超聲場下熔體反應合成鋁基復合材料的組織與性能.pdf

1、原位制備顆粒增強鋁基復合材料是復合材料研究領域的重點,如何選擇并優(yōu)化體系,控制顆粒增強相在基體中的形貌和分布特征對促進復合材料的發(fā)展非常關(guān)鍵。本文開發(fā)了鋁基原位復合材料的合成新體系Al-Zr-B2O3和Al-Na2B4O7-K2ZrF6,采用熔體反應合成法,成功制備了Al3Zr、ZrB2和Al2O3顆粒增強新型鋁基復合材料。利用DSC、OM、XRD、SEM、TEM等現(xiàn)代分析測試方法,分析了復合材料的相組成、凝固組織、內(nèi)生顆粒的特征與界面

2、結(jié)構(gòu)；研究了超聲場下Al-Na3B4O7-K2ZrF6體系原位反應合成復合材料的相關(guān)作用機制；通過復合材料的室溫拉伸試驗,分析了復合材料的斷裂機理。
　　 試驗結(jié)果表明,Al-Zr-B2O3體系在鋁合金熔煉溫度(600-1000℃)范圍內(nèi),原位反應生成了Al3Zr、ZrB2和Al2O3顆粒增強相。Al3Zr顆粒尺寸約為3～5μm,呈長條狀或棒狀；Al2O3顆粒尺寸細小,約為0.1μm,分布均勻；ZrB2顆粒形成溫度較高,達857

3、.7℃,且團聚傾向嚴重,尺寸在0.3～0.6μm之間。
　　 Al-Na2B4O7-K2ZrF6體系熔體原位反應生成了Al2O3顆粒增強相。復合材料SEM結(jié)果表明,Al2O3顆粒尺寸細小,約為20～100 nm。超聲場作用下復合材料中內(nèi)生Al2O3顆粒分散度得到改善,數(shù)目增多。在一定的超聲功率條件下(0.60kW),1～3 min超聲作用時間范圍內(nèi),隨著超聲作用時間的增加,內(nèi)生顆粒的數(shù)量先增大后減小,最佳超聲作用時間為2 min

4、,此時內(nèi)生顆粒體積分數(shù)最高。在一定的超聲作用時間下(2min),Al2O3(np)／Al復合材料隨著超聲功率的增加,內(nèi)生顆粒的體積分數(shù)先增大后減小,當超聲功率為0.60 kW時,內(nèi)生顆粒體積分數(shù)最高,分布最均勻。
　　 經(jīng)透射電鏡TEM研究進一步表明,Al-Na2B4O7-K2ZrF6體系復合材料中生成了γ-Al2O3增強相,顆粒呈近球形,尺寸約為20-100nm。復合材料中存在γ-Al2O3(040)／／Al(200),兩者錯

5、配度僅為0.8％,界面保持共格關(guān)系,結(jié)合良好,Al基體能依附于γ-Al2O3顆粒上結(jié)晶并長大。熔體原位生成的Al2O3(np)／Al復合材料中的位錯密度遠高于純鋁基體中的位錯密度,且位錯呈不規(guī)則分布。
　　 力學性能試驗表明,原位反應合成Al2O3(np)／Al復合材料的硬度值為40.0HV,較純鋁的提高了30.7％,施加超聲場后,復合材料的硬度值為58.4 HV,較未施加超聲場時復合材料的硬度值提高了46.0％。超聲場作用下A

6、l-Na2B4O7-K2ZrF6體系熔體原位合成的復合材料的抗拉強度σb和延伸率δ都得到了顯著的提高。當超聲作用時間為2min,超聲功率為0.60 kW時,復合材料的抗拉強度σb和延伸率δ均達到最大,分別為116.0 MPa和21.8％,較未施加超聲作用時復合材料的性能分別提高了52.6％與18.6％,室溫拉伸斷口形貌表明,復合材料的斷裂方式為部分韌窩+部分準解理的混合型斷裂,表現(xiàn)為塑性斷裂。復合材料的強化機制主要由細晶強化、Orowa