【正文】 、擠壓鑄造等 )、固態(tài)法 (粉末冶金、機械合金化等 )、雙相 (固 /液 )法 (噴射共沉積、半固態(tài) 攪拌鑄造 等 )。具體的制備 工藝方法如圖 12。 8 顆粒增強鋁基復合材料的制備方法液 態(tài) 法固 態(tài) 法雙 相 （ 固 / 液 ） 法攪 拌 鑄 造擠 壓 鑄 造粉 末 冶 金機 械 合 金 化噴 射 共 沉 積半 固 態(tài) 加 工 圖 12 顆粒增強 鋁基復合材料的制備工藝分類 本文僅對 上述 幾種常見的 鋁基 基復合材料（現今研究的較全面）的制備工藝方法及其特點進行評述。 （ 1） 粉末冶金法： 它是最早用來制備金屬基復合材料的方法，該方法的原理是將經 篩分、混合、冷壓固結、除氣的增強 顆粒物與基體金屬粉末充分混合 后再經過燒結、 熱擠壓或軋制變形制成零部件 的方法 [27]。 從上世紀 70年代 ，美國DWA復合材料專業(yè)公司就開始 研究利用 粉末冶金工藝生產 SiCp增強鋁基復合材料 ， 現 已達到商品化。 在我國由馬宗義、畢敬 [28]等人初步的研究了粉末法制備工藝對 SiCp/Al復合材料性能的影響，發(fā)現了 采用封閉非真空熱壓 制備材料可以提高其強度。 一系列的制備工序（制粉、冷壓固結、燒結） 及 比較嚴格的制備條件（溫度、壓力、真空環(huán)境） 等的 因數可以影響 增強相在 鋁基 的分布、結合能，進一步鋁基 復合材料的性能，同 時 受這些因數的 限制， 該方法也 不宜制備過大或形狀復雜的零件，制備周期長、成本偏高。 （ 2）攪拌鑄造法： 它是近年來使用最為廣泛的制備方法之一。還可以根據攪拌時基體金屬的狀態(tài)，可分為 全 液態(tài)攪拌 鑄造、 半固態(tài)攪 拌 鑄造和 攪熔鑄造[29]。其原理主要是通過 一定速度的攪拌使 顆粒 增強相與基體 金屬 液混合均勻 , 然后澆鑄成 型，從而得到高綜合性能的顆粒增強復合材料的一種制備工藝 [30]。 這種工藝 具有工序較少， 成本較 低，對設備要求不高，而且一般增強顆粒物都能適應 。 丁文江 [31]等人將 SiC 顆粒加入到鋁液中在固液兩相區(qū)內攪拌 ，制造成 SiC顆粒增強 A1 基復合材料 ， 測試結果表明，該復合材料具有 良 好鑄造性能，高力學性能，優(yōu)良耐磨性能等優(yōu)點。 研究表明 [32]： 攪拌過程中的 溫度、 加入增強 顆 9 粒 大小 和 數量 、 增強相與基體金屬液濕潤性問題 都對 復合材 料的組織結構 有很大的影響， 使 材料在制備的過程中 很容易吸氣而形成氣孔等現象，嚴重的影響該方法制備的復合材料的性能。 (3)噴射沉積法 ： 噴射沉積技術 (VCM)[33]是一種嶄新 較為成熟的鋁 基復合材料制備工藝，最初是由 20世紀 70年代初 Swansea大學 Singer教授開發(fā)，由 Osprey Metals 公司投入生產應用 [34]。 該 工藝 就 是 將液體 基體 金屬在高壓惰性氣體噴射 氣流 作用下霧化成微細顆粒 ，并與 增強體粉末 進行混合 ，使二者共同 快速凝固 沉積獲得復合材料的一種工藝 [35]。由于具有極高的冷卻速度， 很大程度上 可以 避免了增強顆粒與基體 金屬 的界面反應 和 宏觀偏析 現象， 使材料具有細小的等軸晶組織和優(yōu)良的綜合性能。 10 (4)原位復合法： 它是由高溫自蔓延技術不斷的發(fā)展而演變過來的， 原位復合法的工藝 原理是： 增強相是由事先加入的相應元素或組織與元素間發(fā)生反應生成的 ，且 均勻分布于基體 中 ， 從而 制備出相應的復合材料 的一種工藝 [36]。 由于強化相是基體內部 生成， 兩者之間 界面無污染， 原位匹配 比較理想，能夠爭強兩相的結合能力，是材料具有良好的熱力學性能 [37]。 這種工藝的優(yōu)點在于 簡化了生產工藝，降低 成本、污染小、 增強相與基體有很好的結 合性。但是 該工藝要求加入強化相的反應元素量要精確，需要嚴格工藝要求使反應生成強化相 ， 這一工藝過程 掌握 難度大 [38]。 表 幾種金屬基復合材料制備方法的優(yōu)點和缺點 方法 優(yōu)點 缺點 粉末冶金法 基體上不存在界面反應，質量穩(wěn)定，增強體體積分數（ Vf）可較高可選用細小顆粒增強體，增強體分布均勻，可實現近似無余量成型； 工藝程序多，制備周期長，成本高，降低成本的可能性小 攪拌鑄造法 工藝簡單，設備投資少，生產成 本低，可規(guī)?；a； Vf 有限（一般不超過 20%），顆粒一般不可能小于 10um，有界面反應的可能 性，增強體分布難以達到均勻化，有氣孔，只能制成鑄錠，因此需要二次加工； 噴射 沉積法 成型速度快，工藝周期短 工藝設備復雜、 原材料損失大、 成本高， 需要后續(xù)的加工 原位復合法 成本反應較低，增強體分布均勻，基體上無界面反應，可以使用傳統的金屬熔融鑄造設備，工藝周期較短； 工藝過程要求嚴格，較難把握，增強相的成分和體積分數不易控制； 顆粒增強 鋁基 復合材料 摩擦 磨損機制的研究現狀 據研究 [39]，材料的 磨損、腐蝕和斷裂 三種主要形式導致了 材料失效 ， 其中摩擦磨損 主要是由于相互接觸的材料在接觸面上發(fā)生阻 礙相對運動，導致表面材料的逐漸消失或轉移，所以摩擦磨損就成為在相對運動的機械裝置 內 材料失效的主要原因， 各種形式的磨損能引起 約 70％ ~80％的設備損壞 及 30％ ~50％的能源消耗。 隨著 20世紀 60年代 科技的發(fā)展 ， 鋁基 復合材料開始被 研究，發(fā)現了它 具有高 11 耐熱性、耐磨損 性 和抗老化 性 等 優(yōu)異 特點，隨著 復合方法的優(yōu)化和原理的研究，鋁基 復合材料在摩擦學領域方面所表現出的優(yōu)異性能越來越受到人們的重視，人們在試圖利用對 各種鋁合金 材料 與各種增強相 進行 復合化以改善其摩擦磨損性能的過程中取得可喜的進展 [40]。因此，利用 鋁 基復合材料具 有優(yōu)異的耐磨性能代替?zhèn)鹘y材料可以有效得阻止及減緩摩擦磨損造成危害。 對于 鋁 基復合材料， Si0 A120 纖維、晶須等增強的 鋁 基復合材料由于其優(yōu)異的耐磨性能、高強度和低密度被普遍應用于剎車盤、活塞等：如美國 Duralcan公司已用 SiCp/Al 復合材料成功地制造了汽車制動盤、汽車發(fā)動機活塞和齒輪箱等汽車零件 [41]；在 1982 年，豐田公司成功地在活塞的上部第一環(huán)槽連帶頂部邊緣局部應用 MMC，采用高壓鑄造法使 Al 液滲入到裝有 A1203SiO2 短纖維的預制件環(huán)塊的行腔中制成纖維體積含量為 %～ %的 MMC，由于良好的耐磨性能，使活塞的使用壽命大大提高 [42]。盧德宏 ,金燕萍等人采用壓力浸漬法制備了 20φ%SiC 和 12φ%Gr混雜增強 A356 基復合材料，在與 45 鋼對摩擦條件下，該種復合材料顯 現了優(yōu)異的耐磨性 ,分別是鋁硅合金基體的 68 倍和鑄鐵的 13倍；對配偶鋼的磨損輕微，分別是是鋁硅合金基體的 1/31/39 和鑄鐵的 1/21/5[43]。隨著對金屬基復合材料優(yōu)異的耐磨性能的研究，許多學者試圖確定、控制復合材料摩擦學性能的決定性現象，并著手系統化金屬基復合材料的摩擦學信息，在此基礎上產生許多關于復合材 料摩擦、磨損及潤滑的重要理論。 研究目的與主要內容 本文所研究的主要 是結合國家自然基金項目“高礦化度水質下三氧化二鋁顆粒增強鋁錳合金復合材料的沖蝕腐蝕機制研究” ， 50861008，開展對 Al2O3 顆粒增強鋁錳基復合 材料在正載荷、磨摩擦時間 /距離和干濕環(huán)境等影響因素下的滑動摩擦磨損性能的研究。并通過相應的滑動摩擦磨損率和摩擦系數的變化曲線，進一步分析 Al2O3 顆粒對鋁錳合金復合材料的摩擦磨損性能的影響 ，以其找到 提高鋁基復合材料 滑動摩擦磨損性能的 實際可行的方法 ，為進一步深入的研究工作奠定基礎。本文研究 的主要內容有： 12 （ 1） 采用攪拌鑄造工藝制備 出 含錳量為 1%左右 的鋁錳合金 和 Al2O3 顆粒增強鋁錳基復合材料 ，通過相關設備儀器準確地測試出材料的最終組織成分、結構及硬度、沖擊韌性等機械性能，并進行兩材料間的對比研究。 （ 2） 通過摩擦磨損試 驗機分別對 “ A00” 鋁試樣、 %Mn 合金試樣和 Al2O3顆粒增強 %Mn 基復合材料試樣進行 在正載荷、摩擦環(huán)境等變化因素下進行 滑動 摩擦磨損 試驗，并通過 得到大量磨損率和摩擦系數的試驗數據 ，再根據數據的變化曲線、 三種試樣 數據 的對比 圖和試樣摩擦磨損形貌電鏡照片 ，研究載荷、摩擦 環(huán)境等 外部 因數和 Al2O3 顆粒 的內部因數分別對 增強 %Mn基復合材料 的滑動摩擦性能 的影響和摩擦磨損機制的影響。 13 第二章 試驗理論基礎 金屬材料滑動 摩擦原理模型 圖 兩 金屬 材料 接觸并摩擦的原理模型 圖 為 兩 金屬 材料 接觸前的微觀截面放大圖形， 由圖中我們可以看出兩金屬 材料的表面 都 不光滑， 都是由具有 一定的 凸蜂與 凹谷相 互 組成。 從圖 下面可以看出， 隨著相互間的載荷作用下相互的接 觸， 實際 兩 金屬 材料間不是全部的接觸，只有少數的凸峰與另一表面相互接觸， 所以 兩 材料 表面的粗糙度、 材料性能、 負荷大小以及是否潔凈等 因素 直接影響著表面接觸點數 ， 影響著材料的摩擦磨損 。 當兩材料相對的運動時， 主要是接觸點發(fā)生相互的摩擦，凸峰慢慢的被磨平，產生的顆粒部分留在摩擦表面中 繼續(xù) 摩擦，進一步破壞材料表面，導致材料失效。 鋁基 復合材料摩擦磨損的 影響因素 滑動摩擦磨損 是一種材料滑動過程中的磨損形式，不屬于材料固有特性。在不同 的滑動條件和摩擦環(huán)境下，材料的摩擦磨損性能也不經相同， 說明材料摩擦磨損性能是與整個系統相關的特性，很多的因素 相互的作用 [44]?？偟膩碚f， 影響磨損過程的因 素主要包括外部因素 (如載荷、速度、環(huán)境因素等 )和內部因素 (如 14 基體組織、增強相性質等 )，同時對于 MMCs本身組織結構的復雜性，使得材料磨損性能在許多時候缺乏統一的認識，因此，需要更進一步的研究。 這里主要介紹了在本實驗中主要考慮的影響因素： 正 載荷、摩擦時間和 干濕 摩擦環(huán)境。 載荷 載荷因素對復合材料的摩擦磨損性能有很大的影響，隨著載荷增加，材料間由摩擦而生熱不能及時導出，使材料 表面溫度升高，軟化基體，摩擦率增加，嚴重影響材料的摩擦磨損性能 [45]。 所以一般復合材料存在臨界載荷，當超越 一定的臨界載荷時 ， 復合材料的 磨損機制 就會發(fā)生 改變，而引起材料 磨損嚴重， 磨損率 急劇 增加。 Alpas通過對 SiC20vol.%/A356和 Al2O320vol.%/6061等復合材料體系 的系統研究 [46]，發(fā)現了載荷作用下復合材料的摩擦磨損呈現 “三階段 ”的規(guī)律 ：在較低正載荷下時 ，復合材料首先從磨損接觸面積小，第二相顆粒承擔主要載荷，保護了基體，磨損機制以顯微切削為主，再到載荷產生正壓力足以壓碎第二相顆粒，使其失去作用，基體開始出現大的塑性變形，主要磨損機制為剝落磨損，最后在高載荷下，摩擦過程產生的熱量大幅度增加，使得摩擦副的表 面溫度急劇升高，材料軟化嚴重，磨損率急劇增加，主要磨損機制為粘著和剝層磨損。向對于復合材料的 基體而言，復合材料由于硬質第二相顆粒的加入提高了基體的高溫強度和熱穩(wěn)定性，提高了發(fā)生嚴重磨損的臨界載荷。 /距離 隨著摩擦磨損時 間 /距離推移，復合材料的摩擦磨損率越來越大，主要是由于材料摩擦表面連續(xù)摩擦，接觸點慢慢的磨平且摩擦面增多，摩擦系數也隨之變大，所以材料設備在長時間的運轉下，零件難免由于摩擦磨損而失效。 翟秋亞，徐錦鋒 [47]等人發(fā)現隨著滑動距離增加， Al2O3纖維增強鋁基復合材料摩擦表 面相互作用，摩銷前端變形量增大，出現形變坑，同時剝離出來的堅硬Al2O3磨粒并鑲嵌于其中，很容易在摩擦表面產生犁溝，從而加速鋁基復合材料的磨損。 環(huán)境 15 干濕摩擦環(huán)境 因素對材料的摩擦磨損性能有很大的影響，磨損機制也會有不同的改變。 如 在水環(huán)境下，主要是在 摩擦表面吸附著水起到一定的潤滑作用以及水能冷卻摩擦表面的溫度，減少基體的軟化，塑性變形也變少，同時水也有利于磨粒從摩擦表面間流出，減輕了材料的摩擦磨損 [48]。 賈均紅 [49]等人 通過對 NiSiC石墨系復合材料在水環(huán)境中的摩擦學性能，發(fā)現復 合材料在水環(huán)境中的摩擦系數比干摩擦降低了一半左右 ,磨損率僅為干摩擦下的 1/15,磨損主要表現為機械微切削。 磨損原理 材料間的摩擦必然會導致材料的磨損，并且磨損過 程 很復雜， 不同的外界影響因素都可能出現不同的磨損機制 ，造成的破壞程度也不同。 以基 體 材料磨損破壞的程度和過程等角度對磨損進行分類，把復合材料的磨損原理劃分為： (1)粘著磨損， (2)磨粒磨損， (3)氧化磨損， (4)剝層磨損 。 (1)粘著磨損 粘著磨損 [50]是 鋁基復合 材料 摩擦表面相對運動過程中，由 于載荷作用下表面接觸點會有塑 性變形和摩擦產生瞬間高溫，使兩種 材料 產生粘著， 造成一個表面材料逐漸分離出來并轉移到 另一個表面的現象。該磨損機制主要以涂抹、膠合等形式出現，以