【正文】 鋁錳合金應用及研究現(xiàn)狀畢業(yè)論文第一章 緒論隨著科學技術不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會對材料綜合性能的要求越來越高，尤其在航空航天、汽車工業(yè)、精密儀器等工業(yè)領域。在這種背景下，顆粒增強鋁基復合材料以其具有高比強度、比剛度、低熱膨脹系數(shù)、良好耐磨性能等優(yōu)異性能受到各國科研機構(gòu)及人們的廣泛關注和研究。至今，在很多實際應用中，亦有不俗的表現(xiàn)，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。我們這里主要顆粒增強鋁基復合材料在較高抗腐蝕性和耐磨性上的應用，主要表現(xiàn)在將鋁基復合材料應用在輸送管道和剎車輪、活塞等需要搞耐磨性的重要部件。同時隨著國家的大興節(jié)水灌溉工程，需要大量的配套設備，包括噴灌機具、管材、灌水器、過濾器和防滲塑膜等，但是由普通鑄鐵、鋁合金、黃銅等傳統(tǒng)材料制備出來的配套設備都存在沒有很好的穩(wěn)定摩擦性能，使用壽命都比較短等缺點，尤其是在我國條件惡劣的干旱地區(qū)使用時段時間內(nèi)就要更換，大大地增加成本，對于發(fā)展一系列低成本、高性能、壽命長的新型材料是國家迫切的要求。本論文主要是結(jié)合國家自然基金項目“高礦化度水質(zhì)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”，批準號：（50861008），通過對顆粒增強鋁基復合材料的摩擦磨損性能進行了研究，初步分析了相關的實驗現(xiàn)象，為進一步的研究工作奠定基礎。本文通過研究鋁錳合金以及以它為基體添加Al2O3作為增強體制備的顆粒增強鋁基復合材料的摩擦磨損性能，了解材料的摩擦磨損行為以及磨損機制，分析影響材料摩擦磨損性能的主要因素，以期尋找提高材料摩擦磨損性能的途徑，擴展材料的使用領域。目前顆粒增強鋁基復合材料在軍用和民用領域正在發(fā)揮著越來越重要的作用。對于航空航天、先進武器系統(tǒng)、醫(yī)療器械、汽車工業(yè)、電子工業(yè)、精密儀器以及和體育用品等方面，顆粒增強鋁基復合材料亦有不俗的表現(xiàn)，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益[3]。在我國干旱的地區(qū)使用大量的節(jié)水灌溉部件，每年因摩擦所造成的磨損很大，我們希望在不久的將來由顆粒增強鋁基復合材料制成的節(jié)水灌溉部件。純鋁的力學性能不高，不適宜制作承受較大載荷的結(jié)構(gòu)零件。為了提高鋁的力學性能，在純鋁中加入某些合金元素制成鋁合金，鋁合金仍保持純鋁的密度小和抗腐蝕好的特點，而力學性能比純鋁高的多[1]。鋁合金可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金[2]。由于本文的需要，主要研究變形鋁合金內(nèi)容。，變形鋁合金主要通過熔煉注成鑄錠后，再經(jīng)熱擠壓加工形成各種型材、棒材、管材和板材來使用。常用變形鋁合金中合金元素含量比較低，這樣合金中就不會有過多的脆性第二相，影響合金的冷熱加工工藝性能[3]。 主要的變形鋁合金的成分、特點及型號[4]變形鋁合金不能熱處理強化鋁合金防銹鋁AlMn抗蝕性、壓力加工與焊接性能好、但強度較低3A21AlMg5A05可熱處理強化鋁合金硬鋁AlCuMg力學性能高2A12A12超硬鋁AlCuMgZn室溫強度最高7A07A09鍛鋁AlMnSiCu鍛造性能好耐熱性能好2A12A502A70、2A80AlCuMgFeNi在鋁合金系列中，3XXX系Al合金也就是鋁錳系合金，應用的比較廣泛，錳是合金中唯一的主合金元素，[4]。（質(zhì)量分數(shù)%）牌號SiFeCuMnMgZn3003~~3004~~3005~~3105~~ 鋁錳二元相圖從Godeeke和Koster給出的鋁錳二元相圖[6]中可以看出：隨著合金中錳含量的降低，合金熔點逐漸下降，基本下降到共晶溫度6580C，%左右的變形性鋁錳合金，在這個Mn含量主要經(jīng)歷的是鋁錳間共晶作用?！婀簿囟葧r，%，隨著錳含量的增加，AlMn合金強度不斷增加，同時AlMn合金是非時效硬化合金，即不可熱處理強化[7]。雖然AlMn合金的強度是隨著Mn含量的增加而提高，%~%的Mn，因為這時不但AlMn合金具有高強度，而且有良好的塑性和工藝性能；%時，采用常用鑄造方法制備的AlMn合金會形成粗大、硬脆的Al6Mn化合物,其力學性能和塑性急劇下降，嚴重得影響合金的機械性能和加工工藝性能[8]；當Mn含量過低則會明顯降低制品的力學性能。有這一現(xiàn)象的主要原因是：錳元素能阻止鋁合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，形成MnAl6化合物彌散質(zhì)點對再結(jié)晶晶粒長大起阻止作用，同時也起到細化再結(jié)晶晶粒。合金的再結(jié)晶溫度隨著Mn含量的增加相應地提高，由于鋁錳合金具有很大的過冷能力，因此在快速冷卻結(jié)晶時，產(chǎn)生很大的晶內(nèi)偏析，Mn的濃度在枝晶的中心部位低，而在邊緣部位高，當冷加工產(chǎn)品存在明顯的Mn偏析時，在退火后易形成粗大晶粒[9]?？偟膩碚f，%~%范圍里，這樣錳元素的加入還可以提高鋁合金的力學性能而又不會使鋁合金的耐蝕、導電、導熱性、加工性和抗腐蝕性等下降，所以AlMn合金也被廣泛地應用于包裝材料、熱交換材料、感光材料、裝飾材料、焊接材料等各個方面[3]。 鋁錳合金的研究進展由于鋁錳系合金特點，生產(chǎn)和生活中應用很廣。近些年來，隨著進一步的研究，鋁錳合金的性能得到進一步的提高，同時開發(fā)利用取得了深層次的、多方面的發(fā)展。主要的研究方面：（1）鋁錳合金中其它元素的影響[10]Fe：Fe能溶解于MnAl6中形成（FeMn）Al6化合物，從而降低Mn在Al中溶解度。%%Fe，但Fe+%，可以有效地細化板材退火的晶粒，否則，形成大量的粗大片狀（FeMn）Al6化合物，會顯著降低合金的力學性能和工藝性能。Si：Si是有害雜質(zhì)，Si與Mn形成復雜三元相三元相T(Al12Mn3Si2),該相也能溶解Fe，形成（Al、Fe、Mn、Si）四元相。若合金中Fe和Si同時存在,則先形成骨骼狀α相(Al12Mn3Si2)或針狀β相(Al9Fe2Si2),破壞了鐵的有利影響。%以下[11]。Cu：%%Cu，可以顯著提高其抗拉強度，但含量少量的Cu（%），便能使合金的耐蝕性能降低，%以下。Mg：少量的Mg（=%）能顯著地細化鋁錳合金退火后的晶粒，并稍許提高其抗拉強度。但同時也損害了退火材料的表面光澤。稀土元素：稀土元素直接影響著合金再結(jié)晶過程，由于稀土元素占據(jù)合金點陣中錳元素的位置，使得更多錳以化合物形式析出，(FeMn)Al6相增多，錳在合金中的固溶含量相對降低,使合金再結(jié)晶溫度降低，同時加速了再結(jié)晶過程，使合金再結(jié)晶過程提前[3]。（2） 晶粒細化晶粒細化是對材料的綜合性能提高有積極的作用，為了改善和提高鋁錳合金的性能,開發(fā)了多種晶粒細化的方法。至今，主要的晶粒細化方法有：外來形核質(zhì)點法(如添加AlTiB、AlTi、AlRE、AlB等)；內(nèi)生形核法(如快速凝固法、電磁作用、超聲波振動、徑轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)法等)[1213]。一般加入到鋁錳合金中細化劑主要是AlTi合金、AlTiB合金等。鐵、錳可使鈦在鋁中的溶解度減小,鈦過量很容易對合金的性能造成不良影響,%。加細化劑AlTiB中間合金時,合金中的金屬間粒子TiAlTiB2和(Al,Ti)B2起異質(zhì)形核中心的作用,最終形成細小的等軸晶,這些粒子的大小及分布對合金的細化能力起著決定性的作用。在這一些方法中，對于鋁合金,等徑轉(zhuǎn)角擠壓(ECAP)法是優(yōu)于其他方法。其原理是利用兩個相交的等徑通道組成的擠壓模具，使金屬獲得最大的塑性純剪切應變。等徑轉(zhuǎn)角擠壓法制備的鋁錳合金隨后經(jīng)適當?shù)臒崽幚砉に囂幚砗螅?顯著地提高鋁錳合金的硬度及強度，并且細化晶粒保持較高的熱穩(wěn)定性，同時等徑轉(zhuǎn)角擠壓方法可用于大規(guī)模的生產(chǎn)過程[14]。由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的單一材料,經(jīng)一定的復合方法所得到多相材料稱作復合材料[15]，而鋁基復合材料主要是以鋁合金為基體相中加入增強相。這樣可以各相之間相互協(xié)同、取長補短，由高強度、高模量的強化相來提高鋁合金的硬度，耐磨和耐高溫等性能，同時保存原有鋁合金的性能，綜合性地提高材料的物理性能和力學性能。縱觀鋁基復合材料的發(fā)展，從增強相看，最先研究的是硬質(zhì)顆粒（SiC顆粒、WC顆粒、A1203顆粒等），再次為晶須和纖維（C纖維、SiC晶須等）；從增強相加入的方式看，最先研究的是強制加入，到后來的原位生成，制造技術難度也越來越大，材料綜合性能越優(yōu)良[16]。 由于鋁基復合材料具有良好的綜合性能，在很多領域得到廣泛應用，如在汽車工業(yè)、航空航天、電子等領域。由于理論和技術的日漸成熟，鋁基復合材料產(chǎn)品在一些領域已經(jīng)商業(yè)化或正在商業(yè)化開發(fā)。(1)在汽車工業(yè)中的應用：隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對材料的性能的要求越來越高，具有良好的機械性能還保持材料輕量化的特點。由于鋁合金是傳統(tǒng)的輕質(zhì)材料，相對應的鋁基復合材料也保持輕質(zhì)的特點，同時還具有需要良好發(fā)熱耐磨、抗腐蝕、耐熱和尺寸穩(wěn)定性，所以現(xiàn)在的顆粒增強和短纖維增強的鋁基復合材料被廣泛得用于汽車工業(yè)。汽車工業(yè)的發(fā)展，對材料的要求，這就為鋁基復合材料的發(fā)展提供了廣闊的應用前景[15]。1983年日本豐田公司利用Al2O3∕Al復合材料制備了發(fā)動機活塞[16]，比傳統(tǒng)鑄鐵發(fā)動機活塞重量減輕了5%10%，熱導性提高了4倍，開啟了鋁基復合材料進入汽車工業(yè)的大門，開始大力研究鋁基復合材料的活塞、缸套、連桿和銷釘?shù)炔考＠肧iCP/Al或SiC/Al復合材料成功地制造了上述的零件，其結(jié)果表明新型的鋁基復合材料在耐磨性能、降噪性能、散熱性能上均比原用材料有很大改善[1718]。由于鋁基復合材料像鋁合金一樣具有良好的耐腐蝕性，我國正利用鋁基復合材料于摩托車剎車箍上,可以減少因腐蝕而減低剎車效率，同時取得了減輕重量的效果。(2)在航空航天及軍工領域的應用：鋁基復合材料不會出現(xiàn)高分子復合材料常見的老化現(xiàn)象和在高真空條件下釋放小分子的特點，克服了樹脂基復合材料在航宇領域中的使用時存在的缺點，成為各國高新技術研究開發(fā)的重要領域。6061Al合金/石墨纖維P100板材擴散連接而成的Gr/Al復合材料Hubble太空望遠鏡的高增益天線懸架。采用無壓滲透法制備的碳化硅顆粒/鋁基復合材料的熱導率可高達180W/(m*K)，從而降低了電子模塊的工作溫度，減少了冷卻的需要，所以被廣泛的應用到歐洲“臺風”戰(zhàn)斗機、EA6B“徘徊者”預警機、ALE50型誘餌吊艙等航空器，以及摩托羅拉銥星、火星“探路者”和“卡西尼”深空探測器等航天器中。美國ARCO化學公司所屬的先進復合材料分公司ACMC生產(chǎn)的30%35%。SiC/2024A1復合材料，抗拉強度達800MPa，屈服強度達690MPa，彈性模量高于150GPa，都大大高于基體合金，且熱膨脹系數(shù)很低，可用來代替Al合金、Ti合金等制造各種飛機結(jié)構(gòu)件，如直升飛機起落架、翼前緣加強筋和大的通用J下弦形梁。(3)在電子器件、精密儀器和光學儀器中的應用：SiC／Al基復合材料熱膨脹系數(shù)和密度低，導熱性能良好，因此己用來制造電子器材、散熱片等電子器件。美國亞利桑那大學研制了一種超輕空間望遠鏡，采用SiC／A1復合材料制造行架，支架、和副鏡等，使重量大大減輕。此外，現(xiàn)己用復合材料制造出了慣性導航系統(tǒng)的精密零件、旋轉(zhuǎn)掃描鏡、紅外觀測鏡、激光鏡、激光陀螺儀、反射鏡、鏡子底座和光學儀器托架等精密儀器和光學儀器[25]。在上世紀60年代，自從鋁基復合材料的出現(xiàn)，其制備工藝也不斷得到改進，主要是為了使鋁基復合材料中強化相更為均勻的分布于基體組織，從而得到更為優(yōu)秀的力學性能和機械性能。到目前為止，已經(jīng)有很多的工藝方法來制備鋁基復合材料，相對的還比較完善。主要[26]有：液態(tài)法(攪拌鑄造、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。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(xiàn)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(jīng)篩分、混合、冷壓固結(jié)、除氣的增強顆粒物與基體金屬粉末充分混合后再經(jīng)過燒結(jié)、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(chǎn)SiCp增強鋁基復合材料，現(xiàn)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(xiàn)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(jié)、燒結(jié)）及比較嚴格的制備條件（溫度、壓力、真空環(huán)境）等的因數(shù)可以影響增強相在鋁基的分布、結(jié)合能，進一步鋁基復合材料的性能，同時受這些因數(shù)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(jù)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(nèi)攪拌，制造成SiC顆粒增強A1基復合材料，測試結(jié)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、加入增強顆粒大小和數(shù)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(jié)構(gòu)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(xiàn)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(chǎn)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