒尺寸的减小则会进一步提高复合材料的室温和高温强度。本文重点研究了TiC颗粒的加入对复合材料显微组织和性能的影响。结果表明，TiC颗粒的加入可以明显细化基体铸态组织，阻碍热加工过程中再结

4、晶晶粒的形成和长大；TiC颗粒可以提高复合材料室温强度，同时使拉伸延伸率下降，而且随TiC颗粒含量的增加，复合材料的强度进一步提高，而塑性也相应下降；高温下复合材料强度和延伸率随TiC颗粒含量的变化规律和室温下的规律相似；此外，TiC颗粒的加入还可以明显提高复合材料的高温抗蠕变性能，降低稳态蠕变速率，延跃蠕变寿命。原位观察2618基体和TIC／26l8复合材料的断裂行为发现，2618基体合金在拉伸过程中，其本身所包含的AI-FeNi相首先开裂，但其裂纹并不向基体中扩展，其断裂主要是由于裂纹在基体中萌生私扩展而导致，而TIC／2618复合材料的裂纹首先在颗粒富集区和基体内形成，但基体中裂纹

5、的扩展较为迅速。在基体中扩展后．却受到周围颗粒相的限制，并不能发展成为主裂纹。颗粒附近的裂纹虽然开始时扩展缓慢，但随拉伸应力增加到一定值后，其裂纹快速扩展并发展成为主裂纹，并导致复合材料最终断裂。断口分析表明，基体和复合材料在室温和高温下均为微孔聚集型塑性断裂。TiC颗粒的加入，使得韧窝数目东南大学博士学位论文增多而尺寸减小，这和复合材料塑性下降相一致。本文还探索了利用Ti02粉末作为原材料，采用熔体直接反应法制备A13Ti颗粒增强铝基复合材料的熔炼上艺，实验结果表明，在900℃下，Ti02粉末和AJ反应合成Al，Tj颗粒，但由于反应中A1203的形成．阻碍了反应的继续进行，使得熔体中T

6、i的含量较低．在Ti02粉末中加入一定量的Na3AIF6，可以明显提高熔体中的Ti含量。A13Ti颗粒的形成可以明显细化纯A1基体，使得复合材料铸态室温强度明显提高，细晶强化是其主要强化机制。本文采用上述工艺成功制备了A13Ti／2618复合材料，并发现A13Tl颗粒也可以作为异质形核核心细化基体组织，井在一定程度上提高复合材料的室温和高温强度。和TiC颗粒的强化效果相比，由于AI，Ti颗粒尺寸较大，其强化效果低于TiC颗粒的强化效果，对复合材料塑性的损害也高于TiC颗粒。原位拉伸观察表明，在AI3Ti／2618复合材料中，主裂纹是通过粗大的A13Ti颗粒相并快速扩展而导致断裂，并使得复

7、合材料的塑性大大降低。TIC／2618复合材料及A13Ti／2618复合材料在油润滑条件下的滑动磨损实验表明．随颗粒相的加入，两种复合材料的耐磨性能明显优于基体合金和耐磨黄铜，并随颗粒含量的增加，复合材料的耐磨性能进一步提高。对磨损表面和亚表面的SEM观察表明，基体及复合材料均为粘着磨损耵f磨粒磨损共同作用的结果。本文还利用有限元分析方法分析了TIC／2618复合材料在拉伸过程中的弹塑性变形过稃，并分析r颗粒含量、分布及形状对复合材